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1、基于 ARM 的嵌入式图像采集处理系统及其无线传输引言：嵌入式图像采集处理系统具有体积小、成本低、稳定性高等优点，在智能交通、电力、计算机视觉、通信等领域应用广泛。本文结合嵌入式图像处理系统的课题，提出了一种完整的嵌入式图像采集处理系统的解决方案。1 系统构成整个系统由 USB 图像采集、ARM 系统，主USB、ARM 端的图像显示、无线传输等几部分组成，如图 1 所示。图 1 嵌入式图像采集处理系统构成USB 图像采集负责图像的采集和传输，用CPLD 作为图像采样控制器，通过 USB 传输到 ARM进行图像压缩或者图像处理，在 LCD端可以显示图像。ARM 处理器可以通过多种方式向远程计算机
2、传输压缩的图像或者图像处理的结果。本课题成功研究了通过蓝牙、USB 无线网卡和以太网等多种接口进行图像数据的传输，以适合特殊场合的特殊需要。2 系统研制2.1 基于 ARM 的软硬件平台我们开发了 ARM7 开发板（处理器为 SamSung公司的 ARM7TDMI 内核的 S3C4510B，数据位宽是32 位，主频可达 50MHz）作为中低端嵌入式系统的硬件平台。开发板分上下两块插板，上面为 ARM7六层 PCB 核心板，核心板将处理器的大部分引脚引出，可以根据实际的项目需求灵活地设计下面的双层 PCB 板。ARM7 开发板选用了 8MB 的 SDRAM、4MB 的闪存、带有一个 10M/10
3、0M 以太网接口、两个串行口、一个 JTAG 调试口、两个主 USB 口、一个液晶显示接口，如图 2 所示。我们选用了免费的Clinux 操作系统，选用了最新的 Linux2.4 内核，特别适合嵌入式操作系统的软件开发。图 2 ARM 的硬件平台及接口要想让 ARM 启动，就要进行 Bootloader 的编写，Bootloader 主要完成对部分寄存器进行设置，然后把控制权交给 Clinux 操作系统。首先，根据实际需要对 S3C4510B 的五个寄存器进行初始化，它们分别是 SYSCFG、EXTDBWTH、ROMCON0、DRAMCON0、REFEXTCON，这些寄存器主要根据SDRAM
4、和 Flash 参数、系统配置等进行设置。根据图 2 中给出的的芯片型号，正确的配置是 SYSCFG 0xE7FFFFA0 ， EXTDBWTH 0x00003002 ，ROMCON0 0x1C060060 ， DRAMCON0 0x08000301，REFEXTCON0x9C298360。其次，初始化 ARM 的串行口部分和部分 I/O 口，以便于通过超级终端和用户进行通信。再次，需要跳转到Clinux 启动入口地址处，把控制权交给 Clinux 操作系统。我们选用了 Clinux 作为操作系统，移植Clinux 到相应的硬件上。一般需要修改和硬件、启动相关的三个文件，它们分别是：linux
5、-2.4.x/arch/armnommu/boot/compressed/head.Slinux-2.4.x/include/asm-armnommu/arch-samsung/hardware.hlinux-2.4.x/arch/armnommu/config.in要想让主 USB、液晶屏、无线网卡能在 linux 2.4下正常工作，需要在 Drivers 目录下加入这些设备的驱动程序。一般 Linux 内核启动时都要调用各个设备的驱动程序的初始化函数对设备进行初始化，需要为该设备分配一个主设备号和从设备号，不要与已有的设备号重复，然后新建一个设备文件。在相应的目录下添加设备驱动文件，修改相
6、应的Config.in 和 Makefile 文件，在内核编译时加载相应的设备驱动程序，生成的 Clinux 二进制文件烧写进闪存，就能使用各种外部设备。2.2 USB 图像采集整个 USB 图像采集部分由视频 A/D 转换、图像信号的处理和控制、USB 传输等三部分组成。对视频 A/D 转换（SAA7111A）的初始化是通过 Cypress 公司的 EZUSB 所提供的一对 IIC 引脚SDA 和 SCL 进行的，在 USB 固件程序中进行 IIC通信程序的编写。在 ARM 上，应用程序通过 USB向 CPLD 发送图像采集命令，CCD 摄像头输出的PAL 制式或 NTSC 制式的模拟视频信
7、号通过 A/D 转换芯片转换成数字视频信号，用 CPLD 作为采样控制器，在 CPLD 中用 Verilog 编写程序，完成图像的采集、存储和传输控制。CPLD 与 USB 接口部分有七个部分构成，如图3 所示。开始线用于拍摄控制，它可以向 CPLD 发出图像采集命令，CPLD 把当前的奇数场图像存储在静态存储器 ODD 中，把当前的偶数场图像存储在静态存储器 EVEN 中；当一帧的数据全部存储完以后，发出中断信号通知 USB 芯片；同时用状态线指示状态，当状态线为低电平时，表明 USB 可以从静态存储器中读数据，当状态线为高电平时，表明CPLD 正在向静态存储器中写数据；选择静态存储器ODD
8、 线用于选择从静态存储器 ODD 中读取奇数场的数字视频信号；选择静态存储器 EVEN 用于选择从静态存储器 EVEN 中读取偶数场的数字视频信号；CPLD 输出的数据线连接至 USB 和静态存储器芯片，再通过 USB 传送到 ARM；快速读时钟线是USB 快速读写方式输出的读选通信号，作为静态存储器的时钟，每来 1 个时钟脉冲，地址值就加 1，然后将对应地址单元中存储的数据通过 USB 传输到 ARM上。图 3 USB 图像采集在 ARM 端，应用程序通过 USB 接收原始的奇数场和偶数场图像数据，等接收完奇数场和偶数场图像数据后，应用程序把它们组成完整的一帧图像，进行图像压缩或者图像处理，
9、然后进行图像的无线传输。2.3 ARM 与 LCD 接口由于 S3C4510B 没有自带 LCD 接口，所以需要通过 S1D13506 芯片连接 ARM 与 LCD。硬件电路的实现如图 4 所示，电路分三部分：第一部分是S1D13506与CPU总线的接口，包括地址信号AB1.20、数据线DB0.15、控制线 WE0、WE1 、RD 、 RD/ WR、BS 、CS 、WAIT 、RESET、M/ R，以及总线时钟BUSCLK。S1D13506在复位的上升沿时，通过MD0.15对S1D13506进行配置。MD1.3和 BS 必须通过15k 的电阻上拉到电源。S1D13506 的 RESET 连接到
10、 ARM 的 nRESET ，在ARM上电复位时，复位 S1D13506。S1D13506的BUSCLK 连接到 ARM的 SDCLK ，上拉 MD12 ，把BUSCLK时钟信号进行二分频，用作S1D13506的时钟信号。S1D13506的地址信号AB1.20、数据信号DB0.15 连 接 到 ARM 的 ADDR1.20 、XDATA0.15，上拉MD4，选择小端配置。ARM的ADDR21连接到S1D13506的 M/ R，用于选择读写的是存储器还是寄存器。S1D13506的WE0、WE1、RD 、R D/ WR分别连接到ARM的nWBE0、nWBE1、nOE、nOE，这样ARM每次读写的是
11、16位的数据，通过和0xff00相与读写高8位数据，通过和0x00ff相与读写低8位数据。S1D13506映射到ARM的外部设备1，因此S1D13506的 CS 连接ARM的nECS1。S1D13506的 WAIT 连接到ARM的nEWAIT，MD4内部下拉，当接收或者发送数据需要比ARM寄存器中定义的时钟周期更多时，S1D13506在WAIT引脚上输出低电平信号，指示ARM等待S1D13506。第二部分是S1D13506和EDO-DRAM之间的接口，包括16根数据线和10根地址线，读信号 RAS 和写 信 号 WE 。 由 于 采 用 的 是 1M 16 位 的EDO-DRAM，因此还有高低
12、字节选择信号 UCAS ，LCAS 来确定读写的是高字节还是低字节。在S1D13506的寄存器中配置好，就能够用2MB的显存。第三部分是S1D13506与液晶屏LCD的连接。S1D13506输出的是八位数字信号，高4位接LCD的UD0.3，低4位接LCD的LD0.3。S1D13506的帧脉冲信号FPFRAME、行脉冲信号FPLINE、时钟移位信号FPSHIFT、输出允许许信号DRDY分别和LCD连接，用于显示图像信号。2.4 ARM 与主 USB 接口ARM CPU 与主 USB（SL811HS）的接口如图5 所示，其中 SL811HS 的 nDRQ 和 nDACK 用于DMA 传输，SL81
13、1HS 的 INTRQ 连接到 ARM 的外部中端 XINTREQ1。SL811HS 的 M/S 接地，用作为 USB 主设备。图 4 ARM 与 LCD 接口图 5 ARM 与 USB 接口ARM 的 ADDR9 连接到 SL811HS 的地址线 A0，用于选择是读写数据缓冲区还是寄存器。此外，nRD、nWR、nCS 分别是 SL811HS 的读、写、片选信号。2.5 无线传输部分2.5.1 蓝牙ARM 通过串口对 ROK101008 蓝牙模块发送六条 HCI 指令，就能把它初始化蓝牙从设备。蓝牙从设备能与主机端的蓝牙主设备进行无线数据传输，主机端安装有蓝牙网关，能接入以太网，因此可以把图像
14、数据传输到远程的计算机。下面详细描述对蓝牙从模块进行初始化的 HCI命令，这些蓝牙 HCI 指令可以参照蓝牙协议（1.1版本）的主控制器接口规范。（1） Rese：软件复位，复位蓝牙主控制器、链路管理和无线设备。对应的十六进制为：01 03 0C 00（2） Write Scan Enable：写入 Scan_Enable 结构参数值（0x0C1A），允许蓝牙设备进行查询扫描和呼叫扫描（0x03）。对应的十六进制为：01 1A0C 01 03(3) Write Authentication Enable ： 写 入Authentication_Enable 结构参数值（0x0C20），禁止鉴权
15、（0x00）。对应的十六进制为：01 20 0C 01 00（4） Set Event Filter ： 写 入 事 件 过 滤 器（0x0C05），链接设置（0x02），允许所有设备链接（0x00），设置成自动识别链接（0x02）。对应的十六进制为：01 05 0C 03 02 00 02（5）Write Connection Accept Timeout：写入Connection_Accept_Timeout 结构参数值（0x0C16），设置链接识别超时时间为 5 120ms（0x2000）对应的十六进制为：01 16 0C 02 00 20（6）Write Page Timeout：写入
16、 Page_Timeout结构参数值(0x0C18)，设置呼叫超时时间为 7 680ms（0x3000）。对应的十六进制为：01 18 0C 02 00 302.5.2 无线局域网由于在 ARM 开发板端具有主 USB，因此可以插上带有 USB 的 802.11b 无线网卡，在 Clinux 中加载该相应的设备驱动程序，就可以使用无线网络来传输数据。与 ARM 开发板相连的无线网卡向 AP（接入点）注册之后，在 AP 和 ARM 端无线网卡就形成了无线网络，将 AP 接入以太网，可以进行长距离的网络传输。无线局域网比蓝牙具有更高的带宽，因此在传输压缩的图像数据上具有更大的优势。3 结论本系统采用 32 位嵌入式微处理器进行核心控制，采用了嵌入式 CLinux作为操
