基于ARM处理器S3C2440的无线监控系统设计

　　无线网络技术在近一两年开始全面普及，无论是在家庭用户还是企业用户中，我们都能看到无线技术的影子。 认识无线监控，相信大家对有线监控系统比较了解，有线监控系统主要由网络摄像机、云台、视频服务器、监控终端等设备组成。而无线监控系统所需要的设备则比较简单，它只需要无线网络摄像机、无线AP、监控终端等设备组成，如果需要远距离无线监控，还要增加户外无线网桥等设备。
　　在此提出一种基于嵌入式Windows CE5.O的无线视频监控系统。解决了传统视频监控系统成本高、体积大、传输距离有限、功耗大、安装不方便等问题。该系统的设计将为无线视频监控提供一种新的思路、方法和技术路线;在安防、远程教育、远程视频会议、医疗系统等无线视频领域具有广阔的应用前景。
　　Windows CE作业系统是Windows家族中最新的成员，专门设计给掌上型电脑(HPCs)所使用的电脑环境。这样的作业系统可使完整的可携式技术与现有的Windows桌面技术整合工作。 Windows CE 被设计成针对小型设备(它是典型的拥有有限内存的无磁盘系统)的通用操作系统， Windows CE 可以通过设计一层位于内核和硬件之间代码来用设定硬件平台，这即是众所周知的硬件抽象层(HAL)(在以前解释时，这被称为 OEMC (原始设备制造)适应层，即 OAL; 内核压缩层，即 KAL. 以免与微软的 Windows NT 操作系统 HAL 混淆)。
　　1 系统的整体硬件框图介绍
　　基于嵌入式WinCE5.0的无线监控系统的硬件系统主要由嵌入式终端和服务器端的PC机组成。嵌入式终端平台的微处理器选择的是基于ARM9T20内核的S3C2440，S3C2440有丰富的接口，其中摄像头接口与CMOS的摄像头相连，串口与GPRS发射模块相连;服务器端主要是1台PC机和GPRS接收模块。整个框图如1所示。
　　


　　系统首先通过S3C2440微处理器控制CMOS摄像头采集图像数据，经过压缩编码后，再通过GPRS无线发射模块将压缩后的数据发射出去，在服务器端的PC机通过GPRS接收模块接收数据，并通过相应的应用程序，对视频数据进行解码，并通过屏幕显示出来。其中包含有S3C2440微处理器的嵌入式终端平台的核心控制板如图2所示。
　　


　　2 系统的扩展接口设计
　　2.1 摄像头接口设计
　　摄像头(CAMERA)又称为电脑相机，电脑眼等，是一种视频输入设备，被广泛的运用于视频会议，远程医疗及实时监控等方面。普通的人也可以彼此通过摄像头在网络进行有影像、有声音的交谈和沟通。另外，人们还可以将其用于当前各种流行的数码影像，影音处理。
　　摄像头中用的图像采集芯片为OV9650图像传感器，该图像传感器具有10位的数据接口和标准的SCCB接口，采用CSP一28封装，体积小。
　　该芯片支持RGB(4：2：2)，YUV(4：2：2)，YCrCb(4：2：2)三种数据输出格式，内置138个设备控制寄存器，地址分别从Ox00～Ox8A，通过SCCB接口可以方便地设置传感器视窗大小、增益、白平衡校正、曝光控制、饱和度、色调等参数。包含有图像传感器OV9650摄像头模块如图3所示。
　　

                　　S3C2440有一个专用的摄像头接口，CPU可以直接和CMOS图像传感器连接，当0V9650输出数据格式为8位的YUV时，要用到数据线D2～D9(D9为MSB位，D2为LSB位);当输出的数据格式为10位RGB，用数据线D0～D9(D9为MSB位，D0为LSB位)，该系统用YUV格式。该摄像头模块与S3C2440的Camera接口连接，其电路图分别如图4～图6所示。
　　


　　


　　


　　其中用到了TI公司的电平转换芯片74LVC4245，是一种双电源的电平移位器，电平移位在其内部进行。5 V端用5 V电源作为VDD_CAM，而3.3 V端则用3.3 V作为VCC33。双电源能保证两边端口的输出摆幅都能达到满电源幅值。
　　2.2 GPRS模块的接口设计
　　通用分组无线服务技术(General Packet Radio Service)的简称，它是GSM移动电话用户可用的一种移动数据业务。GPRS可说是GSM的延续。GPRS和以往连续在频道传输的方式不同，是以封包(Packet)式来传输，因此使用者所负担的费用是以其传输资料单位计算，并非使用其整个频道，理论上较为便宜。GPRS的传输速率可提升至56甚至114Kbps.
　　S3C2440有3个UART通道，利用其中一个通道设计串口，使其与GPRS模块连接，由于S3C2440自带的UART控制器，使得硬件开发和软件设计都比较简单。但RS 232标准所定义的高、低电平信号，与一般的微控制器系统的电路所定义的高、低电平信号完全不同，如S3C2440系统的标准逻辑“1”对应电平2～3 V，标准逻辑“O”对应0～4 V电平。显然，与RS 232标准所述的电平信号完全不同。两者之间要进行通信，必须经过信号电平的转换，目前常使用的电平转换芯片有MAX232，MAX3221和MAX324.3，具体设计电路如图7和图8所示。
　　


　　


　　3 操作系统平台的定制
　　Windows CE是高度模块化的嵌入式操作系统，正因为如此，用户为了满足特定的要求而对操作系统进行定制，如果为自己的嵌入式设备定制Windows CE操作系统，则须进行创建、构建、运行和发布OS等一系列操作。在无线视频监控系统中，根据功能要求，利用Platform Builder5.0定制系统的流程如下：
　　(1)导入BSP开发包。由于用的是三星公司的基于ARM920T核的S3C2440，所以在BSP包中找到SMDK2440文件下的SMDK2440.CEC文件将其导入。打开“Platform Builder5.0”，选择“File”菜单下的 “Manage Catalog Features”，如图9所示。在弹出的对 话框中单击“Import”，浏览到SMDK2440文件下的 smdk2440.cec文件，将其导入。
　　

                　　(2)创建项目。根据WinCE无线监控系统的要求，在定制系统的过程中选择合适的组件来实现。其中包括的组件有：支持应用程序开发的MFC组件和支持网络的相关组件等。
　　(3)编译项目：点击菜单“Build OS”→“Sysgen”开始编译项目。
　　(4)下载运行时映像，调试成功后启动。编译成功后会在目WinCES00PBWorkspacestestlRelDirsmdk2 440_ARMV4I_Release下生成nk.bin和nk.nb0等文件，将nk.nb0下载到硬件平台上运行。
　　4 驱动程序的开发
　　4.1 摄像头驱动的开发
　　摄像头驱动开发是设计中的一个难点，也是一个关键部分。由于摄像头采集的视频数据可以当作数据流来处理，所以对于摄像头的驱动将采用流式接口的方法来开发。
　　(1)在Platform Builder中打开前面定制的操作系统工程，然后在新建一个WIN32 DLL项目，添加2个C++的源文件，即：camera.cpp和IIc.cpp，其中camer—a.cpp包含驱动的入口函数DLLMain();驱动的前缀为“CIS”，IIc.cpp包含通过ICC接口对摄像头相关寄存器进行配置的函数。
　　(2)根据前面的硬件电路和OV9650芯片的工作时序，通过编写流接口的CIS_Init函数实现OV9650初始化。主要包括以下3步：调用InterruptInitialize(SYSINTR_CAM，CameraEvent，NULL，0)函数通知系统注册中断;调用CreateEvent()函数创建一个CameraEvent事件;调用CreateThread()函数创建CameraThread线程。在Camera Capture Thread服务函数中调用WaitForSingleObject(CameraEvent，Dis—play Time)函数等待Camera Event事件的发生。此事件由与其关联的SYSINTR_CAM中断来触发。此外还有其它流接口函数(CIS_IOControl等)也可以以类似的方法实现。