摘 要： 為了實現(xiàn)嵌入式 Linux 對 CMOS 圖像傳感器 OV2715 的支持，對 OV2715 的工作原理進行深入的研究，針對 OV2715 功能復(fù)雜和驅(qū)動編寫困難的問題，提出一種模塊化設(shè)計 OV2715 驅(qū)動的方法。在 DM3730 硬件平臺下，將 OV2715 驅(qū)動分為 I2C 設(shè)備驅(qū)動和 V4L2 接口驅(qū)動并分別進行了實現(xiàn)，最后，設(shè)計視頻采集程序并對驅(qū)動進行了測試。測試結(jié)果表明，輸出視頻圖像質(zhì)量清晰穩(wěn)定，該實現(xiàn)在高清數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)中有較好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞： OV2715 驅(qū)動； V4L2； I2C 總線； 嵌入式 Linux； 高清數(shù)字視頻監(jiān)控

中圖分類號： TN957.52?34； TP316 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）22?0071?0

0 引 言

隨著人們安全意識的提高，視頻監(jiān)控系統(tǒng)在眾多行業(yè)中得到了大范圍的普及。高清數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)更以其儲存信息量大、系統(tǒng)功能完善、控制靈活和智能化等顯著優(yōu)點，在安防領(lǐng)域得到越來越多的應(yīng)用[1]。高清數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要由前端采集設(shè)備、視頻傳輸系統(tǒng)和主控顯示存儲系統(tǒng)組成，而前端攝像機采集芯片類型的選擇直接影響著監(jiān)控端輸出數(shù)字視頻信號的好壞，從而決定著視頻監(jiān)控系統(tǒng)的整體效果。

OV2715 是 TI 公司針對高清視頻監(jiān)控領(lǐng)域推出的全高清 1080P 的 CMOS 圖像傳感器芯片，具有成本小、低功耗和輸出圖像質(zhì)量高等特點，選取該芯片作為前端采集芯片。由于 Linux 2.6.32 內(nèi)核版本沒有提供該芯片驅(qū)動，需要手動編寫該驅(qū)動實現(xiàn)對 OV2715 的支持。同時，以往的視頻設(shè)備驅(qū)動往往存在結(jié)構(gòu)層次不明晰等缺點，針對 OV2715 功能復(fù)雜和驅(qū)動開發(fā)難度大等特點，提出了模塊化的思想編寫該驅(qū)動。首先，深入研究了 OV2715 的工作原理，對 Linux 系統(tǒng)中的 I2C 驅(qū)動體系和 V4L2 驅(qū)動體系進行了全面的介紹；其次，針對特定的硬件平臺，基于模塊化方法對 OV2715 驅(qū)動程序進行了設(shè)計并給出了關(guān)鍵代碼實現(xiàn)。最后，設(shè)計了視頻采集程序?qū)︱?qū)動進行了測試和分析，實現(xiàn)了視頻采集和顯示功能。

1 OV2715 芯片

1.1 OV2715 功能介紹

OV2715 是一款 1/2.7 英寸的低電壓、高性能和能提供輸出 1080P 高清分辨率的 CMOS 圖像傳感器，支持通過 DVP 和 MIPI 接口輸出 RAW/RGB 格式的圖像，還提供了 SCCB 接口來控制傳感器的運行[2]。此外，OV2715 集成了自動聚焦濾波器，PLL 電路和 1.5 V 穩(wěn)壓器，可以保證其運行的穩(wěn)定；OV2715 的自動圖形控制電路使其支持 AEC，AGC，AWB，ABLC 和 LENC 等功能，因而輸出圖像質(zhì)量較其他傳感器有明顯的提高；OV2715 圖像傳感器主要應(yīng)用于高清數(shù)字視頻監(jiān)控攝像機的前端采集模塊中。

1.2 OV2715 寄存器介紹

OV2715 內(nèi)部寄存器主要包括三部分：用來控制輸入輸出的寄存器、用來實現(xiàn)具體圖像功能的寄存器和用來輔助傳感器正常工作的寄存器。視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，處理器模塊對 OV2715 寄存器的訪問通常有兩種方式，其一為并行訪問模式，通過 OV2715 的 DVP 接口進行訪問；其二為串行訪問方式，經(jīng)過系統(tǒng)提供的 I2C 接口來控制 OV2715 芯片。I2C 總線是一種串行總線，主要由數(shù)據(jù)線和時鐘線組成，其用途是完成微控制器模塊和外圍模塊間通信的工作。OV2715 通過 I2C 訪問時硬件資源占用率小并且訪問速度較快，故本次驅(qū)動實現(xiàn)中處理器和 OV2715 通信采用 I2C 總線方式。

1.3 OV2715 工作過程

OV2715 視頻數(shù)據(jù)采集主要經(jīng)過圖像數(shù)據(jù)產(chǎn)生、圖像數(shù)據(jù)處理和圖像數(shù)據(jù)輸出三個過程，采集工作過程如圖 1 所示。

圖像數(shù)據(jù)產(chǎn)生階段，OV2715 傳感器內(nèi)核根據(jù)引腳 HREF，VSYNC 和 PCLK 信號以固定的幀速率產(chǎn)生像素流數(shù)據(jù)。其中，定時產(chǎn)生器可以同步圖片陣列的行數(shù)據(jù)，每個陣列中的像素經(jīng)過模擬電路抽樣、增益控制和 ADC 轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生 10 b 的數(shù)據(jù)；圖像數(shù)據(jù)處理階段，需要對采集到的數(shù)字信號進行圖像增強、鏡頭控制和視頻格式的設(shè)置等功能，主要配置的寄存器如表 1 所示；圖像輸出階段，主要對圖像數(shù)據(jù)進行編碼，然后進行通道選擇，輸出符合要求的 YUV/RGB 數(shù)字信號。

2 硬件平臺結(jié)構(gòu)

無人機基站勘測系統(tǒng)中，前端采集系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。

嵌入式硬件系統(tǒng)處理模塊采用 TMS320DM3730 片上系統(tǒng)，操作系統(tǒng)內(nèi)核版本采用 Linux 2.6.32。DM3730 為 TI 公司的 OMAP 系列雙核架構(gòu)處理器，ARM 端負(fù)責(zé)運行操作系統(tǒng)控制系統(tǒng)的工作流程和 DSP 負(fù)責(zé)處理大量高清視頻數(shù)據(jù)，并且該處理器內(nèi)部具有 3D Image?Processor 和 IVA 等，支持高清 720P，1080P 視頻解碼。該處理器實時處理視頻速度可達 60 f/s，具有優(yōu)秀的編解碼能力，最高能達到每秒 500 萬像素，具有 VPSS 和支持包括 3A 在內(nèi)的眾多功能[3]。

OV2715 圖像傳感器通過 I2C 總線接入 DM3730 平臺的 ISP 模塊中；WiFi 模塊負(fù)責(zé)發(fā)送視頻數(shù)據(jù)和基本通信功能，SD 卡模塊負(fù)責(zé)視頻數(shù)據(jù)的存儲和系統(tǒng)升級存儲功能，電源管理模塊為給系統(tǒng)提供可靠、穩(wěn)定的電源輸入，調(diào)試模塊主要負(fù)責(zé)控制系統(tǒng)更新升級等。

3 OV2715 驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)

高清數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，視頻采集的過程：OV2715 將模擬電路產(chǎn)生的圖像信號經(jīng)過 A/D 控制器轉(zhuǎn)換成 8 b 的數(shù)字信號，其次通過 V4L2 驅(qū)動支持的 MIPI 接口進行視頻捕捉，此后 DM3730 平臺 DSP 模塊進行 H.264 編碼，最后將視頻數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送或者進行本地存儲。在此過程中，OV2715 驅(qū)動程序負(fù)責(zé)初始化 OV2715 相關(guān)寄存器，同時接收用戶空間的命令完成對傳感器工作狀態(tài)的操控，將視頻信號傳送到 V4L2 視頻驅(qū)動接口；OV2715 驅(qū)動結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。

OV2715 驅(qū)動被加載到內(nèi)核后，向系統(tǒng)注冊成功后會生成對應(yīng)的設(shè)備節(jié)點；用戶空間應(yīng)用程序通過操作該節(jié)點使用 V4L2 驅(qū)動實現(xiàn)的 API 完成視頻采集的工作。在此過程中基于模塊化方法，OV2715 驅(qū)動分為 I2C 設(shè)備驅(qū)動和 V4L2 設(shè)備接口層驅(qū)動兩部分，進行分別設(shè)計和實現(xiàn)。

3.1 OV2715 的 I2C 設(shè)備驅(qū)動

DM3730 平臺通過 I2C 總線向 OV2715 發(fā)送控制命令，完成相關(guān)寄存器的配置。Linux 系統(tǒng)平臺下，I2C 驅(qū)動體系由 I2C 總線驅(qū)動、I2C 核心以及 I2C 設(shè)備驅(qū)動 3 個部分組成。I2C 核心集成了與具體設(shè)備無關(guān)的統(tǒng)一的設(shè)備注冊和注銷的方法，用于管理 I2C 總線驅(qū)動和 I2C 設(shè)備驅(qū)動；I2C 總線驅(qū)動提供硬件系統(tǒng)中 I2C Adaper 和 Slave 設(shè)備通信的功能。I2C 設(shè)備驅(qū)動主要進行總線上的具體設(shè)備驅(qū)動的實現(xiàn)，主要完成設(shè)備的具體操控方法和初始化探測功能[4]。

在 OV2715 的 I2C 驅(qū)動模塊設(shè)計中，內(nèi)核版本 Linux 2.6.32 對 I2C 核心和 I2C 總線驅(qū)動已經(jīng)進行了實現(xiàn)，只需對具體的 I2C 設(shè)備驅(qū)動進行實現(xiàn)。OV2715 的 I2C 設(shè)備驅(qū)動完成的主要任務(wù)是讀寫 OV2715 芯片的相關(guān)寄存器，傳送并接收控制命令，完成對硬件的初始化控制。在此驅(qū)動模塊實現(xiàn)中，不僅要實現(xiàn) I2C 核心相關(guān)接口，還要實現(xiàn)應(yīng)用程序?qū)咏涌凇?/p>

3.1.1 I2C 核心接口實現(xiàn)

該模塊實現(xiàn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括 struct i2c_driver 和 struct i2c_client 兩個結(jié)構(gòu)體；其中 i2c_driver 對應(yīng)于 OV2715 設(shè)備的具體驅(qū)動方法，實現(xiàn)代碼如下：

ov2715_probe 負(fù)責(zé)將 OV2715 傳感器以 I2C 客戶端設(shè)備的身份注冊到系統(tǒng)，同時調(diào)用 V4L2 體系相關(guān)接口建立設(shè)備節(jié)點，最終完成對設(shè)備的初始化工作；ov2715_remove 注銷相關(guān)設(shè)備節(jié)點將設(shè)備移除，完成清空緩沖區(qū)和系統(tǒng)資源回收的任務(wù)；ov2715_id 結(jié)構(gòu)中儲存了設(shè)備 ID 相關(guān)信息，OV2715 上電啟動后會根據(jù)此信息進行匹配驅(qū)動；ov2715_probe（ ）函數(shù)具體實現(xiàn)如下：

結(jié)構(gòu)體 i2c_client 用于描述具體的物理設(shè)備，總線上的 I2C 設(shè)備均要用一個各自的 i2c_client 來描述；i2c_client 信息通過開發(fā)板的板級支持包 i2c_board_info 結(jié)構(gòu)體填充描述。

ov2715_i2c_driver 結(jié)構(gòu)內(nèi)的函數(shù)實現(xiàn)完成后，利用 i2c_add_driver（ ）函數(shù)將接口層驅(qū)動添加到設(shè)備驅(qū)動鏈表；其中，注冊函數(shù)采用 i2c_register_driver（ ）函數(shù)；I2C 設(shè)備驅(qū)動被成功注冊進入內(nèi)核后，驅(qū)動程序可以通過 I2C 接口對 OV2715 傳感器進行操控，此過程需實現(xiàn)的函數(shù)如下：

OV2715 寄存器讀函數(shù)：static int ov2715_read_reg（struct i2c_client *client， unsigned short data_length， unsigned short reg，unsigned int *val）；

OV2715 寄存器寫函數(shù)：static int ov2715_write_reg（struct i2c_client *client， unsigned int addr， unsigned int val）；

3.1.2 應(yīng)用程序用戶層接口

上層應(yīng)用程序通過相關(guān)的文件接口訪問底層硬件，OV2715 應(yīng)用程序用戶層接口模塊主要實現(xiàn)此功能。需要實現(xiàn)的文件接口如表 2 所示。表 2 中主要文件操作采用 struct file_operations 結(jié)構(gòu)體描述。內(nèi)核版本 Linux 2.6.32 封裝了該接口并提供了 struct v4l2_file_operations 結(jié)構(gòu)體，該結(jié)構(gòu)體提供了標(biāo)準(zhǔn)的成員接口等，因此，將主要實現(xiàn)具體需要的函數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)接口相連即可。具體實現(xiàn)代碼如下：

3.2 OV2715 的 V4L2 視頻接口驅(qū)動

V4L2 框架為 Linux 系統(tǒng)視頻設(shè)備底層驅(qū)動規(guī)定了一致的接口，使用戶層程序無須關(guān)心底層驅(qū)動細(xì)節(jié)使用統(tǒng)一的 API 操作具體的物理設(shè)備，主要用于操控視頻設(shè)備和視頻采集處理，給相關(guān)開發(fā)人員的操作和維護帶來了極大方便[5?6]。

表 2 常用文件操作接口

V4L2 體系結(jié)構(gòu)支持多種設(shè)備，向底層驅(qū)動提供了視頻采集接口、視頻輸出接口和直接視頻傳輸接口等。本文將采用 V4L2 框架中的 Video Capture Interface 并在 OV2715 傳感器的 MIPI 接口獲取采集數(shù)據(jù)。在 V4L2 視頻接口驅(qū)動中，Video 核心層調(diào)用 v4l2_int_device_register（ ）函數(shù)將 OV2715 以 V4L2 從設(shè)備向系統(tǒng)進行注冊，最終在 dev 目錄下創(chuàng)建 Video0 設(shè)備節(jié)點，向用戶層提供訪問接口；Video 核心模塊底層為視頻設(shè)備的具體實現(xiàn)，可以有多個 slave 設(shè)備，V4L2 視頻接口驅(qū)動框架如圖 4 所示。

V4L2 接口驅(qū)動調(diào)用流程：用戶層調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)的 V4L2 的接口時，經(jīng)過 Video 核心層處理后傳遞到 slave 設(shè)備實現(xiàn)的具體操作函數(shù)中。其中，v4l2_int_ioctl_desc 中包含針對具體設(shè)備實現(xiàn)的 ioctl 函數(shù)，主要用于視頻采集過程中設(shè)置視頻格式和對采集進行操作功能。主要代碼實現(xiàn)如下：

//供應(yīng)用層調(diào)用的 v4l2 ioctl 命令

4.1 OV2715 采集測試程序

OV2715 采集測試程序基于 V4L2 接口設(shè)計，直接調(diào)用以上章節(jié)實現(xiàn)的接口采用順序執(zhí)行的方式，將 OV2715 前端采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)?DM3730 的 ISP 模塊進行處理，主要通過 ioctl（）命令來獲取并配置視頻采集參數(shù)，如申請緩沖區(qū)、設(shè)置視頻采集參數(shù)等。循環(huán)采集圖像時，read 和 write 由于直接將大量數(shù)據(jù)從內(nèi)核空間復(fù)制到用戶空間，耗內(nèi)存并且效率低下[7]，本文采用內(nèi)存映射的方式，直接申請緩沖區(qū)并對其操作，效率有很大提高，不會出現(xiàn)卡機現(xiàn)象。OV2715 視頻采集程序流程圖如圖 5 所示。

4.2 OV2715 驅(qū)動測試結(jié)果

為了測試的靈活性，本文采用動態(tài)加載模塊的方式；將編譯好的 OV2715 驅(qū)動模塊 ov2715.ko 拷貝到 DM3730 開發(fā)板中，使用 insmod 命令將驅(qū)動加載到內(nèi)核：程序執(zhí)行過程中打印出芯片 PID、寄存器設(shè)置和時鐘頻率信息均與真實值一致，最終注冊成功后在 dev 目錄下創(chuàng)建 Video0 設(shè)備文件節(jié)點。調(diào)試信息如圖 6 所示。

無人機基站勘測攝像機實物圖如圖 7 所示。

測試程序調(diào)用本文實現(xiàn)的 V4L2 的相關(guān) API 接口進行采集，采用 mmap 的方式，每次采集 200 幀圖像，捕捉到的視頻為 YUV 格式，使用 YUV Player 軟件播放所采集到的視頻文件。OV2715 驅(qū)動方案經(jīng)過實際測試，采集到的視頻輸出效果如圖 8 所示。

5 結(jié) 語

本文采用模塊化的方法基于 DM3730 平臺對 OV2715 驅(qū)動進行了實現(xiàn)，同時，對 Linux 下 I2C 設(shè)備驅(qū)動體系和 V4L2 驅(qū)動體系進行詳細(xì)的闡述，提出兩者實現(xiàn)的一般方法；該驅(qū)動結(jié)構(gòu)層次清晰，對 Linux 系統(tǒng)中其他視頻采集芯片驅(qū)動編寫具有很強的參考價值；集成 OV2715 作為采集前端的無人機基站勘測系統(tǒng)在基站勘察領(lǐng)域中具有廣闊的市場前景。

參考文獻

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總結(jié)

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