无锡市一中-福利院工作总结

・６８・
工业仪表与自动化装置２０１０年第３期
嵌入式Ｌｉｎｕｘ下ＣＭＯＳ 摄像头
驱动的设计与实现
樊围栋１，石红瑞１，张健２
（１．东华大学信息科学与技术 学院，上海２０１６２０；
２．泰安市华能城市燃气工程设计有限公司，山东泰安２７１０００）
摘要：为增强系统稳定性，基于“ｎｕｘ操作系统的摄像头驱动，需综合考虑内核模块的调用和
任务的 优先级。该文介绍了基于ＡＲＭ９架构，采用ＣＭＯＳ图像传感器ＯＶ９６５０，在Ｌｉｎｕｘ操作系统
下摄像头驱动的设计与实现。使用１２Ｃ总线配置摄像头控制寄存器，引入信号量机制，优化临界资
源调 度，编写及完善应用程序接口（ＡＰＩ），实现了多任务多线程处理。测试结果表明：多个进程同
时运行 时，驱动程序具有良好的稳定性，能够自动根据优先级，有序地完成图像采集工作。
关键词：嵌入式Ｌｉ ｎｕ）【；驱动；ＣＭＯＳ摄像头；信号量；１２Ｃ
中图分类号：ＴＰ３６８．１文献标志码：Ａ文章编 号：１０００一０６８２（２０１０）０３—００６８—０３
Ｄｅｓｉ２ｎ
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ｉｍ ｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ
ｏｆ
ＣＴ讧ｏＳ
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Ｌｉｎｕｘ
（１．ｃｏＺ妇 兽ｏ，，咖丌Ｍ渤ｎ
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２０１６２０，ｍ 打ｍ；
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Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇａ￡ｏｂｔａｉｎｊｎｇ
Ｃ妙伽ｓ蛳町 脱，Ｓ＾锄ｄＤ昭％ｉ帆２７１０００，醌ｆ№）
ｏｎ
ｈｉｇｈ
ｓｃａｂｉｌｉｔｙ， ｃａｍｅｍ
ｄ打Ｖｅｒ
ｂａｓｅｄ
ｏｎ“ｎｕｘ
ｏｐｅｒａｔｊｎｇｓｙｓｔ ｅｍ
ｓｈｏｕｌｄ
ＡＲＭ９
ｓｔｌｌｌｃｔｕｒｅ，ｔｈｅ
ｃａｍｅｒａｄｒ ｉｖｅｒｆｏｒＣＭＯＳｉｍ・ｃｏｎｓｉｄｅｒ
ｋｅｍｅｌ
ｍｏｄｕｌｅｃａｌｌａｎｄｔａ ｓｋ
ｐｒｉｏｒｉｔ）ｒ．Ｂａｓｅｄ
ａｇｅ
ｓｅｎｓｏｒ
０Ｖ９６５０ｗ蹈ｄｅｓｉｇＩｌｅｄ
ａｎｄ
ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ
ｉｎ“ｎｕ）【ｅｎＶｉ ｍｎｍｅｎｔ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｂｙ
ｅｍｐｌｏｙｉｎｇ
１２Ｃ
ｂｕｓ
ｃｏＩｌｆｉｇｕｒｅｓ
ｃａｍｅｒａ
ｒｅｇｉｓｔｅ璐ａｎｄ
ｉｎｔｒｏｄｕｃｉｎ ｇ
ｔｈｅ
ｓｅｍａｐｈｏｒｅ
ｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅ
ｃｒｉｔｉｃａｌ
ｒｅｓｏｕｒｃｅ
ａｌｌｏｃ砒ｉｏｎ
ｗｏｕｌｄｃｏｕｌｄｂｅ
ｏｐｔｉｍｉｚｅ ｄ．Ｔｈｍｕｇｈ
ｔｌｌｅ
ｄｅｓｉｇｎ
ａｎｄ
ｉｍｐｍＶｅｍｅｎｔ
ｏｆ叩ｐｌｉｃａｔｉｏｎ
ｐｒｏｇｒａｍ
ｉｎｔｅｒｆ如ｅ（ＡＰＩ），ｉｔ
ｒｅ ａＪｉｚｅ
ｍｕｌｔｉ—ｔａｓｋａｎｄｍｕｌｔｉ—ｔｈｒｅａｄｅｄ．Ｔｅｓｔ
ｉｎｄｉｃ ａｔｅｓ
ｔｈａｔ，ｗｈｅｎ
ｓｅｖｅｒａｌ
ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ
ｍｎ
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ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎｉｎ< br>ａ
ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙ，
ａｃ－
ｊｕｄｇｉｎｇ
ｔｈｅｐｒｉｏｒｉｔｙ
ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ．Ｆｕｒｔｈｅｒ，ｉｔ
ｃｏｕｌｄ
ｃｅｎａｉｎｏｒｄｅｒ．
Ｋｅｙ
ｗｏｒｄｓ：ｅｍｂｅｄｄｅｄ
Ｌｉｎｕｘ；ｄｒ ｉｖｅｒ；ＣＭＯＳ
ｃ锄ｅＩａ；ｓｅｍａｐｈｏｒｅ；Ｉｚ
Ｃ
Ｏ
引言
嵌入式图像处理的应用范围日益广泛，作为图
承上启下的作用。
嵌入式Ｌｉｎｕｘ操作系统下 的摄像头驱动需要考
虑并发控制、任务的优先级以及中断处理等问
题旧Ｊ，还应该为上层的应用 程序开发完善、友好的
ＡＰＩ（应用程序接口）。
该文采用ＯｍｎｉＶｉｓｉｏｎ公司的ＯＶ９ ６５０图像传感
器，编写了基于嵌入式“ｎｕｘ的摄像头驱动程序，所
用“ｎｕｘ内核版本为２ ．６．２５。首先描述系统硬件结
像采集的基础，摄像头驱动的性能显得尤为重要。
设备驱动程 序是处理和操作硬件控制器的软件，是
内核中具有最高优先级且能驻留内存的底层硬件处
理程序 ¨Ｊ。操作系统通过驱动程序完成对摄像头
的控制，建立应用程序和摄像头之间的抽象接口，屏
蔽底层细节，简化图像处理程序的编写过程，起到了
收稿日期：２００９一１０一１０
作者简介 ：樊国栋（１９８４），男，硕士研究生，从事嵌入式图像处
理研究。
构，接着概述驱动程序处 理流程，详细说明每一模块
的实现方法，最后调用应用程序验证驱动的整体性
能，并对结果进行 分析。
万方数据

２０１０年第３期
工业仪表与自动化装置
・６ ９・
１系统硬件构成
以ＡＲＭ９处理器为核心，构成图像采集系统。
图像采集系统的硬 件结构如图ｌ所示。
雨丌网
ＡＲＭ９２０Ｔ
摄像头
ＦＬＡＳＨ
处理器
串口
寨磊磊薷
ＯＶ９６５０
图ｌ系统硬件结构图
１）处理器：三星公 司Ｓ３Ｃ２４４０，基于ＡＲＭ９２０Ｔ
内核，主频４００
ＭＨｚ；
２）摄像头：Ｏｍ ｎｉＶｉｓｉｏｎ公司ＯＶ９６５０，属于
ＣＭＯＳ图像传感器，１３０万像素，２０引脚封装口’；< br>３）其他：内存使用６４
ＭＢ的ｓＤＲＡＭ，外部存储
使用６４ＭＢ的ＦＬＡｓＨ，显示 屏采用３．５寸ＬＣＤ，分
辨率３２０×２４０。
２软件设计
２．１驱动程序工作流程
摄像头属于字符类设备，它能够像字节流一样
被访问，且只能够顺序读写。ＣＭＯＳ摄像头驱动 程
序的处理流程如图２所示。
图２摄像头驱动程序的处理流程
在“ｎｕｘ２．６．２５ ／ｄｒｉｖｅｒｓ／ｍｅｄｉａ／ｖｉｄｅｏ目录下建
万方数据
立ＯＶ９６５０．ｃ、ＣＡＭＥ ＲＡＩＦ．ｃ和ＳＣＣＢ．ｃ三个源文
件。Ｏｖ９６５０是主程序，负责设备初始化、与内核的
通信；ｃＡＭＥＲＡＩＦ．ｃ管理摄像头寄存器的配置；ｓｃ—
ＣＢ．ｃ用于１２Ｃ数据传送。
２．２分配设备位号
Ｌｉｎｕｘ内核通过设备位号来寻找摄像头【４Ｊ。在
分配位号之前，首先 发送测试信号到地址０ｘ９６５０，
检测摄像头是否存在。验证通过后，调用ａｌｌｏｃ—
ｃｈ ｒｄｅｖ—ｒｅｇｉｏｎ（）函数完成对位号的动态分配。动态
分配方式的扩展性较好，出错的可能性低 。
所分配的设备位号存放在变量ｄｅｖ中，这是一
个３２位数，低１２位表示主设备号，用ＭＡ ＪＯＲ（ｄｅｖ）
表示；其余２０位表示次设备号，用ＭＩＮｏＲ（ｄｅｖ）表
示。
２ ．３并发控制
如果有多个进程同时访问处理器、内存等硬件
资源，就会出现竞争资源状态，驱动 程序必须考虑对
共享资源的并发控制。
针对ｏＶ９６５０的驱动程序采用信号量机制来实
现并发控制。信号量（Ｓｅｍ印ｈｏｒｅｓ）是整形数值，和
一对称为Ｐ操作和Ｖ操作的函数联合使用 ∞Ｊ。信
号量大于０时表示资源可用，反之代表资源正在被
其他进程使用。
在“ｎｕ】 【２．６内核中，包含有信号量操作的相关
函数，在驱动代码中添加头文件＜ａｓｎ∥ｓｅｍ印ｈｏｒｅ ．ｈ
＞。同时。定义互斥体：
ＤＥＣＬＡＲＥ—ＭＵＴＥＸ（ｏ、９６５０一ｓｅｍ）；
ＤＥＣＬＡＲＥ—ＭＵＴＥＸ—ＬＯＣＫＥＤ（ｏｖ９６５０—ｓｅｍ）
其中ｏ、，９６５０一ｓｅｍ 是摄像头驱动所使用信号量。
当摄像头驱动调用硬件资源时，首先查询信号量状
态，若ｏ、，９ ６５０—ｓｅｍ≤０，表明资源被占用，进入等待状
态，并反复查询信号量值；当ｏｖ９６５０－ｓｅｍ ＞０时，驱动
进程成功捕获硬件资源，同时调用Ｐ操作把ｏｖ９６５０一
ｓｅｍ数值减ｌ，摄像 头开始工作，此时其他进程处于等
待状态；图像采集完毕后，驱动调用Ｖ操作把ｏｖ９６５０．
ｓｅｍ数值加１，激活其他等待中的进程。
ＯＶ９６５０有多组寄存器，这些寄存器决定了图
像 输出的编码方式、分辨率等参数。１２ｃ（Ｉｎｔｅｒ
Ｉｎｔｅ．
ｇｒａｔｅｄ
Ｃｉｒ ｃｕｉｔ）是指内部整合电路，是常用的串行接
口标准。通过１２Ｃ总线对寄存器整体配置，不占用系统数据总线，ＡＲＭ与摄像头之间的ＤＡＴＡ［０］～
ＤＡＴＡ［７］通道仅用来传输图像数据， 提高了效率
（见图１）。
２．４配置摄像头寄存器

・７０・
工 业仪表与自动化装置
２０１０年第３期
在完成摄像头初始化后，每一次１２ｃ总线传输
都由ＡＲＭ处理器产生一个起始信号，同步串行传
输数据，摄像头每接收成功一个字节都回应一个确认信号，反复调用１２ｃ读函数和写函数，直到配置完
毕。１２ｃ传送程序位于文件ｓｃｃＢ．ｃ中 。
ＡＲＭ与摄像头寄存器的１２ｃ通信如图３所示
（Ｒｐ为上拉电阻）。
Ｖｄｄ
Ｒｐ
ＲＤ
ＳＤＡ
ｌ
Ｉ
Ｉ
ＳＣＬ
图３ＡＲＭ与摄像 头寄存器的１２ｃ通信
寄存器配置程序位于文件ＣＡＭＥＲＡＩＦ．ｃ中。
为适应开发板分辨率 ，采用ＱＶＧＡ显示模式（３２０×
２４０），刷新速率是３０ｆｐｓ，图像文件格式为ＹＵＶ。
为保存为位图文件格式（ＢＭＰ），需要把ＹＵＶ
转化为ＲＧＢ格式Ｍｊ，对矩阵中像素点逐个转换。 转
换公式是：
Ｇ＝Ｙ一０．１９Ｕ一０．５３Ｖ：
Ｒ＝Ｙ＋Ｖ：
Ｂ＝Ｙ＋Ｕ< br>２．５应用程序接口ＡＰＩ
“ｎｕ）（２．６内核提供了用于编写ＡＰＩ的文件操作
结构 ：ｆｉｌｅ－ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ，用来存储内核模块提供的对设
备进行各种操作的函数指针，添加头 文件＜ｌｉｎｕｘ／
ｆｓ．ｈ＞即可调用。定义ｏｖ９６５０一叩ｓ为６ｌｅ一叩ｅｒａｔｉｏｎｓ结构，编写用于上层程序调用的操作函数：
ｓｔｍｃｔ
ｆｉｌｅ＿ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓｏ 、，９６５０＿ｏｐｓ＝
｛
ｏｐｅｎ：ｏｖ９６５０－ｏｐｅｎ，
ｒｅｌｅａｓｅ：< br>ｏｖ９６５０一ｒｅｌｅａｓｅ。
ｒｅａｄ：
ｏ、，９６５０—陀ａｄ，
ｗｒｉ ｔｅ：
ｏ、，９６５０＿’耐ｔｅ，
ｉｏｃｔｌ：
ｏ、，９６５０－ｉｏｃｔｌ．｝；
驱动程序提供５个操作，ｏｐｅｎ用来打开设备文
件，ｒｅｌｅａｓｅ用来释放文件结 构，ｒｅａｄ负责读取内存
区，埘ｔｅ负责写内存区，ｉｏｃｄ提供摄像头操作命令。
ｏｖ９６ ５０一叩ｓ实现了驱动程序与应用函数的无缝
连接，完成了应用程序接口ＡＰＩ的基本职能。
定 义驱动程序的人口函数和出口函数：
ｍｏｄｕｌｅ—ｉｎｉｔ（ｏｖ９６５０＿ｉｎｉｔ）；
ｍ ｏｄｕｌｅ－ｅｘｉｔ（ｏ、ｒ９６５０－ｅｘｉｔ）；
在启动驱动程序时，系统首先调用ｍｏｄｕｌｅ ＿ｉｎｉｔ
万方数据
（）函数，对摄像头进行初始化等工作，然后等待进
一步命令。应 用程序使用结束后，系统调用ｍｏｄｕｌｅ
—ｅｘｉｔ（）函数退出。
２．６
内核编译
为使得内核能够识别新增摄像头驱动，修改
“ｎｕ）【２．６．２５／幽ｖｅｒｓ／ｍｅｄｉａ ／ｖｉｄｅｏ目录下的Ｋｃｏ曲ｇ、
Ｍａｋ曲ｌｅ文件，添加新增驱动信息，同时把驱动设置
为 ＜Ｍ＞类型，表示属于可加载型驱动。
摄像头驱动采用模块加载方式，调试时可避免
重新编译内 核。编译源文件，生成３个加载模块：
Ｖ９６５０．ｋｏ、ＣＡＭＥＲＡＩＦ．ｋｏ和ＳＣＣＢ．ｋｏ， 通过串口复
制到开发板。系统采用ＮａｎｄＦｌ船ｈ方式启动。
３性能测试
打开超级终 端，调用ｉｎｓｍｏｄ命令加载３个ｋｏ
模块，必须按照ＣＡＭＥＲＡＩＦ．ｋｏ、ＳＣＣＢ．ｋｏ、Ｖ ９６５０．ｋｏ
的顺序，否则系统会报错。
运行测试程序ｃａｍｅｍ＿ｔｅｓｔ，可以看到摄像 头首
先检测摄像头ＩＤ，配置寄存器，然后开始采集数据。
在超级终端可以观察到驱动程序的工 作过程，如图
４所示。
【广ｏｏｔ＠Ｅ＿ｂｅｄｄｅｄ，ｂｉｎ】特．／ｃａ＿ｅｒａ—ｔｅ吝 ｔ
ｄｅｖｉｃｅｎａ—ｅ一一＞ｓ３ｃ２‘‘０一ｃａ＿ｉｆ
ｄｅｖｉｃｅｔａＤｅ一一＞１< br>ｃｈｄｎｎｅｌｓ一一＞９
■ａ×ｗｉｄｔｈ一一＞０
■ａｘｈｅｉｔｈ一一＞０
■ｉｎｗｉｄｔｈ一一＞毒８
一ｉｎｈｅｉ
ｔｈ一一＞３２
ｇｅｔ
ｔｈｅｖ ｉｄｅｏ
ｏ”ｅｒｌａｙ＿ｉｎｄｏ－ｓｕｃｃｅｓｓ！
ｓｅｔｔｈｅ■ｉｎｄｏｗｓｕｃｃｅ ｓｓ！
ｇｅｔ
ｐｉｃｔｕｒｅ
ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ
ｓｕｃｃｅｓｓ！
ｓｅｔ
ｔｈｅ
ｐｉｃｔｕｒｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ
ｓｕｃｃｅｓｓ！
ｏＤ ｅｎ
ｖｉｄｅｏ
ｓｕｃｃｅｓｓ！
ｏｐｅｎ
ＢＭＰｌｓｕｃｃｅｓｓ！
ｇｅｔｂ—ｐｆｏ广一￣，ｉｄｅｏ
１０Ｋ】
ＩｒｏｏｔｅＥ－ｂｅｄｄｅｄ／ｂｉｎｌ嚣ｓ ｚｉ－ａｇｅｌ．ｂ．Ｉｐ
图４超级终端下的图像采集过程
采集结束后，在驱动程序所在目录下 生成名为
“ｉｍａｇｅｌ．ｂｍｐ”的图像文件，分辨率为３２０×２４０，同
时ＬＣＤ显示实 时图像。
运行结束后调用ｍｍｏｄ命令卸载驱动模块。
为检验并发运行的效果，在系统同时运行 多个
进程时，调用图像采集的测试程序。发现测试程序
运行缓慢，但依然有进度，在其他进程逐 步释放资源
后，采集程序正常运行，直到采集顺利结束，说明了
驱动程序的稳定性。
４ 结束语
该文的驱动程序以ＡＲＭ９作为内核，设计了在
（下转第９４页）

・９４・
工业仪表与自动化装置
０００
２０１０年第３期
观测噪声方差取为 Ｏ．０ｌ，仿真时间为２
０００～１４００
ｓ，在ｌ
置方法，可以有效地检测并隔离出 一个惯性测量单
元出现故障的情况。该方法理论清晰、实现简单，较
大地提高了无人机导航系统 中惯性测量单元工作的
可靠性。具备一定的参考价值。
参考文献：
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０．６
● ●
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Ｏ．４
。
Ｏ．２
Ｉ
●●
＿
Ｏ
ｌ
１
Ｏ
２００４００６００８００
峨
椰
１２０
址
１ ４０１６０
。
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ｎ２
１００１８０
２００
奇偶方程二计算结果
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７８３—７８７．< br>０．１
Ｏ
－０．１
．ｏ．２
［６］郭秀中．惯导系统陀螺仪理论［Ｍ］ ．
北京：国防工业出版社，１９９６．
．＋－．．一－—＋—－—●——●一－—｝—＋——卜 —＋—＋－—卜・＋－＋－＋—＋・
＿０１３
．０．４
－０．５
（上接第７０ 页）
Ｋｎｕｘ２．６版本下ＣＭＯＳ摄像头驱
Ｏ
２００
４００
６００
８００
ｌｏｏ
１２０
１４０
１６０
ｌ∞２００
动。 经测试表明驱动具有良好的稳
定性，能够完成图像的采集工作，为
应用程序提供了便捷、高效的 图像
编程接口。
参考文献：
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奇偶方程三计算结果
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０．４
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京：清华大学出版社，２００７：ｌｌＯ．
Ｏ．２
０
［３］
Ｃ锄国ｃｈｉｐ ＩｍｐＩｅｍｅｎ谢∞
Ｇｕｉｄｅ［ＥＢ］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗ．ｏｖｔ．ｃ嘲／
ＯＶ９６５ ０
ｓｕｐｐｏ—／ｄａｔａｓｈｅｅｔ．ｐｈｐ，６．．ｏ．２
．０．４
［４］Ｋ柚ｍ
ＹａｇＩｌ瑚哪．构建嵌入式ｕＮｕｘ
Ｏ
２００４００６００８００１００
１ ２０
１４０
１６０
１８０２００
奇偶方程五计算结果
系统［Ｍ］．北 京：中国电力出版社，
姗４：１鼹一ｌ∞．
［５］汤子瀛，哲凤屏，汤小丹．计算机操
作系统［Ｍ］．西安：西安电子科技
大学出版社，２００ｌ：４ｌ一４２．
［６］潘永之，李玉 和，刘东岳．跨平台ＢＭＰ图像处理程序的
实现［Ｊ］．计算机工程与应用，２００７（１４）：８５．
０００～
图２奇偶方程计算结果
奇偶方程计算结果如图２所示：在ｌ
１４００
ｓ中，Ｋ。、岛、畅不为零，墨、恐近似为零。可
知陀螺ｚ：，发生故障。应对其采取隔离措施 并以其
他陀螺输出的解析来替代其输出。
仿真结果表明：利用这种惯性测量单元余度配
万方数据

嵌入式Linux下CMOS摄像头驱动的设计与实现
作者：
作者单位：
刊名：
英文刊名：
年，卷(期)：
被引用次数：
樊国栋， 石红瑞， 张健， FAN Guodong， SHI Hongrui， ZHANG Jian
樊国栋,石红瑞,FAN Guodong,SHI Hongrui(东华大学,信息科学与技术学院,上海,201620)
， 张健,ZHANG Ji an(泰安市华能城市燃气工程设计有限公司,山东,泰安,271000)
工业仪表与自动化装置INDUSTRIAL INSTRUMENTATION & AUTOMATION
2010(3)
2次

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LINUX设备驱动程序 2006

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