基于嵌入式Linux與S3C2440雙USB接口的視頻存儲

?針對長途客車“三超”(中途超載上人，超時，超速)以及在非正常停靠站私自停車上人導致的客車超載，同時目前市面上視頻監控設備由于體積大、成本高等，使其難以推廣應用在車輛中等問題，整合USB攝像頭低成本、USB存儲介質較SD(Secure Digital Memory Card)卡存儲速度更快、支持更大容量等優點，提出了基于嵌入式。Linux及S3C2440平臺的雙uSB接口車載視頻存儲方案。本方案主要利用單片機判別模塊采集車輛行駛過程中運動狀態信息(是否超速，存在急剎車、中途停車超時等)，并結合車門在車速為零時的開閉對長途客車在非正常停靠點超載上人進行主動視頻監控，便于以后的責任追究和認定，為監控中心的管理提供輔助。

1 系統總體結構設計
??? 為方便系統擴展，本文將其劃分為單片機判別模塊和視頻采集存儲模塊兩部分。單片機判別模塊采用C8051F040處理器，利用其充足的接口資源，對車輛是否超速、急停、超載等情況做出判斷。本模塊完成將力傳感器信號、車速脈沖信號調理后供單片機處理并與存儲模塊通信。采用測周法測量車輛變速箱輸出脈沖周期，進而可以得到車速、加速度等信息，配合力傳感器測量結果為判定車輛是否超速、急停、超載等提供判斷依據。單片機對以上情況進行編碼，通過串口將不同信息編碼發送給ARM視頻存儲模塊，供其作出不同存儲策略。系統總體結構如圖1所示。

??? 視頻存儲模塊根據接收到單片機發出的串口信息，對后續行為做出判斷，如是否存儲、存儲時間、存儲位置等。模塊硬件平臺設計如圖2所示：中央處理器選用三星公司ARM9架構S3C2440處理器(可以穩定工作在400 MHz，保證采集存儲過程流暢)；選用64 MSDRAM內存及64 MBFLASH作為系統程序存儲設備。接口資源包括：2個USB口(均配置為HOST模式)、100 M以太網口、2個串口、音頻口等。

2 S3C2440視頻采集存儲模塊
??? 整個模塊正常情況下主要由單片機系統提供電源。另外，外接一獨立直流電源裝置，以免在交通事故時汽車熄火斷電，影響系統工作。此模塊主要完成視頻的基于事件的存儲功能，判斷功能由單片機模塊提供，另外依據串口實時掃描特性可提供時分復用觸發功能。模塊間獨立性高，適合移植到其他場合推廣使用。

2．1 USB硬件連接及Linux內核配置修改
2．1．1 USB硬件連接
??? 三星公司S3C2440芯片共有2路HOST USB：DP[1：0]及DN[1：0]口，一路DIVICE PDN0，PDP0 口，其中DP1，DN1分別與PDP0，PDN0接口復用，根據相關寄存器配置不同而具有不同功能。本課題中，將其配置為2路HOST使用，一路連接USB攝像頭，另一路連接USB接口的存儲設備(可以是優盤或者USB移動硬盤)。本文沒有用到芯片自帶的SD卡接口進行存儲主要出于以下考慮：
??? a)速度：普通SD卡的數據傳輸速度約2 MB／s；高速SD卡數據傳輸速度約10 MB／s；極速SD數據傳輸速度約20 MB／s。而現在通用的USB2．0的全速傳輸速率是480 Mbps(60 MB／s)，為普通SD卡傳輸速度的30倍。再者，USB3.0標準也已推出，速度可達5 Gbps，并向下兼容。USB已經成了高速、方便的代名詞，本文選用USB也正出于其通用性和方便升級性考慮。
??? b)容量瓶頸：現有發行的嵌入式Linux2．4．X內核對SD卡標準模式容量的支持絕大數為2 G以下(不包含2 G)，要支持到更大容量需要對SD卡驅動程序進行大量修改，并且協議標準推出相對較晚，較新的嵌入式Linux 2．6．24內核通過筆者實際驗證可以支持到2 G容量，但要對驅動進行多處修改，后續升級復雜，穩定性也需要進一步驗證。
??? 鑒于以上兩點，采用USB接口進行視頻數據的采集和存儲，兩路USB接口部分硬件連接如圖3所示。

2．1．2 Linux內核配置修改
??? 在Linux下，所有外設都被看成是一種特殊的文件，稱為設備文件。設備驅動程序為內核和外設之間提供接口函數，完成設備的初始化與釋放、對設備文件的各種操作及中斷處理等。這些接口函數為應用程序屏蔽了外設硬件的細節，使程序可以像普通文件一樣對外設進行操作。Linux系統中子模塊Video4Linux向虛擬文件系統注冊視頻設備文件，為視頻應用程序提供了一套統一的API，視頻應用程序通過標準的系統調用即可操縱各種不同的視頻捕獲設備。
??? 考慮到更好的推廣性，采用市面上常見的中星微301系列zc0301pl芯片攝像頭，此攝像頭支持JPEG格式的圖像采集。模塊中分別對USB OV511 Camera support，Device Drivers等菜單選項進行適當配置。除此之外，還需對USB的配置文件進行修改，本文選用Linux 2．6．24內核，主要修改的文件如下：
??? linux-2.6.24／driVers／usb／host／Kconfig，linux-2．6．24／drivers／usb／host／ohci-s3c2440．c和linux-2．6．24／drivers／usb／core／hub.c．其中主要涉及對MISCCR寄存器進行正確設置。以修改ohci-s3c2440．c文件為例，部分需添加代碼：
???
2．2 視頻采集存儲程序設計
??? Vide04Linux設備驅動程序只提供了在系統層面上訪問硬件設備的一系列讀、寫等函數的接口，要實現存儲，還需再編寫一個對視頻流采集的應用程序，總體上創建兩個進程：進程一實時掃描串口接收到的信息，通過讀取命名管道內容將編碼信息發送給進程二；進程二根據接收到的編碼做出判斷，區別各種不規范駕駛行為，設定定時器不同時長以控制存儲時間，并將視頻分類存儲到不同目錄中。

?Video4Linux設備驅動程序支持兩種捕獲圖像的方式：內存影射mmap方式和直接讀取read方式。mmap方式采用共享內存方式，數據采集速度快，但這種采集方式需攝像頭硬件支持。結合本文中使用的攝像頭，在圖像采集過程中，采用read方式直接讀取設備文件，將獲得的一幀數據保存到緩沖區中，通過convertframe()函數將pFramebuffer中的數據轉換成完整的JPEG格式的數據存儲到ptframe中，然后調用fWrite()函數將緩沖區中的JPEG格式的數據寫到指定文件中，從而得到一副JPEG格式原始數據塊。部分程序如下：

???
??? 對于存儲的控制，本文采用“命名管道”方式，這是一種簡單的進程間通信機制，在同一計算機的不同進程之間，支持可靠的，單向或雙向的數據通信。
??? 命名管道由視頻存儲進程利用函數int mkfifo(constchar*pathname，mode_t mode)創建，負責讀取由串口掃描接收進程接收到的控制信息。部分程序如下：

??? 程序總體流程圖如圖4所示。

3 試驗結果
??? 嵌入式內核采用較新的Linux2．6．24版本，配置成功后將編譯生成的鏡像文件下載到目標機。應用程序可執行文件通過宿主機上交叉編譯器arm-linux-gcc4．4．1生成，向目標機移植成功后便可以在目標機上運行。本文中攝像頭采用中星微301系列zc0301p1芯片，存貯器選用臺電存儲之星U盤，容量為4 G。
??? 視頻采集存儲模塊根據接收到的不同違章信息，在執行文件當前所在目錄位置分別建立DOCn(n=1，2，…)文件夾，將視頻信息分類保存在相應目錄下。圖5為駕駛員在岔道轉彎時刻因超速產生觸發條件，進而觸發視頻采集存儲視頻中的一副圖片。另外，在系統運行時，還可以根據需要設置錄制時間的長短，以滿足不同的需求和存貯器容量的限制。

4 結論
??? 本系統中單片機模塊根據運算結果產生觸發條件，通過串口發送不同編碼信息來區別超速、緊急剎車、超載等情形。實驗結果表明整個系統安裝簡便，成本低廉，工作穩定可靠。另外通過修改單片機模塊觸發條件，可擴展用于工廠、銀行及小區等場合下基于事件觸發的智能監控。