基于ARM處理器S3C2440A的便攜式視頻展示臺的設計

梁皓東，張國平，潘 梁

（1.華中師范大學 物理科學與技術(shù)學院，湖北 武漢 430079；2.湖北省武黃高速管理處 湖北 武漢 430079）

視頻展示臺是將實物、文稿、圖片和過程等信息轉(zhuǎn)換為圖像信號輸出在投影機、顯示器上展示出來的一種演示設備。便攜式視頻展示臺由于具有體積小，易于攜帶等優(yōu)點，被廣泛用于教學、大型會議及產(chǎn)品展示等場合，具有較大的研究前景。本視頻展示臺的設計采用三星基于ARM9內(nèi)核的S3C2440A芯片，運用模塊化的設計原則，具有體積小、便攜帶、低功耗、易維護性等特點，整個系統(tǒng)的設計由兩部分構(gòu)成，分別是實物、圖片、文檔或者過程等圖像采集部分和VGA傳輸顯示部分。此視頻展示臺的顯示分辨率為800×600。

1 視頻展示臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計

本便攜式視頻展示臺采用三星S3C2440A處理器，其CPU的工作頻率可達400 MHz，可以很好的處理圖像數(shù)據(jù)。它的外設包括：LCD控制器、CAMIF單元、UART接口、IIC BUS接口、USB主從接口等。系統(tǒng)采用具有極快讀寫速度的2片32 MB的SDRAM來保證linux操作系統(tǒng)的流暢運行，采用具有掉電保護功能的128 MB的Nandflash來存放操作系統(tǒng)和驅(qū)動程序。此外，130萬像素的ov9650攝像頭用來采集視頻圖像數(shù)據(jù)，ADV7120將數(shù)字RGB信號轉(zhuǎn)換成VGA顯示需要的模擬彩色信號，顯示分辨率為800×600。電源管理模塊能夠提供多種供電，包括芯片內(nèi)核電壓采用1.8 V供電，芯片的IO口部分采用3.3 V供電。為了給實物、文檔、圖片或者演示過程提供照明光源，在ov9650攝像頭旁邊加了一圈led小燈。下圖1是方案的硬件電路設計框圖。

2 視頻圖像采集模塊

2.1 視頻采集硬件接口及其分析

視頻采集模塊是本便攜式視頻展示臺的一個重要組塊之一。本模塊采用攝像頭接口控制單元CAMIF和IIC總線來控制和傳輸OV9650攝像頭采集實物、圖片、文檔或者過程等視頻數(shù)據(jù)。選擇CMOS傳感器是因為它有功耗低、編程方便、成本低等優(yōu)點。其主要引腳及功能描述如下：CAMCLKOUT是CPU輸出的采樣時鐘，幀同步信號VSYNC、行同步信號HREF、像素時鐘信號PCLK由OV9650內(nèi)部產(chǎn)生，輸入到S3C2440A芯片中，用于對圖像采集進行控制。攝像頭在每個PCLK脈沖過程中依次采集—個字節(jié)的數(shù)據(jù)，直到一幀圖像數(shù)據(jù)采集完成[1]。

圖1 實物投影儀硬件電路設計框圖Fig.1 Design block diagram of portable video

攝像頭采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后進入幀緩沖區(qū)，幀緩沖區(qū)由4個Ping Pong存貯器組成，因此圖像幀的讀寫操作可以同時進行。然后通過預覽DMA連到AHB總線上，通過AHB總線將數(shù)據(jù)送往內(nèi)存。整個過程由linux操作系統(tǒng)來控制，如圖2所示。

圖2 視頻圖像采集過程Fig.2 The process of video image

2.2 視頻采集驅(qū)動設計

file_operations結(jié)構(gòu)是Linux2.6內(nèi)核提供的一個標準化的文件操作實現(xiàn)接口，定義ov9650_ops為file_operations結(jié)構(gòu)。編寫用于上層軟件接口函數(shù)：

通過這些調(diào)用函數(shù)，應用程序就可實現(xiàn)對CMOS攝像頭的打開、關閉、視頻數(shù)據(jù)的讀取、內(nèi)部寄存器的設置等進行操作。在啟動驅(qū)動程序時，系統(tǒng)首先調(diào)用已經(jīng)定義的ov9650攝像頭驅(qū)動程序的入口函數(shù)init（ov9650_init）對攝像頭進行初始化，初始化的主要內(nèi)容是復位、通過IIC配置相關攝像頭寄存器、攝像頭采樣時鐘配置以及中斷配置等，然后等待進一步命令。應用程序使用結(jié)束后，系統(tǒng)調(diào)用已經(jīng)定義的ov9650出口函數(shù) exit（ov9650_exit）退出[2]。

3 VGA顯示模塊

3.1 LCD控制器接口和VGA接口描述

本便攜式視頻展示臺的另一個重要組塊是VGA顯示模塊。S3C2440A帶有LCD控制器，可以很方便地控制驅(qū)動掃描式接口的TFT顯示。其主要功能引腳有：像素時鐘信號引腳VCLK/LCD，場同步信號引腳VFRAME/VSYNC，行同步信號引腳 VLINE/HSYNC，VD[23：0]是 LCD數(shù)據(jù)輸出端口。 當把VSYNC、HSYNC、VCLOCK等信號參數(shù)設定好，并把幀內(nèi)存（frame memory）的地址告訴LCD控制器后，LCD控制器即可通過DMA自動獲取幀內(nèi)存中的圖像數(shù)據(jù)[3]。

VGA接口使用模擬RGB通道，逐點、逐行掃描。VGA接口信號為模擬信號，其關鍵信號有5個，分別是行同步信號，場同步信號，紅色模擬信號，綠色模擬信號和籃色模擬信號。電子槍從左至右，從上而下的進行掃描，每行結(jié)束時，用行同步信號進行同步。掃描完所有的行后用場同步信號進行場同步。

通過比較LCD掃描式接口時序和VGA時序可知，LCD控制器驅(qū)動TFT顯示的行場同步信號時序和VGA行場同步信號時序很像。只是信號的極性VGA是負極性，LCD信號是正極性，這個通過調(diào)整Linux內(nèi)核顯示模塊來調(diào)整LCD的時序以適應SVGA時序即可。因此，可以利用高性能視頻D／A轉(zhuǎn)換芯片ADV7120將S3C2440A自帶的LCD掃描式接口轉(zhuǎn)換為VGA接口，然后用帶有VGA接口的顯示器顯示。此外，LCD控制器用于控制數(shù)據(jù)信號的使能的引腳VDEN在D/A轉(zhuǎn)換模塊中可用來控制信號轉(zhuǎn)換的使能，LCD控制器的VCLK可用作D/A轉(zhuǎn)換模塊的時鐘信號。

3.2 高性能視頻D/A轉(zhuǎn)換芯片ADV7120

ADV7120的輸入及控制信號非常簡單：3組8位的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)輸入端，用以連接LCD控制器的數(shù)據(jù)輸出接口VD[23：0]，數(shù)據(jù)輸入端采用標準TTL電平接口；4條視頻控制信號線包括復合同步信號SYNC、消隱信號BLANK、白電平參考信號REF WHITE和像素時鐘信號CLOCK，外接一個1.23 V數(shù)模轉(zhuǎn)換參考電壓源和1個輸出滿度調(diào)節(jié)。

ADV7120的輸出信號只有4條：3條模擬RGB信號和同步參考電流輸出信號Isync。VGA接口的行場同步信號和LCD掃描式接口的行場同步信號是一致的，因此LCD控制器接口中的行場同步掃描信號HSYNC和VSYNC直接接到VGA接口。LCD控制器和VGA接口是由硬件實現(xiàn)的兩種接口的電器轉(zhuǎn)接，不需要寫任何驅(qū)動程序，這是在嵌入式系統(tǒng)平臺上擴張VGA接口最方便的方案[4]，也是本便攜式視頻展示臺體積小，易攜帶性設計的基礎。

3.3 VGA驅(qū)動設計方案

3.3.1 LCD幀緩沖設備驅(qū)動結(jié)構(gòu)

幀緩沖是Linux為顯示設備提供的一個接口，它把一些顯示設備描述成一個緩沖區(qū)，允許應用程序通過FrameBuffer定義好的接口訪問這些圖形設備，而不用去關心具體的硬件細節(jié)。對于幀緩沖設備而言，只要在顯示緩沖區(qū)與顯示點對應的區(qū)域?qū)懭腩伾担瑢念伾蜁詣拥脑谄聊簧巷@示。LCD控制器驅(qū)動是VGA設備驅(qū)動的核心，是一個標準的linux2.6內(nèi)核下的framebuffer設備驅(qū)動。在VGA驅(qū)動設計的過程中首要的是配置LCD控制器。而在配置LCD控制器中最重要的一步則是幀緩沖區(qū)（FrameBuffer）的指定。因此，驅(qū)動幀緩沖是實現(xiàn)是整個驅(qū)動開發(fā)過程的重點。幀緩沖驅(qū)動需要完成的的工作主要有5個部分：編寫初始化函數(shù)，編寫成員函數(shù)，讀寫，映射，輸入輸出控制。

1）初始化LCD控制器

通過寫寄存器，設置顯示模式和顏色數(shù)，然后分配LCD顯示緩沖區(qū)。緩沖區(qū)大小為:點陣行數(shù)×點陣列數(shù)×用于表示一個像素的比特數(shù)/8。緩沖區(qū)通常分配在大容量的片外SDRAM中，起始地址保存在LCD控制寄存器中。文中采用的LCD顯示方式為800×600，需要分配的顯示緩沖區(qū)為960 KB。最后是初始化一個fb_info結(jié)構(gòu)，填充其中的成員變量，并調(diào)用register_framebuffer（ &fb_info），將 fb_info 登記入內(nèi)核[5]。

2）編寫成員函數(shù)

該函數(shù)主要用于編寫fb_info（）結(jié)構(gòu)體中指針fb_ops（）對應的底層操作函數(shù)，主要是3個函數(shù)：

static int s3c2440fb_get_fix （struct fb_fix_screeninfo*fix，int con， st ruct fb_info 3 info）；

static int s3c2440fb_get_var （struct fb_var_screeninfo*var，int con， st ruct fb_info 3 info）；

static int s3c2440fb_set_var （struct fb_var_screeninfo*var，int con， st ruct fb_info 3 info）；

以上這些函數(shù)都是用來獲取fb_info（）中的成員變量的，當應用程序調(diào)用ioctl（）操作時將會調(diào)用這些函數(shù)。

讀寫函數(shù)就是用來讀寫屏幕緩沖區(qū)，地址映射操作可以將文件的內(nèi)容映射到用戶空間，這樣用戶就可以通過讀寫這段地址來訪問緩沖區(qū)了。輸入輸出操作就是設備文件ioctl（）讀取和設置顯示設備的參數(shù)，具體的ioctl（）的實現(xiàn)由底層驅(qū)動程序來完成[6]。

3.3.2 根據(jù)VGA時序設定LCD控制器寄存器

本便攜式視頻展示臺選擇SVGA顯示，像素時鐘信號VCLK為 40 MHz，分辨率為 800x600，幀頻率為 60 Hz，16位真色彩顯示，SVGA時序如下圖所示。

根據(jù)圖3、圖4所示 SVGA顯示時序的特點，對LCD控制器中的控制寄存器進行如下配置。

1）LCDCON1寄存

CLKVAL：確定VCLK頻率的參數(shù)。公式為VCLK=HCLK/［（CLKVAL+1）x2］. 在 本 設 計 中 S3C2440A 的 HCLK=100 MHz，VCLK=40 MHz， 故 需 設 置 CLKVAL=0.25， 設 置BPPMODE=0xC，即選擇TFT 16位模式。

圖3 VGA行數(shù)據(jù)時序Fig.3 Line timing

圖4 VGA幀數(shù)據(jù)時序Fig.4 Frame timing

2）LCDCON2 寄存器

VBPD：確定幀同步信號和幀數(shù)據(jù)傳輸前的時延，是幀數(shù)據(jù)傳輸前延遲時間和行同步時鐘間隔寬度的比值，如圖4所示，VBPD=p/c=0.6 ms/20 μs=30。

VFPD：確定幀數(shù)據(jù)傳輸完成后到下一幀同步信號到來的一段延時，是幀數(shù)據(jù)傳輸后延遲時間和行同步時鐘間隔寬度的比值，VFPD=r/c=0.026 ms/20 μs=10。

LINEVAL：確定顯示的垂直方向大小，LINEVAL=YSIZE-1=599。

VSPW：確定幀同步時鐘脈沖寬度，是幀同步信號時鐘寬度和行同步時鐘間隔寬度的比值，VSPW=o/c=0.1 ms/20 μs=5。

3）LCDCON3 寄存器

HBPD：確定行同步信號和行數(shù)據(jù)傳輸前的延時，描述行數(shù)據(jù)傳輸前延遲時間內(nèi)VCLK脈沖個數(shù)，HBPD=b×VCLK=2.2 μs×40 MHz=88.

HOZAL：確定顯示的水平方向尺寸。這里HOZAL=XSIZE-1=799。

HFPD：確定行數(shù)據(jù)傳輸完成后到下一行同步信號到來的一段延遲時間，描述行數(shù)據(jù)傳輸后延遲時間內(nèi)VCLK脈沖個數(shù)，HFPD=d×VCLK=1 μs×40 MHz=40。

4）LCDCON4 寄存器

HSPW：確定行同步時鐘脈沖寬度。描述行同步脈沖寬度時間內(nèi) VCLK 脈沖個數(shù)，HSPW=a×VCLK=3.2 μs×40 MHz=128。

5）LCDCON5 寄存器

BPP24BL：確定數(shù)據(jù)存儲格式。此處設置BPP24BL=0x0，即選擇小端模式存放。

FRM565：確定16位數(shù)據(jù)輸出格式。設置FRM565=0x1，即選擇5:6:5的輸出格式。

4 結(jié)束語

文中根據(jù)市場對視頻展示臺的大量需求現(xiàn)狀，提出了基于ARM9的S3C2440的便攜式視頻展示臺的設計方案。與用CPLD/FPGA來實現(xiàn)VGA顯示的系統(tǒng)相比，本方案節(jié)約成本和資源，且接口電路簡單，應用靈活、可靠。由本方案做成的視頻展示臺體積小，易于攜帶。本方案經(jīng)過Linux軟件測試論證，方案切實可行，對實物、圖片、文檔或者過程的顯示效果清晰，無抖動。

[1]OV9650FSL Userps manual 2003[Z].OmniVision Co.Ltd:3220.

[2]周曉光，潘延濤.基于S3C2440A的嵌入式視頻系統(tǒng)設計[J].電子測量技術(shù)，2006，6（12）:84-86.ZHOU Xiao-guang，PAN Yan-tao.Design of embedded video system based on S3C2440A [J].Electronic Measurement Technology，2006，6（12）:84-86.

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[4]鄭佃好，張紅雨，張洪斌.基于ADV7125的嵌入式系統(tǒng)VGA接口設計[J].新器件新技術(shù)，2011，8（4）:37-45.ZHENG Tian-hao，ZHANG Hong-yu，ZHANG Hong-bing.Embedded System VGA Interface Design Based on ADV7125[J].Newproduct&Tech，2011，8（4）:37-45.

[5]韋東山.嵌入式Linux應用開發(fā)完全手冊[M].北京：人民郵電出版社，2008.

[6]劉淼.嵌入式系統(tǒng)接口設計與Linux驅(qū)動程序開發(fā)[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006.