S3C2440的camera接口特性及WinCE下的驅(qū)動(dòng)

魏銀庫(kù)

(防空兵指揮學(xué)院基礎(chǔ)部,鄭州 450052)

魏銀庫(kù)(教授),研究方向?yàn)榍度胧郊夹g(shù)與防空武器裝備應(yīng)用。

S3C2440是應(yīng)用十分廣泛且適用于嵌入式系統(tǒng)的一款嵌入式處理器。WinCE 5.0/6.0是微軟公司開發(fā)的一款專用于嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。其模塊化設(shè)計(jì)使開發(fā)人員可以根據(jù)需求定制設(shè)備。目前,國(guó)內(nèi)大部分OEM商都提供了對(duì)S3C2440的camera接口在WinCE 5.0/6.0下的驅(qū)動(dòng)支持。

遺憾的是,目前國(guó)內(nèi)OEM商提供的驅(qū)動(dòng)僅限于對(duì)幾款微型攝像頭(如ov9650等)的驅(qū)動(dòng)支持。當(dāng)用戶采用CCD攝像頭作為圖像采集的前端設(shè)備時(shí),原來的驅(qū)動(dòng)已經(jīng)不能使用了,而CCD攝像頭因其優(yōu)越的性能,在監(jiān)控領(lǐng)域扮演著主力軍角色。本文從分析S3C2440的camera接口特性出發(fā),詳細(xì)介紹當(dāng)攝像設(shè)備為CCD攝像頭時(shí),在WinCE 5.0/6.0操作系統(tǒng)環(huán)境下開發(fā)camera驅(qū)動(dòng)的形式、方法和主要的驅(qū)動(dòng)代碼。

1 camera接口特性

S3C2440處理器有一個(gè)專用的 camera接口(CAMIF),該接口支持ITU-R BT.601/656 YCbCr 8位數(shù)據(jù)格式視頻數(shù)據(jù)輸入,最大輸入視頻圖像大小為4 096×4 096像素。視頻輸入后分兩個(gè)通道逐幀保存圖像數(shù)據(jù),一個(gè)為預(yù)覽通道(即P通道),另一個(gè)為編解碼通道(即C通道)。兩個(gè)通道均通過DMA方式將一幀圖像保存到系統(tǒng)內(nèi)存SDRAM中,在系統(tǒng)內(nèi)存中共開辟了4組幀圖像緩沖,從而保證了用戶應(yīng)用程序在讀取幀圖像數(shù)據(jù)時(shí)不影響另一幀圖像數(shù)據(jù)寫入。其特性如下:

◆支持ITU-R BT.601/656 YCbCr 8位數(shù)據(jù)格式視頻數(shù)據(jù)輸入,并可調(diào)整Y、Cb、Cr三個(gè)信號(hào)的順序,以適應(yīng)不同的視頻信號(hào)源;

◆具有DZI功能,相當(dāng)于數(shù)碼變焦;

◆C通道輸出圖像最大為4 096×4 096像素;

◆P通道輸出圖像最大為640×480像素;

◆P通道輸出圖像格式可配置為RGB16或GRB24;

◆C通道輸出圖像格式可配置為YCbCr 4∶2∶2或YCbCr 4∶2∶0;

◆輸出圖像可X方向鏡像翻轉(zhuǎn)、Y方向鏡像翻轉(zhuǎn),或180°旋轉(zhuǎn) ;

◆DMA數(shù)據(jù)傳輸,4組幀圖像緩沖,2個(gè)對(duì)應(yīng)的中斷處理,保證視頻實(shí)時(shí)采集;

◆2個(gè)通道不同圖像數(shù)據(jù)格式輸出,便于用戶程序開發(fā)。

CAMIF對(duì)外接口信號(hào)定義如下:

CAMPCLK 輸入的視頻像素同步時(shí)鐘。

CAMVSYNC 輸入的視頻幀同步時(shí)鐘。

CAMHREF 輸入的視頻行同步時(shí)鐘。

CAMDATA[7:0] 輸入的視頻8位數(shù)據(jù)。

CAMCLKOUT 輸出的時(shí)鐘,用于外接的沒有獨(dú)立時(shí)鐘的camera芯片的主時(shí)鐘。當(dāng)外接的 camera芯片有獨(dú)立的時(shí)鐘時(shí),該信號(hào)可不用。

CAM RESET 輸出的軟件復(fù)位信號(hào),可對(duì)外接的camera芯片進(jìn)行復(fù)位。

信號(hào)的時(shí)序圖如圖1所示。

圖1 信號(hào)時(shí)序圖

使用CAMIF時(shí),必須對(duì)CAMIF相關(guān)寄存器進(jìn)行正確配置,下面介紹主要寄存器的配置原理。

CAMRCFMT 選擇輸入視頻信號(hào)源格式寄存器

①選擇輸入視頻信號(hào)源為ITU-R BT.601 YCbCr 8位數(shù)據(jù)格式,或ITU-R BT.656 YCbCr 8位數(shù)據(jù)格式。

②選擇輸入視頻信號(hào)源水平像素大小和垂直像素大小,一定要和外接的camera設(shè)備分辨率一致。

③選擇輸入視頻信號(hào)YCbCr信號(hào)順序,一定要和外接camera信號(hào)的實(shí)際順序一致。

CIWDOFST 從輸入信號(hào)中截取中心部分的圖像寄存器

原理是:從輸入信號(hào)中截取中心部分的圖像輸出到大小不變的輸出圖像緩沖中,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的放大或縮小。

①配置該寄存器允許縮放或不允許縮放。

②X方向圖像放大或縮小控制,原理是截切掉左部和右部的圖像像素?cái)?shù)。

③Y方向圖像放大或縮小控制,原理是截切掉上部和下部的圖像像素?cái)?shù)。

CIGCTRL 全局控制寄存器

通過該寄存器對(duì)外接的camera進(jìn)行復(fù)位,即控制CAMRESET信號(hào)的電平高低。

CICOTRGFMT C通道輸出圖像格式及大小配置寄存器

①可將C通道輸出圖像格式配置為YCbCr 4:2:2或YCbCr 4:2:0格式。

②可設(shè)置C通道輸出圖像X方向像素?cái)?shù)。

③可設(shè)置C通道輸出圖像Y方向像素?cái)?shù)。

④可設(shè)置C通道輸出圖像X方向鏡像。

⑤可設(shè)置C通道輸出圖像Y方向鏡像。

⑥可設(shè)置C通道輸出圖像1800旋轉(zhuǎn)。

CIPRTRGFMT P通道輸出圖像大小配置寄存器

①可設(shè)置P通道輸出圖像X方向像素?cái)?shù)。

②可設(shè)置P通道輸出圖像Y方向像素?cái)?shù)。

③可設(shè)置P通道輸出圖像X方向鏡像。

④可設(shè)置P通道輸出圖像Y方向鏡像。

⑤可設(shè)置P通道輸出圖像1800旋轉(zhuǎn)。

CICOSTATUS和CIPRSTATUS 狀態(tài)寄存器

CICOSTATUS反映C通道數(shù)據(jù)的寫入狀態(tài),即4組緩沖的哪一組;CIPRSTAT US反映P通道數(shù)據(jù)的寫入狀態(tài),即4組緩沖的哪一組。用戶程序采集圖像數(shù)據(jù)時(shí),應(yīng)根據(jù)狀態(tài)寄存器當(dāng)前狀態(tài),決定從哪一組讀出數(shù)據(jù)。

此外,CICOYSA1～CICOYSA4分別為C通道第1～4幀Y信號(hào)數(shù)據(jù)緩沖起始地址寄存器;CICOCBSA 1～CICOCBSA4分別為C通道第1～4幀Cb信號(hào)數(shù)據(jù)緩沖起始地址寄存器;CICOCRSA1～CICOCRSA4分別為C通道第1～4幀Cr信號(hào)數(shù)據(jù)緩沖起始地址寄存器;CIPRCLRSA 1～CIPRCLRSA4分別為P通道第1～4幀RGB信號(hào)數(shù)據(jù)緩沖起始地址寄存器。

2 WinCE下的驅(qū)動(dòng)開發(fā)

目前,我國(guó)市場(chǎng)上的CCD攝像頭只有模擬視頻輸出接口,顯然它不能和S3C2440的camera接口直接連接,硬件上需要增加一塊解碼芯片。解碼芯片把CCD的模擬信號(hào)解碼為BT.601/656 YUV 4∶2∶2格式信號(hào),這個(gè)信號(hào)和CAMIF信號(hào)是匹配的,因此解碼芯片輸出就可以直接連接到S3C2440的camera接口。典型的解碼芯片為SAA7113,接口電路如圖2所示。

圖2 CCD攝像頭與S3C2440接口1

如果想簡(jiǎn)化硬件電路和驅(qū)動(dòng)代碼,也可以根據(jù)需求向生產(chǎn)商定制CCD攝像頭,要求生產(chǎn)商生產(chǎn)的CCD攝像頭直接按照ITU-R BT.601/656格式輸出視頻信號(hào)。具有這種接口的CCD攝像頭就可以直接和S3C2440的camera接口連接,接口電路如圖3所示。

兩種情況的驅(qū)動(dòng)代碼開發(fā)過程基本上是相同的。區(qū)別是:前者需要S3C2440通過I2C總線對(duì)解碼芯片SAA7113的相關(guān)寄存器進(jìn)行配置,而后者則不需要。下面以前者為例介紹驅(qū)動(dòng)的開發(fā)方法。

圖3 CCD攝像頭與S3C2440接口2

2.1 配置解碼芯片SAA7113

SAA7113是NXP公司推出的視頻解碼系列芯片,在很多視頻產(chǎn)品(如電視卡、MPEG2、MPEG4)中都有應(yīng)用。SAA 7113的主要作用是把輸入模擬視頻信號(hào)解碼成標(biāo)準(zhǔn)的BT.656 YUV4∶2∶2數(shù)字信號(hào),相當(dāng)于一種 A/D器件。它兼容全球各種視頻標(biāo)準(zhǔn),在我國(guó)應(yīng)用時(shí)必須根據(jù)我國(guó)視頻標(biāo)準(zhǔn)來配置內(nèi)部寄存器。

對(duì)SAA7113配置需要通過I2C總線進(jìn)行,分配S3C2440的GPIO的E15模擬I2C的SDA線,E14模擬I2C的SCL線。OEM商提供的原驅(qū)動(dòng)是針對(duì)手機(jī)攝像頭ov9650開發(fā)的,二者的配置原理和過程是相同的,但配置內(nèi)容不同,輸出圖像的格式也不同。ov9650輸出的圖像是逐行掃描的,SAA7113輸出的圖像則是隔行掃描的。由圖1可知,CAMIF是逐幀輸入的,所以必須把SAA 3117的場(chǎng)同步信號(hào)VS作為CAMIF的幀同步信號(hào)CAMSYNC,輸出圖像是逐場(chǎng)保存的。配置內(nèi)容為:

①?gòu)?fù)位SAA3117。

②模擬通道選擇。

③配置亮度、色度、對(duì)比度、自動(dòng)增益控制量。

④將RTS1引腳配置為場(chǎng)同步信號(hào)VS,將RTS0信號(hào)配置為行同步信號(hào)HREF,信號(hào)極性應(yīng)分別與圖1中CAMVSYNC和CAMHREF信號(hào)極性一致。

⑤配置圖像寬度為720像素。

⑥配置幀圖像高度為576像素,一幀圖像分奇偶兩場(chǎng)分時(shí)輸出,每場(chǎng)圖像高度為288像素。

⑦配置數(shù)據(jù)格式為BT.656 YCbCr 4∶2∶2 8位格式輸出。注意,數(shù)據(jù)口的信號(hào)順序?yàn)镃B0 Y0 CR0 Y1 CB1 Y2...CR359 Y719。

⑧時(shí)鐘采用24.576 MHz的獨(dú)立時(shí)鐘,此時(shí)LLC的頻率為27 MHz,場(chǎng)頻為50 Hz,幀頻為25 Hz。

2.2 為CAMIF分配DMA內(nèi)存空間

因?yàn)镾3C2440從camera接口采集到的視頻數(shù)據(jù)是以DMA機(jī)制寫到內(nèi)存的,所以必須為C通道和P通道分別分配邏輯內(nèi)存(即 DMA緩沖區(qū))。WinCE有兩種分配DMA緩沖區(qū)的方法:使用CEDDK函數(shù)和使用WinCE內(nèi)核函數(shù)。建議使用CEDDK函數(shù):

注意:C通道和P通道應(yīng)分別分配。分配成功后,應(yīng)將4組YCbCr信號(hào)的起始地址與分配給C通道的DMA緩沖區(qū)地址關(guān)聯(lián)起來,將4組RGB信號(hào)的起始地址與分配給P通道的DMA緩沖區(qū)地址關(guān)聯(lián)起來。格式不同時(shí),關(guān)聯(lián)的空間大小是不同的。如果C通道格式為YCbCr 4∶2∶2,圖像寬度為 CoDstWidth,圖像高度為 CoDstHeigh t,分配的DMA地址為CoFrameBuffer,則二者的關(guān)聯(lián)關(guān)系為:

如果C通道格式為YCbCr 4∶2∶0,圖像寬度為CoDstWidth,圖像高度為CoDstHeight,分配的DMA地址為CoFrameBuffer,則二者的關(guān)聯(lián)關(guān)系為:

這樣分配的目的是,保證每一組YCbCr信號(hào)的地址空間是連續(xù)的,便于用戶程序開發(fā)。

如果P通道格式為RGB16,圖像寬度為PrDstWidth,圖像高度為PrDstHeight,分配的DMA地址為PrFrame-Buffer,則二者的關(guān)聯(lián)關(guān)系為:

如果P通道格式為RGB24,圖像寬度為PrDstWidth,圖像高度為PrDstHeight,分配的DMA地址為PrFrame-Buffer,則二者的關(guān)聯(lián)關(guān)系為:

2.3 配置CAMIF相關(guān)寄存器

①把輸入視頻信號(hào)寬度配置為720像素,高度配置為288像素;

②把輸入視頻信號(hào)格式配置為BT.656 YCbCr 4∶2∶2格式;

③把輸入視頻信號(hào)順序配置為Cb Y Cr;

④根據(jù)用戶的LCD顯示終端的分辨率配置P通道的圖像寬度、高度像素和格式;

⑤根據(jù)用戶對(duì)圖像的處理需求來配置C通道的圖像寬度、高度像素和格式;

⑥配置C通道的縮放系數(shù);

⑦配置P通道的縮放系數(shù);

⑧把C通道的DMA地址配置給4組起始地址寄存器;

⑨把P通道的DMA地址配置給4組起始地址寄存器。

2.4 創(chuàng)建camera流式驅(qū)動(dòng)接口函數(shù)

WinCE下的硬件驅(qū)動(dòng)程序大多采用流式驅(qū)動(dòng)來開發(fā),因?yàn)樗幸粋€(gè)一致的接口函數(shù)供用戶調(diào)用。此處,把接口函數(shù)命名為:CAM_Close()、CAM_Deinit()、CAM_Init()、CAM_IOControl()、CAM_Open()、CAM_Power-Down()、CAM_PowerUp()、CAM_Read()、CAM_Seek()和CAM_Write()。

(1)CAM_Init()函數(shù)

該函數(shù)在驅(qū)動(dòng)程序每次被設(shè)備管理器加載時(shí)調(diào)用。其實(shí)現(xiàn)的功能如下:

配置SAA7113,分配C通道、P通道的DMA內(nèi)存空間,根據(jù)輸入信號(hào)源屬性和輸出圖像、預(yù)覽圖像屬性配置CAMIF寄存器。

創(chuàng)建一個(gè)事件CameraEvent,使用WinCE內(nèi)核函數(shù)InterruptInitialize(SYSINIR_CAM,CameraEvent,NULL,0)把該事件與camera的邏輯中斷號(hào)SYSINIR_CAM關(guān)聯(lián)起來,即當(dāng)中斷發(fā)生時(shí)激活該事件。

創(chuàng)建一個(gè)中斷服務(wù)線程。在該線程內(nèi)用WaitForSin tgleObjcet(CameraEvent,INFINITE)函數(shù)阻塞線程,并等待CameraEvent激活。把預(yù)覽視頻圖像的功能放到CameraEvent激活之后完成,即把P通道緩沖區(qū)的內(nèi)容拷貝到顯示終端。最后,用InterruptDone(SYSINIR_CAM)函數(shù)結(jié)束本次中斷處理。

(2)CAM_IOControl()函數(shù)

可以說,該函數(shù)才真正是用戶程序與驅(qū)動(dòng)程序聯(lián)系的主要通道,用戶程序?qū)amera接口的控制及數(shù)據(jù)采集均是通過該函數(shù)完成的。其主要功能有:

①打開/關(guān)閉P通道或C通道輸出。

②修改配置參數(shù)。

③控制輸出圖像的放大或縮小。

④如果需要RGB數(shù)據(jù),則讀取P通道緩沖區(qū)內(nèi)容;如果需要YCbCr數(shù)據(jù),則讀取C通道緩沖區(qū)內(nèi)容。注意,讀取之前要根據(jù)狀態(tài)寄存器CICOSTAT US或CIPRSTATUS的當(dāng)前狀態(tài),確定訪問哪一組緩沖區(qū)。

(3)CAM_Deinit()函數(shù)

當(dāng)卸載本驅(qū)動(dòng)時(shí),該函數(shù)負(fù)責(zé)釋放分配的內(nèi)存空間和資源。

(4)CAM_Open()函數(shù)

該函數(shù)內(nèi)部并沒有具體的功能代碼,只是當(dāng)用戶程序使用CreateFile(TEXT("CAM1:"),GENERIC_READ|GENERIC_WRITE,0,NULL,OPEN_EXISTING,0,0)函數(shù)打開camera驅(qū)動(dòng)時(shí)調(diào)用該函數(shù),并返回一個(gè)文件句柄。基于該句柄用戶才能進(jìn)行后續(xù)操作。

(5)CAM_Close()函數(shù)

該函數(shù)內(nèi)部并沒有具體的功能代碼,只有當(dāng)用戶程序使用CloseFile(h file)函數(shù)關(guān)閉camera驅(qū)動(dòng)時(shí)才調(diào)用該函數(shù),并釋放之前返回的文件句柄。

其他接口函數(shù)沒用賦予其具體功能。

結(jié) 語

按照上述方法開發(fā)的驅(qū)動(dòng)代碼,連同其他驅(qū)動(dòng)已在PB5.0環(huán)境下編譯通過,生成的內(nèi)核文件在原硬件平臺(tái)下成功運(yùn)行,P通道視頻圖像流暢,C通道圖像質(zhì)量較高。該方法彌補(bǔ)了目前國(guó)內(nèi)在WinCE 5.0/6.0操作系統(tǒng)環(huán)境下CCD攝像頭無法連接到S3C2440的camera接口的缺陷,為工程技術(shù)人員設(shè)計(jì)嵌入式圖像采集系統(tǒng)時(shí)提供了一種有效手段。

[1]何宗鍵.WinCE CE嵌入式系統(tǒng)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2006.

[2]汪兵,等.Win CE CE嵌入式高級(jí)編程及其實(shí)例詳解[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2008.

[3]張東泉.WinCE CE實(shí)用開發(fā)技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006.

[4]Samsung.S3C2440A User's Manual.Revision1.0,2004.