高清視頻監控中的I2C總線(xiàn)云臺電機控制設計

　　1引言

　　近年來(lái)，隨著(zhù)視頻技術(shù) 發(fā)展，網(wǎng)絡(luò )穩定性能快速提高，視頻監控 需求越來(lái)越大，其應用領(lǐng)域也越來(lái)越廣泛。社會(huì )的發(fā)展，汽車(chē)增量不斷增多，道路上各種違章的車(chē)輛也逐漸增多，為了構建一個(gè)平安交通和智能交通 ，視頻監控系統 在交通行業(yè)的應用也越來(lái)越多，為了能全方位的對高速公路進(jìn)行監控，視頻監控的高速球也應用越來(lái)越廣泛。

　　本文將研究詳細分析I2C的工作原理和通信協(xié)議和Linux的I2C總線(xiàn)驅動(dòng)程序，設計一個(gè)應用在高速公路視頻監控的基于I2C云臺 電機驅動(dòng)系統，為高速公路的全方位視頻監控提供一個(gè)設計方案 。

　　2高速公路視頻監控系統以及云臺電機整體設計

　　本研究課題的高速公路高清視頻監控系統采用TI公司 的TMS320DM368，DM368是一款面向多媒體技術(shù)應用的高性能芯片，功能強大，集成了ARM926EJ-S內核、硬件編碼協(xié)處理引擎(HDVICP)、圖像處理子系統(VPSS)。DM368頻率高達432MH，支持多格式解碼、多速率以及高清多通道功能，最高可以支持H.264編碼1080P格式30幀/s的速度，而且還可提供多種獨立式音頻、語(yǔ)音以及高清視頻編解碼器(H.264)。該處理器有I2C總線(xiàn)等外圍接口等，其中ARM9運行開(kāi)源、性能穩定安全Linux嵌入式操作系統。

　　視頻監控系統中云臺電機控制的設計采用DM368的I2C總線(xiàn)接口，設計基于A(yíng)RM9的I2C云臺電機，完成驅動(dòng)程序設計和應用程序設計，以及應用程序控制電機轉動(dòng)，應用于視頻監控系統中，達到全方位的高速公路視頻監控。

　　3I2C硬件構成和通信協(xié)議

　　I2C總線(xiàn)是由雙向數據線(xiàn)和時(shí)鐘線(xiàn)構成的二線(xiàn)制串行總線(xiàn)，總線(xiàn)采用主從雙向通信，即總線(xiàn)上在某一時(shí)刻只有一個(gè)主設備總線(xiàn)上的其他設備都作為從設備，任何能夠進(jìn)行發(fā)送和接收的設備都可以成為主設備，但是在同一時(shí)間內只能有一個(gè)設備作為主設備，通常為處理器，其他器件作為從設備與主設備進(jìn)行通信，采用唯一的I2C地址識別。

　　圖1I2C時(shí)序

　　如圖1I2C的工作時(shí)序圖所示，I2C總線(xiàn)在傳送數據過(guò)程中使用了三種信號。(1)開(kāi)始信號：SCL為高電平時(shí)，SDA由高電平向低電平跳變，表示將要開(kāi)始傳送數據;(2)應答信號：從設備在接收到1個(gè)字節數據后向主設備發(fā)出一個(gè)低電平脈沖應答信號，表示已收到數據，主設備根據從設備的應答信號做出是否繼續傳輸數據的操作(I2C總線(xiàn)每次數據傳輸時(shí)字節數不限制，但是每發(fā)送都要有一個(gè)應答信號);(3)結束信號：為低電平時(shí)由低電平向高電平跳變，表示數據傳送結束。

　　總線(xiàn)具體的通信工作原理：主設備首先發(fā)出開(kāi)始信號，接著(zhù)發(fā)送的1個(gè)字節的數據，其由高7位地址碼和最低1位方向位組成(方向位表明主設備與從設備間數據的傳送方向)。系統中所有從設備將自己的地址與主設備發(fā)送到總線(xiàn)上的地址進(jìn)行比較，如果從設備地址與總線(xiàn)上的地址相同，該設備就是與主設備進(jìn)行數據傳輸的設備。接著(zhù)進(jìn)行數據傳輸，根據方向位，主設備接收從設備數據或發(fā)送數據到從設備。當數據傳送完成后，主設備發(fā)出一個(gè)停止信號，釋放I2C總線(xiàn)，然后所有從設備等待下一個(gè)開(kāi)始信號的到來(lái)。

　　4I2C的Linux和ARM驅動(dòng)設計

　　(1)Linux2.6.32的I2C驅動(dòng)分析。

　　I2C由主設備和從設備構成，通信上通過(guò)識別I2C地址進(jìn)行通信，即可以存在多個(gè)i2cadapter適配器和多個(gè)外設i2cdevice，Linux的I2C驅動(dòng)采用分層設計實(shí)現的思想，層與層之間不存在耦合，增加adapter和增加device不會(huì )影響其他驅動(dòng)，具體分層如下。

　　第一層：提供i2cadapter的硬件驅動(dòng)，探測、初始化i2cadapter(如申請i2c地址和中斷號)，驅動(dòng)處理器控制的i2cadapter在硬件上產(chǎn)生信號(start、stop、ack)以及處理i2c中斷，涉及圖2中的硬件實(shí)現層。

　　第二層：提供i2cadapter的algorithm，用具體適配器的xxx_xfer()函數來(lái)填充i2c_algorithm的master_xfer函數指針，并把賦值后的i2c_algorithm，再賦值給i2c_adapter的成員指針，主要涉及圖2中訪(fǎng)問(wèn)抽象層、i2c核心層。

　　第三層：實(shí)現i2c設備驅動(dòng)中的i2c_driver接口，用具體的i2cdevice設備的i2c_add_driver()、i2c_del_driver()方法賦值給i2c_driver的成員函數指針，采用Probe探尋方式實(shí)現設備device與總線(xiàn)的掛接，涉及圖2中的driver驅動(dòng)層，此層是本文實(shí)現的驅動(dòng)部分。

　　第四層：實(shí)現i2c設備所對應的具體device的驅動(dòng)，i2c_driver只是實(shí)現設備與總線(xiàn)的掛接，掛接在總線(xiàn)上的設備千差萬(wàn)別的，所以要實(shí)現具體設備device的write()、read()、ioctl()等方法，賦值給file_operations，然后注冊字符設備，涉及圖2中的driver驅動(dòng)層，此層是本文實(shí)現的驅動(dòng)部分。

　　第一層和第二層又叫i2c總線(xiàn)驅動(dòng)(busdriver)，第三層和第四層屬于i2c設備驅動(dòng)(devicedriver)。在Linux驅動(dòng)架構中，不需要再開(kāi)發(fā)總線(xiàn)驅動(dòng)，因為L(cháng)inux內核幾乎集成所有總線(xiàn)驅動(dòng)，驅動(dòng)設計主要是實(shí)現第三層和第四層的設備驅動(dòng)。

　　圖2I2c驅動(dòng)架構圖

　　(2)云臺電機驅動(dòng)設計

　　根據Linux2.6.32的驅動(dòng)分層設計，驅動(dòng)的第一層和第二層在Linux-2.6.32中以及集成了成熟驅動(dòng)，分別位于Linux源代碼目錄下的\drivers\i2c\i2c-core.c和\drivers\i2c\busses\davinci.c中，本文重點(diǎn)講述第三層和第四層驅動(dòng)程序的設計。

　　驅動(dòng)設計采用字符設備方式來(lái)實(shí)現，motor_I2C_devInit()和motor_I2C_devExit()實(shí)現驅動(dòng)的初始化以及退出，初始化最后調用cdev_add()實(shí)現字符設備的添加，添加過(guò)程中通過(guò)完善file_operations的結構體，填充了。open=I2C_devOpen，.release=I2C_devRelease，。ioctl=I2C_devIoctl三個(gè)結構體變量，這三個(gè)用戶(hù)空間接口驅動(dòng)函數，完成注冊后，用戶(hù)空間可以采用文件讀寫(xiě)的方式來(lái)操作I2C設備了，I2C_devOpen函數實(shí)現打開(kāi)字符設備，I2C_devRelease函數實(shí)現關(guān)閉字符設備，I2C_devIoctl是實(shí)現和硬件設備實(shí)現數據傳輸的最重要函數，主要實(shí)現設備加載、數據讀取和數據寫(xiě)入，從而完成用戶(hù)空間和驅動(dòng)程序以及硬件設備的數據交換，具體實(shí)現如圖3所示。

　　下面通過(guò)I2C_devIoctl介紹這三個(gè)函數的實(shí)現過(guò)程，命令I(lǐng)2C_CMD_SET_DEV_ADDR實(shí)現地址設置，I2C_CMD_READ實(shí)現數據讀取，I2C_CMD_WRITE實(shí)現數據寫(xiě)入，最終分別調用，其中I2C_create實(shí)現I2C設備加載，I2C_read實(shí)現I2C設備數據讀取，I2C_write實(shí)現I2C設備數據寫(xiě)入，其中I2C_create利用i2c_add_driver調用i2c_probe，最終調用i2c_set_clientdata加載I2C從設備，I2C_read和I2C_write利用i2c_transfer函數調用master_xfer實(shí)現數據的讀取和寫(xiě)入，具體實(shí)現過(guò)程如圖3所示，其中I2C_devIoctl實(shí)現部分代碼如下：

　　intI2C_devIoctl(structinode*inode，structfile*filp，unsignedintcmd，unsignedlongarg){

　　switch(cmd){

　　caseI2C_CMD_SET_DEV_ADDR://I2C設置地址設置

　　filp->private_data=I2C_create(arg);

　　……

　　caseI2C_CMD_READ：//數據讀取

　　status=copy_from_user((void*)arg，sizeof(transferPrm));

　　if(status==0){

　　status=copy_from_user();//省略參數

　　if(status==0){

　　status=I2C_read();//省略參數

　　if(status==0){

　　status=copy_to_user();//省略參數

　　}

　　}

　　}

　　break;

　　caseI2C_CMD_WRITE：//數據寫(xiě)入

　　……

　　}

　　returnstatus;

　　圖3I2C電機驅動(dòng)設計圖

　　5I2C應用程序設計

　　根據I2C驅動(dòng)程序設計，要正確調用驅動(dòng)程序，需要實(shí)現驅動(dòng)的用戶(hù)空間調用函數，主要是實(shí)現open和ioctl等調用函數，因此在應用層的接口函數中也需要實(shí)現此函數。

　　i2c_Init()函數實(shí)現open函數，調用驅動(dòng)函數打開(kāi)該設備驅動(dòng)，定義一個(gè)數據結構體為：

　　typedefstruct{

　　unsignedchardataSize;

　　unsignedcharcount;

　　unsignedchar*reg;

　　void*value;

　　}I2C_Data;

　　該結構體主要用來(lái)實(shí)現用戶(hù)空間和內核空間的調用的數據交換，dataSize代表數據的大小，value是傳輸的數值，reg是傳輸命令參數，函數有I2c_Read8()是向內核讀入一個(gè)字節數據，I2c_Write8()是向內核寫(xiě)入一個(gè)字節數據，I2c_Read16()是向內核寫(xiě)入2個(gè)字節數據，I2c_Write16()是向內核寫(xiě)入2個(gè)字節數據，下面列舉一個(gè)函數說(shuō)明具體的實(shí)現過(guò)程，

　　I2c_Write8(intfdunsignedchar*reg，unsignedchar*value，unsignedcharcount){

　　I2C_Dataptr;unsignedintcmd;intstatus;

　　ptr.dataSize=1;ptr.reg=reg;ptr.count=count;ptr.value=value;

　　cmd=CMD_WRITE;

　　status=ioctl(fd，cmd，ptr);

　　if(status!=0)

　　printf("ioctlI2C_CMD_WRITEerror!");

　　returnstatus;

　　}

　　如圖4所示，函數最終通過(guò)條用ioctl這個(gè)函數實(shí)現對驅動(dòng)的調用，其中參數fd是設備句柄，cmd讀寫(xiě)控制是命令，其中宏定義I2C_CMD_SET_DEV_ADDR為地址設置命令，I2C_CMD_READ向內核讀取數據命令，I2C_CMD_WRITE向內核寫(xiě)入數據命令。

　　其他3個(gè)讀寫(xiě)函數實(shí)現過(guò)程類(lèi)似，這幾個(gè)函數是數據寫(xiě)入讀出的函數接口，方便應用層實(shí)現調用。

　　圖4云臺電機控制應用程序設計圖

　　6云臺電機控制應用程序設計

　　云臺很重要部分是電機轉動(dòng)控制，本課題研究采用圖像界面實(shí)現人機交互，其中界面設計采用QT圖形界面軟件來(lái)設計，可以在界面操作實(shí)現電機的水平轉動(dòng)、垂直轉動(dòng)，逆時(shí)針轉動(dòng)和順時(shí)針轉動(dòng)，從而帶動(dòng)視頻監控的攝像頭朝不同方位轉動(dòng)以及定位，如圖所示。根據協(xié)議，應用程序設計主要實(shí)現以下操作：

　　(1)獲取當前的垂直位置，函數接口為get_motor_curVertical_ptr()，返回垂直位置值;

　　(2)獲取當前的水平位置，函數接口為get_motor_curHorizontal_ptr()，返回水平位置值;

　　(3)設置垂直運行的停止位置，函數接口為set_motor_vertical_ptr(unsignedshortptr)，參數ptr為設置的垂直停止位置值;

　　(4)設置水平運行的停止位置，函數接口為set_motor_horizontal_ptr(unsignedshortptr)參數ptr為設置的水平停止位置值;

　　(5)水平操作和垂直操作的啟動(dòng)操作，接口函數為set_motor_opt(boolbVertical，boolbHorizontal)，參數bVertical表示是否啟動(dòng)垂直操作，bHorizontal表示是否啟動(dòng)水平操作

　　(6)設置運行速度，函數接口為set_motor_speed(unsignedcharvertical_speed，unsignedcharhorizontal_speed)，參數vertical_speed控制垂直方向速度值，horizontal_speed控制水平方向速度值;

　　(7)設置電機運行方向，接口函數set_motor_direction(boolbVertical，boolbHorizontal)，設置運行方向為順時(shí)針或者逆時(shí)針，參數bVertical為真表示垂直方向向上運動(dòng)，為假表示向下運動(dòng);bHorizontal為真，表示水平方向逆時(shí)針，否則為順時(shí)針。

　　下面通過(guò)運動(dòng)速度的接口函數set_motor_speed()，詳細介紹云臺控制接口函數的實(shí)現過(guò)程，電機轉動(dòng)速度設置函數設置set_motor_speed()，其中函數參數vertical_speed為垂直方向運動(dòng)速度;horizontal_speed為水平方向運動(dòng)速度，局部變量reg用于制定控制類(lèi)型，value設計為16位，其中高8位存放垂直轉動(dòng)速度數值命令，低8為存放水平轉動(dòng)速度數值，參數設置完后調用I2c_Write16()函數，從而調用ioctl實(shí)現對驅動(dòng)的調用，最終通過(guò)I2C總線(xiàn)控制電機，達到電機快速轉動(dòng)、定位準確。

　　set_motor_speed(unsignedcharvertical_speed，unsignedcharhorizontal_speed){

　　intret;

　　unsignedcharreg;

　　unsignedshortvalue=0;

　　reg=3;

　　value=vertical_speed

　　value|=horizontal_speed;

　　ret=I2c_Write16(fd,®,&value);

　　if(ret!=0)

　　printf("set_motor_speederror");

　　returnret;

　　}

　　7結束語(yǔ)

　　本系統設計實(shí)現了一款基于TMS320DM368的高清視頻監控系統中的云臺電機控制設計，完成了i2c驅動(dòng)程序的分析以及設計，并且完成了i2c應用程序的設計和云臺電機控制應用程序設計，達到了應用目的，取得了良好效果