1导言
随着计算机进入后PC时代，多媒体技术和无线通信技术的发展，集通信、计算和多媒体功能于一体的各种多媒体终端(如PDA)正在成为发展和应用的新亮点，而文章是这些应用中不可或缺的重要组成部分。多媒体终端作为一种嵌入式系统，广泛应用于对速度、功耗和体积有严格要求的车载、移动通信和手持设备中，因此如何设计一个体积小、实时处理能力强、功耗低、可移植性强的文章模块，以满足嵌入式系统设计对速度、功耗和空间的要求以及应用开发的需要，已经成为一个非常有意义的课题。
PXA255是基于XScale技术的新型处理器，是Intel公司推出的微处理器产品，为无线通信设备带来更高的性能和更低的功耗，为多媒体手机、掌上电脑、车载信息通信系统等无线互联网产品提供强大的动力。介绍了基于PXA255处理器和嵌入式Linux操作系统的无线多媒体移动终端文章模块的设计与开发。文章模块具有实时采集、压缩、解压缩、显示、拍摄和图像存储功能，压缩后的文章信号还可以通过互联网传输。由于模块化设计，文章模块也可以非常。很容易移植到其他多媒体终端应用中。
2硬件设计
硬件设计时，文章模块主体部分采用外置形式，与终端平台的接口采用广泛使用的USB接口。文章模块的硬件原理框图如图1所示。采用这样的硬件结构是基于以下考虑。传输速度快，尤其是USB总线对实时传输的良好支持，可以满足实时图像的要求。即插即用操作时，终端平台可以自动检测和配置摄像头，节省系统功耗。摄像头采用外置形式，节省了系统的硬件空间。USB总线现成的固件或芯片包含了低级并/串转换、错误检查、数据流控制算法等功能，可以简化系统设计。基于USB总线的可扩展性，可以方便地扩展系统功能，符合嵌入式系统串行、高速接口的发展方向。可移植性，采用模块化设计，USB总线进行传输，可以方便地移植到其他具有USB接口的嵌入式系统上。
由于数码相机采集的图像数据没有经过压缩，数据量非常大，不符合USB总线实时传输的要求。因此，在通过USB总线传输之前，必须使用文章压缩芯片对采集的文章数据进行压缩。这种芯片的特点是在其中固化了某种标准的压缩算法，具有开发成本低、开发周期短、运行速度快的优点，满足图像传输的实时性要求。经过对各种专用文章压缩芯片的选择，采用OmniVision公司推出的OV518高性能camera-to-USB接口芯片。该芯片降低了产品成本，大大简化了单个CMOS图像传感器与USB的接口，可以很容易地组成基于USB的文章子系统。
OV518最高文章传输速度的设计使系统能够以更实时的方式获取大量文章信息。片上高性能专用压缩引擎可实现7:1的压缩比，保证了图像从图像传感器到终端平台的快速传输。对于QVGA图像格式，OV518 的压缩引擎支持高达每秒30帧的传输速度，减少了通常在低带宽应用中出现的图像抖动。OV518还具有出色的静态图像拍摄功能，使用起来就像数码相机一样方便。其内部结构如图1中的USB桥所示。由于PXA255的USB接口只是一个从控制器，只能作为从设备使用，我们利用飞利浦公司的ISP1160为PXA255扩展了两个USB主接口。ISP1160是专门用于在嵌入式系统或便携式设备中实现USB协议的芯片。它支持所有传输类型：控制、中断、批处理和同步。该芯片还提供了节能工作模式，以降低功耗。每个下行端口都有独立的过流检测输入引脚和电源开关控制输出引脚，使得系统电源的管理更加灵活。ISP1160与CPU的接口是专门为RISC CPU设计的，大大简化了设计工作，无需修改即可移植到其他嵌入式系统应用中。总之，整个文章模块的硬件设计体现了嵌入式系统设计对体积、速度和功耗的要求，既保持了较高的处理速度和较小的集成空间，又降低了系统的功耗。
3软件设计
3.1软件平台
微处理器PXA255功能强大，系统资源丰富，需要一个强大的操作系统来管理这些资源。在比较了各种嵌入式操作系统之后，嵌入式Linux的很多优点非常适合作为本终端的操作系统：源代码开放，可移植性强，网络功能强大，对USB总线和文章设备的支持良好。该平台采用图形用户界面。因为嵌入式系统的低实时性和GUI资源，高性能，高可靠性和可配置性，我们选择MiniGUI图形用户界面支持系统。
3.2文章模块软件的基本结构
文章模块软件的设计采用模块化设计方法。根据文章模块设计的特点和多媒体终端文章功能的要求，整个文章模块软件由USB模块、摄像头驱动模块、解码模块和文章应用模块四个功能模块组成，完成采集、解码、本地显示、本地用户控制和网络传输等功能。其基本结构如图2所示。为了提高图像采集的实时性和系统性能，在各个模块的设计过程中，根据Linux操作系统的特点和采用的解压缩算法，对程序和算法进行了优化和简化，加快了计算速度，提高了效率。下面将介绍各个模块的功能和实现。
USB模块
该模块包括USB总线驱动程序(USBD)和主机控制器驱动程序(HCD)。USBD主要处理USB协议中与硬件无关的部分，支持协议中规定的USB总线以及USB设备的通用操作和属性。HCD负责抽象ISP1160和对USB的底层支持。ISP1160的寄存器被编程来驱动ISP1160，并为上层USB总线驱动器提供控制ISP1160的软件接口。图3显示了USB模块的软件功能结构图。Linux操作系统提供了稳定的USB总线驱动程序，所以我们只需要编写HCD程序。在HCD的设计中，我们根据专门为嵌入式设备设计的ISP1160的特点，对实时传输和非实时传输进行了不同的调度，增强了对USB总线实时传输的支持；结合Linux 对软中断的良好支持，采用了下半部分机制来提高中断处理的实时性。这两种措施有效地提高了文章数据传输的稳定性和速度，减少了系统资源的消耗。
相机驱动模块
该模块是相机的USB ClassDriver，主要作用是为文章应用模块提供文章采集标准V4L2(Video for Linux Two)的接口，通过USB方式接收图像数据。V4L2是Linux平台上处理和访问文章设备的最新标准应用程序接口。通过该接口，该模块为文章应用模块提供了在QVGA(320*240)和VGA(640*480)采集模式之间切换、调整文章图像参数以及采集彩色和黑白文章流和静止图像的功能。驱动程序使用多个帧缓冲存储空间，这些帧依次处于接收数据和存储数据的状态。当接收图像帧的事件发生时，会触发相应的机制，实现图像帧的异步接收。异步接收机制提高了程序的运行效率。除了V4L2标准的常规读取接口之外，主要实现了MMAP(将设备存储器映射到应用地址空间)接口。通过该接口，可以将内核空间的设备内存地址空间映射到用户空间的地址空间，减少了图像数据复制的次数，提高了图像采集的实时性。
解码模块
因为图像已经被压缩引擎压缩，所以在本地终端实时显示之前，必须由解码模块对其进行解码。如果文章流是通过网络传输的，那么本地终端的文章流就不必经过这个模块，但是远程应用仍然需要这个模块。目前，图像压缩技术主要采用余弦变换、小波变换和子带编码。其中余弦变换算法速度快，易于软硬件实现，压缩性能接近统计最佳，所以目前应用广泛，也是压缩引擎采用的算法。余弦变换用于数字图像压缩编码时，一般采用二维变换。首先将整幅图像分成88或1616的宏块，然后以宏块为单位进行二维变换。然后，对每个宏块的变换域系数以之字形方式进行霍夫曼变长编码或算术编码。在图像的接收端，进行相反的处理，即首先恢复每个宏块的变换域系数，然后通过反余弦变换就可以恢复图像数据。解码原理和主要步骤如图4所示。
该模块是提高实时性的关键。为了提高实时性，我们对代码进行了有效的优化。主要措施是：根据Xscale微处理器的特点，合理安排程序流程，尽量实现并行处理，提高程序运行效率；采用适合整数运算的快速反余弦变换算法，变换中只使用加法和移位，减少了乘法量，提高了运算效率。采用基于查找表的快速霍夫曼解码算法，减少了计算量，提高了计算速度。这些措施不仅减少了内存开销，而且加快了解码速度，取得了满意的效果。
3.2.4文章应用模块
文章应用模块包括两部分：本地应用子模块完成文章图像的实时显示、本地用户控制和图像存储功能；网络传输子模块完成基于RTP的压缩文章流数据传输、远程控制等功能。利用Linux操作系统对多线程机制的良好支持，由主线程负责消息响应，使程序能够立即响应用户通过鼠标或键盘输入的命令或其他事件。辅助线程用来完成图像的实时显示、存储、网络传输等其他耗时的任务，既不影响主线程的运行，又能保证它能即时响应用户同时解码和显示图像并传输数据。不同的线程完成不同的任务，提高了程序的模块化，便于维护和扩展，充分利用系统资源，有助于提高应用的实时性。对于文章输出设备来说，RGB空间格式更直接高效，快速解码模式输出的是YUV色彩空间子格式，因此色彩空间转换必须进行b
文章模块经过终端测试，性能结果如表1所示。从结果可以看出，采集的压缩文章图像的帧率和网络传输后基于PC的显示帧率都达到了理想的水平。但是，在终端上显示文章图像时，解码模块和显示模块经过了优化，但还是占用了一定的时间，导致速度慢了很多。但相对于嵌入式系统，这个速度已经达到了实用的水平，而且不影响终端基于网络的文章应用。随着嵌入式微处理器处理能力的不断提高，这个问题一定会得到很好的解决。例如，处理速度更快的英特尔PXA27x处理器家族集成了英特尔无线MMX技术，增加了一系列新技术来提供额外的性能以支持高级文章。
终端文章模块采集的图像经过压缩和解压缩后质量较高，在PC和终端显示没有明显区别。图像效果和用户界面窗口如图5所示。
5结论
针对基于Intel Xscale和嵌入式Linux的多媒体终端的文章应用需求，从实时性、功耗和体积等方面，提出了一种多媒体终端实时连续图像采集、显示管理和网络传输的方案，并在实践中得到验证。由于模块化设计和设计的灵活性，只需稍加修改就可以很容易地移植到其他嵌入式系统多媒体应用中。在这个终端平台上，我们可以方便地开发一些基于文章模块的网络应用。我们认为有价值的进一步开发和研究方向包括：作为嵌入式文章网络接入终端，满足不同的需求，如远程数字监控系统、交互式医疗、交互式可视多媒体远程教育、网络广播、文章点播等。与PC机实现的系统相比，该系统具有体积小、成本低、稳定性高的特点。开发了具有自主知识产权的手持式多媒体文章网络终端系统。当今世界已经进入互联网时代，嵌入式系统接入互联网已经成为网络接入的重要基础信息设施。因此，具有文章模块的嵌入式系统在交互式多媒体、嵌入式系统、消费电子等领域具有很强的应用背景和市场前景。
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