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北京邮电大学硕士研究生论文 基于嵌入式的监测监控系统硬件开发与实现 摘要 随着嵌入式技术、多媒体技术以及网络技术的发展，使得监测监控系 统在监控距离的远程化、传送信息的数字化、设备的小型智能化上有了很 大的进步。同时，监控对象的复杂化也对监测监控系统提出了捕获监测信 息的多样化的要求，满足系统准确性和稳定性的要求。 本课题设计了一种基于新型d s p 的远程监控监测系统。该系统将 i n t e r n e t 技术、传统的监控技术和数字视频技术相结合，可以把用于现代 化生产设备的监测传感器、视频监控设备同时接入系统，完成数据的采集 和处理。通过自身的以太网口，还可以实现网络内的监控资源和数据的网 络共享。 论文通过对系统的需求分析，成熟的解决方案的学习对比，选用t i 公 司的t m s 3 2 0 d m 6 4 2d s p 芯片为核心完成了该监控监测系统的设计开发。针 对系统较复杂，本论文还详细介绍了如何完成系统的各个功能模块的划分； 同时就具体每个模块还描述了设计思路，并给出了具体的元器件特性以及 设计的注意事项。每个硬件模块还给出了详细的电路原理图。论文介绍了 该系统的软件开发环境的搭建和具体开发流程，并给出了视频模块、a d 采样模块、液晶显示模块的测试软件源码。 关键字：嵌入式系统远程监控1 m s 3 2 0 d m 6 4 2 以太网 北京邮电大学硕士研究生论文 d e s i g na n di m p l e m e n t 棚o no fe m b e d d e d h a r d 、7 l 猹r eo ft h em o n i t o r i n gm e a s u r es y s t e m w i t ht h e d c v e l o p m e n t 0 ft h ee m b e d d e dt c c l l i l o l o g y ，m u l t i i l l e d i a 觚d n e t 、) i ，o r kt e c l l i l o l o g y ，t h em o n i t o r i n gm e a s u r es y s t e m sh a v em a d ec o 惦i d e r a b l e p m g r e 踏i nt h el o n g e 卜r 柚g em o n i t o r i n g ，t h ed i 百t a li l l f o r m a t i o n 弧n s i i l i s s i o n a n di n t e l l i g e n ts m a l le q u i p m e n t m e 锄w h n e ，t h ec o m p l e x i 哆o fm o n i t o 血g t a i g e t so ft h em o n i t o r i n gm e 弱u r es y s t e md e c i d e st h a ti ti sr c q u i r e dm ed i v e r s i t y o fc a p t l l 血gt h em o n i t o r i n gi i l f o 咖a t i o na i l dt h ea c c l l r a c y 柚ds t a b i l i t yo ft 1 1 e s y s t e m t h i sd e s i g ni san e wr e m o t cm o n i t o r i n gm e 雒u r es y s t e mb a s e do nd s e t h i s s y s t e mi n t e g m t e s i n t e m e t t e c h n o l o g y ， t h et r a d i t i o n a l m o n i t o r i n g t e c t l n o l o g y ，姐dd i 百t a lv i d c ot e c t l l l o l o g y - i tc o n n e c t sm o n i t o fs e n s o 娼o ft h e m o d e m p r o d u c t i o nf a c i l i t i e sa n dv i d e os u r 、r e i l l 龃c ce q u i p m e n ti i l t ot h es y s t e m a tt h es a m et i m e ，t h c nc o m p l e t i n gt h ed a t ac o l l e c t i 狮dp r o c e s s i l l g i ta l s o f e a l i z m em o n i t o fr c s o u r c e s 锄dd a t a0 fm en e t 、 r o r ks h a 坨m r o u g hi t so w n e 健犯m e ta c c e s s t h en e e d so ft h es y s t e m ，s t i l d i e s 锄dc o m p a r c ss o m em a t u r es o l u t i o 鹏 a r ca n a l y z e di i lt h i sp 印e r ，t h e n1 1 s1 m s 3 2 0 d m 6 4 2d s pi sc h o s e n 弱t h ec o r c f o rt l l ec o m p l e t i o no ft h em o n i t o r i i l gm e a s l l t es y s t e md e s i g n i nv i e wo fm e c o m p l e xs y s t e m ，t h ep 印e ra l s og i v e sad e t a i l e dp r e n t a t i o no fh o w t 0c o m p l e t e t h ed e m a r c a t i o no ft h ev a r i o 憾f i l n c t i o n a lm o d u l e s ，d e s c r i b e sm ed e s i g n m e t h o d s0 fe a c hm o d u l ec o n c r e t e l y a n di n t r o d u c c sc h a r a c t e r i s t i c so fe l e n l e m s 柚dt h e i fd e s i 弘a t t e n t i o 璐i nd e t a i l 1 1 l e r ea l s oi st h ec i r c i l i td i a g r a mf o re a c h h a r d w a r em o d u l e t h i sp a p e ri n t r o d u c 龉l h es y s t e ms o f m a r e d e v e l o p m e n t e n v i n i n e n ta n dm es p e c i f i cd e v e l o p m e n tp r o o e s s e s a n di tg i v e st h ev i d e o m o d u l e ，a ds 锄p l i n gm o d u l c 柚dt h el ( = dm o d u l et e s 缸gs o f t 、) v a r e0 s s 1 【】皤w o r d s ：e m b e d d c d s y s t e m r c l n o t e c o n 细l1 m s 3 2 0 d m 6 4 2e t h 啪e t 北京邮电大学硕士研究生论文 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽 我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 塾堑蹩 日期： 垄塑? ：圣：兰 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研 究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学 校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段 保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文注释： 本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期： 圣堕丑：圣：丝 日期：徊2 ：f 北京邮电大学硕士研究生论文 第1 章绪论 1 1 课题背景和意义 在现代加工生产领域，随着机械化程度的发展和精度的要求，监测监控系统的应用 是必不可少的，大量的物理量、环境参数、工艺数据、特性参数需要进行实时检测、监 督管理和自动控制。同时无人操控的应用场合，对远程监控提出了需求。为了使监控对 象的直观化，以及图像监控技术的发展，在原有只以传感器数据为主的监控方法上，增 加了对视频监视的需求。通过监视系统直观、实时的观察到被监控对象的状态。从而进 行判断处理。这样的监控系统优势是非常明显的。当前，嵌入式技术正呈现百花齐放的 态势。嵌入式系统以其价格低廉、体积小、可在恶劣的工作环境下工作等优势而被广泛 的应用于航海、石油、军事等领域，用于数据采集、工业控制等方面。嵌入式技术和 皿e r t 技术相结合，产生了嵌入式h l t e m c t 技术，使得设备可以轻而易举的接入h l t e m e t 网络，实现设备上网。正是这种情况下，w 曲技术和多媒体技术的发展成为新一代嵌 入式实时监控系统的重要特性。 本课题提出的系统将嵌入式n 锄c t 技术、传统的监控技术和数字视频技术相结合， 直接把现代化生产设备的传感器、监控设备等连接起来，彼此之间可以实现局域网互联， 这样就形成了基本的网络信息基础结构，设备监测、维护技术进入了集成系统阶段，在 一个单位的内部基本上实现了资源和信息共享。该系统是基于嵌入式的，体积和实时性 上都有很好的保证。实现对生产、运营情况的随时掌握，实现企业的综合自动化，可以 实现网络内的监控资源和数据的网络共享。通过远程监控可以实现现场运行数据的实时 采集和快速集中，获得现场监控数据，为故障诊断技术提供了基础。 1 0 国内外研究现状 1 2 1 嵌入式系统简介 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应 用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它一般由嵌 入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成， 用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。 嵌入式系统一般指非p c 系统，它包括硬件和软件两部分。硬件包括处理器微处理 器、存储器及外设器件和i ，o 端口、图形控制器等。软件部分包括操作系统软件( o s ) ( 要求实时和多任务操作) 和应用程序编程。有时设计人员把这两种软件组合在一起 应用程序控制着系统的运作和行为；而操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作 用。 北京邮电大学硕士研究生论文 嵌入式计算机系统同通用型计算机系统相比具有以下特点： ( 1 ) 嵌入式系统通常是面向特定应用的嵌入式c p u 与通用型的最大不同就是嵌入 式c p u 大多工作在为特定用户群而设计的系统，它通常都具有低功耗、体积小、集成 度高等特点，能够把通用c p u 中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于 嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强，与网络的耦合也越来越紧密。 ( 2 ) 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体 应用相结合后的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、 不断创新的知识集成系统。 ( 3 ) 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争在 同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用中对处理器的选择更具有竞争 力 ( 4 ) 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同步 进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。 ( 5 ) 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯 片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。 ( 6 ) 嵌入式系统本身不具备自由开发能力，即使设计完成以后用户通常也是不能对 其中的程序功能进行修改的，必须有一套开发工具和环境才能进行开发【地l 。 嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器。现在几乎每个半导体制造商都 生产嵌入式处理器，越来越多的公司有自己的处理器设计部门。根据其现状，嵌入式计 算机可以分成下面几类。 嵌入式微处理器( e m b c d d c dm i c r o p r o c c s s o ru n i t ，e m p 忉 嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的c p u 。为了满足嵌入式应用的特殊要求， 嵌入式微处理器虽然在功能上和标准微处理器基本是一样的，但在工作温度、抗电磁干 扰、可靠性等方面一般都做了各种增强。和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有 体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点，但是在电路板上必须包括r o m 、r a m 、 总线接口、各种外设等器件，从而降低了系统的可靠性，技术保密性也较差。嵌入式微 处理器及其存储器、总线、外设等安装在一块电路扳上，称为单扳计算机。 嵌入式微控制器( m j c r o c 鲫打o u e ru n 讥m c 们 嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成r o m e p r o m 、 r a m 、总线、总线逻辑、定时，计数器、w j t c h d o g 、加、串行口、脉宽调制输出、a d 、 d 氩f 1 a s h 黜w 、髓p i m 等各种必要功能和外设和嵌入式微处理器相比，微控制 器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。比较有 代表性的通用系列包括8 0 5 1 、p 5 1 x a 、m c s 2 5 l 、m c s 9 6 1 9 6 2 9 6 、c 1 6 6 1 6 7 等。 嵌入式d s p 处理器( e m b c d d c dd i g i t a ls i 鲫a ip r o c c s s o r ，e d s p l 2 北京邮电大学硕士研究生论文 d s p 处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行d s p 算法，编译 效率较高，指令执行速度也较高。在数字滤波、n 叩、谱分析等方面d s p 算法正在大 量进入嵌入式领域，d s p 应用正从在通用单片机中以普通指令实现d s p 功能，过渡到 采用嵌入式d s p 处理器。 嵌入式片上系统( s y s t c mo nc h i p ) 随着e d i 的推广和v l s i 设计的普及化，及半导体工艺的迅速发展，在一个硅片上 实现一个更为复杂的系统的时代已来临，这就是s y s t e m0 nc h i p ( s o c ) 。各种通用处理 器内核将作为s o c 设计公司的标准库，和许多其它嵌入式系统外设一样，成为v l s i 设计中一种标准的器件，用标准的d l 等语言描述，存储在器件库中。这样除个别 无法集成的器件以外，整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯片中去，应用系 统电路板将变得很简洁，对于减小体积和功耗、提高可靠性非常有利。 目前流行的嵌入式操作系统可以分为两类：一类是从运行在个人电脑上的操作系统 向下移植到嵌入式系统中，形成的嵌入式操作系统，如微软公司的w i n d o w sc e 及其 新版本，s u n 公司的j a v a 操作系统，嵌入式l j n u x 等。另一类是实时操作系统，如 w i n d 砒v 盯公司的v x w b r k s ，a n 的n u d e 惦。这类产品在操作系统的结构和实现上都 针对所面向的应用领域，对实时性高可靠性等进行了精巧的设计，而且提供了独立而完 备的系统开发和测试工具，较多地应用在军用产品和工业控制等领域中。 1 2 2 监控系统实现功能 监控系统主要实现的功能有： 采集与处理功能：主要是对生产过程的各种模拟或数字量进行检测、采样和必 要的预处理，并且以一定的形式输出，如打印报表、显示屏和电视等，为生产 人员提供详实的数据，帮助他们进行分析，以便了解生产情况； 监督功能：将检测到的实时数据、还有生产人员在生产过程中发出的指令和输 入的数据进行分析、归纳、整理、计算等二次加工，并分别作为实时数据和历 史数据加以存储； 管理功能：利用己有的有效数据、图像、报表等对工况进行分析、故障诊断、 险情预测，并以声光电的形式对故障和突发事件报警； 控制功能：在检测的基础上进行信息加工，根据事先决定的控制策略形成控制 输出，直接作用于生产过程 下面介绍一下先进的监控系统所包含的技术方案： 采用数字化视频监控。有线模拟视频信号的传输对距离十分敏感，当传输距离大于 1 0 0 0 米时，信号容易产生衰耗、畸变、延时，并且易受干扰，效果不好。而数字化视 频监控的优点正好克服了模拟闭路电视监控的局限性：首先，数字化视频可以在计算机 网络( 局域网或广域网) 上传输图像数据，基本上不受距离限制，信号不易受干扰；其 3 北京邮电大学硕士研究生论文 次，数字视频可利用计算机网络联网，网络带宽可复用，无须重复布线；另外，数字化 存储成为可能，经过压缩的视频数据可存储在磁盘阵列中或保存在光盘中，查询十分简 便快捷。国外基于原有有线网络和新兴无线网络的视频监控都有了长足的方展。其应用 领域也在不断扩大【3 】。 瑶 以t c p i p 协议为网络传输协议。基于数字技术的多媒体监控系统以t c p i p 协议为 网络传输协议，这种数字化的监控系统则具有以下优点：网络规模不受限制；控制管理 简单，支持远程控制，容易实现系统的扩容和改造；整个系统采用模块化设计，系统稳 定，单点的故障不会影响整个系统的运行【4 1 。 1 2 3 嵌入式监控系统国内外发展情况 二十世纪末的信息技术革命极大地推动了各项产业和技术的发展，嵌入式技术也不 例外，随着信息技术的发展和数字化产品的普及，嵌入式系统以其独特的优势正被广泛 应用到网络、手持通信设备、国防军事、消费电子和自动化控制等各个领域中。监控系 统总的发展趋势是，从以前的模拟监控到现在的数字监控；从落后的现场监控到先进的 远程监控；从有人值守监控到现在的无人值守监控。数字化、网络化、规模化都将是监 控系统最为理想的性能品质，应作为选择和设计系统时关注的技术方面。 远程监控是国内外研究的前沿课题，国内外都展开了积极的研究。1 9 9 7 年1 月， 首届基于h l t e m c t 的远程监控诊断工作会议由斯坦福大学和麻省理工学院联合主办。另 外，许多国际组织，如s m f 盯( s o d e t y f o r m a c b j n c r yf a i l 呲p r e v c n t i 伽强蚰o l o g y ) 、 c o m a d e m ( c ( m d i t i 彻m o n i t i 彻卸de n 西c r i n gm a i l a g c m e n t ) 等，也通过网络进行设 备监控与故障诊断咨询和技术推广工作，并制定了一些信息交换格式和标准【3 司。 。 国内对于远程监控技术也开展了积极的研究。目前，西安交大、华中科技大学、哈 尔滨工业大学等高校已取得了较为先进的研究成果 1 3 课题主要研究内容 本课题通过运用现代高速数字逻辑设计的理念，开发出一种针对于现代化生产所需 的多样化信息采集的监控监测硬件平台。该平台不但可以完成传统的以传感器为工具的 信息采集和处理，还可以完成最多6 路的视频信号的采集和处理。论文研究的主要内容 有： ( 1 ) 完成了系统的需求分析，通过市场调研，制定了成熟的解决方案。 ( 2 ) 使用p r 吣i ，d x p 软件对1 m s 3 2 0 d m 6 4 2 硬件平台进行了原理图设计。并 对平台的各个功能模块进行了选型和功能设计，也完成了其完整的原理图绘制，并制定 了备选方案。 ( 3 ) 完成了该硬件平台的p c b 板图的设计，并在h ”c r l y 皿软件下完成了板级仿 真，达到高速数字电路的要求。 ( 4 ) 在c c s 2 2 下编写了该平台的各功能模块的驱动代码，完成了测试。 4 北京邮电大学硕士研究生论文 第2 章系统总体设计和功能实现 本章详细分析了课题所设计的监控系统的需求分析，对其组成以及功能的划分进行 了讨论。同时对硬件平台的选型上进行了讨论，比较了耳前主流的解决方案。最终系统 的硬件平台核心选用1 r i 公司的1 m s 3 2 0 d m 6 4 2 作为核心进行开发。 2 1 系统的需求分析和总体方案的选型 本课题实现的系统应该具有现代先进的监控系统的特点，还要具有一定的通用性， 能够适用于多种应用场合。具体包括：数字监控视频的捕捉，监控对象的传感器数据获 取，系统的网络化，信息的备份，人机交互的实现，系统的升级等主要需求。 由于系统中涉及到较多的算法工作，如视频的编解码。所以采用专为数据处理诞生 的d s p 处理器作为系统的核心，d s p 的特点有1 6 】： ( 1 ) 哈佛总线结构。传统上，通用处理器芯片上使用的是冯诺依曼存储器结构。这 种结构中，只有一个存储器空间，通过一组总线( 一个地址总线和一个数据总线) 连接 到处理器核。通常，做一次乘法会发生4 次存储器访问，用掉至少四个指令周期。而 d s p 采用了哈佛结构，将存储器空间划分成两个，分别存储程序和数据。它们有两组 总线连接到处理器核，允许同时对它们进行访问。这种安排将处理器存贮器的带宽加倍， 更重要的是同时为处理器提供数据与指令。在这种布局下，d s p 得以实现单周期的 眦指令。 ( 2 ) 专门的算术单元。d s p 处理器使用专门的硬件乘法器来实现单周期乘法，大大 提高了处理速度。d s p 处理器还增加了累加器寄存器来处理多个乘积的和 ( 3 ) 专用的寻址方式和单元。d s p 处理器都支持专门的寻址模式，它们对通常的信 号处理操作和算法是很有用的。同时d s p 还具有支持地址计算的算术单元地址产生器， 地址产生器与算术逻辑单元( a l u ) 并行工作，因此地址的计算不再额外占用c p u 时 间。 ( 4 ) 流水处理。除了上面提到的d s p 处理器专有的功能单元外，流水技术是提高 d s p 处理器程序执行效率的另一个主要手段。流水技术使两个或更多不同的操作可以 重叠执行在处理器内，每条指令的执行分为取指、解码、执行等若干个阶段，每个阶 段称为一级流水。流水处理使得若干条指令的不同执行阶段并行执行，因而能够提高程 序执行速度。 ( 5 ) 片内存储器。d s p 处理器内部一般不但集成有高速缓存( c a c h e ) ，还集成有数据 r a m ，用于存放参数和数据。片内数据存储器不存在外部存储器的总线竞争问题和访 问速度不匹配问题，因此访问速度快，充分利用其强大的处理能力 5 北京邮电大学硕l 研究生论文 ( 6 ) 执行时间的预测。大多数的d s p 应用都是严格的实时应用，所有的处理必须 在指定的时间内完成。这就要求程序员准确地确定每个样本需要的处理时间。因此，由 一段给定的代码来预测所要求的执行时间是完全直截了当的。从而使程序员得以确定芯 片的性能限制。 通过市场调研，满足应用的各商家的d s p 系列有以下几种可行性方案： p n x l 3 0 0 与p n x l 5 0 0 系列芯片。p n x l 3 0 0 系列d s p 是由荷兰p h i l i p s 公司开发 生产的。p h i l i p s 公司是最早开发视频d s p 的厂商，1 9 9 6 年推出了t r i m e d i a 系列的第一 款芯片1 m 1 0 0 0 ，随后推出了1 m 1 1 0 0 、t m 1 3 0 0 、p n x 1 3 0 0 ( t m 1 3 0 0 改进版) ，目 前统一更名为n e x d e r i a 系列。p n x 一1 3 0 0 系列芯片正在被大规模应用开始于视频监控产 品中。目前它有多种型号：p n x - 1 3 0 2 2 0 0 m h z 、p n x 1 3 0 11 8 0 m h z 、p n x 1 3 1 1 1 6 6 m h z ( 低功耗)、p n x 1 3 0 31 6 6 m h z 。 在p n x 1 3 0 0 系列成功应用的基础上，p h i l i p s 推出了性能更高的p n x 1 5 0 0 系列。 作为p n x 1 3 0 0 系列的升级换代产品，p n x 1 5 0 0 系列处理能力更高、性能更好。目前 推出的型号：p n x 1 5 0 0 e2 4 3 m h z 、p n x 1 5 0 1 e 2 6 6 m h z 、p n x 1 5 0 2 e3 0 0 m h 匕两个 系列的主要性能对比如下： 表2 - 1p n x l 3 0 0 与p n x l 5 0 0 性能对比 项目p n x - 1 3 p n x 1 5 0 0 主频速度 1 4 3 2 0 0 d h z2 4 3 - 3 5 0 z 内存支持1 8 4 h m zs d r a m2 0 0 z d d r 内存支持大小2 - 3 2 m b1 6 2 5 6 m b 视频输入精度 8 位1 0 位 视频输入口 1 个2 个 视频输出口 1 个2 个 功耗2 9 - 4 w 1 5 w t m s 3 2 0 d m 6 4 x 系列芯片d m 6 4 x 视频处理d s p 是美国1 1 公司生产的，t i 公司的众多产品多年来一直统治着这个行业，已经深入应用到了电子信息行业各个领域 中。2 0 0 3 年1 1 发布了1 m s 3 2 0 d m 6 4 x 系列的视频d s p 产品，产品为： d m 6 4 0 主频可达4 0 0 m k ，具有一个视频单元 d m “1主频可达6 0 0 m h z ，具有两个视频单元 d m “2 主频可达6 0 0 m h z ，具有三个视频单元 每个视频单元又分成a 、b 两个口，a ，b 口可以分别处理一路视频采集，因此 d m 6 4 2 最多可以处理6 路视频采集数据( 不带音频) 。d m “2 芯片功耗1 5 w ，同时也 具有网络接口。 6 北京邮电大学硕士研究生论文 其他d s p 产品。除了以上三款产品之外，还有多家公司推出了视频d s p 产品： a d i 公司推出了a d s p b f 5 3 1 5 3 2 5 3 3 系列产品，主频从3 0 0 m h z 到6 0 0 m h 。该产品 没有预览通道。e q u a t o r 公司继m a p c a 芯片后推出了b s p 1 5 芯片，主频有2 5 6 、3 0 0 、 3 5 0 和4 0 0 m h z ，芯片具有两个视频输入口和音频输入口，一个视频输出口，可以支持 s d r a m 最大为1 2 8 m b 。 经过对产品的市场占有量、成熟程度、系统成本以及开发的难易程度的综合考虑， 本系统采用了1 r i 公司的6 0 0 0 系列的1 m s 3 2 0 d m 6 4 2 ( 以下简称d m 6 4 2 ) d s p 作为核 心，完成了系统的搭建。 2 2 总体方案的功能介绍和实现 该系统的核心d m 6 4 2 本身具有很丰富的外设资源。对于系统中来自传感器端的信 号，通过1 1 公司的a d s 7 8 6 4 模数转换芯片与d m 6 4 2 的e m 接口进行连接，可以实 现对六路差分信号的采集。a d s 7 8 6 4 的逻辑控制通过c p u 进行操控。d m 6 4 2 内部集 成了三路视频端口( 每个端口可以配置成两路，最多六路) ，可以很好的与视频编码或 解码芯片接口。这里选用两个1 r i 公司的视频解码芯片1 v p 5 1 5 0 分别与d m “2 的v p l 、 v p 2 接口，实现两路p a l 模拟视频信号的采集；选用p h i l 口s 公司视频编码芯片 s a a 7 1 2 1 与d m 6 4 2 的v p o 口相接，配置为一路视频输出，用于监控视频的一路本地 显示。在d m 6 4 2 中还集成了以太网媒体控制器( e m a c ) 控 爵黔系统中选用r e a i ：r e k 公司的r t l 3 2 0 1 作为1 0 m 1 0 0 m 以太网收发器，与d m 6 4 2 直接连接，组成标准以太网 接口，用于向上位机传输监控信息和接受命令。该平台可以内部采集6 路传感器信号， 6 路( 最多) 视频信号；通过一路视频输出和液晶显示界面同用户进行交互。该系统较 新颖的将多路传感器信号和多路视频信号同时进行采集，在信息的多元化和集成化上有 所创新。如通过6 路传感器信号以及2 路视频信号对机器人进行实时监控。同时，将一 路主视频信号通过显示器显示，传感器信号通过液晶屏进行数据显示或波形显示。在 c p u 内部通过算法判断当前机器人的工作情况，通过g p l 0 接口与现场的机器人相连， 实现对它的控制这样就完成了一个监控监测的完整过程。 该系统从功能上来看，可以划分为：主c p u ，存储模块，a d 模块，视频模块，液 晶显示模块，网络模块，衄a 接口模块。整个系统不但要保证这7 大模块各个能独立 工作，还要保证它们能协调一致完成整个系统的监控监测功能。后面给出各个模块的详 细描述系统的整体结构如图2 1 所示： ) 7 北京邮电大学硕士研究生论文 ! = r j 4 5 上位机 本机调试 1 状态信息显l j 示和示警j 图2 - 1 系统结构功能图 系统外扩了资源。采用了4 m 8 b i t 的f i a s h 芯片，用于存放系统启动时加载的所 需程序。采用两片4 m 3 2 b “的s d r a m 芯片用于扩展系统的缓存区，增大数据交换能 力。通过启动时进行配置d m 6 4 2 的e m i f 寄存器，兀a s h 和s d r a m 可以很方便与 d m 6 4 2 进行数据交换。 系统中还选用r t l 2 8 6 4 液晶显示模块用于显示任意一路传感器信号的波形，以及 状态监测的预警显示。由于r t l 2 8 6 4 液晶模块属于低速设备，而d m “2 属于快速设备， 在两者的接口配置上用一块c p l d 进行了控制信号以及数据信号的锁存，以满足 r t l 2 8 6 4 正常工作所需的时序。实践证明这种方法很有效，r t l 2 8 6 4 能很好完成d m “2 的读写指令。为了记录下系统出错信息和定时捕捉的视频图像，在d m 6 4 2 的e m i f 接 口上还配置了标准的触r a 接口，可以和加r a 接口的硬盘相连，实现数据的保存。由于 开发过程中系统调试的需要，还在e m 接口上外扩了r s 2 3 2 接口。考虑在系统以后 的检测维修中，r s 2 3 2 接口还可以用到，所以保留了下来。 8 北京邮电大学硕士研究生论文 第3 章系统的硬件设计 本章对开发的监控系统的各个功能模块的选型进行了分析，同时说明了模块的主 要功能芯片的特点和设计注意事项。各个小节还给出了各个硬件模块的原理图和详细设 计说明。 3 1 n i s 3 2 0 d m 6 4 2 的介绍和资源优势 1 r i 公司的1 m s 3 2 0 d m 6 4 2 ( 以下简称d m 6 4 2 ) 是一款专门面向多媒体应用的专用 d s p 。它是在c 6 4 x 的基础上，增加了很多外围设备和接口。该d s p 为5 铝脚b ( 陡封 装，高度集成化。其时钟高达7 2 0m h z ，8 个并行运算单元，处理能力达4 8 0 0 m s ； 采用二级缓存结构；具有6 4 位外接存储器接口；兼容玎巳e b l l 4 9 1 ( j 1 a g ) 边界扫描； 为了面向多媒体应用，还集成了3 个可配置的视频端口、面向音频应用的m c a s pr m u m c h 锄c la u d i os e r i a lp o r t ) 1 0 1 0 0 m b ，s 的以太网m a c 等外设【7 埘。 d m 6 4 2 具有扩展的高级超长指令字( v e l o dt d 体系结构。它具有6 4 个3 2 位通用寄 存器，8 个独立计算功能单元( 2 个乘法器，6 个算术逻辑单元) 可以并行运行。由于d m “2 内部的程序总线宽度为2 5 6 位，每一次取指操作都是取8 条指令，即一个取指包。执行 时，每条指令占用个功能单元。取指、指令分配和指令译码单元都具备每周期读取并传 递8 条3 2 位指令的能力。这些指令的执行在2 个数据通路( a 和b ) 中的功能单元内实 施。控制寄存器组控制操作方式从程序存储器读取一个取指包时起，j w ( 超长指 令集) 处理流程开始。一个取指包可能被分成几个执行包，因此可以实现多级流水线操 作，提高系统的效率。其内部结构图如图3 1 所示。d m 6 4 2 核心具有的主要单元有： 两个通用寄存器组( a 和b ，各3 2 个3 2 b “通用寄存器) 8 个功能单元( l 1 ，l 2 ，s 1 ，s 2 ，m 1 ，m 2 ，d 1 ，d 2 ) 两个从内存读数据的数据通道( l d l 和u ) 2 ) 两个写内存的数据通道( s t l 和s 1 2 ) 两个数据地址通道( n a l 和d a 2 ) 两个寄存器组数据交叉通道( 1 和2 ) 每个乘法器在每个时钟周期内可执行2 个1 6 位x 1 6 位的乘法或四个8 位x 8 位的乘 法。另外6 个算术逻辑单元，在每个时钟周期内都可执行2 个1 6 位或4 个8 位的加减、 比较、移位等运算。在6 0 0 m h z 的时钟频率下，d m 6 4 2 每秒可以进行2 4 亿次1 6 位的 乘累加或4 8 亿次8 位的乘累加。这样强大的运算能力，使得d m “2 可以进行实时的 多视频处理和图像处理 9 北京邮电人学硕士研究生论文 图3 - l d m 6 4 2 内部结构图 d m 6 4 2 采用两级缓存结构：第一级包括相互独立的l 1 p ( 1 6k b ) 和l 1 d ( 1 6k b ) ， 只能作为高速缓存使用；第二级l 2 ( 2 5 6k b ) 是一个统一的程序、数据空间，可整体作 为s r a m 映射到存储空问，也可整体作为第二级c a c h e ，或是二者按比例的一种组合 来使用。系统的第2 级缓存的具体配置可以按照图3 进行分配。u 缓存距离d s p 核最 近，数据访问速度最快。l 2 作为s 融m 使用时，即是d m 6 4 2 的片内内存，整个系 统地址空间的起始地址0 】【0 0 0 0 0 0 0 0 开始编址。当作为c a c h c 使用时，4 路映射，每行 大小为1 2 8b ，容量在3 2 2 5 6k b 之间。同时d m 6 4 2 具有6 4 个独立通道的e d m a ( 扩 展的直接存储器访问) 控制器，负责片内l 2 与其它外设之间的数据传输。e d m a 可在 没有c p u 参与的情况下，完成片内l 2 存储器与片外存储器之间的数据传输。运用 e d m a 功能单元，可大大减轻c p u 搬移数据的负担，不占用c p u 的计算周期，提高 c p u 的运行效率。大容量两级缓存架构和e d m a 通道是d m “2 高性能的体现之一， 若能合理使用和管理，将能大幅度提高程序的运行性斛1 1 j 。 1 0 北京邮电大学硕士研究生论文 粥瞳撼i l e 瑚i 瀚 * 枷r 粕k 田辨r 哺 镕蚋r 图3 2 d m 6 4 2 的l 2 级缓存设置 3 2c p i j 的外设以及开发要点 o m m o x f * o 日日o m 1， d m 6 4 2 不但具有优化的体系结构，而且还具有丰富的外设，可以方便用户扩展它 的功能，使嵌入式系统更加集成和优化。具体有： 三个可配置的视频接口。 d m 6 4 2 的视频端口可以无缝地与n r s d p a l 编、解码器接口。支持c c 瓜6 0 1 ， b t 6 5 6 ，b t 1 1 2 0 s m l r l 限1 2 5 m ，s m p l e 2 6 0 m ，s m p l e 2 7 4 m 和s m p l f e 2 9 6 m 等多个视频标准每个视频端口又分成a 和b 两个通道，a ，b 通道可分别处理一路视 频采集，因此d m “2 最多可以处理6 路视频采集数据( 不带音频) 。如果将视频端口配 置为视频输出，则只能在a 通道输出，b 通道不可以，因此d m 6 4 2 最多可支持3 路 视频输出( 不带音频) 。 6 6 m r 3 2 b “的p a 接口 符合p c l 2 2 标准。与h p i 接口复用引脚，具体两者如何配置实现区分见表3 1 通用加端口( g p i o ) g p l 0 提供通用王，0 端口支持，当配置成输出，用户能控制驱动状态为输出，当配 置成输入，此时该端口作为信号输入引脚使用。总共有1 6 个g p l o 管脚，其中有 一些被其他器件复用。此外，g p l o 外设能够在不同中断事件生成模式下产生c p u 中断及e d m a 的事件。 1 1 北京邮电大学硕士研究生论文 表3 - 1p c i 与h p i 功能配置引脚 阼舯h e r ls e l c t k瑚tp e m h e r a l ss e l e c t e d p c i 日lp c ie l帅5m ce hh h d a 协 h p i b g be e p r o me 眦c m 日 p i n 【e 2 jh n f l 5 lp h qp n 【c 习 l o 嚣 u p p 料 3 2 b hp c i g p 0 【1 5 哪 l a m j n 埘 醵d i o oc0o h ze l “v ad b l e d 0e oh 畦d 鞠“e d 0 0o厶蛆b 4 e dm d b 曲i 。d 00 a 鞠“8 dd i s 曲| “ e b i e d 11xxa 5 曲削 f 啪e m e m 番a 捌 捌 e e p r o 叭 。i s a b e d 10xx强鞫h e d 5 a b l 喇d b 蜘 l d 刊。a 蜮v u 既 外部存储接口( e m i f ) d m “2 的e m m 带宽6 4 b i t ，支持同步或异步存储单元的连接。和同步高速内存直 接连接时，最大总线速度为1 3 3 m h z 。e m i f 有四个片使能( e n 0 e n 3 ) ，能够支持带宽 3 2 b i i 、1 6 b i t 、8 b i t 的外部存储芯片。e m i f 有三个内存控制器：s d r a m 控制器支持 1 6 m b 一2 5 6 m b 的s d r a m 器件；可编程同步控制器提供和各种同步存储设备的直连：可 编程异步控制器提供同异步存储设备的直连。 1 0 1 0 0 m b p s 以太网口( e m a c + m d l 0 ) 以太网口在d s p 核及网络之间提供高效的接口。1 0 m b s 或1 0 0 m b s 模式自适应， 能工作在半双工或全双工模式下，具有硬件流控制及服务质量保证( q o s ) 支持，符合 髓e 8 0 2 3 规范，具有媒体独立接口( m i i ) ，可直接与p h y 器件连接。包含8 个独立 传输( t x ) 和8 个独立接收( r 】【) 通道。e m a c 为d s p 处理器和网络间提供定制的接口， 允许有效的数据发送和接收。管理数据输入输出( m d l 0 ) 模块持续的轮询所有3 2 个 m d l 0 地址，以便于列举在系统中的物理层设备( p h ，并监视它们的连接状态。 多通道音频串行端口( m c a s p ) d m 6 4 2 的多路音频串口是针对多路音频应用，而对通用音频串口进行了优化 m c a s p 使用s 协议，也支持d r r 协议。m c a s p 包括发射与接收两部分，它们可以使 用不同时钟，不同传输模式，工作完全独立。发射和接受能够工作在同步状态。此外， m c a s p 的管脚能被配置成通用i ，0 管脚。 i i c 总线模块 i i c 总线使d m 6 4 2 容易控制外围器件，如视频编、解码器、髓p r o m 等 两个多通道有缓存的串口( m c b s p ) m c b s p 是在c 2 0 0 0 系列以及c 5 0 0 0 系列d s p 的标准串口基础上发展而来的，它 可以完成标准串口的全双工串行通信，m c b s p 能够和多种标准的端口相连。m c b s p 在 数据收发上采用多级缓冲结构，接收端采用三级缓冲( 包括寄存器r s r 、r b r 和d r r1 ， 发送端采用两级缓冲( 包括寄存器x s r 和d x r ) ，这样使得片内的数据搬移能够与外 部的数据通信操作同时进行 北京邮电大学硕士研究生论文 三个3 2 - b “通用定时器 成了两个3 2 b i t 的通用定时器，可以用于：计时、事件计数、产生脉冲、产生c p u 中断信号、产生e d m a