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1 引言

本文引用地址: http://embed.21ic.com/software/vxworks/201709/48376.html

目前,视频采集系统的应用极为广泛,许多产品和设施,例如远程监控、可视电话、会议电视等等,都需要采集视频信息。而且,随着PC机的普及,人们可以直接利用PC机进行视频采集,采集到的视频数据经过处理后保存在本地或者发送到远方。由于视频的采集、处理和传输都在一台PC机上完成,因此可以大大降低系统的复杂度和价格。

我们设计的视频采集系统是基于Intel x86平台和实时操作系统VxWorks,由视频采集卡和驱动程序两部分组成,如图1所示。视频采集卡完成视频数据采集和格式转换,驱动程序在系统启动时对硬件进行初始化,在系统启动之后实现硬件和应用软件之间的数据交互。考虑到视频的数据量极大,视频采集卡通过PCI高速总线与计算机相连。

 

2 视频采集卡的设计

为了将由摄像头输入的模拟视频转换为计算机能够接受和处理的数字视频,需要经过模数转换、同步提取、亮色分离等多个步骤。而为了将数字视频传送到PC机的内存中,还需要一定数量的FIFO、总线接口和相应的控制逻辑。这原本是一个比较复杂的过程,但是随着半导体技术的发展,各半导体生产厂家通过不断创新和改进,目前已经能够在单个芯片上实现所有这些功能。Conexant公司的Bt848就是这样的一种芯片,图2给出了其功能框图。

 

对于在PCI总线上进行NTSC/PAL/SECAM视频捕获的应用来说,Bt848是一种完整的低价格解决方案。作为一种总线主控设备,Bt848不需要任何本地缓存来存储视频像素数据,这样就极大地降低了硬件价格。Bt848能够充分利用基于PCI总线的系统的高带宽和固有的多媒体功能,并且能够与其他多媒体设备实现互操作,这样就能够以模块的方式在系统中添加视频采集和叠加功能,而花费甚少。Bt848的使用与PCI系统总线的拓扑结构无关,可以用于各种系统总线的组织结构,既可以直接集成在主板上,也可以作成插卡插在PCI总线插槽内。

Bt848的主要特点是:与PCI 2.1规范全兼容,拥有辅助的GPIO数据端口和视频数据端口,支持的图像分辨率高达768×576,支持复杂的裁剪功能,零等待状态的PCI突发写操作,支持场/帧屏蔽以减少带宽,在输出方面支持多种YCbCr和RGB像素格式,支持NTSC/SECAM/PAL模拟输入,可以使用垂直/水平方面的插值滤波将图像尺寸缩小到图标大小,具有多个复合和S视频输入,支持奇偶场不同的目的地址,支持奇偶场不同的颜色空 间/缩放因子,支持225个颜色调色板的视频映射,具有用于图文电视的VBI视频捕获功能。这些特点使Bt848适用于PC电视、桌面可视电话、运动视频捕获、静止图像采集和VBI数据服务等应用领域。

Bt848高度集成的结构使其外围电路极其简单,也便于在同一块插卡上增加更多的功能,例如视频数据加密。视频采集卡的结构如图3所示。一块Bt848最多支持4路模拟视频输入,其中3路是复合视频信号,1路是S视频信号。4路视频输入在Bt848内部完成复用。Bt848通过内部的PCI接口直接与PCI总线相连。单片机通过FIFO与Bt848的GPIO端口相连,单片机软件与主机上的软件一起实现视频采集系统的加密。控制逻辑控制Bt848和FIFO的时序,同步PCI总线、Bt848与单片机的操作。

 

3 驱动程序的编写

应用程序必须通过驱动程序才能与硬件进行数据通信,而驱动程序的编写又是与操作系统密切相关的。本系统所使用的操作系统是实时操作系统VxWorks。

VxWorks是由WRS(Wind River Systems)公司开发的一套具有微内核高性能可伸缩的实时操作系统,支持广泛的网络通信协议,并能够根据用户的需求进行组合,其开放式的结构和对工业标准的支持使开发者只需做最少的工作即可设计有效的适合于不同用户要求的实时操作系统。VxWorks的特点主要有:微内核结构(最小结构《8KB),高效的任务管理,灵活的任务间通信,微秒级中断处理,符合POSIX 1003.1b实时扩展标准,满足TCP/IP网络标准,灵活的从ROM、磁盘或网络的引导能力,多处理器支持,快速、灵活的I/O系统,MS-DOS和RT-11文件系统,完全符合ANSI C标准,多于1100种功能例程。除了性能出众的操作系统之外,WRS公司还提供了优秀的实时操作系统开发工具Tornado。Tornado由三个高度集成的部分组成:Tornado工具,是一整套强有力的交叉开发工具;VxWorks运行时系统,是运行在目标机上的高性能、可裁剪的实时操作系统;连接目标机和宿主机的通信选项,如以太网、串行线路、在线仿真或ROM仿真等。Tornado能够支持几乎所有的工作平台和目标处理器,所提供的工具可用于所有目标机,并具有两种调试模式(系统和任务模式)。除了基本的功能和开发工具,Tornado还具有先进的系列网络产品,极大地扩展了Tornado的网络特性并增强了嵌入式微处理器的网络特性。

VxWorks的所有机制和功能都是基于“C子程序”这种简单机构,即:VxWorks的所有功能都是由C程序库提供的,任何C程序都能够从Tornado的命令和调试环境中交互式地调用,任何C程序都能够作为VxWorks的一个任务从Tornado主机工具或者应用程序中产生,C程序能够与中断、看门狗定时器或辅助定时器相连。VxWorks的这种统一性使Tornado成为一种有效的开发系统,因为用户不必再编写特殊的代码来与系统陷阱接口,也不需要进行特殊的处理来建立一个任务,更不需要编写特殊的用户接口程序或交互式的测试程序来测试新代码,用户只要编写子程序就能够完成所有这些工作。

VxWorks的这些特性为编写应用程序和设备驱动程序提供了极大的便利。在VxWorks下,设备驱动程序既可以嵌入内核随系统一起启动,也可以作为可加载模块在系统启动之后运行。前一种方式需要修改并重新编译内核,这需要熟悉内核的结构,实现起来比较困难。而后一种方式则比较简单,与编写一般的应用程序类似。但是,无论采用哪种方式编写驱动程序,其基本结构是相同的,如图4所示。

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