隨著3G網絡技術的快速發展以及3G手機各項功能的增強，使得利用3G手機實現隨時隨地的視頻監控已成為可能。而嵌入式技術作為當今IT業的熱門技術，各種嵌入式芯片如DSP，ARM，SOC等被廣泛應用于數碼、安防、交通信號采集、遠程醫療等領域，可以預見未來便攜式多功能的個人醫療數字服務終端會像手機一樣普及，用戶可以隨時隨地地將自己重要的生理信息實時、準確、快速地傳送到遠程醫療中心或家庭護理專家處，從而得到醫生的專業建議和指導，實現遠程醫療監護的應用。文獻中的無線監控系統也用到ARM9芯片和WinCE操作系統，但對軟件設計部分論述不清晰，文獻論述的基于ARM的無線視頻監控系統只介紹了簡單的硬件結構和程序流程圖，沒有給出實驗結果，文獻只給出了仿真圖，文獻論述的基于3G的手機遠程監控系統也只介紹了簡單的系統框圖和應用實例，并沒有實驗結果，文獻均采用ARM9內核嵌入式芯片，且采用Linux操作系統，但是都沒有實驗驗證，且主要論述的是Linux內核編譯。本文設計一種基于ARM9芯片的3G手機嵌入式視頻采集系統，該系統與參考文獻所論述的視頻采集系統相比，具有體積小、能耗低、更新維護方便、開發難度低等特點。
1 系統硬件結構
本系統的硬件平臺實物如圖1，鑒于系統的可靠性、可擴展性、可維護性，本系統采用模塊化的設計原則，整個系統的視頻采集系統硬件由3個部分構成。
圖1 硬件平臺實物
1.1 微系統核心模塊
該模塊是由嵌入式微處理器S3C2440A，NANDFALSH接口電路、SDRAM接口電路和總線接口電路組成。S3C2440是三星公司基于ARM920T內核的32位RISC微處理器芯片，為手持設備及一般類型的應用提供低價格、低功耗、高性能小型微控制器的解決方案。采用了新的總線架構AMB-A，其內核還實現了MMU，Harvard高速緩沖體系結構。另外其加強的ARM體系結構MMU支持WinCE，Linux和EPOC32等操作系統，支持ARM調制體系結構，支持從NAND FLAsH存儲器啟動。而且，它還集成了豐富的片上功能，如LCD控制器、UART接口、USB主從接口、I2C接口、CAM IF單元等。
SDRAM雖掉電不能保存數據，但它有非常高的讀寫速度，故適合主程序的運行。本系統采用2片32MB型號為HY57V561620的芯片級聯構成64MB的SDRAM存儲器，該芯片的內部存儲結構是4Banks×4M×16b，共4個Bank。NAND FLASH存儲系統采用三星公司的K9F1208U0M芯片，存儲容量為64M×8b。核心模塊與外設控制模塊的接口連接由總線接口實現。
1.2 視頻采集模塊
該模塊采用Micro2440開發板自帶的CMOS攝像頭接口，直接使用友善之臂提供的CAM130攝像頭模塊，該模塊由一個130萬像素的CMOS圖像傳感器OV9650及其接口電路、電源電路組成。選擇CMOS傳感器是因為它有集成度高、體積小、功耗低、編程方便、易于控制、成本低等優點，并且該類型的傳感器正向低噪聲和高靈敏度等方向發展，故CMOS傳感器是目前低像素圖像采集系統的最佳選擇。接口電路將圖像信號進行A/D轉換和處理，傳送到處理器的CAM IF。微系統核心模塊通過I2C串行總線實現對傳感器的控制。電源電路由電源轉換芯片AS1117為攝像頭提供1.8V和2.8V電壓，其中2.8V電壓是通過可調壓芯片分壓得到(即為圖2中的VDD_CAM)。該模塊的供電電壓為3.3V，與微系統核心模塊的供電電壓是一致的，無需另外單獨提供。
1.3 外設控制模塊
該模塊由LCD與觸摸屏接口電路、JTAG調試接口電路、USB主從口電路、復位電路、電源電路、RS232串口電路等構成。LCD與觸摸屏接口電路用于顯示應用程序編寫完成后采集的視頻數據、接受用戶的外部控制命令等，起到人機接口的作用。JATG調試接口提供硬件調試的功能，它遵循IEEE 11491標準，利用邊界掃描技術，通過邊界掃描鏈實現對芯片輸入輸出信號的觀察控制。JATG在本系統中的一個重要功能就是將引導加載程序Bootloader燒寫進開發板，用于進一步的內核加載。USB主口用于外接U盤、移動硬盤和鼠標等支持USB總線接口的設備，可以擴展存儲空間。USB從口則用于向系統燒寫WinCE內核文件以及系統與PC機之間的通信。復位電路采用既有電源監控和數據保護又有看門狗作用的專門復位芯片MAX811來保證系統出現異常時能可靠復位。RS232用于通過超級終端或DNW工具查看Bootloader程序啟動的情況以及擴展串口通信功能。該處的電源電路提供5V(為整個系統提供外部電源)、3.3V(核心模塊、外設控制、圖像采集模塊供電)和1.3V(核心模塊供電)。
2 圖像傳感器接口電路與工作原理
攝像頭使用的是CAM130模塊，其中的圖像傳感器為OV9650，該部分原理圖及接口電路如圖2所示。
圖2 CAM130模塊原理圖及OV9650接口電路
OV9650與處理器的接口包括SCCB(串行攝像機控制總線)接口、數據輸出接口和控制接口等3部分。
SCCB接口起到傳遞處理器提供的初始化OV9650內部寄存器參數的作用，其數據線SIOD和時鐘線SIOC，相當于I2C總線中的SDA與SCL。也就是說，SCCB起到I2C總線的作用。OV9650是I2C總線的從器件，S3C2440是對應的主器件。I2C總線采用串行方式從高位到低位傳輸字節數據，每個字節傳輸完后，主控制器將SDA置為高電平并釋放，等待從設備發送確認信號。OV9650內嵌了一個10位A/D轉換器，對應有10個數據輸出口D[0：9]。輸出圖像數據的格式可以為10位原始RAW，RGB或經過內部DSP轉換的8位RGB/YCbCr。本系統選擇的微處理器芯片S3C2440的CAMIF單元支持8位的YUV/YCbCr格式，故需將OV9650的數據接口D[9：2]與CAM IF的數據口CAMDATA[7：0]相連接。OV9650的XVCLK用于接收CPU輸出的24MHz的工作時鐘。OV9650內部產生的幀同步信號VSYNC、行同步信號HREF、像素時鐘信號PCLK等3個時鐘信號傳入ARM芯片中，用于控制圖像采集。每一個VSYNC脈沖表示一幀圖像數據采集的開始，HREF的高電平則表示采集一行圖像數據，圖像傳感器按從左到右的順序在每個PCLK脈沖過程中依次采集一個字節的數據，直到一幀圖像數據全部采集完成。
3 3G圖片傳輸流程
圖片傳輸流程圖如圖3所示，3G手機向MINI2440開發板發送短信請求發照片，ARM9控制中心接收到信息，發送出文件名與文件大小，TCP服務器收到信息接收完圖片并關閉窗口，同時向3G手機回饋圖片已接收完畢的信息，接著3G手機向服務器發送請求接收照片，TCP服務器向3G手機發送圖片數據，直到圖片接收完畢，當接收完畢，3G手機向服務器反饋圖片接收完畢。
圖3 3G圖片傳輸方案
有關Micro2440開發板發送圖片及3G手機接收圖片的部分程序如下所示：
4 應用軟件設計及實驗結果
操作系統與硬件平臺間采用虛擬串口進行通信，EVC在實現串口數據通信中存在2個局限性：一是EVC不支持串口通信控件MScomm，另一個是WinCE不支持重疊I/O操作。因此，要采用WinCE的API函數和多線程技術進行數據串口通信的底層開發。Windows API函數將串口視為文件，對于串口的操作類似于對于普通文件的操作。在EVC環境中，通過調用CreateFile函數來打開串口，設置串口讀寫模式：
因為WinCE不支持重疊I/O，所以CreateFile的第6個參數不能設置為：FILE_FLAG_OVER_LAPPED，這里設置成通用常數“0”，否則串行通信處理將被系統信息阻塞。
打開串口以后，可以使用串口初始化函數SetCommState()來獲取串口當前的配置，如串口號、波特率、奇偶校驗、數據位、停止位等：
應用程序開發是在EVC集成開發環境中進行的。用EVC的AppWizard向導建立基于MFC的對話框程序架構，在進行頁面布局“圖像顯示區域”、“初始化”、“接聽”、“撥號”、“掛機”等按鈕后，為各種按鈕添加各種消息響應時間以及完成對各按鈕進行的設置，以響應用戶期待的命令。“初始化”按鈕是進行3G網絡的初始化。“接聽”按鈕就是響應3G手機發送給開發板的命令，“撥號”按鈕所需進行的設置有對方號碼、撥號時發送的消息以及服務器IP和端口號，設置完這些就可進行撥號等待響應了；“掛機”按鈕實現退出應用程序和關閉攝像頭驅動的功能。實現這些按鈕的單擊事件響應函數的添加是比較容易的，在EVC環境中直接雙擊按鈕，進入代碼編輯區就可進行編程調試。這里給出“初始化”和“撥號”按鈕的部分代碼，…后面為省略的部分。
系統應用軟件開發完成之后，在3G手機應用程序中打開手機主控端軟件，單擊“初始化”按鈕完成“撥號”前的設置，將信息發送給Mi-cro2440開發板，等待響應，順利地采集圖片并最終顯示到3G手機上，圖4為3G手機主控終端軟件界面及圖片顯示結果。
圖4 3G手機主控終端軟件界面及圖片顯示結果
5 結語
該系統實現基于ARM9平臺和WinCE操作系統，通過CMOS攝像頭采集現場照片信息，然后通過WCDMA無線網絡連接到萬維網服務器，手機端設計出滿足條件的軟件，最終在3G手機上實現圖片監控的功能。該系統具有實時性較好、成本較低、便于攜帶等優點，非常適合在安保、交通、手持設備、家電、學校巡防等方面的應用，它是實現視頻監控部分的重要組成部分。目前只實現了圖像的傳輸及在3G手機上的顯示，視頻部分的傳輸顯示，由于時間原因，還暫時沒有完成。下一步將采用合適的視頻壓縮編碼算法如H.264，MPEG4編解碼技術，實現視頻監控功能。