（信号与信息处理专业论文）基于arm的图像采集与蓝牙传输的设计与实现.pdf

摘要 随着计算机和互联网技术的不断发展，嵌入式技术近些年来得到了快速的 发展，其应用领域非常广泛。同时，图像信息以其直观性、准确性、高效性、 广泛性等特点在视频监控、视频会议、远程医疗诊断等领域得到了广泛应用。 而作为一项新兴的短程无线通信技术，蓝牙具有组网灵活、低成本、低功耗、 较高的传输速率和较强的抗干扰能力等特点。将嵌入式技术与蓝牙技术结合起 来，实现图像的采集与传输功能，已经成为当前的研究热点。 本文首先提出了图像采集和传输系统的总体设计方案，对系统整体硬件平 台进行分析，并对硬件系统中的电路结构进行了设计。硬件部分主要包括主控 芯片$ 3 c 2 4 4 0c p u 、f l a s h 和s d r a m 存储器接口电路、u s b 接口电路、以太 网接口电路、r s 2 3 2 串行接口电路、j t a g 接口电路以及电源电路。 其次，本文研究了嵌入式l i n u x 移植的关键技术，包括交叉编译环境的建 立、b o o t l o a d e r 的移植、l i n u x 内核移植以及文件系统的加载，并通过裁剪l i n u x 内核将标准的l i n u x 2 6 3 2 移植到本硬件平台上。 再者，本文修改并移植了u s b 摄像头的驱动程序。分析比较了r e a d 和m m a p 两种图像采集方式，并最终确定使用内存映射方式实现图像的快速采集。研究 基于v i d e 0 4 l i n u x 技术的图像采集的数据结构，详细地阐述了图像采集实现的 过程和关键步骤，利用v i d e 0 4 l i n u xa p i 函数完成图像采集程序的设计，并对图 像数据进行了j p e g 压缩，提高了图像采集的效率。 最后，实现蓝牙协议栈的移植，并在l i n u x 内核中完成相应的配置。对移 植好的蓝牙工具模块进行测试，主要工具有：h c i c o n f i g 、h c i d 、h c i t o o l 、1 2 p i n g 、 s d p t o o l 和r f c o m m 。研究了o b e x 对象交换协议，分析其在蓝牙协议中的层次 结构，并利用其中的p u t 和g e t 命令来实现文件的传输功能。编写基于o b e x 协议的蓝牙传输程序，并通过编辑好的q t o p i a 蓝牙界面来实现图像的传输功能， 并对蓝牙的传输速率进行测试。 本文设计的图像采集传输系统具有高性能、低成本、。小体积等特点，采用 开源的l i n u x 作为软件平台，保证了系统的稳定性、安全性，具有较高的性价 比和较强的适用性：将蓝牙技术应用到图像数据通信系统中，可以很方便地实 现设备之间高速的无线连接和文件传输。 关键词：嵌入式技术；图像采集；v 4 l 规范；蓝牙技术；o b e x 协议 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ec o m p u t e ra n dt h ei n t e r a c tt e c h n o l o g yu n c e a s i n gd e v e l o p m e n t ， t h ee m b e d d e dt e c h n o l o g yh a sb e e nr a p i dd e v e l o p m e n ti nr e c e n ty e a r s ，i t sa p p l i c a t i o n f i e l di s v e r ye x t e n s i v e a tt h es a m et i m e ，i m a g ei n f o r m a t i o nw i t hi t si n t u i t i v e 。 a c c u r a c y , h i g he f f i c i e n c ya n dw i d er a n g eo ff e a t u r e sh a sb e e nw i d e l ya p p l i e di ns u c h a sv i d e os u r v e i l l a n c e ，v i d e o c o n f e r e n c i n g ，d i s t a n c em e d i c a ld i a g n o s i sa n do t h e r f i e l d s a san e ws h o r t - r a n g ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , b l u e t o o t hh a s f l e x i b l en e t w o r k i n g ，l o wc o s t ，l o wp o w e r c o n s u m p t i o n , h i g ht r a n s m i s s i o nr a t ea n d s t r o n ga n t i - j a m m i n ga b i l i t ya n do t h e rc h a r a c t e r i s t i c s c o m b i n e dt h ee m b e d d e d t e c h n o l o g yw i t ht h eb l u e t o o t ht e c h n o l o g y , t h er e a l i z a t i o no fi m a g ea c q u i s i t i o na n d t r a n s m i s s i o nf u n c t i o nh a sb e c o m ea h o t s p o to fc u r r e n t f i r s to fa l l ，t h i sa r t i c l el a i do u tt h eg e n e r a ld e s i g n sf o rt h ei m a g em o n i t o r i n g s y s t e m ，a n dp r o v i d e dad e t a i l e dd e s i g no ft h eh a r d w a r ep l a t f o r m t h eh a r d w a r e p l a t f o r mc o n s i s t so f ：t h em a s t e rc h i p s $ 3 c 2 4 4 0c p u 、f l a s ha n ds d r a mm e m o r y i n t e r f a c ec i r c u i t 、u s bi n t e r f a c ec i r c u i t 、i n t e r f a c ec i r c u i t 、r s 2 3 2i n t e r f a c ec i r c u i t 、 j t a gi n t e r f a c ec i r c u i ta n dp o w e rs u p p l yc i r c u i t s e c o n d l y t h i sp a p e rh a sl e a r n e dt h ep r i m a r ys k i l l so fe m b e d d e dl i n u x m i g r a t i o n , i n c l u d i n gt h ee s t a b l i s h m e n to ft h ec r o s sc o m p i l i n ge n v i r o n m e n t , t h e t r a n s p l a n to fb o o t l o a d e ra n dl i n u xk e r n e la n df i l es y s t e ml o a d i n g ，a n di th a s m i g r a t e ds t a n d a r dl i n u x 2 6 3 2t ot h et a r g e tp l a t f o r mt h r o u g hac u t t i n go ft h el i n u x k e r n e l t h i r d l y , t h i sp a p e rh a sm o d i f i e da n dm i g r a t e dt h eu s bc a m e r ad r i v e r , a n d a n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no ft h er e a da n dm m a pi m a g ea c q u i s i t i o nm e a n s ，a n d u l t i m a t e l yd e t e r m i n et h eu s eo ft h em e m o r ym a p p i n gm e t h o dt oa c h i e v ei m a g e 、 a c q u i s i t i o n i t h a sr e s e a r c h e dt h ed a t as t r u c t u r eb a s e do nt h e v i d e 0 4 l i n u x t e c h n o l o g yi m a g ec o l l e c t i o n ，e l a b o r a t e do nt h ei m a g ec o l l e c t i o np r o c e s sa n dt h e e s s e n t i a ls t e p si ng r e a td e t a i l ，c o m p l e t e dt h ei m a g ec o l l e c t i o np r o c e d u r ed e s i g n u s i n g t h ev i d e 0 4 l i n u xa p i f u n c t i o n ，c a r d e do nt h ej p e gc o m p r e s s i o nt ot h ei m a g ed a t a a n d e n h a n c et h ep i c t u r eg a t h e r i n ge f f i c i e n c y a n df i n a l l y , i th a sm i g r a t e do ft h eb l u e t o o t hp r o t o c o ls t a c k ，a n dc o m p l e t e dt h e u c o r r e s p o n d i n gc o n f i g u r a t i o ni nt h el i n u xk e r n e l a n dt e s t i n gt h et r a n s p l a n t a t i o no f t h eb l u e t o o t hm o d u l e ，t h em a i nt o o l si n c l u d i n g ：h c i c o n f i g ，h c i d ，h c i t o o l ，1 2 p i n g ， s d p t o o la n dr f c o m m r e s e a r c ho nt h eo b e xo b j e c te x c h a n g ep r o t o c o la n da n a l y s i s i t sh i e r a r c h i c a ls t r u c t u r eo ft h eb l u e t o o t hp r o t o c o l ，a c h i e v ef i l et r a n s f e rf u n c t i o nb y u s i n go ft h ep u ta n dg e tc o m m a n d s p r e p a r a t i o no fb l u e t o o t h t r a n s m i s s i o n p r o g r a mb a s e do no b e xp r o t o c o l ，a n dr e a l i z et h ei m a g et r a n s m i s s i o nf u n c t i o n t h r o u g ht h ee d i t e dq t o p i ab l u e t o o t hi n t e r f a c e ，a n dt e s tt h eb l u e t o o t ht r a n s m i s s i o n r a t e i nt h i sp a p e r , t h ei m a g ea c q u i s i t i o na n dt r a n s m i s s i o ns y s t e mh a sb e e nd e s i g n e d 谢t l lah i g hp e r f o r m a n c e ，l o wc o s ta n ds m a l ls i z ea sw e l la so t h e rc h a r a c t e r i s t i c s t h r o u g ht h eu s eo fo p e ns o u r c el i n u xa sas o f t w a r ep l a t f o r m ，i th a se n s u r e dt h e s y s t e ms t a b i l i t y , s e c u r i t y , a n dh i g ha p p l i c a b i l i t yo ft h es y s t e mw h i c hp r o v i d i n ga c o s t e f f e c t i v ea n da s t r o n ga d a p t i n gs u r v e i l l a n c es y s t e m ；a n di nt h ei m a g ed a t a c o m m u n i c a t i o ns y s t e m b yu s i n go fb l u e t o o t ht e c h n o l o g y , i tc a nb ev e r yc o n v e n i e n t t oa c h i e v eh i g hs p e e dw i r e l e s sc o n n e c t i o na n df i l et r a n s f e rb e t w e e nd e v i c e s k e yw o r d s ：e m b e d d e dt e c h n o l o g y ；i m a g ea c q u i s i t i o n ；t h es p e c i f i c a t i o no f v 4 l ；b l u e t o o t ht e c h n o l o g y ；o b e xp r o t o c o l 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及意义 在信息时代的今天，随着嵌入式和多媒体技术的发展，对信息的需求呈不 断增加的趋势。为获得更舒适的生活品质，图像数据通信成为人们获取信息的 一种重要方式【l 】。在国民经济快速发展，人民生活质量普遍提高的背景下，图像 数据通信已经越来越广泛的出现在手机、政府部门、学校、交通部门等各种场 合，图像数据通信应用也呈现出多样化的发展趋势，并具有越来越多的数字化、 网络化和实时性等特性1 2 j 。 在众多通信方式中，无线通信由于其在通信领域中的优点渐渐受到人们的 青睐。现在常用的有远程和短程无线通信两种方式1 3 】，在应用中根据实际传输距 离来进行选择。远程通信是通过g s m 网络和g p r s 业务两种方式来实现，现在 比较常用的短程无线通信方式有无线局域网、蓝牙、红外和射频四种1 4 1 。 作为一项新兴的短程无线通信技术，蓝牙具有组网灵活、低成本、低功耗、 较高的传输速率、较强的抗干扰能力等特点1 5 1 。在通信过程中，蓝牙设备间传输 数据没有任何方向性，并且不受障碍物的影响，因此对安装位置没有限制【6 】。蓝 牙具有自已的版本规范，在协议层和物理层结构方面有较健全的安全机制，因 而进行数据传输的设备间兼容性好，数据传输安全可靠1 7 1 。由于蓝牙设备的成本 比较低，相比无线局域网，其价格优势明显。蓝牙设备间可以实现一对一或者 一对多的通信网络来进行数据传输【引。蓝牙的缺点是传输距离有限，一般传输距 离为l o r e ，但是这个缺点可以通过增加前端的功率来弥补，当增加的功率得高l 级后，蓝牙的传输距离就会增加到1 0 0 m 1 9 1 。综合上述分析，将蓝牙通信技术应 用到图像数据通信系统中，可以很方便地在设备之间实现高速的无线连接，是 短距离数据通信的理想方案之一【l o j 。 1 2 国内外发展现状 目前国内外对图像采集系统的研究主要着重于基于p c 机的图像采集，利用 p c 机上通用的接口和强大的处理能力，来实现图像的采集，各种基于p c 机的 武汉理工大学硕士学位论文 图像采集卡及相关软件层出不穷【l l 】。可以肯定的是，基于p c 机的图像采集系统 功能强大，软件丰富，具有成熟的技术及产品，有很大的应用范围。然而，这 样的采集系统也有局限性，主要就是携带性差，很多特殊场合下采集不方便。 成本高，而且采集起来占用资源也很多，造成很大浪费。 近年来，微电子技术的不断得到创新和发展，大规模集成电路的集成度和 工艺水平也持续提高【1 2 】；同时高性能的e d a ( e l e e t r o n i ed e s i g na u t o m a t i o n ) 综合 开发工具得到了长足发展；而软件技术的进步，特别是嵌入式实时操作系统 e o s ( e m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e m ) 的推出，更为开发复杂嵌入式系统应用软件提 供了底层支持和高效率开发平台【1 3 】。因此，在应用需求的牵引和i t 技术的推动 下，嵌入式系统的开发在图像采集处理领域的应用也日益增多1 1 4 】。 在9 0 年代末期，当人们首次提出蓝牙概念以来，其技术就得到迅速的发展。 在短距离无线通信领域，蓝牙作为一种新兴的技术，在研究机构、工业界和生 产厂家等领域受到越来越多的关注，全世界有2 0 0 0 多家制造商引用了蓝牙技术， 并成为了蓝牙的s i g 会员1 1 5 】。 在1 9 9 7 年7 月，作为无线通信领域的新兴技术，蓝牙正式发行了其1 0 版 本规范，并接着发行了1 0 b 版本，此时的蓝牙主要应用在点对点通信方面，例 如计算机和手机、计算机和外围设备间的通信。此规范定义了蓝牙的基本功能。 使用此版本规范的蓝牙设备的数据交换速率，在对称时达到4 3 3 9 k b s ，而在非 对称方面则达到7 2 3 2 k b s ，其发射距离一般为1 0 m ，并使用跳频技术来减少外 在的干扰和降低信号的衰落i l 州。2 0 0 3 年3 月，蓝牙发行了1 1 版本规范，将原 先的点对点技术，扩展为点对多点的技术，并解决了上一版本中不同厂商设备 间有些频段不兼容的缺科1 。丌。2 0 0 5 年1 1 月，蓝牙s i g 发行了1 2 版本规范，它 在高速识别和减少无线网干扰功能方面都得到了增强，并与1 1 版本规范完全兼 容1 1 8 l 。2 0 0 8 年1 1 月，蓝牙2 o 标准( 2 0 + e d r ) 正式推出。在新的蓝牙规范标 准中，蓝牙的传输速率提高到以前的3 倍，并扩展了带宽，在装置配对流程方 面更加人性化，降低系统的功耗，而且还与以前的蓝牙旧规范兼容【1 9 1 。 从专业领域看，蓝牙是一项无线接入技术；从技术领域看，蓝牙是一种创 新技术：从产业领域看，蓝牙是- f l 技术驱动的新产业【2 m 。从1 9 9 8 年起，蓝牙 技术就得到迅速的发展，虽然目前世界范围内蓝牙商品化程度没有达到早期的 预想，但经过不断的努力创新，已然处于迅猛发展的阶段1 2 1 1 。现在越来越多的 中高档产品中都使用了蓝牙技术，例如手机、p d a 、p c 、导航仪器等，并从传 统的信息设备领域，延伸到汽车领域、工业控制领域、医疗设备等新的领域【2 2 1 。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 论文组织结构 本论文共分为六章： 第l 章是绪论，论述了本设计的研究背景和意义，并分析总结了蓝牙和嵌 入式技术的国内外发展现状。 第2 章是系统总体方案设计，分析和研究系统的总体结构，论述了系统中 使用的关键技术，以及对摄像头和蓝牙进行选型，并阐述了q t o p i a 的基本原理。 第3 章是嵌入式系统工作平台的设计，分析底板和核心板的结构，并对其 中的电路进行设计；研究嵌入式软件系统，并完成b o o t l o a d e r 、l i n u x 内核、根 文件系统的移植。 第4 章是u s b 摄像头驱动的设计与实现，研究了u s b 驱动的底层结构，分 析和研究了两种图像读取方式，编写基于v 4 l 的图像采集程序。 第5 章是无线蓝牙传输的设计与实现，编译蓝牙协议栈和相关工具集，编 写基于o b e x 协议的传输程序，实现文件的传输功能，并对蓝牙的传输速率进 行测定。 第6 章是总结与展望。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章系统总体方案及关键技术 本论文主要研究在硬件平台上采集图像数据，对图像数据进行相应的处理， 通过无线蓝牙模块进行传送，并由手机来完成接收。在本系统中，图像的大小 和质量是本设计中至关重要的环节，也是后续工作能否更好完成的保障。 2 1 系统总体方案设计 在选择图像采集处理系统方案时，主要考虑功能的实现、性能价格比、可 延展性等方面。在嵌入式系统下，图像采集处理系统可通过a r m 或d s p 芯片 来实现【2 3 1 。在本论文中，研究和设计了以下两种方案，具体方案如下所示。 方案一、在选择d s p 作为c p u 主芯片，并使用u s b 或c m o s 摄像头完成 图像采集，利用d s p 处理器对图像算法的处理能力，完成图像的压缩编码，具 有很高的效率，还可以对算法进行优化。但是，使用d s p 时由于没有操作系统， 在软硬件上扩展上比较麻烦，开发成本也比较高。其原理图如图2 1 所示。 图2 1 方案一原理图 方案二、在a r m 平台上结合u s b 或c m o s 摄像头构成硬件平台，对采集 的图像信号进行处理。在该系统中，可以通过应用需求来对嵌入式系统进行相 应的裁剪，并可扩展系统功能。该系统具有结构简单、扩展灵活、性价比高、 4 武汉理工大学硕士学位论文 功能强大等特点。其原理图如图2 - 2 所示。 图2 2 方案二原理图 通过比较上述两个方案，结合在成本、功耗、软硬件可裁剪等方面的要求， 最终确定本设计中的系统平台为方案二。在本设计中，主要的功能模块有：嵌 入式系统模块、图像采集模块、蓝牙传输模块。系统的总体结构框图如图2 3 所 示。 图2 3 系统总体结构框图 武汉理t 大学硕士学位论文 2 2 摄像头选型 目前市面上常见的有c m o s 摄像头和c c d 摄像头。由于c c d 采用电荷耦 合技术，在质量上比采用光电传感器的c m o s 要好，但在成本上却比后者高出 不少。随着c m o s 技术的不断成长，通过降低c m o s 前端电路中的噪声干扰， 其图像质量得到了增强。对于c m o s 摄像头，其成像技术的像素单元集成在晶 体管上，使得其在功耗和体积因素方面都得到了优化，并向智能小型化方向发 展【2 7 1 。 在本设计中，u s b 接口使用的是u s b l 1 协议，支持1 5 m b i t s 低速传输和 1 2 m b i t s 全速传输1 2 引。在此条件下，使用u s b 接口的摄像头具有更高的性价比。 目前常用的是中星微的摄像头，本设计中选用的是z c 3 0 1 p 摄像头，采集速度达 到3 0 帧每秒，基本满足对图像采集的要求。 2 3 蓝牙无线模块选型 本传输系统使用的蓝牙适配器芯片采用的是c s r ( c a m b r i d g es i l i c o nr a d i o ) 公司设计的单芯片模块，采用的是0 1 9 u m 的c m o s 工艺，功耗低，支持全速， 可外接高达8 m b i t 的f l a s hm e m o r y 2 9 】。该模块主要由射频接收器、射频发射器、 射频合成器、物理层d s p 硬件引擎、触发状态控制器、微处理器、内存管理单 元等部分组成。同时，该芯片还具有如下特性：遵从蓝牙2 o 规范，射频输出为 c l a s s 2 级( c l a s s 2 级功率的蓝牙设备发射功率为2 5 m w ( 约4 d b m ) ) ，通过蓝牙 2 o 认证以及f c c & e t s t i 认证，支持u s b 接口、u a r t 接口以及p c m 语音接 口，支持点对多点操作。 2 4 系统关键技术 2 4 1 嵌入式技术 在本系统中，使用的a r m 处理器是三星公司的a r m 9 $ 3 c 2 4 4 0 a 芯片，它 是1 6 3 2 位r i s c 微处理器，为手持设备和一般类型应用提供了低价格、低功耗、 高性能小型微控制器的解决方案。$ 3 c 2 4 4 0 a 内部采用了a r m 9 2 0 t 的内核以及 6 武汉理工大学硕士学位论文 o 1 3 u r n 的c m o s 标准宏单元和存储器单元【2 4 1 。 a r m 9 2 0 t 实现了m m u ，a m b ab u s 和h a r v a r d 高速缓冲体系结构。这一 结构具有独立的1 6 k b 指令c a c h e 和1 6 k b 数据c a c h e 。每个都是由具有8 字 长的行组成。通过提供一套完整的通用系统外设，$ 3 c 2 4 4 0 a 减少了整体系统成 本和无需配置额外的组件【2 5 1 。 其片上集成的功能主要包括以下几个方面1 2 6 l ： ( 1 ) a r m 核电压1 8 v ，存储器电压3 3 v ，外部i o 电压3 3 v ，具有1 6 k b 指令缓存、1 6 k b 数据缓存和m m u 的微处理器； ( 2 ) 外部存储控制器( s d 删控制和片选逻辑) ； ( 3 ) l c d 控制器( 支持4 k 色的s t n 和2 5 6 k 色的t f t ) ，1 通道的l c d 专用d m a ： ( 4 ) 具有外部请求引脚的4 通道d m a ； ( 5 ) 3 通道u a r t ( i r d a l 0 ，1 6 b y t et xf i f o 和1 6 b y t er xf i f o ) ，2 通 道s p i ： ( 6 ) l 通道i i c 总线控制器和l 通道i i s 总线控制器； ( 7 ) 1 0 版本的s d 主机接口和兼容的2 1 l 版本的m u l t i m e d i a 卡协议； ( 8 ) 2 个u s b 主机和1 个u s b 设备( u s b i 1 ) ： ( 9 ) 4 通道p w m 计时器和l 通道内部计时器； ( 1 0 ) 1 1 7 个通用的口和2 4 通道外部中断源： ( 1 1 ) 8 通道1 0 位a d c 和触摸屏接口。 2 4 2 蓝牙技术 蓝牙系统工作在i s m 频段，其主频为2 4 5 g h z ，支持点对点和一点对多点 的通信。一般情况下，其传输距离可达1 0 米，通过提高其发射功率，可使其传 输距离增加至1 0 0 米。在调制方式上，蓝牙采用g f s k 调制模式，在该模式下， 其信号抗衰落方面表现良好，同频干扰方面也显著下降，保证了信号的可靠传 输i 引。 在蓝牙体系中，蓝牙协议由以下四层协议组成【l o j ： 第一层是核心协议，有l m p 、s d p 、l 2 c a p 、b a s e b a n d ： 第二层是电缆替代协议，有r f c o m m i 第三层是传送控制协议，有t c s b i n a r y 、a t 命令集； 7 武汉理工大学硕士学位论文 第四层是选用协议，有t c p i p u d p 、w a p 、o b e x 、v c a r d 、w a e 、v c a l 、 p p p ： 其中，核心协议是最重要的，它是蓝牙的专有协议。而传送控制协议、电 缆替代协议和选用协议是在基于核心协议上，面向上层应用的协议模块。在蓝 牙体系结构中，各个协议的具体作用如下： ( 1 ) l m p ( 链接管理协议) ，负责在蓝牙设备间建立连接。 ( 2 ) s d p ( 服务查询协议) ，用于查询设备和服务相关的信息，以保证蓝牙 设备间正确有效的连接。 ( 3 ) l 2 c a p ( l o g i c a ll i n kc o n t r o l a n d a d a p t a t i o np r o t o c 0 1 ) ，利用分段重组 操作和多路复用技术，向上层提供稳定的数据服务。 ( 4 ) b a s e b a n d ( 基带协议) 是保证在微微网中，各蓝牙设备间由射频系统 构成的物理链接组成。 ( 5 ) r f c o m m ( 替代协议) ，类似r s 2 3 2 串口，为上层模式中基于串行传 送机制协议( 如p p p ) 提供相关的服务。 ( 6 ) p p p ( 点对点协议) ，在r f c o m m 协议的上层，主要完成数据间点对 点的连接。 蓝牙的技术指标，如表2 1 所示。 表2 1 蓝牙相关技术指标 技术指标系统参数 ：l 作频段 l s m 频段，2 4 0 2 2 4 8 0 g h z 业务类型支持电路交换和分组交换业务 双：i ：方式 全双f ，t d d 时分双【 数据速率 1 m b s 非同步信道速率非对称连接7 2 1 5 7 6 k b s ，对称连接4 3 2 6 k b s 同步信道速率 6 4 k b s 跳频频率个数7 9 个频点m h z 发射距离一般可达l o 米，最高可达1 0 0 米 8 武汉理工大学硕士学位论文 2 5g u i 图形界面简介 由于嵌入式产品工作稳定性好、环境适应能力强、设备独立性好等优点， 已经被广泛应用在各种工控领域，为了使用户更加方便地操作嵌入式产品，往 往在操作系统中移植比较人性化的图形用户界面( g u i ) ，如p d a 、移动终端设备 及各种控制系统的菜单界面或软件操作界面等，不仅极大地方便了特定的专业 用户使用，即使是非专业的用户，也可轻松自如地使用该类产品。嵌入式系统 的图形用户界面( g u i ) 一般要求具有高性能、高可靠性、界面友好等特点，再加 上嵌入式系统对实时性、可移植性、可定制性和系统资源消耗等的要求比较高， 所以g u i 的开发也必须具备这些特点。因此，选择合适的g u i 平台至关重要。 t r o l l t e c h 公司开发的q t ，是一个跨平台的c + + 图形用户界面应用程序框架。 它功能强大，应用程序开发者可以在此平台上设计出各种人性化的图形用户界 面。q t 的特点是良好的跨平台特性、完全面向对象、扩展性能强、用户a p i 丰 富、并拥有大量的开发文档，允许真正地组件编程【3 0 】。q t e m b c d d e d 是面向嵌 入式系统的q t 版本，可以运行在支持l i n u x 操作系统的各种处理器上，包括i n t d x 8 6 、m i p s 、a r m 和p o w e r p c 等。 q t o p i a 以q t e 库为基础，是一套开放源码的应用程序包和开发库。q t o p i a 的出现，为支持嵌入式l i n u x 系统的移动终端设备和手持设备设计开发出人性化 的图形用户界面提供了良好的解决方案，具有广阔的发展前景。 2 6 本章小结 本章首先对两种平台方案进行比较，并选择方案二作为本课题的开发平台。 接着介绍了$ 3 c 2 4 4 0 芯片和系统中的关键技术，并对摄像头和蓝牙模块进行选 型，最后介绍了g u i 图形界面。 9 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章嵌入式系统工作平台的设计 31 系统硬件平台的设计 本设计是在嵌入式a r m 平台上并结合嵌入式操作系统，利用外接的u s b 摄像头和蓝牙适配器来完成图像的采集与传输功能。嵌入式平台是由核心板和 外围电路板构成。 ( 1 ) 核心板是a r m 平台的核心，是一个最小片上系统，由c p u 、s d r a m 存储系统、n a n df l a s h 、n o rf l a s h 、j t a g 接口、系统电源电路、系统时钟电路、 复位电路等基本部分构成，其结构图如图3 1 所示。 图3 1 核心板结构图 ( 2 ) 外围电路板是实现具体功能的硬件模块和外围接口，主要有r s 2 3 2 串口模块、d m 9 0 0 0 以太网模块、1 个u s bh o s t 控制器、l c d 模块等，其结构 如图3 2 所示。 图3 - 2 外围电路结构图 l o 武汉理工大学硕士学位论文 以上我们分析完嵌入式a r m 平台的整体电路设计方案，接着就需实现各个 模块电路的设计，下面主要实现其中比较核心的电路的设计，依次如下所示。 3 1 1s d r a m 存储系统 s d r a m 是同步动态随机存储器，支持内部自动刷新，内部r a m 和c p u 在一个同步时钟下共享时钟周期，以相同的速度同步工作，在访问时不需要等 待，因此提高了速度。 本设计中使用两片h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 ( 3 2 m ) 芯片，总共6 4 mb y t e s 作为s d r a m 存储系统。在原理图上，可以看到其外接3 2 b i t 的数据总线，以增加访问的速度。 通过n g c s 6 作为片选信号来选择s d r a m ，它们的物理地址从 0 x 3 0 0 0 0 0 0 0 - q ) x 3 3 f f f f f f t 孔】，如图3 3 所示。 3 1 2f l a s h 存储系统 图3 - 3s d r a m 电路 f l a s h 存储器通常用来保存b o o t l o a d e r 启动代码和l i n u x 操作系统代码，其 稳定性直接决定系统是否可以正常工作。本设计中，使用两种f l a s h ，一种是n o r f l a s h ，型号为s s t 3 9 v f l 6 0 1 ，大小为2 mb y t e ，存放不常改动的启动程序；另 武汉理工大学硕士学位论文 一种是n a n df l a s h ，类型为k 9 f 2 g 0 8 ，大小为2 5 6 m 。 n o rf l a s h 地址线从a d d r l a d d r 2 2 ，数据线d a t a o d a t a l5 ，并与c p u 连接，并可根据需求来进行扩展n o rf l a s h 。 n a n df l a s h 通过串行来存取数据，其中的有8 个复用的i 0 端曰。由于a r m 系统没有c l e 、a l e 信号，因而利用g p i o 口来完成，具体连接电路如图3 - 4 所示。 3 1 3r s 2 3 2 串口电路 图3 4f l a s h 存储系统 r s 2 3 2 接口是运用在低速串行通信中的标准，a r m 开发中需要串口来进行 调试，来输出相关信息。本系统中采用d b 9 接口，只需要r x d 、t x d 、g n d 就可以实现基本通信功能。由于1 v r l 电路电平与r s 2 3 2 中不同，两者需要转换 芯片来实现逻辑电平“l ”和“0 ”的匹配。其电路如图3 5 所示。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 3 1 4j t a g 接口电路 图3 5r s 2 3 2 电路 j t a g 接口是为嵌入式系统烧写b o o t l o a d e r 程序，通过b o o t l o a d e r 可以加载 其他的程序。标准的j t a g 接口由t m s 、t c k 、t d i 、t d o 组成，如图3 - 6 所示。 图3 - 6j t a g 接口电路 3 1 5u s b 接口电路 在本程序开发中，使用了两种u s b 接口。一种是u s bh o s t ，用于外接u s b 摄像头和u s b 蓝牙适配器，可以通过一个u s bh u b 芯片进行扩展；另一种是 u s bs l a v e 接口，主要用它下载程序到目标板。$ 3 c 2 4 4 0 支持u s b l 1 协议，最 高可达到1 2 m b p s 的速率，其电路图如图3 - 7 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 3 1 6 以太网接口电路 图3 7u s b 电路 $ 3 c 2 4 4 0 芯片通过外接d m 9 0 0 0 来实现网络接口，并通过r j 4 5 连接外网。 将d m 9 0 0 0 与c p u 的总线连接，并采用与存储器统一的编址方式。其连接图如 3 8 所示。 a d d r 2c m d t x o + d a t a 1 5 ：o 】牟令 u - s d 1 5 ：o l t x o - 缓冲器 - i i l 0 r n o e一一一 n l o w r x i + 一 n w e 一 咒粗- a e n n g c s 4 一一 u n ka c t n w a l t i o w a i t l i n ko w a c k u p e 仆兀7 ，g p f 7 一i n t s p e e d 图3 8d m 9 0 0 0 连线图 从图中可以看出，d m 9 0 0 0 的起始地址为0 x 2 0 0 00 0 0 0 ，数据、地址线复用， 通过c m d 引脚来决定传递的数据类型，当c m d 为低时，传送的是地址信号。 中断通过e i n t 7 来实现。 3 1 7l c d 接口电路 在$ 3 c 2 4 4 0 中有l c d 控制引脚，可以通过d e v t t y * 来进行显示，也可以通 过d e v f b * 在显存中显示。本设计采用3 5 寸t f t 屏，l c d 中重要的信号线有： v d 2 4 0 】( r 、g 、b 分量) 、v c l k ( 像素时钟信号) 、v l i n e ( 同步脉冲信号) 、 v f r a m e ( 帧同频信号) 。 在本设计中，使用的是4 线制电阻式触摸屏，并结合数模转换实现。其连 1 4 武汉理i ：人! 学硕士学位论文 线图如图3 - 9 所示。 图3 - 9l c d 接口连接图 基于以上硬件电路设计的开发平台如图3 1 0 所示。 图3 1 0 硬件开发平台 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 系统软件平台的设计 目前，市面上的嵌入式操作系统有2 0 0 多种，虽然它们形式多种多样，但 都具有操作系统的基本特性，有如下的特点【3 2 】： ( 1 ) 可裁剪性； ( 2 ) 提供统一的设备驱动接口： ( 3 ) 友好的操作界面； ( 4 ) 网络功能强大，支持t c p i p 协议； ( 5 ) 稳定性好、良好的移植性。 目前使用比较多的嵌入式操作系统有：u c l i u x 系统、s y m b i a n 系统、v x w o r k s 系统、w i n d o w sc e 系统、嵌入式l i n u x 系统等。其中u c l i n u x 主要针对没有内 存管理单元的嵌入式平台；而s y m b i a n 系统多使用在移动设备上：v x w o r k s 应用 在对实时性要求高的领域：w i n d o w sc e 是一款界面友好、对多线程和多进程支 持良好的系统：嵌入式l i n u x 是一款具有可移植性、开放源代码、安全性好、实 时性能稳定的系统 3 3 】。 3 2 1 嵌入式操作系统的选择 我们在从事嵌入式设计时，需要一款适合设计要求的操作系统。可以通过 以下的原则来进行嵌入系统的选择【3 4 】： ( 1 ) 系统定制能力 系统定制能力是衡量一个嵌入式系统是否符合设计需求的重要指标。当我 们需要系统完成某方面或几个方面的功能时，可以针对该系统来定制实现所需 功能的模块，而不需要完全移植该系统。因而可以简化开发流程，提高效率【2 3 1 。 ( 2 ) 可移植性 它是嵌入式软件开发的基础。良好的软件移植性使得所开发的软件能够在 不同的嵌入式操作系统中运行。 ( 3 ) 可利用资源 在开发设计过程中，选用一个有强大技术资源支持的操作系统，无疑会为 开发过程中遇到的各种问题带来便利，使开发周期缩短。w i n d o w sc e 和嵌入式 l i n u x 系统都具有许多可用资源。其它的系统由于代码不公开，资源少，成本较 高等缺点，在开发过程中需要额外进行开发，开发效率不高。 1 6 武汉理i ：人学硕+ 学位论文 ( 4 ) 成本 在设计过程中，成本因素是必须要考虑的。由于w i n d o w sc e 系统商业成本 太高，而嵌入式l i n u x 系统开源、免费，在成本方面具有一定的优势。 基于以上各种因素的综合考虑，我们选择嵌入式l i n u x 操作系统。 3 2 2 嵌入式l i n u x 系统的实现步骤 ( 1 ) 交叉编译环境的建立 通常情况下，软件开发平台都是基于p c 机的。因为开发都是相同的，所以 我们一般不考虑软件开发中用到的函数和头文件等一些类库。在嵌入式开发中