韓業(yè)忠，朱成果

(遼寧大學(xué) 物理學(xué)院，遼寧 沈陽110036)

隨著社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，生活節(jié)奏不斷提高，無人值守且需要長期檢測有用信息或家用安全監(jiān)控等成為人們的迫切需求。嵌入式技術(shù)使這種需求的實現(xiàn)成為可能。本文以S3C2440芯片為核心設(shè)計了一種實時捕捉監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)共有兩種工作模式，一種是顯示模式(主動模式)，另一種是監(jiān)控模式(被動模式)。開機上電后通過觸摸屏選則工作在何種模式下，當(dāng)工作在顯示模式時，LCD不間斷顯示OV9650采集到的場景;當(dāng)工作在監(jiān)控模式時，將紅外傳感器作為監(jiān)測模塊，時刻監(jiān)測是否有物體進入監(jiān)控區(qū)域，若有物體進入監(jiān)控區(qū)域，OV9650圖像傳感器立即被喚醒，同時LCD顯示攝像頭捕捉到的圖像;當(dāng)物體離開監(jiān)控區(qū)域，OV9650傳感器和LCD便進入休眠狀態(tài)，SDHC將儲存在這期間內(nèi)采集到圖像，備以后查看。

1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成概述

以S3C2440芯片作為系統(tǒng)的控制芯片，外圍電路采用天嵌公司生產(chǎn)的TQ2440底板，擴展出攝像頭接口、LCD接口、GPIO接口等。S3C2440芯片是基于ARM920T內(nèi)核構(gòu)架的RISC高性能微處理器，其最高工作頻率可達400 MHz，內(nèi)部集成了豐富的片上系統(tǒng)，包括LCD控制器和攝像頭接口CAMIF。系統(tǒng)將紅外傳感器用于監(jiān)測是否有物體進入監(jiān)控區(qū)，將傳感器OV9650用于現(xiàn)場圖像的采集，并且采集到的圖像能在LCD上同步顯示。系統(tǒng)功能模塊包括監(jiān)測模塊、采集模塊、顯示模塊和存儲模塊。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

1.1 系統(tǒng)監(jiān)測模塊和存儲模塊

檢測模塊主要包括E18－D80NK型號紅外傳感器。該紅外傳感器集發(fā)射器與接收器于一體。發(fā)射器發(fā)射調(diào)制后的光波，接收器則解調(diào)被物體反射回來的光波并進行輸出，能夠很好地降低可見光的影響。將該傳感器與GPIO口連接，構(gòu)成監(jiān)測模塊。模塊原理如圖2所示。

圖2 監(jiān)測模塊結(jié)構(gòu)圖

存儲模塊選用Sandisk公司生產(chǎn)的SDHC卡。其特點是存儲容量高，寫入速度快［1］。SDHC與S3C2440的連接情況，如圖3所示。

圖3 存儲模塊結(jié)構(gòu)圖

1.2 圖像采集模塊

S3C2440A內(nèi)部集成了攝像頭接口CAMIF。CAMIF接口包含一個主時鐘輸出信號，一個復(fù)位輸出信號，三個來自攝像頭的同步時鐘輸入信號以及8位數(shù)據(jù)輸入信號。圖像數(shù)據(jù)僅通過8位數(shù)據(jù)通道傳輸。圖像傳感器OV9650的控制總線是由SCCB_E、SIO_C、SIO_D組成的，通常只使用由SIO_C和SIO_D構(gòu)成的2線串行模式［2］。其工作方式類似于IC總線協(xié)議，采用由高位到低位依次傳輸字節(jié)數(shù)據(jù)。當(dāng)1 Byte傳輸完成后，主控制器將SDLA置為高電平并釋放，等待接收由來自設(shè)備的確認(rèn)信號。攝像頭接口與DMA控制器之間有兩條進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪Ｊ?一條是預(yù)覽模式(P通路)，另一條是編碼模式(C通路)。本系統(tǒng)使用的是預(yù)覽模式，即將從攝像頭接口傳送來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成RGB格式，并通過預(yù)覽DMA，將數(shù)據(jù)傳送到SDRAM中，LCD就能夠同步顯示采集到的圖像。CAMIF的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 CAMIF原理圖

OV9650傳感器只能工作在從模式下，故通過控制芯片初始化OV9650傳感器的各個寄存器。OV9650傳感器的XVCLK引腳用來接收控制芯片供給的24 MHz工作時鐘［3］。垂直同步信號(VSYNC)和水平參考信號(HREF)共同作用于幀同步的檢測，在HREF處于低電位且VSYNC處于上升沿時進行同步。OV9650傳感器輸出的PCLK時鐘作為像素同步信號，各個像素數(shù)據(jù)在PCLK的下降沿時有效，即更新像素數(shù)據(jù);在HREF處于上升沿時輸出像素數(shù)據(jù)。OV9650傳感器內(nèi)部集成了十位A/D轉(zhuǎn)換器和8位DSP轉(zhuǎn)換器，于是圖像數(shù)據(jù)可以以10位原始RGB格式通過數(shù)據(jù)接口D［0∶9］輸出，也可以以轉(zhuǎn)換后的8位RGB/YCbCr格式通過數(shù)據(jù)接口D［0∶7］輸出。CAMIF支持8位的YCbCr格式，所以將CAMIF的數(shù)據(jù)接口CAMDATA［7∶0］與OV9650傳感器的數(shù)據(jù)接口D［9∶2］相連［4］。OV9650攝像頭與CAMIF的詳細連接如圖5所示。

圖5 圖像采集模塊結(jié)構(gòu)圖

1.3 實時顯示模塊

實時顯示模塊包括TQ043TSCM－V型LCD和S3C2440內(nèi)部集成的LCD控制器。LCD控制器能夠支持多種灰度的STN彩色LCD面板，也支持多種像素的TFT彩色LCD面板以及真彩顯示。本系統(tǒng)選擇16位每像素的TFT彩色LCD顯示。

2 監(jiān)控系統(tǒng)程序設(shè)計

設(shè)置全局變量keyy，keyy表示運行模式，程序根據(jù)keyy的值判斷系統(tǒng)將要工作在顯示模式還是監(jiān)控模式下。若keyy的值為1，則系統(tǒng)工作在顯示模式下，LCD將一直顯示OV9650傳感器捕捉到的圖像;若keyy的值為2，則系統(tǒng)工作在監(jiān)控模式下，OV9650傳感器和LCD初始化后進入休眠狀態(tài)，紅外傳感器則一直監(jiān)控是否有物體靠近，當(dāng)有物體進入監(jiān)控區(qū)域，喚醒OV9650傳感器和LCD，SDHC同時存儲OV9650傳感器捕捉到的圖像;當(dāng)物體離開監(jiān)控區(qū)域，OV9650傳感器和LCD進入休眠狀態(tài)。系統(tǒng)總體程序流程如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)總體程序流程圖

2.1 紅外傳感器和觸摸屏程序設(shè)計

當(dāng)紅外傳感器檢測到物體，信號線輸出低電平。所以將GPG并口設(shè)置成輸入狀態(tài)，再將GPGDAT全部寫1，以查詢方式，檢查GPGDATE7是否為0。若為0，則意味有物體進入監(jiān)控區(qū)，主程序隨后被喚醒。

控制芯片集成了四線制電阻式觸摸屏接口，分為引腳控制邏輯和觸摸屏中斷發(fā)生邏輯，用于控制觸摸屏X、Y方向的引腳的轉(zhuǎn)換。觸摸屏接口共有4種工作模式，系統(tǒng)選擇的是其中的等待中斷模式和自動X/Y方向轉(zhuǎn)換模式。首先將觸摸屏控制寄存器ADCTSC的值設(shè)置為0XD3，使觸摸屏接口進入等待中斷模式，在該模式下，觸筆落下時會產(chǎn)生一個中斷;系統(tǒng)響應(yīng)中斷后，會將ADCTSC的低兩位清零，觸摸屏接口就立即進入自動X/Y方向轉(zhuǎn)換模式，依次讀取觸點的X、Y軸的坐標(biāo)值。其中，將X軸坐標(biāo)值寫入數(shù)據(jù)寄存器ADCDAT0的低十位中，將Y軸坐標(biāo)值寫入數(shù)據(jù)寄存器ADCDAT1的低十位中。當(dāng)觸點X軸坐標(biāo)值在400～450之間、Y軸坐標(biāo)值在100～300之間時，系統(tǒng)進入顯示模式;當(dāng)觸點X軸坐標(biāo)值在800～850之間、Y軸坐標(biāo)值在100～300之間時，系統(tǒng)進入監(jiān)控模式。

2.2 圖像的采集和顯示程序設(shè)計

LCD的顯示程序關(guān)鍵是各種寄存器的配置。LCD控制寄存器一共有5個，幀緩沖地址寄存器有3個。

通過控制寄存器LCDCON1設(shè)置CLKVAL的值為4，顯示模式設(shè)置為TFT彩色LCD和16位每像素模式;通過LCDCON2設(shè)置VBPD為2、VFPD為4、VSPW為8;通過LCDCON3設(shè)置HBPD的值為10、HOZVAL為(480－1)、HFPD為19;通過LCDCON4設(shè)置HSPW為30;LCDCON5主要用來設(shè)置各種信號的極性。內(nèi)存中視頻緩沖區(qū)LCD_BUFFER的位置由幀緩沖地址寄存器LCDSADDR1決定。緩沖區(qū)的開始地址LCDBASEU和結(jié)束地址LCDBASEL則分別由幀緩沖地址寄存器LCDSADDR1和LCDSADDR2來決定，須保證緩沖區(qū)是在4 MB的連續(xù)區(qū)間內(nèi)［5］。LCDSADDR3主要用來配置虛擬屏幕相關(guān)的設(shè)置，本系統(tǒng)不涉及。

攝像頭接口通過DMA進行數(shù)據(jù)交換時，可以通過寄存器設(shè)置單獨禁止P通道或C通道。使用C通道的時候，控制芯片在內(nèi)存中各開辟4塊乒乓存儲區(qū)域，寄存器rCIPRCLRSA1、rCIPRCLRSA2、rCIPRCLRSA3和rCIPRCLRSA4分別用于表示這4塊內(nèi)存的首地址。本系統(tǒng)使用P通道，只需將緩存(U32)LCD_BUFFER的首地址分別賦給rCIPRCLRSA1、rCIPRCLRSA2、rCIPRCLRSA3和rCIPRCLRSA4，攝像頭采集到的圖像就會自動在LCD屏幕上顯示。

2.3 SDHC存儲程序設(shè)計

攝像頭捕獲圖像后會將FlagCapture_P置1，系 統(tǒng)將根據(jù)FlagCapture_P的值向SDHC中存儲數(shù)據(jù)。由于LCD屏的分辨率為480×272，圖像像素為16位RGB格式，故直接將視頻緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)存入SDHC中，需要261 120 Byte。通過查看圖片的位圖，會發(fā)現(xiàn)每一行的像素數(shù)據(jù)有很多重復(fù)的字節(jié)。根據(jù)這一特點，可以把圖像數(shù)據(jù)變?yōu)?i1，num1)，(i2，num2)，(i3，num3)…(in，numn)，其中i和num定義成無符號字符型，in是相同字節(jié)的數(shù)據(jù)，numn是重復(fù)的字節(jié)個數(shù)。首先，創(chuàng)建數(shù)組Image_Buffer，Compress_Buffer和結(jié)構(gòu)體type struct CONVERT，并定義結(jié)構(gòu)體數(shù)組struct CONVERT Convert。Image_Buffer作為圖像數(shù)據(jù)的緩存區(qū)，存放原始圖像;結(jié)構(gòu)體CONVERT包含兩個元素，分別用來存儲i和num的值;數(shù)組Compress_Buffer用于儲存壓縮之后數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)壓縮時，緩沖區(qū)LCD_BUFFER的數(shù)據(jù)傳遞到Image_Buffer中，然后從Image_Buffer［0］開始掃描。掃描的過程中，i等于被掃描字節(jié)的內(nèi)容，當(dāng)發(fā)現(xiàn)相鄰字節(jié)內(nèi)容相同且num＜255時，num加1;否則，就將(in，numn)存 入結(jié)構(gòu) 體數(shù)組Convert中，并將num置1，重復(fù)以上過程，直至掃描Image_Buffer中的全部字節(jié)。再通過強制類型轉(zhuǎn)換，將Convert中的值存到數(shù)組Compress_Buffer。最后將Compress_Buffer中的數(shù)據(jù)以Byte為單位寫入SDHC中。讀取圖片則是逆過程，將解壓后的數(shù)據(jù)送入LCD_BUFFER中，LCD就顯示了存儲的圖片。該壓縮圖片的方法本質(zhì)上是一維行程編碼［6］，節(jié)省了SDHC卡存儲空間。

3 實際性能測試

利用SecureCRT和DNW軟件，通過USB下載線將程序下載到NAND Flsh中。其中，SecureCRT為串口調(diào)試軟件，DNW為USB下載軟件。

上電啟動后，選擇監(jiān)控模式，攝像頭OV9650和LCD初始化后，進入休眠狀態(tài);當(dāng)紅外傳感器檢測到有物體進入監(jiān)控區(qū)，攝像頭和LCD可在3 ms內(nèi)被喚醒，LCD顯示攝像頭捕捉到的圖像，如圖8所示，同時向SDHC中存儲數(shù)據(jù)，當(dāng)物體離開監(jiān)控區(qū)，系統(tǒng)再次進入休眠狀態(tài)。圖7和圖9顯示的是設(shè)備運行時通過SecureCRT軟件獲取的串口信息，從中可以觀察到SDHC和LCD緩存之間的數(shù)據(jù)傳輸狀況。

圖7 攝像頭拍攝時的串口信息

圖8 實時顯示拍攝到的畫面

圖9 讀SDHC時的串口信息

LCD顯示SDHC中的數(shù)據(jù)時，如圖10所示，畫面與實時顯示時相比會偏暗。這是因為LCD實時顯示是由LCDCDMA控制，CPU并不干涉，故往SDHC中存儲數(shù)據(jù)不影響LCD的流暢顯示。而向SDHC存儲數(shù)據(jù)需要時間，所以會出現(xiàn)少量丟幀的現(xiàn)象，進而導(dǎo)致畫面偏暗。

圖10 顯示SDHC卡中的數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一款最小化實時監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅體積小，反應(yīng)靈敏，而且具有“捕捉”功能，即當(dāng)物體進入監(jiān)控區(qū)時，系統(tǒng)立即被喚醒并做出反應(yīng)。該設(shè)計降低了系統(tǒng)的耗電量，也使得SDHC卡能夠存儲更多有價值的信息。經(jīng)實際運行，系統(tǒng)能夠很好地滿足實時響應(yīng)、關(guān)鍵圖像保存的要求，且工作穩(wěn)定可靠。該系統(tǒng)在無人值守或家用安全監(jiān)控等方面具有實際應(yīng)用價值。

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