高速公路視頻監(jiān)控下RX-8025實時時鐘系統(tǒng)研究與設(shè)計

廖建尚，曹成濤，楊志偉

（廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 計算機工程學(xué)院，廣東 廣州 510650）

隨著社會的發(fā)展，汽車不斷增多，高速公路上違章的車輛也逐漸增多，為了構(gòu)建一個平安交通和智能交通，視頻監(jiān)控系統(tǒng)在交通行業(yè)的應(yīng)用也越來越多，為了能對高速公路進行監(jiān)控，高清視頻監(jiān)控也應(yīng)用越來越廣泛[1]。

文中將研究詳細分析RX8025和I2C的工作原理和通信協(xié)議和Linux的I2C總線驅(qū)動程序，設(shè)計一個應(yīng)用在高速公路視頻監(jiān)控的基于I2C的RX-8025實時時鐘控制系統(tǒng)，為高速公路的高清視頻監(jiān)控提供一個設(shè)計方案。

1 高速公路視頻監(jiān)控系統(tǒng)以及實時時鐘系統(tǒng)設(shè)計

本研究課題的高速公路高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用TI公司的TMS320DM368，DM368是一款面向多媒體技術(shù)應(yīng)用的高性能芯片，功能強大，集成了ARM9、硬件編碼協(xié)處理引擎(HDVICP)、圖像處理子系統(tǒng)(VPSS)。DM368最高可以支持H.264編碼 1080P格式 30幀/s的速度。該處理器有I2C總線等外圍接口等，其中ARM9運行性能穩(wěn)定的Linux嵌入式操作系統(tǒng)[2]。

視頻監(jiān)控系統(tǒng)中實時時鐘控制的設(shè)計采用DM368的I2C總線接口，設(shè)計基于ARM9的I2C云臺電機，完成驅(qū)動程序設(shè)計和應(yīng)用程序設(shè)計，以及應(yīng)用程序控制RX-8025實時時鐘，應(yīng)用于視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，達到全方位的高速公路視頻監(jiān)控。

2 RX-8025實時時鐘硬件構(gòu)成和通信協(xié)議

2.1 RX-8025簡介

RX-8025是一種具有高精度，包括32.768 kHz晶振時鐘I2C總線接口的實時時鐘芯片，該芯片提供的功能有6個中斷，2個系統(tǒng)鬧鐘功能、電源電壓監(jiān)測和數(shù)字時鐘精度調(diào)節(jié)功能來滿足不同精度要求，其中計時功能可以進行至陽歷二位數(shù)和年、月、日、時、分、秒為止的數(shù)據(jù)設(shè)定，包括計時和讀取，當(dāng)陽歷的下二位數(shù)為4的倍數(shù)時，可自動識別至2099年。因此RX-8025適用于高清視頻監(jiān)控的嵌入式系統(tǒng)，用于計時同步[5]。

2.2 RX-8025管腳功能

SCL：I2C通信用的串行時鐘輸入，與時鐘信號同步，SDA SDA：與I2C通信串行時鐘同步，進行地址、數(shù)據(jù)、應(yīng)答等的輸入輸出。

圖1 RX-8025內(nèi)部時鐘信號圖Fig.1 Internal clock signal of RX-8025

FOUT：由FOE控制的32.768 kHZ時鐘輸出端；

FOE：控制FOUT輸出時鐘信號的輸入腳內(nèi)置，當(dāng)它接高電平時，F(xiàn)OUT腳輸出時鐘信號；

RX-8025使用I2C和外圍芯片進行數(shù)據(jù)通信，因此，本系統(tǒng)中ARM9和RX-8025通信需要通過I2C總線，因此需要完成Linux在ARM9的I2C驅(qū)動。

2.3 I2C硬件構(gòu)成和通信協(xié)議

I2C總線是由雙向數(shù)據(jù)線和時鐘線構(gòu)成的二線制串行總線，總線采用主從雙向通信，即總線上在某一時刻只有一個主設(shè)備總線上的其他設(shè)備都作為從設(shè)備，任何能夠進行發(fā)送和接收的設(shè)備都可以成為主設(shè)備，但是在同一時間內(nèi)只能有一個設(shè)備作為主設(shè)備，通常為處理器，其他器件作為從設(shè)備與主設(shè)備進行通信，采用唯一的I2C地址識別[5]。

圖2 I2c工作時序Fig.2 Working sequence of I2c

如圖2所示I2C的工作時序圖所示，I2C總線在傳送數(shù)據(jù)過程中使用了3種信號。1)開始信號：SCL為高電平時,SDA由高電平向低電平跳變，表示將要開始傳送數(shù)據(jù)；2)應(yīng)答信號：從設(shè)備在接收到1個字節(jié)數(shù)據(jù)后向主設(shè)備發(fā)出一個低電平脈沖應(yīng)答信號,表示已收到數(shù)據(jù),主設(shè)備根據(jù)從設(shè)備的應(yīng)答信號做出是否繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)的操作；3)結(jié)束信號：為低電平時由低電平向高電平跳變，表示數(shù)據(jù)傳送結(jié)束[4-5]。

總線具體的通信工作原理：主設(shè)備首先發(fā)出開始信號，接著發(fā)送的1個字節(jié)的數(shù)據(jù)，其由高7位地址碼和最低1位方向位組成。系統(tǒng)中所有從設(shè)備將自己的地址與主設(shè)備發(fā)送到總線上的地址進行比較，如果從設(shè)備地址與總線上的地址相同，該設(shè)備就是與主設(shè)備進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)備。接著進行數(shù)據(jù)傳輸，根據(jù)方向位，主設(shè)備接收從設(shè)備數(shù)據(jù)或發(fā)送數(shù)據(jù)到從設(shè)備。當(dāng)數(shù)據(jù)傳送完成后，主設(shè)備發(fā)出一個停止信號，釋放I2C總線，然后所有從設(shè)備等待下一個開始信號的到來[4-5]。

3 I2C的Linux和ARM驅(qū)動設(shè)計

3.1 Linux2.6.32的I2C驅(qū)動分析

I2C由主設(shè)備和從設(shè)備構(gòu)成，通信上通過識別I2C地址進行通信，即可以存在多個i2c adapter適配器和多個外設(shè)i2c device，Linux的I2C驅(qū)動采用分層設(shè)計實現(xiàn)的思想，層與層之間不存在耦合，增加adapter和增加device不會影響其他驅(qū)動，具體分層如下。

第一層：提供i2c adapter的硬件驅(qū)動，探測、初始化i2c adapter（如申請I2C地址和中斷號），驅(qū)動處理器控制的i2c adapter在硬件上產(chǎn)生信號（開始、停止、應(yīng)答）以及處理i2c中斷，涉及圖2中的硬件實現(xiàn)層；

第二層：提供i2c adapter的algorithm，用具體適配器的函數(shù)來填充i2c_algorithm的master_xfer函數(shù)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中訪問抽象層、i2c核心層；

第三層：實現(xiàn)i2c設(shè)備驅(qū)動中的i2c_driver接口，用具體的 i2c device 設(shè)備的 i2c_add_driver()、i2c_del_driver()方法賦值給i2c_driver的成員函數(shù)指針，采用Probe探尋方式實現(xiàn)設(shè)備device與總線的掛接，涉及圖2中的driver驅(qū)動層，此層是本文實現(xiàn)的驅(qū)動部分；

第四層：實現(xiàn)i2c設(shè)備所對應(yīng)的具體device的驅(qū)動，i2c_driver只是實現(xiàn)設(shè)備與總線的掛接，掛接在總線上的設(shè)備千差萬別的，所以要實現(xiàn)具體設(shè)備device的write()、read()、ioctl()等方法，賦值給file_operations，然后注冊字符設(shè)備，涉及圖2中的driver驅(qū)動層，此層是本文實現(xiàn)的驅(qū)動部分。

第一層和第二層又叫i2c總線驅(qū)動（bus driver），第三層和第四層屬于i2c設(shè)備驅(qū)動(device driver)。在Linux驅(qū)動架構(gòu)中，不需要再開發(fā)總線驅(qū)動，因為Linux內(nèi)核幾乎集成所有總線驅(qū)動，驅(qū)動設(shè)計主要是實現(xiàn)第三層和第四層的設(shè)備驅(qū)動。

圖3 I2c驅(qū)動架構(gòu)圖Fig.3 Driven architecture of I2c

3.2 Linux系統(tǒng)中i2c驅(qū)動中結(jié)構(gòu)體分析

Linux中的I2C驅(qū)動分層設(shè)計涉及了多個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計在I2C分層設(shè)計中起了非常重要的作用，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有i2c_driver、i2c_client、i2c_adapter，下面具體分析這三個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。

1)i2c_driver與i2c_client

i2c_driver對應(yīng)Linux的一種驅(qū)動方法，它不對應(yīng)于任何的物理實體。

i2c_client對應(yīng)于真實的物理設(shè)備，每個I2C設(shè)備都需要一個 i2c_client來描述，i2c_client代表一個掛載到I2C總線上的I2C從設(shè)備，該設(shè)備所需要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，包括該I2C從設(shè)備所依附的I2C主設(shè)備i2c_adapter，I2C從設(shè)備的驅(qū)動程序i2c_driver，作為i2c從設(shè)備所通用的成員變量；

struct i2c_client{

unsigned shortaddr; /* chip address -NOTE:7bit */

struct i2c_adapter*adapter;/*該i2c從設(shè)備所依附的i2c主設(shè)備*/

struct i2c_driver*driver;/*該i2c從設(shè)備的驅(qū)動程序*/

intusage_count; /*目前掛接I2C從設(shè)備的數(shù)量 */

struct device dev; /*該i2c從設(shè)備驅(qū)動所特有的數(shù)據(jù)*/

struct list_head list;/*鏈表*/

char name[I2C_NAME_SIZE];/**/

}

i2c_driver與 i2c_client發(fā)生關(guān)聯(lián)的時刻在 i2c_driver的attach_adapter()函數(shù)被運行時，attach_adapter()會探測物理設(shè)備，當(dāng)確定一個I2C從設(shè)備存在時，把該 client使用的i2c_client數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的 adapter指針指向?qū)?yīng)的i2c_adapter。

2)i2c_adpater與i2c_client

i2c_adpater與 i2c_client的關(guān)系與 I2C硬件體系中適配器和設(shè)備的關(guān)系一致，即 i2c_client依附于 i2c_adpater，一個i2c_adpater上可以連接多個 I2C設(shè)備，i2c_adpater中包括依附于它的i2c_client的鏈表。

3)結(jié)構(gòu)體i2c_msg解析

i2c_msg用于I2C驅(qū)動第三層和第二層的數(shù)據(jù)交換，i2c_transfer通過調(diào)用master_xfer函數(shù)傳遞i2c_msg結(jié)構(gòu)體，結(jié)構(gòu)體包括成員變量有設(shè)備地址addr，消息長度len和消息數(shù)據(jù)buf以及讀寫標(biāo)志的宏定義，具體如下：

struct i2c_msg{

__u16 addr;/*設(shè)備地址*/

__u16 flags;/*標(biāo)志 */

__u16 len;?/*消息長度*/

__u8*buf;?/*消息數(shù)據(jù)*/

#define I2C_M_TEN 0x10 /*we have Aten bit chip address */

#define I2C_M_RD 0x01

#define I2C_M_NOSTART 0x4000

#define I2C_M_REV_DIR_ADDR 0x2000

#define I2C_M_IGNORE_NAK 0x1000

#define I2C_M_NO_RD_ACK 0x0800};

3.3 RX8025實時時鐘的I2C驅(qū)動設(shè)計

根據(jù)Linux2.6.32的驅(qū)動分層設(shè)計[3,5,7]，驅(qū)動的第一層和第二層在Linux-2.6.32中以及集成了成熟驅(qū)動，文中重點講述第三層和第四層驅(qū)動程序的設(shè)計。

驅(qū)動設(shè)計采用字符設(shè)備方式來實現(xiàn)，RX8025_I2C_Init()和RX8025_I2C_Exit()實現(xiàn)驅(qū)動的初始化以及退出，初始化最后調(diào)用cdev_add()實現(xiàn)字符設(shè)備的添加，添加過程中通過完善file_operations的結(jié)構(gòu)體，填充了以下4個結(jié)構(gòu)體變量。

Struct file_operations i2c_dev_ops={

.open=RX8025_Open，

.close=RX8025_Close，

.read=RX8025_Read，

.write=RX8025_Write

};

這4個用戶空間接口驅(qū)動函數(shù)，完成注冊后，用戶空間可以采用文件讀寫的方式來操作I2C設(shè)備了，RX8025_Open函數(shù)實現(xiàn)打開實時時鐘字符設(shè)備，RX8025_Close函數(shù)實現(xiàn)關(guān)閉實時時鐘字符設(shè)備，數(shù)據(jù)交換通過接口RX8025_Read和RX8025_Write來實現(xiàn)，主要實現(xiàn)設(shè)備的數(shù)據(jù)讀取和數(shù)據(jù)寫入，從而完成用戶空間和驅(qū)動程序以及硬件設(shè)備的數(shù)據(jù)交換，i2c_board_info結(jié)構(gòu)體中，“RX8025-i2c” 定義為 RX8025的I2C名字，0x32為RX8025的地址，該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的填充在Board-dm368-evm.c文件，Board-dm368-evm.c文件包含了大部分驅(qū)動的數(shù)據(jù)信息，系統(tǒng)啟動會自動加載相關(guān)驅(qū)動信息。一個i2c_client就代表著一個位于adapter適配器上，地址為client->addr，使用設(shè)備驅(qū)動的一個i2c設(shè)備。

static struct i2c_board_info i2c_info[]={

{I2C_BOARD_INFO("RX8025-i2c",0x32),

},}；

本設(shè)計主要完整時鐘數(shù)據(jù)的讀取，用于同步到系統(tǒng)中，因此重點實現(xiàn)RX8025_Read接口函數(shù)，RX8025_Read利用i2c_transfer函數(shù)調(diào)用master_xfer實現(xiàn)時鐘數(shù)據(jù)的讀取，具體實現(xiàn)過程如圖4所示，其中i2c_probe和RX8025_Read實現(xiàn)部分代碼如下：

struct i2c_client*rx8025_client=NULL;

static int i2c_probe(struct i2c_client*client, const struct i2c_device_id*id){……

rx8025_client=client;……}

int I2C_read (struct file*file,unsigned char*buffer,unsigned char count){

client=( struct i2c_client*)file->private_data;for(i=0;i

msg->addr=((client->addr)>>1);

msg->flags=0;

msg->len =1;

msg->buf=data;

data[0] =reg[i];

err=i2c_transfer(client->adapter,msg,1);}//end of for

}

圖4 RX8025_Read驅(qū)動的實現(xiàn)過程Fig.4 Driven implementation process of RX8025_read

4 RX8025實時時鐘I2C應(yīng)用程序設(shè)計

根據(jù)I2C驅(qū)動程序設(shè)計[7]，要正確調(diào)用驅(qū)動程序，需要實現(xiàn)驅(qū)動的用戶空間調(diào)用函數(shù)，主要是實現(xiàn)open、read和write等函數(shù)，因此在應(yīng)用層的接口函數(shù)中也需要實現(xiàn)此函數(shù)。

i2c_Init()函數(shù)實現(xiàn)open函數(shù)，調(diào)用驅(qū)動函數(shù)打開該設(shè)備驅(qū)動，定義一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體為：

int Rx_8025(){

fd_rx8025=open(I2C_RX8025_NAME,O_RDWR);if(fd_rx8025<0) {

printf("open/dev/rx8025_i2c error!");

return-1;

}

return 0;

}

設(shè)備通過open函數(shù)正確打開后，就能通過讀寫函數(shù)進行數(shù)據(jù)交換了，該結(jié)構(gòu)體主要用來實現(xiàn)用戶空間和內(nèi)核空間的調(diào)用的數(shù)據(jù)交換，下面通過read數(shù)據(jù)讀取函數(shù)說明具體的實現(xiàn)過程，其中buf用于保存讀取數(shù)據(jù)，count用于讀取數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)。

int RX8025_read(uint8_t*buf,uint8_t count){

unsigned char ret

ret=read(fd_rx8025,buf，count);if(status<0)

printf("RX8025 read error! ");

return reg;}

如圖5所示，可以通過人機交互設(shè)置實時時鐘或讀取實時時鐘、同步系統(tǒng)時鐘，調(diào)用setTime()和synTime()接口函數(shù)來調(diào)用write()和read()文件IO讀寫文件，最終調(diào)用write()和read()的字符驅(qū)動函數(shù)實現(xiàn)對I2C驅(qū)動的調(diào)用。

圖5 云臺電機控制應(yīng)用程序設(shè)計圖Fig.5 Application design of PTZmotor control

5 RX8025實時時鐘應(yīng)用程序設(shè)計

實時時鐘在本系統(tǒng)中有兩個功能，一是通過QT圖形界面軟件輸入時間信息來設(shè)置實時時鐘的時間，可以在界面年月日時分秒信息，通過調(diào)用應(yīng)用程序函數(shù)達到時間設(shè)置的目的，二是從而帶動視頻監(jiān)控的攝像頭朝不同方位轉(zhuǎn)動以及定位，如圖所示。根據(jù)協(xié)議，應(yīng)用程序設(shè)計主要實現(xiàn)以下操作：

1)設(shè)置當(dāng)前的時鐘信息，函數(shù)接口為setTime()；

2)同步實時時鐘的時鐘信息到系統(tǒng)，函數(shù)接口為synTime()；

下面通過時鐘同步函數(shù)的接口函數(shù)synTime()，詳細RX8025實時時鐘應(yīng)用程序接口函數(shù)的實現(xiàn)過程，通過調(diào)用用戶空間和內(nèi)核空間的read()函數(shù)實現(xiàn)對驅(qū)動的調(diào)用，最終通過I2C總線設(shè)置時鐘和讀取時鐘數(shù)據(jù)。

通過實現(xiàn)人機交互操作程序，實現(xiàn)設(shè)置當(dāng)前的時鐘信息和同步實時時鐘的時鐘信息到系統(tǒng)，通過調(diào)用相應(yīng)的接口函數(shù)，實現(xiàn)對I2C應(yīng)用程序的調(diào)用，最后通過read、write函數(shù)實現(xiàn)對RX-8025的控制，具體實現(xiàn)如圖5所示。

6 結(jié)束語

本系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)了一款基于TMS320DM368的高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的實時時鐘系統(tǒng)控制設(shè)計，完成了實時時鐘RX8025的I2C驅(qū)動程序的分析以及設(shè)計，并且完成了i2c應(yīng)用程序的設(shè)計和實時時鐘RX8025控制應(yīng)用程序設(shè)計，達到了應(yīng)用目的。

[1]張志.高速公路高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)建[J].中國交通信息化，2011(4):99-102.ZHANG Zhi.Construction of the highway high-definition video surveillance system[J].China ITSJoural,2011(4):99-102.

[2]Texas Instruments Incorporated.TMS320DM368 digitalmedia sys-tem-on-Chip(DMSoC).[EB/OL](2014-03)http://www.ti.com/lit/ds/sym link/tms320dm368.pdf.

[3]TMS320DM36x Digital Media System-on-Chip(DMSoC)Inter-Integrated Circuit(I2C)Module User's Guide[EB/OL].[2014-03].http://software-dl.ti.com/dsps/dsps_public_sw/sdo_sb/targetcontent/dvsdk/DVSDK_4_00/latest/index_FDS.html．

[4]高非非.ARM-Linux中I2C總線驅(qū)動開發(fā)[J].微型機與應(yīng)用，2012(5):57-58.GAO Fei-fei.Design of I2C bus driver based on ARM-Linux[J].Network and Comunication，2012(5):57-58.

[5]Philips Corp.The I2C-BUSSpecification Version 2.1[Z]，2000.

[6]Real time clock module RX-8025SA/NB applicationmannual[M].EPSON Toyocom,2002.

[7]Jonahan Corbet.Linux device drivers[M].北京：中國電力出版社，2006.