树莓派 4B 摄像头原理、驱动及 Yocto 项目集成详解
树莓派 4B 摄像头原理、驱动及 Yocto 项目集成详解
树莓派4B配备了专用的MIPI CSI-2接口，支持连接官方的Raspberry Pi Camera Module以及第三方CSI兼容摄像头模块。本文将全面介绍树莓派摄像头的工作原理、底层驱动、关键技术点，并结合Yocto项目讲解如何在自定义Linux镜像中正确集成和使用摄像头。
1. 引言
树莓派4B配备了专用的MIPI CSI-2接口，可用于连接官方的Raspberry Pi Camera Module以及第三方CSI兼容摄像头模块。本博文将全面介绍树莓派摄像头的工作原理、底层驱动、关键技术点，并结合Yocto项目讲解如何在自定义Linux镜像中正确集成和使用摄像头。
2. 树莓派4B摄像头硬件架构
树莓派4B摄像头系统主要由以下组件构成：
MIPI CSI-2接口：树莓派4B提供一个15-pin FPC连接器，用于连接官方摄像头模块。
摄像头模组：如Raspberry Pi Camera Module V1/V2/HQ，它们采用Sony IMX系列传感器。
VideoCore IV GPU：树莓派的GPU负责图像处理，加速ISP（Image Signal Processing）。
Broadcom SoC：主处理器（如BCM2711）用于调度数据和运行图像处理应用。
I²C总线：用于摄像头和主控板之间的控制通信（设置曝光、增益等）。
MIPI DSI/CSI驱动：用于数据传输，传感器通过MIPI协议传输图像数据至主处理器。
3. 树莓派4B摄像头驱动架构
树莓派摄像头的驱动主要依赖于V4L2（Video4Linux2）和libcamera生态。
3.1 树莓派摄像头驱动堆栈
树莓派使用以下驱动模块支持摄像头：
bcm2835-v4l2（传统V4L2驱动）
vc-sm-cma（用户空间驱动）
libcamera（新一代摄像头管理框架）
传统V4L2驱动（bcm2835-v4l2）
该驱动基于V4L2框架，可通过/dev/video0设备访问摄像头。
加载驱动：
sudo modprobe bcm2835-v4l2
查看设备：
ls /dev/video*
使用v4l2-ctl命令测试摄像头：
v4l2-ctl --list-formats-ext
libcamera生态
libcamera是树莓派推荐的摄像头驱动框架，提供更好的ISP支持。
安装libcamera并测试：
sudo apt install libcamera-apps
libcamera-hello
3.2 树莓派4B摄像头设备树（Device Tree）
在config.txt启用摄像头支持：
dtoverlay=vc4-kms-v3d
dtoverlay=imx219
查看设备树信息：
cat /proc/device-tree/soc/csi@7e800000/status
4. 在Yocto项目中集成树莓派摄像头
4.1 添加meta-raspberrypi层
在bblayers.conf添加：
BBLAYERS += "${TOPDIR}/../meta-raspberrypi"
4.2 配置摄像头支持
在local.conf中启用V4L2和libcamera：
IMAGE_INSTALL:append = " v4l-utils libcamera libcamera-apps"
DISTRO_FEATURES:append = " v4l2"
4.3 编译Yocto镜像
bitbake core-image-minimal
5. 在Yocto系统上测试摄像头
5.1 运行v4l2-ctl测试
v4l2-ctl --device /dev/video0 --stream-mmap --stream-count=100
5.2 运行libcamera测试
libcamera-hello
6. PACKAGECONFIG详解
PACKAGECONFIG允许灵活配置Yocto组件。例如，在v4l-utils里可以使用：
PACKAGECONFIG ??= ""
PACKAGECONFIG[qv4l2] = ",-Dqv4l2=disabled"
PACKAGECONFIG[qvidcap] = ",-Dqvidcap=disabled"
PACKAGECONFIG[v4l2-tracer] = ",-Dv4l2-tracer=disabled,json-c"
解释：
qv4l2是V4L2图形调试工具，默认被禁用。
qvidcap是视频捕获工具，默认被禁用。
v4l2-tracer是V4L2 API调试工具，默认被禁用。
如果想启用qv4l2，可以在local.conf添加：
PACKAGECONFIG:append = " qv4l2"
然后重新构建：
bitbake v4l-utils
7. 结论
本教程详细介绍了树莓派4B摄像头的硬件、驱动架构、设备树、Yocto集成方式，并提供了完整的测试流程。你可以根据实际需求，选择V4L2或libcamera方案，在Yocto项目中构建支持摄像头的Linux镜像，并高效管理摄像头应用。