基于V4L技术和摄像头的Linux驱动程序的设计与实现

　　作者：余雅琴，王超，胡晨，王素

引言

随着多媒体技术、网络技术的迅猛发展和后PC机时代的到来，利用嵌人式系统实现远程视频监控、可视电话和视频会议等应用已成为可能。为了实现这些应用，实时获得视频数据是一个重要环节。针对这一点本文在嵌入式系统平台上，基于Video4Linux（简称V4L）技术，实现了摄像头驱动开发，详细叙述了V4L技术和摄像头在Blackfin536 DSP平台上的Linux驱动程序设计。

1 Video4Linux

V4L是Linux的影像串流系统与嵌入式影像系统的基础。Linux在TV、多媒体上的应用是目前相当热门的研究领域，而其中最关键的技术则是Linux的V4L。V4L是Linux kernel里支持影像设备的一组APIs，配合适当的摄像头与摄像头驱动程序，可以让我们实现影像采集、AM／FM无线广播、影像CODEC、频道切换等功能；而目前最主要的则是应用在影像串流系统与嵌入式影像系统里，其应用范围相当广泛，例如：远距离教学系统、远距离诊断系统、视频会议等。

目前，V4L这套接口已发展为V4L 2，前者比后者简单，但存在两个不足之处：驱动程序设计时不能同时打开多个设备；现存的V4L API不能很好地支持带编码能力的设备。本文为便于研究摄像头驱动开发，还是使用V4L。

V4L主要结构体如下：

camera_open，camera_close是打开和关闭视频采集设备；camera_read，是读取视频图像；视频驱动主要的控制接口都是通过 ioctl来实现的，如图像的格式、亮度、色度等信息都是通过ioctl函数获取和设置的。ioctl命令部分如下：

V4L支持两种方式捕获图像：mmap（却嬗成浞绞？和read（直接读取方式），本系统采用mmap。需预先设置好图像的大小和深度，接着使用 VIDIOCGMBUF命令，它会返回用于mmap的缓存（buffer）的大小以及每帧缓存的偏移地址（offset）。驱动程序里的映射函数为 static intbf536_v411_mmap（Struct file*filp，structvm_area_struct*vma）；抓帧完成后，在应用程序里通过内存映射，读取图像数据。

2 硬件平台

本系统采用CMOS模拟传感器，经TI公司的TVP5150A视频解码芯片把模拟信号转成 ITU-R BT．656视频信号，再送给ADI公司的Blackfin536 DSP处理器进行图像处理，如图1所示。TVP5150向DSP提供采样时钟信号CLK（27MHz），8根数据线传输内嵌同步控制码流的ITU-R BT．656格式的数据，DSP通过I2C接口对视频解码器进行配置。视频数据由DMA搬运到SDRAM。

3 驱动程序设计

3．1 驱动程序核心结构体的介绍

本系统的软件平台是嵌入式uclinux，因此，摄像头作为一个设备驱动加载到uclinux内核中。一般而言，每个设备驱动都会有它的核心结构体，摄像头驱动的核心结构体设计如下：struct camera device

该结构体储存了几乎全部与摄像头视频图像相关的信息。其中的结构体videoDev和videoV4l1是与V4L相关联的，ppiDev是与ADSP- BF537处理器硬件配置相关的，而frame［CAMERA_NUMFRAMES］则与采集时当前视频帧数据相关联。此外，camera_device 该核心结构体还定义了表示奇偶场的成员变量frame_field，表示当前帧的抓取状态的成员变量grabbing等。

3．2 硬件配置

本系统在开发过程中，最主要的难点在于硬件的配置，正确配置TVP5150、PPI、DMA需要搞清楚整个摄像头的工作原理，以及各种图像格式的基本知识。本文主要给出PPI和DMA的几个关键配置选项。

3．2．1 PPI配置

TVP5150A视频解码芯片把模拟信号转换成ITu-RBT．656视频信号，ITU-R BT．65*：2：2并行接口的数字演播室标准。对于PAL制系统（NTSC系统类似），一帧图像包括两场视频数据（奇偶场），每一场图像由四部分构成：有效视频数据，水平消隐，垂直消隐以及控制字。而PPI接口在ITU-656输入模式下可以支持3种数据传输，若选择有效视频数据，则可以实现PPI 与TVP5150A解码器的无缝连接。且传输的有效视频数据就是UYVY422格式，所以配置PPI控制寄存器为ITu-656输入、传输有效视频数据。 PPI传输的有效视频数据每场都由288行组成，每行有1440个取样字，其中720个亮度Y取样字，360个蓝色色差Cb，360个红色色差Cr，按 Cb、Y、Cr、Y的次序排列。而UYVY422格式数据是：每个像素点都取亮度值，而蓝色色差和红色色差是每两个像素点才各取一个，两者交替取，所以图像像素是720×576。这样可以确定ppi frame=576（整幅图像的行数）。而ppi count不用配置，因为在ITU-R BT．656视频信号中有H和V信号。

3．2．2 DMA配置

本系统采用二维DMA来提高数据的传输速度，采用16位传输，且传输完一场视频数据后产生中断。dma_x_count=720（相当于每行数据需传输的次数，每行720个像素点，每个像素点2个字节。每行要传720×2个字节，而dma是16位传输，所以x_count=720）。 dma_x_modify=2（相邻两次传输数据的偏移地址，以字节为单位，因为是16位传输，所以为2）。

由于PAL制视频数据是隔行扫描，每帧分为奇偶两场，两场在时域上是分开的，但是在数据处理时需要将两场合成一帧进行处理，因此为了减少CPU的处理时间，可以利用DMA直接进行场合成。在一场的传输中，DMA在传输完一行数据后，预留下一行的存储空间，将数据存放到第三行的地址。在一场数据传输完后，下一场的数据就填充上一场预留的存储空间，也是隔行存储，这样两场数据就合成一帧数据了。所以，dma_y_modify=1442（一行720像素点，占720×2字节。而一行末地址到下一行首地址还需2字节。所以720×2+2=1442）。同时，两场数据存放的起始地址的设置间隔也是1442字节。

3．3 中断服务子程序

本系统的中断服务子程序主要是一场数据采集完后，产生中断，并根据数据的奇偶场做出相应的处理。其流程如图2所示。

4 结束语

本文介绍了在Blackfin DSP和Linux的平台下，摄像头驱动的体系结构和具体实现。此驱动由测试程序测试，可以正常工作。此驱动尚存在不足之处，那就是在驱动的抓帧过程中没有采用乒乓操作，但是采用了两个帧缓存来存取数据，因此乒乓操作可以在上层应用中完成。

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