基于三星S3C2440A的Micro2440视觉处理平台的构建

嵌入式机器人系统通常需要高速、功能接口丰富的处理器系统，而最新的Micro2440开发板采用了三星S3C2440A处理器，该处理器基于 ARM920T内核，工作频率400 MHz，0.13 μm的工艺制造,具有高性价比、低功耗、高性能的特点[1],同时内部集成了LCD、CMOS摄像头等接口模块，能够高速快捷地完成视频信号处理，而且丰富的外围接口提供了系统良好的扩展特性。另外Micro2440核心板可以与底板分离单独运行，为进一步缩小体积预留了空间。无论是基于图像的处理还是视频流的处理，首先都需要完成视觉平台的构建，本文在Micro2440开发板的基础上实现了视觉处理平台，完成了图像、视频的处理和显示功能，并提出了基于颜色通道的背景差分法，完成目标物体中心的实时检测。

1 系统整体流程

该平台设计首先完成了基本的硬件初始化，而CMOS摄像头驱动以及相应的图像处理作为一个单独的模块进行加载运行。该嵌入式系统的加载启动任务是由 BootLoader（BootLoader是嵌入式系统加电后运行的第一段程序）来完成的。BootLoader分为两个阶段：第一阶段通常由汇编语言实现完成部分硬件的初始化，创建C语言运行环境；第二阶段继续进行初始化完成MMU、LCD显示等设置。在系统完成基本硬件的初始化工作后，便可以启动摄像头进行图像、视频的采集处理，系统结构如图1所示。



BootLoader的第一阶段启动的流程依次为：ARM启动或重启→设置中断向量→禁止看门狗、中断→设置时钟→Sdram初始化→复制RO/RW段到 Sdram→ZI段清零→堆栈初始化→跳转到main函数。第二阶段则完成了以下操作：main函数→端口初始化→设置中断请求→设置主频→串口初始化→ 设置MMU→打开Cache→LCD初始化。ARM系统MMU的设计为了便于实现，采用了2段式的虚拟地址分配方式，每个页（Section）的大小设置为1MB;同时为了减少对S3C2440地址的修改，采用了虚拟地址与物理地址相同的地址分配方式。

2 LCD设计

Micro2440开发板配有240×320/NEC3.5英寸T- FT真彩液晶屏，正确设置后能够显示清晰的图像、视频。S3C2440A的LCD控制器支持的屏幕大小包括480×640、240×320以及 160×160等尺寸，能够产生VFRAME、VLINE、VCLK、VM等控制信号。这些控制信号的使用需要配置S3C2440A的C端口为LCD控制。同时LCD的数据线VD[0]~ VD[7]也由C端口控制，VD[8]~VD[23]则由D端口控制，需要设置做为LCD数据线。由于使用的是TFT真彩液晶屏，需要把LCD控制寄存器设置为TFT模式，这里设置为TFT的16BPP（Bits Per Pixel）模式；同时还需要对LCDCON5进一步设置为5:6:5或5:5:5:1格式，这里设置RGB格式为5:6:5格式，此信号在OV9650 传输如图2所示[2]。以便和摄像头的视频输出格式相一致，否则需要进行格式的转化。在设置完帧缓存地址后，写入数据，便可以实现图像的显示，格式转换过程如图3所示。



3 摄像头驱动设计

Micro2440开发板的配套摄像头型号为OV9650，该摄像头具有130万像素，输出视频格式为YCbCr格式，同时S3C2440A的 CAMIF(Camera Interface) 提供了ITU-R BT.601/656 8位标准输入的支持[3]，最大可采样4 096×4 096像素的图像[4],在Preview模式下支持输出RGB 16/24 bit格式，这对于数字图像的处理带来了便利条件。S3C2440A的CAMIF与OV9650的连接如图4所示。



OV9650驱动流程如下：设置Camera全局控制寄存器，并复位→配置S3C2440A的J端口→使能OV9650的Normal模式→设置接口时钟 →通过I2CSCL，I2C-SDA与SID_C, SID_D信号建立S3C2440A与OV9650的通信→设置OV9650的寄存器组→初始化3C2440A摄像头接口，包括捕获图像的宽、高、偏移、输入格式、输出格式、缓冲区地址等→将OV9650将LCD缓冲区地址更改到Camera的缓冲区地址，以显示Camera图像→清除中断→设置中断处理函数→开始捕获图像。

其中，OV9650与S3C2440A的通信采用了两线制的SCCB (Serial Camera Control Bus) [5]，通过该接口可实现各种图像增强和控制功能，如自动曝光、自动增益、自动白平衡控制等，以及控制图像色彩、饱和度、锐化、镜头校准等[6]。 S3C2440A控制端口产生SCCB的启动、停止等控制信号，SCCB 协议中开始条件定义为:在SID_C 为高电平时, SID_D出现一个下降沿,则SCCB开始传输;停止条件定义为:在SID_C为高电平时, SID_D出现一个上升沿,则SCCB停止传输；在数据传输时,SID_C为高电平时,需要SID_D上的数据的稳定,以便传输，如图5所示。



以写一位数据传输为例，基本流程为：将数据放在SID_D上→启动SID_C进行传输→延时传输后停止SID_C；同理，传输8位数据则需循环8次。类似地，读取时基本流程为：启动SID_C→读取SID_D→停止SID_C。一个完整的数据传输的写周期顺序为：写从设备的ID→写设备寄存器的地址→将此寄存器中写入数据。