梁皓東，張國(guó)平，潘 梁

（1.華中師范大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)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(tái)是將實(shí)物、文稿、圖片和過(guò)程等信息轉(zhuǎn)換為圖像信號(hào)輸出在投影機(jī)、顯示器上展示出來(lái)的一種演示設(shè)備。便攜式視頻展示臺(tái)由于具有體積小，易于攜帶等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于教學(xué)、大型會(huì)議及產(chǎn)品展示等場(chǎng)合，具有較大的研究前景。本視頻展示臺(tái)的設(shè)計(jì)采用三星基于A(yíng)RM9內(nèi)核的S3C2440A芯片，運(yùn)用模塊化的設(shè)計(jì)原則，具有體積小、便攜帶、低功耗、易維護(hù)性等特點(diǎn)，整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)由兩部分構(gòu)成，分別是實(shí)物、圖片、文檔或者過(guò)程等圖像采集部分和VGA傳輸顯示部分。此視頻展示臺(tái)的顯示分辨率為800×600。

1 視頻展示臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本便攜式視頻展示臺(tái)采用三星S3C2440A處理器，其CPU的工作頻率可達(dá)400 MHz，可以很好的處理圖像數(shù)據(jù)。它的外設(shè)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(xiě)速度的2片32 MB的SDRAM來(lái)保證linux操作系統(tǒng)的流暢運(yùn)行，采用具有掉電保護(hù)功能的128 MB的Nandflash來(lái)存放操作系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)程序。此外，130萬(wàn)像素的ov9650攝像頭用來(lái)采集視頻圖像數(shù)據(jù)，ADV7120將數(shù)字RGB信號(hào)轉(zhuǎn)換成VGA顯示需要的模擬彩色信號(hào)，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(shí)物、文檔、圖片或者演示過(guò)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(shè)計(jì)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(tái)的一個(gè)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(xiàn)來(lái)控制和傳輸OV9650攝像頭采集實(shí)物、圖片、文檔或者過(guò)程等視頻數(shù)據(jù)。選擇CMOS傳感器是因?yàn)樗泄牡汀⒕幊谭奖?、成本低等?yōu)點(diǎn)。其主要引腳及功能描述如下：CAMCLKOUT是CPU輸出的采樣時(shí)鐘，幀同步信號(hào)VSYNC、行同步信號(hào)HREF、像素時(shí)鐘信號(hào)PCLK由OV9650內(nèi)部產(chǎn)生，輸入到S3C2440A芯片中，用于對(duì)圖像采集進(jìn)行控制。攝像頭在每個(gè)PCLK脈沖過(guò)程中依次采集—個(gè)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(shí)物投影儀硬件電路設(shè)計(jì)框圖Fig.1 Design block diagram of portable video

攝像頭采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理后進(jìn)入幀緩沖區(qū)，幀緩沖區(qū)由4個(gè)Ping Pong存貯器組成，因此圖像幀的讀寫(xiě)操作可以同時(shí)進(jìn)行。然后通過(guò)預(yù)覽DMA連到AHB總線(xiàn)上，通過(guò)AHB總線(xiàn)將數(shù)據(jù)送往內(nèi)存。整個(gè)過(guò)程由linux操作系統(tǒng)來(lái)控制，如圖2所示。

圖2 視頻圖像采集過(guò)程Fig.2 The process of video image

2.2 視頻采集驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

file_operations結(jié)構(gòu)是Linux2.6內(nèi)核提供的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的文件操作實(shí)現(xiàn)接口，定義ov9650_ops為file_operations結(jié)構(gòu)。編寫(xiě)用于上層軟件接口函數(shù)：

通過(guò)這些調(diào)用函數(shù)，應(yīng)用程序就可實(shí)現(xiàn)對(duì)CMOS攝像頭的打開(kāi)、關(guān)閉、視頻數(shù)據(jù)的讀取、內(nèi)部寄存器的設(shè)置等進(jìn)行操作。在啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，系統(tǒng)首先調(diào)用已經(jīng)定義的ov9650攝像頭驅(qū)動(dòng)程序的入口函數(shù)init（ov9650_init）對(duì)攝像頭進(jìn)行初始化，初始化的主要內(nèi)容是復(fù)位、通過(guò)IIC配置相關(guān)攝像頭寄存器、攝像頭采樣時(shí)鐘配置以及中斷配置等，然后等待進(jìn)一步命令。應(yīng)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(tái)的另一個(gè)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(dòng)掃描式接口的TFT顯示。其主要功能引腳有：像素時(shí)鐘信號(hào)引腳VCLK/LCD，場(chǎng)同步信號(hào)引腳VFRAME/VSYNC，行同步信號(hào)引腳 VLINE/HSYNC，VD[23：0]是 LCD數(shù)據(jù)輸出端口。 當(dāng)把VSYNC、HSYNC、VCLOCK等信號(hào)參數(shù)設(shè)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(guò)DMA自動(dòng)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(diǎn)、逐行掃描。VGA接口信號(hào)為模擬信號(hào)，其關(guān)鍵信號(hào)有5個(gè)，分別是行同步信號(hào)，場(chǎng)同步信號(hào)，紅色模擬信號(hào)，綠色模擬信號(hào)和籃色模擬信號(hào)。電子槍從左至右，從上而下的進(jìn)行掃描，每行結(jié)束時(shí)，用行同步信號(hào)進(jìn)行同步。掃描完所有的行后用場(chǎng)同步信號(hào)進(jìn)行場(chǎng)同步。

通過(guò)比較LCD掃描式接口時(shí)序和VGA時(shí)序可知，LCD控制器驅(qū)動(dòng)TFT顯示的行場(chǎng)同步信號(hào)時(shí)序和VGA行場(chǎng)同步信號(hào)時(shí)序很像。只是信號(hào)的極性VGA是負(fù)極性，LCD信號(hào)是正極性，這個(gè)通過(guò)調(diào)整Linux內(nèi)核顯示模塊來(lái)調(diào)整LCD的時(shí)序以適應(yīng)SVGA時(shí)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(hào)的使能的引腳VDEN在D/A轉(zhuǎn)換模塊中可用來(lái)控制信號(hào)轉(zhuǎn)換的使能，LCD控制器的VCLK可用作D/A轉(zhuǎn)換模塊的時(shí)鐘信號(hào)。

3.2 高性能視頻D/A轉(zhuǎn)換芯片ADV7120

ADV7120的輸入及控制信號(hào)非常簡(jiǎn)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(biāo)準(zhǔn)TTL電平接口；4條視頻控制信號(hào)線(xiàn)包括復(fù)合同步信號(hào)SYNC、消隱信號(hào)BLANK、白電平參考信號(hào)REF WHITE和像素時(shí)鐘信號(hào)CLOCK，外接一個(gè)1.23 V數(shù)模轉(zhuǎn)換參考電壓源和1個(gè)輸出滿(mǎn)度調(diào)節(jié)。

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

3.3 VGA驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方案

3.3.1 LCD幀緩沖設(shè)備驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)

幀緩沖是Linux為顯示設(shè)備提供的一個(gè)接口，它把一些顯示設(shè)備描述成一個(gè)緩沖區(qū)，允許應(yīng)用程序通過(guò)FrameBuffer定義好的接口訪(fǎng)問(wèn)這些圖形設(shè)備，而不用去關(guān)心具體的硬件細(xì)節(jié)。對(duì)于幀緩沖設(shè)備而言，只要在顯示緩沖區(qū)與顯示點(diǎn)對(duì)應(yīng)的區(qū)域?qū)懭腩伾?，?duì)應(yīng)的顏色就會(huì)自動(dòng)的在屏幕上顯示。LCD控制器驅(qū)動(dòng)是VGA設(shè)備驅(qū)動(dòng)的核心，是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的linux2.6內(nèi)核下的framebuffer設(shè)備驅(qū)動(dòng)。在VGA驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的過(guò)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(dòng)幀緩沖是實(shí)現(xiàn)是整個(gè)驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)過(guò)程的重點(diǎn)。幀緩沖驅(qū)動(dòng)需要完成的的工作主要有5個(gè)部分：編寫(xiě)初始化函數(shù)，編寫(xiě)成員函數(shù)，讀寫(xiě)，映射，輸入輸出控制。

1）初始化LCD控制器

通過(guò)寫(xiě)寄存器，設(shè)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(diǎn)陣行數(shù)×點(diǎn)陣列數(shù)×用于表示一個(gè)像素的比特?cái)?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(gè)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(xiě)成員函數(shù)

該函數(shù)主要用于編寫(xiě)fb_info（）結(jié)構(gòu)體中指針fb_ops（）對(duì)應(yīng)的底層操作函數(shù)，主要是3個(gè)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(lái)獲取fb_info（）中的成員變量的，當(dāng)應(yīng)用程序調(diào)用ioctl（）操作時(shí)將會(huì)調(diào)用這些函數(shù)。

讀寫(xiě)函數(shù)就是用來(lái)讀寫(xiě)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(hù)空間，這樣用戶(hù)就可以通過(guò)讀寫(xiě)這段地址來(lái)訪(fǎng)問(wèn)緩沖區(qū)了。輸入輸出操作就是設(shè)備文件ioctl（）讀取和設(shè)置顯示設(shè)備的參數(shù)，具體的ioctl（）的實(shí)現(xiàn)由底層驅(qū)動(dòng)程序來(lái)完成[6]。

3.3.2 根據(jù)VGA時(shí)序設(shè)定LCD控制器寄存器

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

根據(jù)圖3、圖4所示 SVGA顯示時(shí)序的特點(diǎn)，對(duì)LCD控制器中的控制寄存器進(jìn)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(shè) 計(jì) 中 S3C2440A 的 HCLK=100 MHz，VCLK=40 MHz， 故 需 設(shè) 置 CLKVAL=0.25， 設(shè) 置BPPMODE=0xC，即選擇TFT 16位模式。

圖3 VGA行數(shù)據(jù)時(shí)序Fig.3 Line timing

圖4 VGA幀數(shù)據(jù)時(shí)序Fig.4 Frame timing

2）LCDCON2 寄存器

VBPD：確定幀同步信號(hào)和幀數(shù)據(jù)傳輸前的時(shí)延，是幀數(shù)據(jù)傳輸前延遲時(shí)間和行同步時(shí)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(hào)到來(lái)的一段延時(shí)，是幀數(shù)據(jù)傳輸后延遲時(shí)間和行同步時(shí)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(shí)鐘脈沖寬度，是幀同步信號(hào)時(shí)鐘寬度和行同步時(shí)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(hào)和行數(shù)據(jù)傳輸前的延時(shí)，描述行數(shù)據(jù)傳輸前延遲時(shí)間內(nèi)VCLK脈沖個(gè)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(hào)到來(lái)的一段延遲時(shí)間，描述行數(shù)據(jù)傳輸后延遲時(shí)間內(nèi)VCLK脈沖個(gè)數(shù)，HFPD=d×VCLK=1 μs×40 MHz=40。

4）LCDCON4 寄存器

HSPW：確定行同步時(shí)鐘脈沖寬度。描述行同步脈沖寬度時(shí)間內(nèi) VCLK 脈沖個(gè)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(chǔ)格式。此處設(shè)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(shè)置FRM565=0x1，即選擇5:6:5的輸出格式。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中根據(jù)市場(chǎng)對(duì)視頻展示臺(tái)的大量需求現(xiàn)狀，提出了基于A(yíng)RM9的S3C2440的便攜式視頻展示臺(tái)的設(shè)計(jì)方案。與用CPLD/FPGA來(lái)實(shí)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(jiǎn)單，應(yīng)用靈活、可靠。由本方案做成的視頻展示臺(tái)體積小，易于攜帶。本方案經(jīng)過(guò)Linux軟件測(cè)試論證，方案切實(shí)可行，對(duì)實(shí)物、圖片、文檔或者過(guò)程的顯示效果清晰，無(wú)抖動(dòng)。

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