于海彬，張 雪，陳興林

（哈爾濱工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150001）

0 引 言

數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)因其監(jiān)控效率高、擴(kuò)展性能強(qiáng)、存儲(chǔ)容量大、功能齊全和智能化等特點(diǎn)，在安全防范技術(shù)中得到廣泛的應(yīng)用。數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要包括視頻采集、視頻處理、視頻傳輸和遠(yuǎn)程監(jiān)控等技術(shù)［1］，其中視頻采集芯片的選取直接決定了輸出數(shù)字視頻信號(hào)的質(zhì)量和格式，對提高視頻監(jiān)控效果起到了至關(guān)重要的作用。

TW2835是TechWell公司的一款可同時(shí)支持四路視頻采集和音頻采集的高性能音視頻采集芯片，具有功能強(qiáng)大，輸出圖像質(zhì)量高，價(jià)格適中的特點(diǎn)，但TechWell公司并沒有提供Linux下的驅(qū)動(dòng)支持，而且TW2835功能復(fù)雜，驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)難度大。而嵌入式Linux操作系統(tǒng)因?yàn)槠溟_放源代碼、移植性高、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，越來越多的被應(yīng)用到數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)中。故本文分析了TW2835的工作流程和Linux下I2C驅(qū)動(dòng)體系以及V4L2視頻驅(qū)動(dòng)體系，并針對飛思卡爾i.MX53處理器，在Linux2.6.35內(nèi)核基礎(chǔ)上，采用模塊化思想對TW2835驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)。

1 TW2835芯片簡介

1.1 TW2835功能介紹

TW2835是一款可同時(shí)支持四路音頻和視頻輸入的音視頻控制器，可將輸入的音頻或者視頻轉(zhuǎn)換為特定的數(shù)字信號(hào)輸出。它包括4個(gè)高質(zhì)量的NTSC／PAL視頻解碼器，4個(gè)音頻模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，一個(gè)音頻復(fù)用器，雙色顯示控制器，雙視頻譯碼器以及一個(gè)先進(jìn)的OSD（屏幕菜單式調(diào)節(jié)方式）。

TW2835內(nèi)置了4個(gè)10位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，4個(gè)模擬反鋸齒濾波器 （減少輸入模擬視頻信號(hào)中的交叉噪音），數(shù)字增益／鉗位控制器和高質(zhì)量Y／C分離器 （對視頻信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和編碼）。TW2835功能較多：支持視頻的實(shí)時(shí)顯示、記錄和回放功能，并可實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用；支持詳盡的實(shí)時(shí)D1錄制，在重放過程中將信道ID信息添加到視頻流媒體中，用于自動(dòng)解碼與顯示；5層的圖形覆蓋功能，為OSD、單盒、2D陣列箱以及鼠標(biāo)指示器提供顯示特征；支持IF補(bǔ)償濾波器、CTI（瞬態(tài)色彩增強(qiáng)技術(shù)）和可編程峰值等圖像增強(qiáng)技術(shù)。通過芯片間的級(jí)聯(lián)，TW2835可擴(kuò)展為8／16路的視頻采集器［2］。

TW2835也包括音頻編解碼器，含有4個(gè)AD轉(zhuǎn)換器和一個(gè)DA轉(zhuǎn)換器。一個(gè)內(nèi)置的音頻控制器能產(chǎn)生用于記錄／混合的數(shù)字輸出，能接數(shù)字輸入進(jìn)行播放。

1.2 TW2835寄存器介紹

TW2835控制是通過I2C總線實(shí)現(xiàn)的，對TW2835控制的過程實(shí)際上就是對TW2835寄存器訪問的過程。由于2835功能較多而且比較復(fù)雜，所以TW2835芯片的寄存器也是比較復(fù)雜的。

TW2835內(nèi)部寄存器共有3頁，分別為Page0、Page1、Page2，每一頁包含256個(gè)寄存器。其中Page0主要用來控制視頻解碼的參數(shù)，Page1實(shí)現(xiàn)視頻控制和視頻編碼的參數(shù)，Page2定義實(shí)現(xiàn)OSD、運(yùn)動(dòng)檢測、工具箱和鼠標(biāo)等功能。處理器可以通過兩種方式來訪問TW2835內(nèi)存器，一種是通過并行訪問方式，由引腳CSB0和引腳CSB1確定頁地址。另一種是I2C串行訪問方式，即通過處理器的I2C總線來訪問芯片。

I2C總線是由飛利浦公司開發(fā)出來的兩線式串行總線。它只有時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線，占用資源非常少，主要用來實(shí)現(xiàn)處理器和外設(shè)之間的通信。TW2835在這種訪問方式下，由引腳HDAT ［6∶1］和引腳HCSB0確定該芯片的I2C從地址。由于通過I2C串行訪問方式占用硬件資源少而且快速，所以本文中TW2835的驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)采用的是I2C串行訪問方式。

采用I2C讀寫TW2835寄存器的過程如圖1和圖2所示。當(dāng)寫寄存器值時(shí)，需要向I2C總線發(fā)送3次數(shù)據(jù)，分別為頁地址、寄存器地址和寄存器值。當(dāng)讀寄存器值時(shí)，需要先寫入要讀的寄存器的頁地址和寄存器地址，然后開始接受數(shù)據(jù)。對TW2835的控制是通過嵌入式處理器中的I2C控制器來實(shí)現(xiàn)的，并且設(shè)置TW2835工作為從設(shè)備狀態(tài)。

圖1 TW2835的I2C寫時(shí)序

1.3 TW2835視頻處理

圖2 TW2835的I2C讀時(shí)序

TW2835視頻采集主要經(jīng)歷視頻輸入，視頻控制，視頻輸出3個(gè)過程，其采集過程如圖3所示。四路模擬信號(hào)經(jīng)過視頻輸入進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理得到四路數(shù)字視頻信號(hào)，然后四路數(shù)字視頻信號(hào)經(jīng)過視頻控制進(jìn)行視頻顯示處理，然后得到將處理好的視頻信號(hào)經(jīng)過視頻輸出的ITU－R BT656編碼器進(jìn)行編碼得到符合YUV格式要求的數(shù)字視頻信號(hào)數(shù)據(jù)。

圖3 TW2835視頻處理過程

視頻輸入是將四路模擬信號(hào)經(jīng)過輸入端VINA或者VINB輸入到AD轉(zhuǎn)換器，經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后對數(shù)字信號(hào)進(jìn)行視頻編碼和視頻裁剪預(yù)處理得到四路數(shù)字信號(hào)。其中視頻編碼包括數(shù)字信號(hào)同步處理、色彩編碼、亮度處理和色度處理等過程。視頻輸入過程由Page0的寄存器控制，需要配置的寄存器見表1。在視頻輸入過程中視頻裁剪器用于對視頻進(jìn)行裁剪和大小進(jìn)行控制，主要調(diào)節(jié)的 寄 存 器 為： 0x02－0x06、 0x12－0x16、 0x22－0x26、0x32－0x36。

表1 所需配置寄存器

視頻控制主要是對經(jīng)過視頻輸入采集到的四路數(shù)字信號(hào)進(jìn)行視頻放大、圖像增強(qiáng)、濾除噪聲和四路通道切換等功能。通過對Page1的1x60，1x63，1x66，1x69，1x6C，1x6D進(jìn)行配置來實(shí)現(xiàn)對四路視頻顯示的位置和大小進(jìn)行配置。

視頻輸出主要是對數(shù)字視頻信號(hào)進(jìn)行ITU－R BT656編碼，然后對視頻輸出通道進(jìn)行選擇，輸出符合YUV（4∶2∶2）格式的數(shù)字信號(hào)。視頻輸出通道和視頻輸出格式有page1的1xA3寄存器控制。寄存器1xA4可以實(shí)現(xiàn)對BT656編碼進(jìn)行調(diào)整，包括奇偶場順序、輸出范圍等。

2 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

嵌入式硬件系統(tǒng)采用的是飛思卡爾I.MX53系列處理器，嵌入式操作系統(tǒng)采用的是Linux2.6.35。i.MX53系列處理器是飛思卡爾基于ARM CortexTM－A8內(nèi)核設(shè)計(jì)的先進(jìn)多媒體、高性能處理器。它集成了視頻處理單元，并且支持1080P硬件編解碼功能，可直接對視頻進(jìn)行H.264視頻編碼，同時(shí)集成I2C、SD、MMC、USB、SPI等控制器，處理器的最高工作頻率可達(dá)1.2GHz。本系統(tǒng)硬件部分的原理框圖如圖4所示。

圖4 嵌入式系統(tǒng)硬件原理框架

采用I2C總線控制視頻采集芯片TW283，視頻信號(hào)通過8根并行總線傳輸至CPU的CSI接口，由CPU負(fù)責(zé)視頻捕獲、視頻壓縮和視頻處理等操作，3G模塊用于發(fā)送，SD卡用于存儲(chǔ)視頻，Nand Flash用于存儲(chǔ)操作系統(tǒng)。

3 TW2835驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)

數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)的視頻采集的總體流程為：TW2835將模擬攝像頭傳輸來的模擬信號(hào)經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換為8位的數(shù)字信號(hào)，然后經(jīng)過V4L2驅(qū)動(dòng)的下層CSI接口進(jìn)行視頻采集，然后經(jīng)過i.MX53的視頻處理單元VPU進(jìn)行H.264編碼，然后由CPU進(jìn)行發(fā)送或者存儲(chǔ)。在這個(gè)過程中，TW2835驅(qū)動(dòng)負(fù)責(zé)對TW2835進(jìn)行初始化，并接收來自應(yīng)用層的控制指令對TW2835的工作狀態(tài)進(jìn)行控制，同時(shí)將視頻信號(hào)傳輸至V4L2驅(qū)動(dòng)底層CSI的接口。

TW2835需要實(shí)現(xiàn)視頻采集，多路視頻切換，視頻位置調(diào)整，視頻放大，視頻輸入格式控制等功能。采用傳統(tǒng)的V4L2底層接口無法實(shí)現(xiàn)TW2835的所有功能，所以本文采用模塊化思想將TW2835驅(qū)動(dòng)分為兩個(gè)模塊單獨(dú)設(shè)計(jì)，即TW2835的I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊和TW2835的V4L2視頻接口驅(qū)動(dòng)模塊，如圖5所示。TW2835的I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對TW2835工作狀態(tài)的查詢和控制，其通過設(shè)備節(jié)點(diǎn)對tw2835進(jìn)行控制，可以實(shí)現(xiàn)視頻輸入格式控制，多路視頻切換，視頻位置控制，TW2835工作狀態(tài)查詢等工作；TW2835的V4L2視頻接口驅(qū)動(dòng)主要實(shí)現(xiàn)Linux系統(tǒng)通過V4L2對TW2835采集的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行捕捉，并將捕捉的視頻信號(hào)傳輸給應(yīng)用程序，應(yīng)用程序通過設(shè)備節(jié)點(diǎn)video0進(jìn)行采集。

圖5 TW2835驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)

3.1 TW2835的I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)

TW2835有并行控制和串行控制兩種控制方式，本文中采用串行控制方式，即采用I2C總線對TW2835進(jìn)行控制。

Linux系統(tǒng)下的I2C體系結(jié)構(gòu)是由I2C核心、I2C總線驅(qū)動(dòng)和I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)3個(gè)部分組成［3］。I2C核心主要實(shí)現(xiàn)了對I2C總線驅(qū)動(dòng)和I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)的管理，實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)和設(shè)備驅(qū)動(dòng)的注冊以及注銷的方法，并且提供I2C通信方法的上層代碼。I2C總線驅(qū)動(dòng)是對I2C硬件體系結(jié)構(gòu)中的適配器端的實(shí)現(xiàn)，適配器一般是ARM芯片內(nèi)部集成的I2C控制器。I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)主要是通過I2C總線驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)對外設(shè)的訪問，它對應(yīng)于設(shè)備的初始化檢測和具體控制方法［6］。

在本驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中，I2C核心和I2C總線驅(qū)動(dòng)在飛思卡爾的源碼中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，因此本文中主要實(shí)現(xiàn)的是TW2835的I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)部分。TW2835的I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的主要功能是對TW2835的寄存器進(jìn)行讀寫，傳送和接收控制指令，實(shí)現(xiàn)對TW2835的工作狀態(tài)進(jìn)行檢測和實(shí)行控制。TW2835的I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)需要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)接口，一個(gè)是對應(yīng)于I2C核心的接口，一個(gè)是對應(yīng)于應(yīng)用程序用戶層的接口。

（1）I2C核心接口

I2C核心的接口主要是通過i2c＿driver和i2c＿client兩個(gè)結(jié)構(gòu)體實(shí)現(xiàn)。其中i2c＿driver對應(yīng)于TW2835設(shè)備的具體驅(qū)動(dòng)方法。下面是其實(shí)現(xiàn)。

tw2835＿probe負(fù)責(zé)將設(shè)備注冊到系統(tǒng)，同時(shí)創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點(diǎn)，對設(shè)備進(jìn)行初始化等操作，tw2835＿remove則是將設(shè)備從系統(tǒng)注銷，釋放變量，并注銷設(shè)備節(jié)點(diǎn)。

i2c＿client對應(yīng)于真實(shí)的物理設(shè)備，每個(gè)I2C設(shè)備都需要一個(gè)i2c＿client來描述。i2c＿client信息通過BSP的板文件i2c＿board＿info填充，如下所示。

注冊完I2C設(shè)備之后，驅(qū)動(dòng)就可以通過I2C總線對TW2835設(shè)備的寄存器進(jìn)行讀寫控制，該過程通過tw2835讀寫函數(shù)來實(shí)現(xiàn)，主要實(shí)現(xiàn)的函數(shù)為：

TW2835寄存器讀函數(shù)原型：

TW2835寄存器寫函數(shù)原型：

TW2835寄存器連續(xù)寫函數(shù)原型：

（2）應(yīng)用程序用戶層接口

TW2835的用戶接口主要實(shí)現(xiàn)open，release，close，read，write以及ioctl等標(biāo)準(zhǔn)的文件操作。應(yīng)用程序通過這些接口函數(shù)來訪問TW2835設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對TW2835工作狀態(tài)的控制。最主要的操作是ioctl函數(shù)，它的功能包括讀寄存器，寫寄存器，設(shè)置色彩，飽和度，亮度，設(shè)置通道等操作。

3.2 V4l2視頻接口驅(qū)動(dòng)

在嵌入式Linux下視頻采集采用V4L2驅(qū)動(dòng)體系。V4L（Video for Linux）是在Linux內(nèi)核中關(guān)于視頻設(shè)備的API接口，負(fù)責(zé)視頻設(shè)備控制、采集處理視頻圖像信息等功能。V4L2是V4L的升級(jí)版本，靈活性和擴(kuò)展性有很大的提升，提供了一套用于應(yīng)用程序和底層驅(qū)動(dòng)之間的接口規(guī)范［5］。V4L2對底層驅(qū)動(dòng)提供的設(shè)備接口包括視頻捕捉接口、視頻Overlay接口和VBI接口。本文使用了V4L2的視頻捕捉接口并通過CSI接口捕捉TW2835采集的數(shù)字信號(hào)。

V4L2底層驅(qū)動(dòng)包括兩部分。一部分是Video核心模塊，它主要負(fù)責(zé)向系統(tǒng)注冊字符設(shè)備，生成video0設(shè)備節(jié)點(diǎn)，為應(yīng)用程序訪問設(shè)備提供訪問接口。另一部分可以看作Video核心的slave設(shè)備，是視頻采集設(shè)備的具體實(shí)現(xiàn)，Video核心對應(yīng)多個(gè)slave設(shè)備，如圖6所示。

圖6 V4L2視頻采集驅(qū)動(dòng)整體框架

當(dāng)應(yīng)用程序調(diào)用V4L2的API函數(shù)時(shí)，系統(tǒng)首先會(huì)將指針傳遞到Video核心模塊，然后Video核心將指針轉(zhuǎn)向slave設(shè)備相應(yīng)的視頻操作指針。下面是slave設(shè)備結(jié)構(gòu)體的實(shí)現(xiàn)。

其中tw2835＿ioctl＿desc是slave設(shè)備的具體操作函數(shù)，在本文中實(shí)現(xiàn)初始化CSI接口，設(shè)置捕捉格式，查詢設(shè)備支持的視頻格式，對視頻信號(hào)進(jìn)行捕捉等操作。

4 驅(qū)動(dòng)測試

為了方便實(shí)驗(yàn)和測試，本文將驅(qū)動(dòng)單獨(dú)編譯成模塊，采用動(dòng)態(tài)加載的方式進(jìn)行測試。將編譯好的TW2835驅(qū)動(dòng)模塊tw2835＿camera.ko拷貝到i.MX53開發(fā)板中，使用insmod tw2835＿camera.ko命令將驅(qū)動(dòng)加載到內(nèi)核，這時(shí)會(huì)在系統(tǒng)的dev目錄下生成兩個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)，分別是video0和tw2835。video0用于視頻采集，tw2835節(jié)點(diǎn)用于對TW2835芯片的工作狀態(tài)進(jìn)行控制。

測試程序使用V4L2提供的API接口函數(shù)實(shí)現(xiàn)視頻采集［12］，采用內(nèi)存映射方法，并且每次采集100幀圖像為一個(gè)周期視頻，采集過程如圖7所示。采集到的視頻是test.yuv格式，可以使用YUVTools軟件查看所采集到的視頻文件。

圖7 V4L2采集程序流程

本文TW2835驅(qū)動(dòng)方案經(jīng)過實(shí)際測試，能夠支持四路NTSC／PAL／SECAM制式的模擬視頻輸入，同時(shí)支持四通道CIF分辨率輸出和一通道D1分辨率輸出，并可以通過應(yīng)用程序進(jìn)行TW2835工作方式控制，實(shí)現(xiàn)各通道之間視頻的切換。采集到的視頻輸出效果如圖8和圖9所示。

5 結(jié)束語

本文針對TW2835功能復(fù)雜，控制困難等缺點(diǎn)，在Linux下采用模塊化思想將TW2835驅(qū)動(dòng)分為I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)和V4L2底層接口驅(qū)動(dòng)進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)，測試表明可采集到清晰穩(wěn)定的D1、CIF、QCIF等分辨率的視頻，并可實(shí)現(xiàn)多通道控制，位置控制等功能，同時(shí)提出了Linux下的I2C驅(qū)動(dòng)和V4L2驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的一般方法，對其它功能復(fù)雜的視頻采集芯片的Linux驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)具有參考價(jià)值，并且利用多片TW2835芯片級(jí)聯(lián)，可實(shí)現(xiàn)多路視頻同時(shí)采集，在數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)中具有廣闊的市場前景。

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