基于嵌入式Linux與S3C2440雙USB接口的視頻存儲

基于嵌入式Linux與S3C2440雙USB接口的視頻存儲

?針對長途客車“三超”(中途超載上人，超時，超速)以及在非正常?？空舅阶酝＼嚿先藢?dǎo)致的客車超載，同時目前市面上視頻監(jiān)控設(shè)備由于體積大、成本高等，使其難以推廣應(yīng)用在車輛中等問題，整合USB攝像頭低成本、USB存儲介質(zhì)較SD(Secure Digital Memory Card)卡存儲速度更快、支持更大容量等優(yōu)點，提出了基于嵌入式。Linux及S3C2440平臺的雙uSB接口車載視頻存儲方案。本方案主要利用單片機判別模塊采集車輛行駛過程中運動狀態(tài)信息(是否超速，存在急剎車、中途停車超時等)，并結(jié)合車門在車速為零時的開閉對長途客車在非正常停靠點超載上人進行主動視頻監(jiān)控，便于以后的責(zé)任追究和認定，為監(jiān)控中心的管理提供輔助。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計
??? 為方便系統(tǒng)擴展，本文將其劃分為單片機判別模塊和視頻采集存儲模塊兩部分。單片機判別模塊采用C8051F040處理器，利用其充足的接口資源，對車輛是否超速、急停、超載等情況做出判斷。本模塊完成將力傳感器信號、車速脈沖信號調(diào)理后供單片機處理并與存儲模塊通信。采用測周法測量車輛變速箱輸出脈沖周期，進而可以得到車速、加速度等信息，配合力傳感器測量結(jié)果為判定車輛是否超速、急停、超載等提供判斷依據(jù)。單片機對以上情況進行編碼，通過串口將不同信息編碼發(fā)送給ARM視頻存儲模塊，供其作出不同存儲策略。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

??? 視頻存儲模塊根據(jù)接收到單片機發(fā)出的串口信息，對后續(xù)行為做出判斷，如是否存儲、存儲時間、存儲位置等。模塊硬件平臺設(shè)計如圖2所示：中央處理器選用三星公司ARM9架構(gòu)S3C2440處理器(可以穩(wěn)定工作在400 MHz，保證采集存儲過程流暢)；選用64 MSDRAM內(nèi)存及64 MBFLASH作為系統(tǒng)程序存儲設(shè)備。接口資源包括：2個USB口(均配置為HOST模式)、100 M以太網(wǎng)口、2個串口、音頻口等。

2 S3C2440視頻采集存儲模塊
??? 整個模塊正常情況下主要由單片機系統(tǒng)提供電源。另外，外接一獨立直流電源裝置，以免在交通事故時汽車熄火斷電，影響系統(tǒng)工作。此模塊主要完成視頻的基于事件的存儲功能，判斷功能由單片機模塊提供，另外依據(jù)串口實時掃描特性可提供時分復(fù)用觸發(fā)功能。模塊間獨立性高，適合移植到其他場合推廣使用。

2．1 USB硬件連接及Linux內(nèi)核配置修改
2．1．1 USB硬件連接
??? 三星公司S3C2440芯片共有2路HOST USB：DP[1：0]及DN[1：0]口，一路DIVICE PDN0，PDP0 口，其中DP1，DN1分別與PDP0，PDN0接口復(fù)用，根據(jù)相關(guān)寄存器配置不同而具有不同功能。本課題中，將其配置為2路HOST使用，一路連接USB攝像頭，另一路連接USB接口的存儲設(shè)備(可以是優(yōu)盤或者USB移動硬盤)。本文沒有用到芯片自帶的SD卡接口進行存儲主要出于以下考慮：
??? a)速度：普通SD卡的數(shù)據(jù)傳輸速度約2 MB／s；高速SD卡數(shù)據(jù)傳輸速度約10 MB／s；極速SD數(shù)據(jù)傳輸速度約20 MB／s。而現(xiàn)在通用的USB2．0的全速傳輸速率是480 Mbps(60 MB／s)，為普通SD卡傳輸速度的30倍。再者，USB3.0標(biāo)準(zhǔn)也已推出，速度可達5 Gbps，并向下兼容。USB已經(jīng)成了高速、方便的代名詞，本文選用USB也正出于其通用性和方便升級性考慮。
??? b)容量瓶頸：現(xiàn)有發(fā)行的嵌入式Linux2．4．X內(nèi)核對SD卡標(biāo)準(zhǔn)模式容量的支持絕大數(shù)為2 G以下(不包含2 G)，要支持到更大容量需要對SD卡驅(qū)動程序進行大量修改，并且協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)推出相對較晚，較新的嵌入式Linux 2．6．24內(nèi)核通過筆者實際驗證可以支持到2 G容量，但要對驅(qū)動進行多處修改，后續(xù)升級復(fù)雜，穩(wěn)定性也需要進一步驗證。
??? 鑒于以上兩點，采用USB接口進行視頻數(shù)據(jù)的采集和存儲，兩路USB接口部分硬件連接如圖3所示。

2．1．2 Linux內(nèi)核配置修改
??? 在Linux下，所有外設(shè)都被看成是一種特殊的文件，稱為設(shè)備文件。設(shè)備驅(qū)動程序為內(nèi)核和外設(shè)之間提供接口函數(shù)，完成設(shè)備的初始化與釋放、對設(shè)備文件的各種操作及中斷處理等。這些接口函數(shù)為應(yīng)用程序屏蔽了外設(shè)硬件的細節(jié)，使程序可以像普通文件一樣對外設(shè)進行操作。Linux系統(tǒng)中子模塊Video4Linux向虛擬文件系統(tǒng)注冊視頻設(shè)備文件，為視頻應(yīng)用程序提供了一套統(tǒng)一的API，視頻應(yīng)用程序通過標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)調(diào)用即可操縱各種不同的視頻捕獲設(shè)備。
??? 考慮到更好的推廣性，采用市面上常見的中星微301系列zc0301pl芯片攝像頭，此攝像頭支持JPEG格式的圖像采集。模塊中分別對USB OV511 Camera support，Device Drivers等菜單選項進行適當(dāng)配置。除此之外，還需對USB的配置文件進行修改，本文選用Linux 2．6．24內(nèi)核，主要修改的文件如下：
??? linux-2.6.24／driVers／usb／host／Kconfig，linux-2．6．24／drivers／usb／host／ohci-s3c2440．c和linux-2．6．24／drivers／usb／core／hub.c．其中主要涉及對MISCCR寄存器進行正確設(shè)置。以修改ohci-s3c2440．c文件為例，部分需添加代碼：
???
2．2 視頻采集存儲程序設(shè)計
??? Vide04Linux設(shè)備驅(qū)動程序只提供了在系統(tǒng)層面上訪問硬件設(shè)備的一系列讀、寫等函數(shù)的接口，要實現(xiàn)存儲，還需再編寫一個對視頻流采集的應(yīng)用程序，總體上創(chuàng)建兩個進程：進程一實時掃描串口接收到的信息，通過讀取命名管道內(nèi)容將編碼信息發(fā)送給進程二；進程二根據(jù)接收到的編碼做出判斷，區(qū)別各種不規(guī)范駕駛行為，設(shè)定定時器不同時長以控制存儲時間，并將視頻分類存儲到不同目錄中。

?Video4Linux設(shè)備驅(qū)動程序支持兩種捕獲圖像的方式：內(nèi)存影射mmap方式和直接讀取read方式。mmap方式采用共享內(nèi)存方式，數(shù)據(jù)采集速度快，但這種采集方式需攝像頭硬件支持。結(jié)合本文中使用的攝像頭，在圖像采集過程中，采用read方式直接讀取設(shè)備文件，將獲得的一幀數(shù)據(jù)保存到緩沖區(qū)中，通過convertframe()函數(shù)將pFramebuffer中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成完整的JPEG格式的數(shù)據(jù)存儲到ptframe中，然后調(diào)用fWrite()函數(shù)將緩沖區(qū)中的JPEG格式的數(shù)據(jù)寫到指定文件中，從而得到一副JPEG格式原始數(shù)據(jù)塊。部分程序如下：

???
??? 對于存儲的控制，本文采用“命名管道”方式，這是一種簡單的進程間通信機制，在同一計算機的不同進程之間，支持可靠的，單向或雙向的數(shù)據(jù)通信。
??? 命名管道由視頻存儲進程利用函數(shù)int mkfifo(constchar*pathname，mode_t mode)創(chuàng)建，負責(zé)讀取由串口掃描接收進程接收到的控制信息。部分程序如下：

??? 程序總體流程圖如圖4所示。

3 試驗結(jié)果
??? 嵌入式內(nèi)核采用較新的Linux2．6．24版本，配置成功后將編譯生成的鏡像文件下載到目標(biāo)機。應(yīng)用程序可執(zhí)行文件通過宿主機上交叉編譯器arm-linux-gcc4．4．1生成，向目標(biāo)機移植成功后便可以在目標(biāo)機上運行。本文中攝像頭采用中星微301系列zc0301p1芯片，存貯器選用臺電存儲之星U盤，容量為4 G。
??? 視頻采集存儲模塊根據(jù)接收到的不同違章信息，在執(zhí)行文件當(dāng)前所在目錄位置分別建立DOCn(n=1，2，…)文件夾，將視頻信息分類保存在相應(yīng)目錄下。圖5為駕駛員在岔道轉(zhuǎn)彎時刻因超速產(chǎn)生觸發(fā)條件，進而觸發(fā)視頻采集存儲視頻中的一副圖片。另外，在系統(tǒng)運行時，還可以根據(jù)需要設(shè)置錄制時間的長短，以滿足不同的需求和存貯器容量的限制。

4 結(jié)論
??? 本系統(tǒng)中單片機模塊根據(jù)運算結(jié)果產(chǎn)生觸發(fā)條件，通過串口發(fā)送不同編碼信息來區(qū)別超速、緊急剎車、超載等情形。實驗結(jié)果表明整個系統(tǒng)安裝簡便，成本低廉，工作穩(wěn)定可靠。另外通過修改單片機模塊觸發(fā)條件，可擴展用于工廠、銀行及小區(qū)等場合下基于事件觸發(fā)的智能監(jiān)控。