基于Quick Capture技術的攝像頭驅動方案

關鍵詞：嵌入式系統 驅動程序 快速捕捉 攝像頭

隨著嵌入式處理器的普及和硬件成本的不斷降低，具有拍照和攝像功能的手機逐步走進了人們的生活。但由于嵌入式處理器的速度有限，在處理圖形和多媒體數據方面顯得力不從心，導致嵌入式系統的攝像頭分辨率低、色深低、數據傳送速度慢，無法滿足人們即時捕捉高質量圖片和視頻的需求。Quick Capture技術是一種專為手持設備設計，用來改進圖像質量和傳輸速度的技術。本文基于Quick Capture技術，就攝像頭驅動程序和圖片信息傳輸問題，提供一種解決方案。

1 硬件介紹

本人選擇的嵌入式微處理器是2003年底Intel公司剛剛推出的一款專門面向移動電話和掌上電腦的專用處理器，PXA27x系列，代號為Bulverde。該處理器采用了Quick Capture技術。Quick Capture為成像設備與無線設備提供接口，有助于改進圖像質量以及降低產品整體成本。該項技術包括快速瀏覽、快速拍照和快速視頻拍攝三種操作模式。該技術使得Bulverde可以支持400萬像素數碼鏡頭，并能提供最大416Mbps的數據傳輸速率。

集成在該開發板上的是Agilent公司的型號為ADCM-2650-0001的攝像頭感應器。在VGA（480640）分辨率下，每秒傳輸的圖片能達到15幀，具備自動曝光和白平衡功能，并且針對嵌入式應用做了很多優化處理，所以非常適合嵌入式領域的應用。ADCM-2650-0001內含3個獨立的FIFO條目，存儲從感應器捕捉到的視頻或者圖片數據信息。連接處理器和攝像頭感應器的是Quick Capture Interface(快速捕捉接口)，它提供了以下幾種類型的寄存器：

①QCI（Quick Capture Interface）控制寄存器0～4；

②QCI時間間隔寄存器；

③QCI狀態寄存器；

④QCI FIFO控制寄存器；

⑤QCI接收緩沖區寄存器。

通過這些寄存器，可以控制整個處理器與感應器之間的工作流程。

攝像頭感應器與Intel XScale處理器之間的連接，如圖1所示。

2 接口的實現

本人采用的是ElaME1.0(“和欣”手機操作系統)作為嵌入式操作系統。這是一款由我國自主開發的智能手機操作系統，基于微內核，具有多進程、多線程、搶占式、基于線程的多優先級任務調度等特性。和欣操作系統體積小，速度快，適合網絡時代的絕大部分嵌入式信息設備；除了支持攝像頭感應器外，還支持彩色LCD、觸摸屏、USB等多種嵌入式設備。

2.1 ElaME下的攝像頭驅動模型

ElaME的驅動模塊如圖2所示。

ElaME的驅動模型與Unix、Windows操作系統的不一樣。它把驅動程序構件化了，使得驅動程序具備了構件的靈活等多種特性。例如：當操作系統啟動時并不用加載所有的驅動程序，而是當用戶需要用到該設備時才加載。這樣的設計使得在手機硬件資源比較緊張的環境中比傳統的嵌入式操作性系統具有更強的競爭力。設備管理器（device manager）是一個內核對象，管理系統中所有的設備與驅動對象，負責設備信息的搜集、驅動構件對象的創建和刪除、設備硬件資源的沖突檢測等。

攝像頭感應器驅動就是一個構件對象，它的主要工作有以下幾點：

①負責通過I2C總線查詢攝像頭感應器信息，調節攝像頭感應器的設置；

②建立和控制DMA傳輸通道，通過DMA方式將3個FIFO里的數據信息傳送到的內存中；

③提供可以給用戶態程序使用的接口。

2．2 攝像頭感應器驅動的關鍵技術實現

下面從驅動設計上，具體說明如何基于Quick Capture技術，通過DMA方式在感應器的FIFO與內存之間建立最快速最高質量的數據傳送。

在PXA27x型號的處理器中，有兩種內部外圍器件：外部總線的外圍器件（PBP）和內部總線的外圍器件（IBP）。快速捕捉接口（Quick Capture Interface）屬于IBP。內部總線的外圍器件通過外圍總線連接至DMAC，使用流數據傳送。DMAC有兩種工作方式：描述器取入方式和非描述器取入方式。因為當前手機上捕捉到的圖片大小分別是從QQVGA（160120）、QCIF（176144）、QVGA（320240）、VGA（480640）不等，最小QQVGA的每張圖片大小也有37.5KB，而每個描述器一次最大能傳送（8K-1）B，所以選擇多描述器鏈的方式。描述器鏈就是將該描述器的特定寄存器內存放的是下一個描述器的地址，當該描述器傳送完自身的數據后，能獲得下一描述器的地址，讀取描述器內的信息，然后繼續下一輪的數據傳送。每個FIFO都有自己的一串描述器鏈。如果是捕捉圖片，采用一個FIFO即可，如果捕捉視頻，要用到三個FIFO。

以下是建立多描述器鏈的步驟。

①根據圖片的格式來確定每幀的大小，如為RGB565格式。

frame_size=camera_info>capture_width*

camera_context->capture_height*2;

camera_info->fifo0_transfer_size=frame_size;

//以下為捕捉視頻

//camera_info->fifo1_transfer_size=0;

//camera_info->fifo2_transfer_size=0;

②根據每幀的大小和描述器一次能傳送的大小確定描述器的個數。

camera_info->fifo0_num_descriptors=

(camera_info->fifo0_transfer_size+SINGLE_DESCRIPTOR_TRANSFER_MAX-1)

/SINGLE_DESCRIPTOR_TRANSFER_MAX;

camera_info->fifo1_num_descriptors=…；

camera_info->fifo1_num_descriptors=…;

③判斷是否超過DMA規定的描述器的大小限制。

④分配DMA描述器的地址，并賦給FIFO0。

camera_context->fifo0_descriptors_physical=

(unsigned)camera_context->dma_descriptors_physical;

cur_des_physical=(DMAC_DESCRIPTOR_T*)

camera_context->fifo0_descriptors_physical

⑤將每個描述器與1幀圖片的每個數據塊建立一一對應的關系。

for(j=0;jcamera_context->fifo0_num_descriptors;j++){

//建立描述符

cur_des_virtual->DDADR=

(unsigned)cur_des_physical+sizeof(DMAC_DESCRIPTOR_T);

//FIFO0物理地址z

cur_des_virtual->DSADR=CI_REGBASE_PHY+CIBR0;

cur_des_virtual->DTADR=darget_physical;

cur_des_virtual->DCMD=des_rtansfer_size

|DMAC_DCMD_FLOW_SRC

|DMAC_DCMD_INC_TRG_ADDR

|(DMAC_BURSTSIZE_1616);

//向前移動指針

remain_size-=des_transfer_size;

cur_des_virtual++;

cur_des_physical++;

target_physical+=des_transfer_size;

}

//停止DMA傳送捕捉的幀

last_des_virtual=cur_des_virtual-1;

last_des_virtual->DDADR=(unsigned)camera_context->fifo0_descriptors_physical;

將每個描述器的DDADR（DMA描述器地址寄存器）指向下一個描述器的地址，將最后一個DDADR指向第一個描述器的地址，這樣形成一個環路的描述器鏈。另外，還要設置DSADR（DMA源地址寄存器）。由于是從攝像頭感應器到內存，所以FIFO的地址是源地址，DTADR（DMA目標地址寄存器）為內存，DCMD（DMA命令寄存器）設置傳輸大小和源流控制。

以上都建立好以后，DMA就可以傳送數據了。傳送數據的流程如圖3所示。

結語

目前的嵌入式開發板對于攝像頭感應器的數據傳送方式各不相同。如NeoMagic公司開發的Mimagic5傳送圖片采用的是獨立的DMA功能，而傳送視頻采用的是特定的內存訪問通道，Video Capture Interface不通過DMA方式；而Intel公司的PXA27x采用Quick Captre技術，從官方發布數據表明，明顯地提高了視頻信息的傳送速度。

隨著嵌入式設備不斷的發展更新，將會有更多、更先進、更高速的數據傳輸技術被應用到嵌入式開發的各個領域。