（信号与信息处理专业论文）基于80211b的嵌入式无线多媒体终端设计与实现.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着嵌入式技术和多媒体技术的不断成熟和发展，越来越多的产品希望能结合嵌 入式和多媒体技术在更小的平台上实现多媒体功能。同时，无线网络相对于传统的有 线网络具备强大的优势，无线标准的制定也正在走向成熟和完善。本文的目标是结合 嵌入式、多媒体和无线网络通信技术，设计一款基于8 0 2 1 1 b 标准的嵌入式无线多媒体 终端，在内部集成视频点播终端和视频采集服务器两大部分，分别实现视频点播和视 频采集功能。 本文首先介绍了嵌入式多媒体终端设计的总体方案，包括硬件平台介绍、软件总 体设计和系统软硬件平台的搭建。 其次，文章重点讨论了无线网络模块的设计，描述了i e e e 8 0 2 1 1 b 标准、p c m c i a 接口以及系统无线局域网的搭建，探讨了无线网卡模块驱动的设计和移植。详细阐述 了无线网卡驱动的架构，包括设备初始化、数据发送处理、数据接收处理、i o c t l 处 理和设备卸载的细节和移植过程中的注意事项。 再次，针对设计中视频点播终端的部分，文章给出了具体的设计和实现方案。描 述了系统的软件框架和处理流程，介绍了r t p r t c p 协议标准和网络接收模块的流程， 同时利用f f m p e g 库实现了音视频数据的解码和播放。 接着，文章分析了视频采集服务器部分的实现流程，重点讨论了设计中涉及到的 相关问题，包括l i n u x 视频采集技术v 4 l ( v i d e of o rl i n u x ) 的图像采集过程、j p e g 编码 流程、网络视频服务器的设计思想以及利用q t o p i a 实现的用户界面开发等。 最后，文章给出了在特定测试环境下的测试数据和实验结果，分析了设计的不足 和尚需改进之处，并对将来的工作做了展望。 本设计遵循一般的系统开发流程，按照预定的实现目标设计并开发了基于8 0 2 1 1 b 的嵌入式无线多媒体终端，具有一定的理论和实用价值。 关键词：8 0 2 1 l b ：f f m p e g ；r t p ；v 4 l ；q t o p i a 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i 页 a b s t r a c t w i t ht h ei n c e r a s i n gd e v e l o p m e n to fe m b e d d e da n dm u l t i m e d i at e c h n o l o g y , m o r ea n d m o r ep r o d u c t sh o p et op r o v i d ev a r i o u sm u l t i m e d i af e a t u r e si nas m a l l e rp l a t f o r m m e a n w h i l e ， w i r e l e s sn e t w o r kh a ss h o w e dg r e a tm e r i t sc o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lw r i e dn e t w o r ka n dt h e s t a n d a r d so fw i r e l e s sn e t w o r ka r eb e c o m i n gm o r em a t u r i t y t h eg o a lo ft h i st h e s i si st o d e s i g naw i r e l e s se m b e d e dm u t i m e d i at e r m i n a l ，w h i c hi n t e g r a t et w of u n c t i o n so fv i d e oo n d e m a n da n dv i d e om o n i t o r i n gb a s e do nt h es t a n t a r do f8 0 2 1l b f i r s t ，t h ep a p e ri l l u s t r a t e st h e o v e r a l ld e s i g ns c h e m eo ft h ee m b e d d e dm u l t i m e d i a t e r m i n a l ，i n c l u d i n gt h ei n t r o d u c t i o n so fh a r d w a r ep l a t f o r m ，s o f t w a r es y s t m ed e s i g na n dh o w t ob u i l dt h ei n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t s e c o n d ，t h ed e s i g no fw i r e l e s sn e t w o r km o d u l e si sh e a v i l yd i s c u s s e d t h ep a p e rn o t o n l yd e s c r i b e st h e8 0 2 1l bs t a n d a r d ，p c m c i ai n t e r f a c ea n d t h eb u i l d i n go fw l a n ，b u ta l s o d i s c u s s e sd e s i g na n dp r o t i n go fw i r e l e s sn e t w o r ki n t e r f a c ec a r dd r i v e r a tl a s t ，t h ee m p h a s i s i s p u to ni l l u s t r a t i n g t h es t r u c t u r eo ft h ew i r e l e s sn e t w o r ki n t e r f a c ed r i v e ri n c l u d i n g i n i t i a l i z a t i o n ，d a t as e n d i n ga n dr e c e i v i n g ，d e v i c ec o n t r o la n ds o m em a t t e r si n t h ep o r t p r o c e s s t h i r d ，i nt h ep a r to fv i d e oo nd e m a n d ，t h ep a p e rg i v e sas p e c i f i cd e s i g na n di m p l e m e n t p r o g r a m m e ，c o n s i s to fd e s c r i b i n gs y s t e m s o f t w a r ef r a m e w o r k ，p r o c e s s i n gp r o c e d u r e ， n e t w o r ks e n d i n ga n dr e c i v i n gf l o w sb a s e do nr t p r t c p , a n dd e c o d i n ga u d i oa n dv i d e o s t r e a m sb yf f m p e g f o u r t h ，t h ep a p e ra n a l y z e sh o wt od e s i g na n di m p l e m e n tt h ev i d e oc a p t u r es e r v e r , w h i c hc o n t a i n sv 4 lv i d e oc a p t u r i n gp r o c e s s ，j p e ge n c o d i n g ，a n dh o wt op r o v i d eaf r i e n d l y g u i b yq t o p i a f i n a l l y , t h et e s tc a s e sa n da n a l y s i sr e s u l ta r ep r o v i d e d t h ed i s a d v a n t a g e so f t h es y s t e m a r ep o i n t e do u ta n dw ea l s op u tf o r w a r dt h ei m p r o v e m e n ti nt h ef u t u r ed e v e l o p m e n t f o l l o w i n gt h es t a n d a r ds o f t w a r ed e v e l o p m e n tp r o c e s s ，t h i sd e s i g nd e v e l o p e d aw i r e l e s s e m b e d d e dm u l t i m e d i at e r m i n a lb a s e do n8 0 2 1l bt om e e tt h ed e m a n da c c o r d i n gt ot h e p r e s e n tg o a lo fr e a l i z a t i o n ，w i t ht h et h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lv a l u e k e y w o r d ：8 0 2 1 l b ：f f m p e g ；r t p ；v 4 l ；q t o p i a 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密馘使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“v ”) 学位论文作者签名：床噍 指导老师签名： 幸勿乏炎 日期：2 0 1 0 6 f 3 日期：幻( 口6 ( 弓 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 1 系统软件开发环境的搭建； 2 无线网卡驱动的研究与移植； 3 嵌入式视频点播功能的设计与实现； 4 嵌入式视频采集功能的设计与实现； 5 实现系统的功能和性能测试。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均己在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名：朱六垦 日期：如f d 6 r 5 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论弟一早三百下匕 1 1 引言 多媒体网络技术是当今信息科学领域发展更新速度最快、需求最广泛的技术之一， 是新一代数字化、智能化技术的发展趋势和竞争焦点。多媒体网络技术融合微机系统、 视频编解码、语音编解码和网络通信等技术于一体，借助现有的高速主干网络，可实 现全球的信息联网和资源共享，因此被广泛的应用在服务、金融、医疗、通信、军事 和教育等诸多行业，正逐步改变着我们生活的面貌。 嵌入式系统作为计算机应用的重要领域，已经融入了我们的日常生活，它低成本、 低功耗、小体积和高安全性的开发过程，使它的应用前景非常广泛【l 】。目前，嵌入式系 统已经在家用电器、医疗器械、工业控制、网络通信设施等方面都发挥了重要作用， 成为人们数字化生活中不可或缺的部分。而随着基于8 0 2 1 1 协议的无线网络标准的日 益成熟和无线网络技术的迅速发展，将嵌入式系统与无线局域网结合成整体进行产品 的设计研发，已经成为了整个嵌入式领域发展的方向和重点【2 】。 在这样的背景下，本设计尝试开发一款基于8 0 2 1 1 b 标准的嵌入式无线多媒体终 端。多媒体终端包括视频点播终端和视频采集服务器两大模块，采用c s 方式与远端 设备连接，不仅可以连接流服务器实现视频点播功能，而且能通过本地摄像头采集数 据，通过无线网络的方式将压缩后的视频数据发送给远端的视频监控终端。 1 2 课题国内外现状 视频点播( v i d e oo i ld e r n o n d ) 和视频监控作为多媒体应用中最常见的两种技术， 已经逐渐为人们所熟悉。随着计算机网络技术、通讯技术和数字视频技术的不断发展， 视频点播和视频监控系统已经给人们的生产和生活带来了意想不到的变化和视听感 受。 视频点播是基于多媒体数据压缩和通讯技术发展的一门新兴技术，其特点是可以 根据观众的要求播放节目。在国内，视频点播技术主要应用在互联网上发布免费的公 众服务信息，或者为一些酒店、娱乐场所等提供简单的娱乐信息。从外国市场观察， 视频点播最成功的应用是局域网内的教育和培训，几乎比较高级的大学校园网和军队 培训网都有视频点播系统。 视频监控系统同样是计算机网络技术、通讯技术和数字视频技术相结合的一门综 合性技术。目前新兴的数字化监控系统都采用计算机网络进行监控图像的传输，这种 数字化和网络化结合的监控方式彻底颠覆了传统的模拟监控，具有简单、高效、传输 距离远、抗干扰性强等特点。不仅如此，网络通信技术充分利用了现有的网络资源， 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 在达到最高性价比的同时，实现了对信息的实时获取和信息共享等全局一体化的管理。 目前，视频点播和视频监控技术具有以下一些特点： 1 ) 硬件平台 系统大多采用p c 机作为硬件平台，p c 机多媒体处理能力强大，有着丰富的硬件 和软件资源，可以显著降低系统的开发周期。 2 ) 操作系统 系统多采用w i n d o w s 操作系统，具有良好的人机交互界面。 3 ) 数据传输方式 视频流数据采用网络传输方式，通常利用已有的以太网，在很大程度上降低了铺 设网络的成本。 4 ) 数据处理模式 数据处理采用数字化模式，这样可以方便的实现视频数据的编解码以及减小对网 络带宽的依赖。 1 3 课题的研究背景与意义 以有线网络为传输媒介的视频点播和视频监控系统具有许多不足和局限性。例如 在一些有线网络遭到破坏或者没有铺设光纤的地区进行视频监控是困难的，而重新铺 设有线网络又面临着施工周期长、布线困难、成本高昂等缺陷。在这种情况下，无线 网络安装快捷、使用方便、成本低廉等特点【3 】就凸显出巨大的优势。当无线网络带宽达 到数据流所要求的容量时，各种多媒体网络技术应用如视频点播和视频监控系统等就 有了向无线网络发展的新趋势【4 j 。 w i f i 是无线局域网联盟( w l a n a ) 的一个商标，它保障了使用该商标的商品之 间可以相互合作。在w i f i 产品中，基于i e e e 8 0 2 1 1 b 无线标准的产品应用最为广泛 5 1 ， 其具有可靠性高、有效距离长、传输速度快、组网成本低的特性，同时也可方便的与 现有以太网整合。相比与其它无线通信技术，w i f i 具有无线电波覆盖范围广、网络传 输速度快、厂商进入门槛低三个突出优剧6 i 。因此w i f i 成了目前无线接入的主要方式。 目前传统的视频点播和视频监控系统一般都采用安装w i n d o w s 操作系统的p c 机 作为硬件平台。p c 机优点是大家所熟知的，然而缺点同样是显而易见的，p c 机配置 复杂、不便移动以及功耗过大，对于在某些特定环境下使用非常不方便。不仅如此， w i n d o w s 操作系统还需要庞大的系统资源且存在运行不稳定( 例如死机、系统崩溃等) 的情况，不适合在长期无人值守的环境下工作。随着嵌入式设备的广泛应用和l i n u x 桌面系统的普及，在l i n u x 上进行多媒体应用技术的开发变得日益重要。嵌入式设备 有着功耗低、成本小、易用性强和安全性高等特点，对于视频点播和视频监控系统等 多媒体应用来说也是适合的。而l i n u x 系统作为开源的操作系统，提供强大的网络支 持、具备稳定高效的系统特性和各种硬件平台和通用接口的支持【_ 7 1 ，同时，经过裁剪、 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 定制后的l i n u x 内核仅为几百k 字节，对于系统硬件资源不充足的嵌入式系统来说是 非常适用的，因此本次设计选取l i n u x 作为多媒体终端的操作系统【8 】。 在这样一种背景下，本设计开发了一款基于嵌入式平台、采用嵌入式l i n u x 作为 操作系统、完全支持8 0 2 1 1 b 标准的无线多媒体终端设备，有着功耗低、成本小、易用 性强、安全性高和便携性好等特点。 1 4 课题的研究目标 本文的设计目标是在基于8 0 2 1 1 b 标准的无线网卡上给出在嵌入式平台上开发视 频点播和视频监控这两个功能的设计流程，并在系统开发完成后测试在i n t e lp x a 2 7 0 处理器上实现多媒体处理功能的可行性。本课题的研究目标如下： 1 开发平台的搭建、集成开发环境的移植和终端文件系统的移植； 2 实现l i n u x 环境下基于8 0 2 1 1 b 的p c m c i a 无线网卡的驱动 3 实现r t p 协议栈的移植和视频点播数据的无线网络接收； 4 实现f f m p e g 库的移植以及视频数据的解码播放； 5 实现基于v 4 l 技术的视频数据采集、j p e g 编码压缩、及本地回放； 6 实现视频采集服务器对监控终端的身份认证和无线网络视频数据发送； 7 实现基于q t 库的视频采集服务器端和监控终端的用户管理界面设计。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 曼苎曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼寰曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼i | i n! i 量曼曼! 曼! 曼曼曼曼曼曼曼苎曼曼曼曼曼曼笪曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼 第二章系统总体设计 弟一草糸狁思1 本砹计 2 1 系统原理与网络拓扑 基于8 0 2 1 l b 标准的嵌入式无线多媒体终端利用无线局域网进行视频数据流的采 集、发送与接收，采用了现今比较成熟的视频压缩标准m p e g 4 j p e g 、v 4 l 视频采集 技术、f r a m e b u f f e r 写屏技术和r t p r t c p 实时传输协议。 本系统采用c s 结构，通过在多媒体终端上运行不同的应用软件，可选择系统作 为视频点播终端或视频采集服务器工作，系统网络拓扑如图2 1 所示。 图2 - 1 系统网络拓扑 视频点播终端通过无线局域网连接流媒体服务器，将接收到的音视频数据解码后 在本地播放；视频采集服务器使用u s b 摄像头采集视频数据，通过无线网络向远端视 频监控终端发送编码后的视频数据。 2 2 系统硬件开发平台 2 2 1i n t e lx s c a l ep x a 2 7 0 处理器 p x a 2 7 0 处理器是i n t e l 公司的x s c a l e 家族中比较高级的处理器之一，可在3 1 2 i v i - i - i z 、4 1 6m h z 、5 2 0m h z 和6 2 4m h z 四个不同的时钟频率下运行，是一个高度集成 的片上系统微处理器。它包含了一系列综合的系统和外设功能，提供了针对手持设备 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 非常丰富的功能接口，如l c d 、音频、s d m m c 、c f 、数码相机接口、键盘等。除了 这些强大的性能和丰富的功能接口，p x a 2 7 0 还采用了w i r e l e s sm m x 和s p e e ds t e p 两项 i n t e l 专有技术，使得它与其他同类芯片相比，在多媒体处理能力和功耗方面有着非常大 的优势，更加适合运用在高性能、低功耗、便携、手持式设备中。在处理器的内部结 构上，p x a 2 7 0 包含多种片内控制模块：l c d 控制器、存储器控制器、d m a 控制器、 实时时钟电路、多媒体卡控制器、m m c 中断控制、通用i o 口等【9 1 。p x a 2 7 0 处理器 的内部结构如图2 2 所示。 2 2 2 开发平台介绍 图2 - 2p x a 2 7 0 硬件结构框图 本设计所采用的硬件平台是基于x s c a l ep x a 2 7 0 微处理器的开发板，该平台使用 l i n u x2 6 1 8 操作系统、支持q t 图形界面并提供了强大的多媒体处理能力。 此平台以p x a 2 7 0 微处理器为核心，扩展有充足的存储资源，并提供了各类功能齐全的 接口。此外，模块化的设计也满足了多种应用领域的嵌入式实验，用户可以在开发板 上开发各种软件功能，也可以作为开发嵌入式系统应用产品的样机。 该开发平台主要具有以下硬件资源，硬件结构图如图2 3 所示： ( 1 ) 处理器：h l t e lx s c a l e 处理器p x a 2 7 0 ； ( 2 ) s d r a m ：6 4 m 字节； ( 3 ) n a n df l a s h ：2 5 6 m 字节； ( 4 ) n o rf l a s h ：3 2 m 字节： ( 5 ) 液晶屏：8 英寸6 4 0 x 4 8 0 真彩可旋转t f t 液晶屏； 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 ( 6 )以太网接口：1 0 m 1 0 0 m 自适应以太网接口； ( 7 ) p c m c i a 接口：1 通道6 8 p i np c m c i a 接口； ( 8 ) u s b 接口：u s b l 1 ，4 个u s bh o s t 接口， + u s bd e v i c e 接口； ( 9 ) 音频接口：a c 9 7 数字音频输入输出接口； ( 1 0 ) r s 2 3 2 接口：1 路。 9 孑【d 型串行接口 r s 7 3 2 转换器1 甜1 帅以太同r j 4 $ 以太嘲接口 i 脯挟 ，孔n 型串行接口h z 转换器 ( 逻辑电路)p c m a 渔接r l p w m d a c ( 逻辑电路) i d e 硬盘 。，i _ j 。；甚- 墨h i 独立按键 洲接口蚺li “n 接口咖卿广1 一一番卜j l e d ，f j l教码警 m n i a r m 数字音频如h 敦字朔躺翻l 2 7 0 1 。一，。 1 - 目- j t a g 接口。矗瑛屏瑗口 。外微雕。k 爱口 - _ 1 j r l “总线驱动 3 3 v 电薄电路 小喇叭 曲】奉放大 s d m m c 卡接口 l t o 连接选择 r t c 后鲁电池 u s bl t t n t t 接口 u s bh u b 电路 l c 口- 。魁件疆e i直流电机 o s b 埘t a _ 一p 眈接口步进电机 其他接口 图2 3 开发平台硬件结构图 2 3 系统软件平台与集成开发环境的搭建 2 3 1 系统软件平台介绍 ( 1 ) l i n u x 操作系统 软件平台使用的操作系统是l i n u x2 6 1 8 稳定版。l i n u x2 6 内核其中一个受关注的 焦点就是内核的自身可抢占性，这使得系统对于一些需要高度人为控制的应用更具有 响应性，在一定范围内满足了嵌入式系统对于实时性的需求。 ( 2 ) 文件系统的移植 对于嵌入式开发板来说，有很多的文件系统可以选择。例如r a m d i s k 、j f f s 、j f f s 2 ，、 c r a m f s 、o r r a m f s 、y a 懿等等。分析每一个文件系统的优缺点以及项目的开发需求，本 设计选用了c r a m f s 作为目标板上的文件系统。 ( 31q t q t e q t o p i a 本设计的多媒体终端采用q t 库进行用户界面开发。q te h 挪威t r o l l t e c h 公司出品， 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 是一个跨平台的c + + 图形界面库。q t 支持所有u n i x 系统，当然也包括l i n u x 。 q t e m b e d d e d 以原始q t 为基础，并做出了很多调整以适应于嵌入式环境。相比于q t x 1 1 ， q t e m b e d d e d 非常节省内存，使用f r a m e b u f f e r ( 帧缓冲) 作为底层接口，将应用程序直接 写入内核缓冲帧，避免了烦琐的x l i b s e r v e r 系统。q t o p i a 构建于q t e m b e d d e d 之上，由 q t o p i a 库和q t o p i as e r v e r l a u c h e r 组成，广泛应用于p d a 等掌上设备，专门为消费电子 设备提供l i n u x 桌面与窗口平台而设计的。 2 3 2 集成开发环境的搭建 ( 1 ) 嵌入式l i n u x 内核的移植 l i n u x 核是操作系统控制硬件、管理文件系统和程序进程的核心组件【1 0 】。搭建嵌 入式软件平台的首要任务就是根据平台的硬件资源定制所需的l i n u x l 为核。首先将l i n u x 内核源代码包解压到指定目录下，解压完成后，在该目录下执行m a k em e n u c o n f i g 命令 配置所需内核选项，最后执行m a k ez l m a g e 命令编译内核映像。本次设计采用 l i n u x 2 6 1 8 内核，根据功能性的要求，需要配置p c m c i a 接口、l c d 液晶屏、 f r a m e b u f f e r 、o v 5 11 、v i d e 0 4 l i n u x 、网络等模块的支持 1 。内核编译完成后，需要使 用t f t p 工具将内核映像文件下载到目标板。 ( 2 ) q t e q t o p i a 图形库和桌面系统的建立 q t o p i a 桌面环境构建于q t e m b e d d e d 之上，因此安装时需要注意各源码包版本的搭 配问题。此次设计采用的是q t o p i a 2 1 1 、q t e m b e d d e d 2 3 1 0 以及t m a k e 1 1 3 源码包。 另外交叉编译q t e m b e d d e d 和q t o p i a 库时需要指定所使用交叉编译器的路径。 ( 3 ) 交叉编译环境的建立 嵌入式系统的开发一般采用交叉编译的方式进行。在p c 机上搭建好相应的库环境 后，就可以选择针对x s c a l e 处理器系列的a r m 1 i n u x g c c 交叉编译包对应用程序进行交叉 编译。编译时，需要在m a k e f i l e d ? 增力d q t e 库的路径以及包含触摸屏库的参数( 1 t s ) 将 源程序编译成能够在目标平台上运行的二进制文件。 为了使程序能够正确的运行，需要设置q t d i r 、p a t h 、l dl i b r a r yp a t h 等 各项环境变量。为了避免烦琐的设置工作，可以将环境变量的设置编写成s h e l l 程序， 通过运行s h e l l 程序一次性设置好全部的环境参数，s h e l l 程序如下： e c h os t a r ts e t t i n ge n v - v a r e x p o r tq t d i r = $ p w d q t - 2 3 10 e x p o r tq t e d i r = $ q t d i r e x p o r tq p e d i r = $ p w d q t o p i a f r e e 一2 1 1 e x p o r tt m a k e d i r = $ p w d t m a k e - 1 13 e x p o r tt m a k e p a t h = $ t m a k e d i r l i b q w s l i n u x g e n e r i c - g + + 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 e x p o r tp a t h = $ q t d i r b i n ：$ q p e d i r b i n ：$ t m a k e d i r b i n ：$ p a t h e x p o r tl d l i b r a r yp a t h = s q t d i r l i b ：$ l d l i b r a r y _ p a t h 2 4 系统软件总体设计 视频点播终端采用c s 模式与无线局域网中的视频流媒体服务器建立连接，连接 成功后通过无线网卡接收视频数据，调用f f m p e g 库函数解码视频数据在本地播放。 视频点播终端可划分为以下几个部分： ( 1 ) 网络接收模块：实现基于8 0 2 1 1 b 标准的网络视频数据接收。 ( 2 ) 视频解码模块：调用f f m p e g 库实现视频流数据的m p e g 4 解码。 ( 3 ) 视频播放模块：采用s d l 绘屏技术实现视频数据的本地播放。 视频采集服务器采用c s 模式向局域网中其他视频监控终端提供视频数据传输服 务，以达到远端监控中心实时监控的目的。视频采集服务器可划分为以下几个部分： ( 1 ) 视频采集模块：基于l i n u x 下v 4 l 视频设备的视频数据的采集。 ( 2 ) 视频编码模块：基于j p e g 库的视频数据压缩编码。 ( 3 ) 网络发送模块：实现基于8 0 2 1 1 b 标准的网络视频数据发送。 ( 4 ) 本地回显模块：使用q t 库与f r a m e b u f f e r 实现视频数据的本地回显。 整个系统软件总体架构图如图2 4 所示。 图2 _ 4 多媒体终端软件总体架构 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 3 1 概述 第三章无线网络模块研究与实现 无线网络相对于传统的有线网络具有组网灵活、不受上网地点限制等优势，随着 无线网络标准、技术的不断发展与成熟，各种无线网络设备展现出了巨大的应用潜力， 在视频点播、现场服务、网络会议和移动数据采集等方面得到了广泛的应用【1 2 1 。 本次设计的多媒体无线终端通过无线网卡与其他网络设备建立连接，采用组建无 线局域网的方式进行数据传输，实现了视频点播和视频采集传输等功能。 3 1 1 无线局域网 无线局域网是计算机网络和无线通信技术相结合的产物。具体地说，就是在组建 局域网时不再使用传统的电缆线而是通过无线的方式以红外线、无线电波等作为传输 介质来进行连接，提供有线局域网的所有功能。 3 ：1 2i e e e 8 0 2 1 1 b 标准 i e e e 在1 9 9 7 年制定了无线局域网的第一个版本标准i e e e8 0 2 1 1 【1 3 】，其中定 义了媒体存取控制层( m a c 层) 和物理层。物理层规定了工作在2 4 g h z 的i s m 频段 上的两种展频作调频模式和一种红外传输的方式。为了在不同的通讯模式下取得良好 的通讯质量，在m a c 层采用c s m a c a ( 载波侦听多路访问冲突避免) 硬件沟通方式。 8 0 2 1 1 标准规定了两种无线局域网的组网模式：对等模式( a d h o t ) 和基本结构 模式( i n f r a t r u c t u r e ) 。对等模式即点对点模式，也就是不透过a p 或无线宽带路由器来 连接，可以只利用多张无线网卡组成一个网络群组；基本结构模式需要一台符合 8 0 2 1 1 b 模式的a p 或无线宽带路由器存在。所有通信都是通过a p 或无线宽带路由器 作连接。该模式下的无线网可以通过a p 或无线宽带路由器的以太网口与有线网相连。 1 9 9 9 年在8 0 2 1 1 标准基础上增加了补充版本：8 0 2 1 1 b ，定义了一个在2 4 g h z 的 i s m 频段上但数据速率高达1 1 m b i t s 的物理层。由于2 4 g h z 的i s m 频段为世界上绝 大多数国家通用，因此8 0 2 1 1 b 得到了最为广泛的应用。 3 2 无线网络环境搭建 本系统使用的是高锐公司无线网卡( p n ：8 9 0 5 6 2 8 3 ) ，该网卡采用i n t e r s i lp r i s m2 0 处理芯片组和c o m p a c tf l a s h ( c f ) t y p ei 接1 ：3 ，符合i e e e8 0 2 1 l b 标准协议。 系统无线组网方式采用基本结构模式，网络拓扑图如图3 1 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 3 3 硬件设计 图3 - 1 系统网络拓扑图 本次设计选用的硬件开发平台具备标准6 8 p i n 的p c m c i a 接口，同时p x a 2 7 0 处 理器内部具备p c m c i a 读写访问控制寄存器，可以非常方便的实现对外接p c 卡设备 的操作。本次设计选用的是高锐公司的c f 接口无线网卡，此款网卡提供了p c m c i a c f 转换适配器，至此p c m c i a 和c f 接口之间的转换。因此本设计决定采用p c m c i a 接 口方式对无线网卡进行操作。 无线网卡采用i n t e r s i lp r i s m2 0 处理芯片组，其内部集成了m a c 层控制处理器 h f a 3 8 4 x ，支持物理层的数据收发和8 0 2 1 1 b 协议的封装解析。p x a 2 7 0 处理器通过 p c m c i a 总线与h f a 3 8 4 x 的p c 卡主机接口相连接，通过对其配置操作实现网络数据收 发的功能。 3 3 1 硬件结构 无线网卡模块的硬件结构图如图3 2 所示。 图3 2 中标注了无线网卡模块，包括h f a 3 8 4 x 、射频模块、晶振模块及外部 s r a m f l a s h 模块四个部分。本设计关注的重点是h f a 3 8 4 x ，其余模块均为无线网卡 内部实现，对外部透明。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 3 3 2p c m c i a c f 介绍 图3 2 无线网卡硬件结构图 p c m c i a ( p e r s o n a lc o m p u t e rm e m o r yc a r di n t e r n a t i o n a la s s o c i a t i o np c 机内存卡国 际联合会的缩写) 是一个成立于1 9 8 9 年的国际性组织，是一个有3 0 0 多个成员公司 的国际标准组织和贸易联合会【l4 1 。这个国际性组织主要是建立一个省电、小体积的整 合性电子卡片的标准，提高移动计算机的互换性。 c f a ( c o m p a c tf l a s h a s s o c i a t i o n ) 贝l j 提供了一种更先进的、质量轻、低功耗存储卡技 术，c f 作为一种存储卡接口标准在便携式设备中得到了广泛应用，而且现在许多带有 c f 卡接口的p d a 也可以支持无线网卡等i o 设备。c f 卡标准与p c m c i a 接口相比只 是少了一些地址线和电源，可以说c f 卡接口是p c m c i a 接口的一个简化版。 3 3 3p c m c i c f 总线接口 p c m c i a c f 总线由数据线、地址线、读写控制信号线以及中断、复位等信号组成， 除此之外还包括卡检测、电压探测等用于卡管理的引脚。其中数据总线宽度是8 1 6 位， 地址总线宽度是2 6 位。 系统选用无线网卡的数据总线宽度为1 6 位( h d 0 1 5 ) ，地址总线宽度为l o 位 ( h a 0 9 ) ，i o r o i o w r 是i o 空间读写控制信号，h o e h w r 是m e m o r y 空间读写控制 信号，h c e l 和h c e 2 信号分别控制高低字节选中，h w a i t 为读写完成信号，h r e g 是属性空间选中信号，h r e s e t 信号低有效时复位h f a 3 8 4 x 。表3 - 1 列出了h f a 3 8 4 x 的 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 主机接口引脚名称及功能。 表3 1h f a 3 8 4 x 主机接口引脚名称及功能 引脚名称输入输出 。 功能描述 h a 0 9 输入p c 卡地址线，0 曲位 h c e l输入p c 卡低地址选中 h c e 2 输入p c 卡高地址选中 h d 0 1 5输入输出p c 卡数据总线，0 1 5 位 h i o r d 输入p c 卡i o 空间读取 h i o w r输入p c 卡i o 空间写入 h r d y h i r e q 输出p c 卡中断请求准备好 h o e输入p c 卡内存属性空间读取 h r e g 输入p c 卡属性空间选中 h r e s e t输入硬件复位 h i w a i t 输入p c 卡未准备好 h 雹输入p c 卡内存属性空间写入 3 4l i n u x 设备驱动 3 4 1l i n u x 设备驱动概述 设备驱动充当了硬件和应用软件之间的纽带，它使得应用软件只需要调用系统软 件的应用编程接口( a p i ) 就可以让硬件去完成要求的工作【1 6 】。 l i n u x 系统将设备驱动融入内核，规定了所有设备驱动面向内核的接口，从而使设 备驱动变成了操作系统与硬件交互的模块，对外呈现为操作系统的a p i 。l i n u x 将设备 驱动针对的对象存储器和外设划分为三类：字符设备、块设备和网络设备。图3 3 表明了l i n u x 设备驱动与系统的结构【1 7 】。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 用户应用程序 c 库 1r + l i n u x 系统调用接口 1 l l i n u x 文件系统 套接字 进程 管理 上 上 。 。 磁盘f l a s h 文 t c p i p 件系统 字符设 内存 备驱动 管理块设备驱动网络设备驱动 上 硬件 3 4 2l i n u x 网络设备驱动 图3 - 3l i n u x 设备驱动与系统结构图 网络设备完成数据包在物理层上的发送和接收，它将上层协议传递下来的数据包 封装成特定帧后进行发送，并将接收到的数据包传递给上层协议处理。 从功能层次上看，l i n u x 网络设备驱动位于o s i 七层协议中的数据链路层，体系结 构如图3 4 所示，从上到下可以划分为4 层，依次为网络协议层、网络设备接口层、 设备驱动层以及网络设备与媒介层。 图3 - 4l i n u x 网络设备驱动架构图 网络协议接口层 网络设备接口层 设备驱动功能层 网络设备与媒介层 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 l i n u x 内核针对网络协议层和网络设备接口层的设计均有标准结构体及a p i 接口 支持，不需要进行修改；此次驱动设计的主要工作是编写设备驱动层的相关函数：数 据包发送函数h a r ds t a r tx m i t 0 和中断处理中的数据包接收函数等，只需使用上述相关 函数填充n e td e v i c e 数据结构的内容并完成n e td e v i c e 的内核注册即可。 3 4 3l i n u x 中断处理机制 中断是指c p u 在执行程序的过程中，出现了某些突发事件时c p u 必须暂停执行 当前的程序，转去处理突发事件，处理完毕后c p u 又返回原程序被中断的位置并继续 执行。 设备的中断会打断内核中进程的正常调度和运行，系统要求中断服务程序尽可能 快地执行，然后中断往往要进行大量的耗时处理；因此，l i n u x 将中断处理程序分解为 两个半部：顶半部和底半部。 项半部仅完成紧急的硬件操作并清除中断标志，之后将底半部的程序挂接到执行 队列中，这样系统可以处理更多的中断请求；底半部则继续处理相对不紧急和耗时的 任务。 3 5 无线网卡模块驱动分析与实现 3 5 1 无线网卡驱动架构 无线网卡驱动架构如图3 5 所示，从软件功能上可划分为三层，分别是8 0 2 1 1 b 网 络设备层、p r i s m 网络设备层以及h f a 3 8 4 x m a c 控制器层，各层作用如下： 1 8 0 2 1 1 b 网络设备层：提供虚拟的、支持8 0 2 1 1 b 标准协议的网络设备接口，对 上层驱动( 网络设备层) 屏蔽真实的硬件结构。 2 p r i s m 网络设备层：位于无线网卡驱动的中间层，实现无线a p 和s t a 模式的功 能配置；向上层驱动提供网络a p i 接口，同时控制底层驱动操作硬件平台。 3 h f a 3 8 4 x m a c 控制器层：负责和真实的硬件平台通信，通过对h f a 3 8 4 x 寄存器的 读写配置实现网络数据收发。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 3 5 2 设备初始化模块 图3 5 无线网卡驱动架构图 网络设备接口层 设备驱动功能层 网络设备与媒介层 设备初始化模块依据l i n u x 系统标准设计，过程如下： 1 通过内核调用m o d u l e _ i n i t ( p r i s m 2 c s _ i n i t ) 注初始化函数p r i s m 2 c s _ i n i t ( ) ，实现 p c m c i a 设备的注册； 2 系统探测到无线网卡设备后调用w i s m 2 c s _ p r o b e ( ) 函数实现设备初始化，具体步 骤如下： a 创建无线网卡设