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在 Arduino Due 上获取 USB 网络摄像头视频流 - 第一部分：入门

Sergiy Bogdancev
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2015 年 2 月 14 日

CPOL

10分钟阅读

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使用 Atmel Studio 入门 Arduino Due

引言

本项目旨在展示如何从USB摄像头获取视频流。此外，您还可以学习如何使用ARM Cortex-M3 SAM3X设备的各个部分，了解USB 2.0和USB视频类（UVC）。我将解释每段代码的作用以及各种任务的正确执行顺序。

阅读这些文章时，请注意这是我第一个嵌入式C项目，第一个Arduino Due项目，第一个USB和UVC项目，而且我的母语不是英语。

在花费了大约半年时间完成项目后，我现在可以告诉你，Arduino Due不足以处理视频，我一开始就怀疑这一点，但我告诉自己应该尝试一下，然后根据情况再做调整。我能够从网络摄像头获取视频流并在TFT显示器上以两种分辨率（160x120和176x144）实时显示灰度视频，而没有丢帧。也许你们中的一些人能够进一步改进，实现所需的320x240（我的TFT显示器的最大分辨率），这可能需要使用DMA控制器和正确连接TFT显示器。但无论如何，我认为您无法获得彩色视频，因为即使是未压缩的视频流也需要大量的重新计算。

让我们从列出项目组成部分开始。

项目硬件

所有部件合在一起除了个人电脑，还使用了以下硬件：

  • Arduino Due;
  • 320x240 TFT显示器扩展板，请注意，这款显示器非常暗淡，表面像镜子一样——对我来说是个非常糟糕的显示器，或者是我不知道如何正确初始化它。如果有人能提供更多关于这类TFT显示器的信息，那就太好了。
  • Micro A 插头 – A 插座 USB 数据线；
  • 一部手机（非iPhone）USB数据/充电A插头 – micro B 插头线，每个人都应该有一根这样的线；
  • 一个网络摄像头。我购买了这款，因为它是在那个在线商店里最便宜的。

项目软件

我只使用了免费工具或免费版本。

  • Atmel Studio 6.x，用于编写我的代码。这是Atmel提供的免费软件包。看起来像微软的Visual Studio。下载前需要填写一份表格；
  • Docklight，一个RS-232监控程序，用于读取Arduino Due的调试消息。我使用的是免费版本，它不能做一些对本项目不重要的功能。也可以使用其他类似的程序代替Docklight。
  • Arduino软件。我们不会使用Arduino软件，它只是安装了与主板通信所需的USB驱动程序，并包含一个名为bossac.exe的工具。这个工具非常重要，因为主板就是通过它来编程的。我不会详细介绍如何在Atmel Studio中安装它，因为人们已经很好地描述了，例如在这篇文章中。

Documents

我在文本中将引用以下文件

  • ARM Cortex M3权威指南第二版。这本书让你全面了解Cortex-M3以及与其他版本的区别。不必阅读这本书的所有章节。可以合法购买，也可以从Pirate Bay等种子追踪器上免费下载。
  • SAM3X完整规格。SAM3X8E是Arduino Due主板上的处理器。[1]
  • USB 2.0规范。压缩包内有一个文件usb_20.pdf – 非常重要的文件。[2]
  • USB视频类1.0规范。我在其网站上找不到它，因为有更新的版本（1.1和1.5），但事实证明我购买的摄像头符合1.0版本，所以我从某个Linux论坛下载了该文档。[3]
  • USB视频载荷未压缩1.0规范。这份文件描述了我相机使用的传输流。你的相机可能有不同的传输流，每种流都有相应的文档。稍后我将展示如何找出你相机的传输流。[4]

入门

安装

请安装Atmel Studio 6.x、Docklight、Arduino软件。将Arduino Due连接到电脑USB端口，等待操作系统安装USB驱动程序（在Arduino软件文件夹中提供），在驱动程序属性中查看它为Arduino Due使用的COM端口号并记下。然后仔细阅读上面提到的关于如何在Atmel Studio中安装Arduino Due外部工具的文章。最后，它应该看起来像我图片中的样子。请注意，我的COM端口号是4，你的可能不同。

要使用它，只需在没有错误的情况下编译程序，然后将鼠标悬停在“工具”菜单上，选择“Arduino Due programmer”。Studio将使用bossac.exe工具将你的程序上传到Arduino Due。

请注意，稍后我们将使用Docklight，由于COM端口不能共享，因此必须在Docklight中关闭它才能进行编程。此外，每次在Docklight中打开COM端口时，Arduino Due都会重启，这是一个非常有用的功能。

一切安装完毕后，让我们从嵌入式版本的“Hello World”开始——闪烁LED。这将帮助我们入门，教我们如何初始化微控制器的主要组件，并给我们一个指示（闪烁），表明我们的代码实际上正在工作并且没有卡死。这是一个有用的步骤，因为我没有调试设备，而且Atmel Studio不为ARM处理器提供模拟器。

创建新项目

打开Atmel Studio，选择菜单“文件”->“新建”->“项目”，选择“GCC C可执行项目”，随意命名。我将在文本中把带有main函数的那个文件称为主文件。

在下一个窗口中选择目标设备。Arduino Due的微控制器是ATSAM3X8E，在列表中找到它，选择并点击“确定”。

在这个点击过程中，Atmel Studio为我们做了一些工作。让我们看看。

在/cmsis/src文件夹中有2个文件：startup_sam3xa.c和system_sam3xa.c。

第一个文件中的代码在我们自己的代码执行之前运行：它定义了向量表，将全局变量初始化为零，C库等，并且有一个分支到main函数（我们的程序从这里开始）。我认为这段启动代码属于高级主题，我自己了解不多，除了查找中断（异常）的正确名称，我不会使用它。如果你想了解它的作用，请阅读一些关于“裸机编程”的文章，例如这篇。

在接下来的章节中，我将展示初始化Arduino Due需要做什么，你将看到所有必要的寄存器和代码序列。我还会简化Atmel Studio生成的代码并添加正确的注释。

基本初始化

第二个自动创建的文件进行了一些基本初始化。我们主文件中的main函数会立即调用位于system_sam3xa.c中的SystemInit()。

#include "sam.h"

int main(void)
{
    SystemInit();
    while(1);
}

“转到实现”该函数。首先，它初始化闪存读取操作，由于闪存的运行速度比核心慢得多，我们需要指定等待状态[1, p.1434]。对于84MHz频率，根据表45-62，等待状态必须是4。这正是SystemInit()中的值。等待状态也意味着，如果代码中有条件和跳转，运行速度会降低，因为每次这样的操作后，核心都需要清空流水线，等待4个周期（在我们的例子中），才能从内存中访问下一条指令。一旦访问了内存，它就可以一次获取2到4条指令，因此不需要再次等待。

EFC0->EEFC_FMR = EEFC_FMR_FWS(4);
EFC1->EEFC_FMR = EEFC_FMR_FWS(4);

启动后，微控制器以4MHz的嵌入式快速RC振荡器运行[1, p.522]。我们需要将其切换到使用更稳定的3-20MHz晶体振荡器，该振荡器根据Arduino Due原理图连接了一个12MHz的晶体。这正是下一段代码的作用。

if ( !(PMC->CKGR_MOR & CKGR_MOR_MOSCSEL) )
{
    PMC->CKGR_MOR = CKGR_MOR_KEY_PASSWD | SYS_BOARD_OSCOUNT | CKGR_MOR_MOSCRCEN | CKGR_MOR_MOSCXTEN;
    while ( !(PMC- >PMC_SR & PMC_SR_MOSCXTS) )
    {
    }
}

首先，它检查3-20MHz振荡器是否未被选中，我们知道它没有被选中。然后，如果未选中，它会启用它。最后，它会等待晶体振荡器启动并稳定下来。我将省略我们不需要的部分，代码现在看起来像这样：

/* Initialize main oscillator */
PMC->CKGR_MOR |= CKGR_MOR_KEY_PASSWD | SYS_BOARD_OSCOUNT | CKGR_MOR_MOSCXTEN;
while ( !(PMC->PMC_SR & PMC_SR_MOSCXTS) );

请注意，写入主振荡器寄存器CKGR_MOR需要密码，其值为0x37。

一旦3-20MHz晶体振荡器初始化完成，我们就将其从嵌入式RC振荡器切换过来，并等待切换完成。

PMC->CKGR_MOR = CKGR_MOR_KEY_PASSWD | SYS_BOARD_OSCOUNT | CKGR_MOR_MOSCRCEN | CKGR_MOR_MOSCXTEN | CKGR_MOR_MOSCSEL;
while ( !(PMC->PMC_SR & PMC_SR_MOSCSELS) );

同样，我通过使用OR而不是显示我们已经使用的其他参数来简化它，并强调这一步的具体作用。

/* Switch to 3-20MHz Xtal oscillator */
PMC->CKGR_MOR |= CKGR_MOR_KEY_PASSWD | CKGR_MOR_MOSCSEL;
while ( !(PMC->PMC_SR & PMC_SR_MOSCSELS) );

下一段代码切换到主时钟，我们不需要完全切换，因为启动后系统就从主时钟运行[1, p.522]。主时钟来自嵌入式快速RC振荡器（启动时默认为此）或我们上面初始化并选择的3-20MHz晶体振荡器。因此，我们不需要切换到主时钟，因为它从一开始就被使用，并且下面的代码可以被省略。

PMC->PMC_MCKR = (PMC->PMC_MCKR & ~(uint32_t)PMC_MCKR_CSS_Msk) | PMC_MCKR_CSS_MAIN_CLK;
while (!(PMC->PMC_SR & PMC_SR_MCKRDY));

我们需要的是将时钟频率从12MHz改变到84MHz。为此，有分频器和PLL（锁相环）[1, p.524]。下一段代码初始化它们。

PMC->CKGR_PLLAR = SYS_BOARD_PLLAR;
while ( !(PMC->PMC_SR & PMC_SR_LOCKA) );

请注意，SYS_BOARD_PLLAR 定义在此文件的顶部，并提供[1]第524页第27.6.1节中描述的值，输出为168MHz。需要将其除以2才能获得84MHz，这正是下一段代码的作用。

/* Switch to main clock */
PMC->PMC_MCKR = (SYS_BOARD_MCKR & ~PMC_MCKR_CSS_Msk) | PMC_MCKR_CSS_MAIN_CLK;
while ( !(PMC->PMC_SR & PMC_SR_MCKRDY) )
{
}

正如你所见，注释是错误的，这段代码对于这个小操作来说有点复杂。我将把它重写如下：

/* Setting up prescaler */
PMC->PMC_MCKR = PMC_MCKR_PRES_CLK_2 | PMC_MCKR_CSS_MAIN_CLK;
while ( !(PMC->PMC_SR & PMC_SR_MCKRDY) ) ;

它指定了预分频器（除以2），并保留了主时钟选择。此时，一切都已准备好切换到PLLA（84MHz）时钟。

/* Switch to PLLA */
PMC->PMC_MCKR = SYS_BOARD_MCKR;
while ( !(PMC->PMC_SR & PMC_SR_MCKRDY) )
{
}

请注意，我删除了SYS_BOARD_MCKR宏，并使用了它包含的内容。system_sam3xa.c现在看起来像这样：

#include "sam3xa.h"

#ifdef __cplusplus
extern "C" {
    #endif

    /* Clock settings (84MHz) */
    #define SYS_BOARD_OSCOUNT   (CKGR_MOR_MOSCXTST(0x8))
    #define SYS_BOARD_PLLAR     (CKGR_PLLAR_ONE | CKGR_PLLAR_MULA(0xdUL) 
                                 | CKGR_PLLAR_PLLACOUNT(0x3fUL) | CKGR_PLLAR_DIVA(0x1UL))

    void SystemInit( void )
    {
        /* Set FWS according to SYS_BOARD_MCKR configuration */
        EFC0->EEFC_FMR = EEFC_FMR_FWS(4);
        EFC1->EEFC_FMR = EEFC_FMR_FWS(4);

        /* Initialize main oscillator */
        PMC->CKGR_MOR |= CKGR_MOR_KEY_PASSWD | SYS_BOARD_OSCOUNT | CKGR_MOR_MOSCXTEN;
        while ( !(PMC->PMC_SR & PMC_SR_MOSCXTS) );

        /* Switch to 3-20MHz Xtal oscillator */
        PMC->CKGR_MOR |= CKGR_MOR_KEY_PASSWD | CKGR_MOR_MOSCSEL;
        while ( !(PMC->PMC_SR & PMC_SR_MOSCSELS) );

        /* Initialize PLLA */
        PMC->CKGR_PLLAR = SYS_BOARD_PLLAR;
        while ( !(PMC->PMC_SR & PMC_SR_LOCKA) );
        
        /* Setting up prescaler */
        PMC->PMC_MCKR = PMC_MCKR_PRES_CLK_2 | PMC_MCKR_CSS_MAIN_CLK;
        while ( !(PMC->PMC_SR & PMC_SR_MCKRDY) ) ;

        /* Switch to PLLA */
        PMC->PMC_MCKR = PMC_MCKR_PRES_CLK_2 | PMC_MCKR_CSS_PLLA_CLK;    
        while ( !(PMC->PMC_SR & PMC_SR_MCKRDY) ) ;
    }

    #ifdef __cplusplus
}
#endif

I/O初始化

为了闪烁LED，必须将某些引脚配置为输出，并且它们的电压电平必须周期性地改变。

有几个寄存器控制引脚的行为，它们被分组到PIO控制器中：PIOA、PIOB等。[1, p.618]。为了让它们正常工作，我们必须启用它们的时钟[1, p.528 - 28.7]。我将启用所有四个PIO时钟，尽管现在我们只需要PIOC和PIOA时钟。TFT显示器连接将需要使用其他PIO。

/* Activates clock to PIO controllers */
PMC->PMC_PCER0 =(1u << ID_PIOA) | (1u << ID_PIOB) | (1u << ID_PIOC) | (1u << ID_PIOD);

根据Arduino Due原理图，LED RX连接到PIOC线30，LED TX连接到PIOA线21。请看下面的代码进行引脚初始化，它非常直观，并显示了所有必要的寄存器。

/* RX LED pin initialization (output, default high)*/
uint32_t Pin = 1u << (PIO_PC30_IDX & 0x1F);    //Moving 1 to position 30
PIOC->PIO_IDR = Pin;                           //No interrupt
PIOC->PIO_PUDR = Pin;                          //No pull-up
PIOC->PIO_MDDR = Pin;                          //No open collector
PIOC->PIO_CODR = Pin;                          //Low level
PIOC->PIO_OER = Pin;                           //Output
PIOC->PIO_PER = Pin;                           //Enables
        
/* TX Pin pin initialization (output, default high) */
Pin = 1u << (PIO_PA21_IDX & 0x1F);
PIOA->PIO_IDR = Pin;
PIOA->PIO_PUDR = Pin;
PIOA->PIO_MDDR = Pin;
PIOA->PIO_CODR = Pin;
PIOA->PIO_OER = Pin;
PIOA->PIO_PER = Pin;

我将这段代码添加到SystemInit()函数的底部。所有初始化代码都将放在这里。

定时器初始化

仅配置引脚不足以闪烁LED，需要某种周期性事件来开关LED。定时器可以触发这样的事件。最简单的定时器是SysTick[1, p.192]。通常，操作系统使用它在任务之间切换。

/* Initialization of SysTick */
/* Reload value is every 1ms. -1 is for 1 tick to reload value */
SysTick->LOAD = ((84000000/1000) & SysTick_LOAD_RELOAD_Msk) - 1;
/* Clearing current value     */    
SysTick->VAL = 0;                                                        
/* Source is not divided by 8, enables SysTick, enables interrupt */
SysTick->CTRL = SysTick_CTRL_CLKSOURCE_Msk | SysTick_CTRL_ENABLE_Msk | SysTick_CTRL_TICKINT_Msk;

同样，我将这段代码添加到SystemInit()函数底部，在引脚初始化之后。

正如我们所见，SysTick中断已启用，并将每1毫秒触发一次。这意味着它必须被捕获并服务。

捕获SysTick中断

现在引脚已配置，并且有一个每1毫秒触发一次的事件，是时候让LED闪烁了。1kHz的频率我们看不到闪烁，但1Hz是可以的。因此，我们需要一个变量，它会在每次中断时增加1。一旦达到1000——我们切换引脚状态并将变量归零。转到我们的主文件，添加变量和中断处理程序。为了知道中断处理程序的名称，我参考了startup_sam3xa.c文件。

#include "sam.h"

uint32_t SysTickCounter;

void SysTick_Handler(void)
{    
    uint32_t Pin_LEDRX;
    uint32_t Pin_LEDTX;
    
    SysTickCounter ++;
    if(1000 == SysTickCounter)
    {
        SysTickCounter = 0;
        
        Pin_LEDRX = 1 << (PIO_PC30_IDX & 0x1Fu);
        Pin_LEDTX = 1 << (PIO_PA21_IDX & 0x1Fu);
        if(PIOC->PIO_PDSR & Pin_LEDRX)
        {
            PIOC->PIO_CODR = Pin_LEDRX;    //Lights on                                
            PIOA->PIO_CODR = Pin_LEDTX;
        }
        else
        {
            PIOC->PIO_SODR = Pin_LEDRX;    //Lights off                                
            PIOA->PIO_SODR = Pin_LEDTX;
        }
    }
}

int main(void)
{
    SystemInit();
    while(1);
}

编译它，然后上传到Arduino Due。

它应该看起来像这样：http://youtu.be/pRXwDmMAFhE

结论

在这篇文章中，我展示了一些在Arduino框架之外使用Arduino Due进行实验的基础知识。在下一篇文章中，我将展示如何初始化UART以及如何将一些消息打印回你的电脑。我将创建各种打印函数，用于字符串、十六进制、二进制和十进制格式的数字。我还将初始化TFT显示器，并展示如何在上面显示内容。

源代码在此处。

第二部分在此处。

更新 2015-06-06：重新上传了UVC 1.0和UVC 1.0未压缩格式规范（zip格式，因为不允许pdf），更新了USB 2.0和SAM3X8E规范的链接，因为它们已移动到其他位置。对SAM3X8E规范的引用页码反映了其新版本。

更新 2015-07-10：重新上传了不包含Debug文件夹的源代码。

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