基于QNX的圖像采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與軟件實(shí)現(xiàn)

王昱霖 王文華

摘 要QNX系統(tǒng)是面向嵌入式應(yīng)用的高性能實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，基于QNX的圖像采集系統(tǒng)可用于對(duì)穩(wěn)定性和可靠性要求較高的工業(yè)及其他特殊環(huán)境中。本文簡(jiǎn)要分析了QNX視頻采集系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)原理，定制了用于視頻采集的QNX嵌入式系統(tǒng)，并利用C++語(yǔ)言編寫了基于工業(yè)攝像機(jī)抓取圖像的上層應(yīng)用程序，通過(guò)抓取一楨圖像的實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方法的可行性。

【關(guān)鍵詞】QNX 圖像采集 系統(tǒng)定制 驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)

1 前沿

隨著工控自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)領(lǐng)域中的大數(shù)據(jù)量視頻數(shù)據(jù)采集對(duì)實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性的要求越來(lái)越高。QNX Neutrino實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是一種功能全面、運(yùn)行穩(wěn)健的操作系統(tǒng)，其真正的微內(nèi)核設(shè)計(jì)和模塊化架構(gòu)可幫助使用者以極低的成本創(chuàng)建高度優(yōu)化和超可靠的系統(tǒng)。基于QNX操作系統(tǒng)進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)采集可有效滿足工業(yè)環(huán)境對(duì)實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性的要求。但QNX作為一款專用的嵌入式操作系統(tǒng)也存在開(kāi)發(fā)難度大，開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)等問(wèn)題，如何能夠快速開(kāi)發(fā)基于QNX的工業(yè)攝像機(jī)使用的驅(qū)動(dòng)程序模塊推廣應(yīng)用QNX系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)。

2 QNX系統(tǒng)介紹

QNX是一個(gè)分布式、微內(nèi)核、搶占式、多用戶、多任務(wù)、可嵌入式的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。被廣泛應(yīng)用到電信、航天儀器、工業(yè)自動(dòng)化等方面[1]。QNX有獨(dú)特的微內(nèi)核和進(jìn)程管理單元，以及基于消息傳遞的進(jìn)程通信機(jī)制，同時(shí)采用內(nèi)核調(diào)度的搶占式優(yōu)先級(jí)進(jìn)程管理，使得系統(tǒng)保證在任務(wù)時(shí)間內(nèi)完成對(duì)上下文的快速切換，具有極好的實(shí)時(shí)性。在QNX Neutrino 環(huán)境下，所有驅(qū)動(dòng)程序、應(yīng)用程序、協(xié)議棧和文件系統(tǒng)都在內(nèi)核以外的內(nèi)存受保護(hù)的用戶空間內(nèi)安全運(yùn)行。QNX操作系統(tǒng)符合POSIX基本標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)，使其應(yīng)用可以方便的進(jìn)行移植。QNX的微內(nèi)核僅提供進(jìn)程通信、進(jìn)程調(diào)度、中斷處理和底層網(wǎng)絡(luò)通信等4中服務(wù)。

QNX設(shè)備驅(qū)動(dòng)與其他操作系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)有所不同，其驅(qū)動(dòng)程序與內(nèi)核運(yùn)行在不同的地址空間中，即設(shè)備驅(qū)動(dòng)無(wú)需編譯到內(nèi)核中去，而是由QNX特有的資源管理器管理，資源管理器負(fù)責(zé)給不同類型的設(shè)備提供接口。同時(shí)，不同的設(shè)備驅(qū)動(dòng)還可以通過(guò)消息傳遞的方式，經(jīng)過(guò)進(jìn)程管理器，將消息傳遞給其他設(shè)備驅(qū)動(dòng)。QNX的網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)核心是Network Manager， 應(yīng)用程序調(diào)用函數(shù)庫(kù)中的函數(shù)，通過(guò)消息傳遞機(jī)制訪問(wèn)資源管理器，并通過(guò)TCP/IP協(xié)議調(diào)用資源管理器中的函數(shù)與驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行連接。網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)模塊的原理圖如圖1所示。

3 QNX系統(tǒng)定制

開(kāi)發(fā)QNX驅(qū)動(dòng)程序前首先需要定制系統(tǒng)，其過(guò)程為：構(gòu)建Buildfile->編譯Buildfile生成系統(tǒng)映像文件->啟動(dòng)目標(biāo)系統(tǒng)->嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。

其中最重要的就是構(gòu)建Buildfile。在通常的嵌入式系統(tǒng)中，都需要一個(gè)可啟動(dòng)的操作系統(tǒng)映像文件（OS Image）。構(gòu)建Buildfile的過(guò)程就是配置操作系統(tǒng)映像的過(guò)程。Buildfile由三部分組成，分別為bootstrap script（啟動(dòng)引導(dǎo)腳本）、startup script（啟動(dòng)腳本）、file list（文件列表）。

首先構(gòu)建Buildfile。bootstrap script如下所示，

[virtual=x86，bIOS+compress].bootstrap = {

Start-bIOS –Ntarget

PATH=/proc/boot：/bin：/sbin：/usr/bin：/usr/sbin：/usr/photon/bin

LD_LIBRARY_PATH=/proc/boot：/dev/shmem：/lib：/lib/dll：/usr/lib：/usr/lib/dll procnto}

其中“virtual” 表明該Buildfile將構(gòu)造一個(gè)與啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的虛擬地址空間相對(duì)應(yīng)的啟動(dòng)映象。關(guān)鍵詞“x86，bIOS” 則分別指處理器（x86）和機(jī)器類型（通過(guò)bIOS啟動(dòng)）。而“+compress”使得映象文件被壓縮，以產(chǎn)生更小的映象文件。startup-bIOS是運(yùn)行于具有BIOS的PC兼容系統(tǒng)的可執(zhí)行程序，主要負(fù)責(zé)利用BIOS檢測(cè)PC硬件資源。啟動(dòng)腳本是在系統(tǒng)啟動(dòng)后自動(dòng)執(zhí)行的一系列命令列表，可在此對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初步配置，如網(wǎng)絡(luò)配置，顯卡設(shè)置等操作。

將制作好的Buildfile導(dǎo)入到IDE中，編譯生成MyCamera.ifs文件。在開(kāi)發(fā)機(jī)上將MyCamera.ifs復(fù)制到目標(biāo)機(jī)的/net/Target/.boot中，這樣就可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)QNX系統(tǒng)，系統(tǒng)定制完成。

4 軟件實(shí)現(xiàn)

4.1 安裝API函數(shù)庫(kù)

本系統(tǒng)采用了德國(guó)basler pylon piA2400-17gc攝像頭，分辨率為2454*2056，幀速率可以達(dá)到17fps，采用千兆網(wǎng)卡接口，位深度為12bits。視頻采集卡采用intel PRO1000網(wǎng)卡。使用該攝像頭需要在目標(biāo)機(jī)上安裝API函數(shù)庫(kù)和設(shè)置環(huán)境變量，內(nèi)容如下所示：

sudo md /opt/pylon

sudo tar -C /opt/pylon -xzf pylon-bininst-32.tar.gz

export PYLON_ROOT=/opt/pylon

export GENICAM_ROOT_V2_1=${PYLON_ROOT}

export LD_LIBRARY_PATH=${PYLON_ROOT}/lib：${GENICAM_ROOT_V2_1}/bin/Linux32_i86：$LD_LIBRARY_PATH

mkdir -p $HOME/genicam_xml_cache export GENICAM_CACHE_V2_1=$HOME/genicam_xml_cac-he

4.2 軟件編寫

利用C++語(yǔ)言編寫上層應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)抓取一幀數(shù)據(jù)并從控制臺(tái)顯示幀數(shù)據(jù)信息。軟件流程圖如圖2所示。

抓取一幀數(shù)據(jù)主要程序代碼如下，

#include

#include

#include

void pressEnterToExit（）

int main（int argc， char* argv[]）

{

Pylon：：PylonAutoInitTerm autoInitTerm；

CTlFactory&TlFactory=CTlFactory：：GetInstance（）；

Camera_t：：DeviceClass（）

ITransportLayer*pTl=TlFactory.CreateTl（Camera_t：：DeviceClass（））；

Camera_t Camera（pTl->CreateDevice（devices[0]））；

Camera.Open（）；

Camera_t：：StreamGrabber_t StreamGrabber（Camera.GetStreamGrabber（0））； StreamGrabber.Open（）； Camera.PixelFormat.SetValue（PixelFormat_Mono8）；

Camera.OffsetX.SetValue（0）；

Camera.OffsetY.SetValue（0）； Camera.Width.SetValue（Camera.Width.GetMax（））； Camera.Height.SetValue（Camera.Height.GetMax（））；

Camera.AcquisitionMode.SetValue（AcquisitionMode_SingleFrame）；

Camera.ExposureMode.SetValue（ExposureMode_Timed）；

Camera.ExposureTimeRaw.SetValue（100）；

const size_t ImageSize = （size_t）（Camera.PayloadSize.GetValue（））；

uint8_t * const pBuffer = new uint8_t[ ImageSize ]； StreamGrabber.MaxBufferSize.SetValue（ImageSize）；

StreamGrabber.MaxNumBuffer.SetValue（1）；

StreamGrabber.PrepareGrab（）；

const StreamBufferHandle hBuffer =

StreamGrabber.RegisterBuffer（pBuffer， ImageSize）；

StreamGrabber.QueueBuffer（hBuffer， NULL）；

StreamGrabber.DeregisterBuffer（hBuffer）；

StreamGrabber.FinishGrab（）；

StreamGrabber.Close（）；

Camera.Close（）；

delete[] pBuffer；

pressEnterToExit（）；

return 0；

}

4.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

代碼編寫完成后，啟動(dòng)目標(biāo)機(jī)，從啟動(dòng)信息中可以看到IP信息，說(shuō)明網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)加載完成，通過(guò)QNX開(kāi)發(fā)環(huán)境IDE編譯和仿真，由圖3所示，抓取的圖像幀信息顯示在控制臺(tái)窗口中，說(shuō)明該系統(tǒng)可正常進(jìn)行圖像采集。

5 結(jié)語(yǔ)

本文簡(jiǎn)要分析了QNX視頻采集系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)原理，定制了視頻采集系統(tǒng)的QNX嵌入式系統(tǒng)，利用C++語(yǔ)言編寫了基于工業(yè)攝像機(jī)抓取圖像的上層應(yīng)用程序，通過(guò)抓取一楨圖像的實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該方法的可行性，為下一步開(kāi)發(fā)基于QNX的圖像處理算法奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]趙磊.QNX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)及其應(yīng)用分析[J].軟件導(dǎo)刊，2009（5）：22-24.

[2]QNX Software Systems Ltd.System Architecture[DB/OL].http：//www.qnx.org，2008.

[3]QNX Neutrino Real-time Operating System： Building Embedded Systems [DB/OL]，2004.

[4]王斑，苗克堅(jiān).QNX驅(qū)動(dòng)程序的編寫[J].測(cè)控技術(shù)，2006，25（6）：54-56.

[5]姜廣山，祖家奎.基于QNX的PC104總線設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊的開(kāi)發(fā)[J].測(cè)控技術(shù)，2010，23（12）：1-4.

作者簡(jiǎn)介

王昱霖（1993-），男，碩士研究生學(xué)歷。現(xiàn)在供職于山東科技大學(xué)機(jī)器人研究中心。研究方向?yàn)闄C(jī)器人學(xué)、智能控制。

作者單位

山東科技大學(xué)機(jī)器人研究中心 山東省青島市 266590