（通信与信息系统专业论文）基于gprs技术的远端无线图像采集系统的研制.pdf

东北大学硕士学位论文摘要 基于g p r s 技术的远端无线图像采集系统的研制 摘要 随着社会的发展，科技水平的进步，生产自动化水平的提高，图像采集技术在 生产、生活中的应用越来越广泛，为人们提供了更有效的现场监控手段，保证了生 产、生活的安全、高效和方便。 基于g p r s 技术的远端无线图像采集系统运用了先进的g p r s 无线网络传输技 术，利用已有移动通信g s m 无线网络实现图像数据的传输，具有覆盖面广，无需 增加传输设备和线路的特点，特别适用于无法架设线路的偏远地域或被监控现场不 固定，有移动性等场合。系统由图像采集模块、图像数据压缩模块、g p r s 网络通 信模块和报警触发模块组成，其中图像数据压缩模块采用j p e g 硬件压缩编码技术， 对静态图像进行压缩编码，较大地减少了网络传输的数据量，节省了网络资源，提 高了图片的传输速度。为了解决设计中的高速率图像采集、压缩控制与数据传输速 度相对较慢带来的变速率采样问题，系统硬件结构采用微控制器加可编程逻辑控制 芯片( m c u + c p l d ) 的方案，各子功能由标准通用模块完成，降低了系统复杂度， 提高了系统整体性能，用户可以用p c 机在i m e m e t 上实现图像的远端采集与现场监 控。 论文详细介绍了基于g p r s 的远端无线图像采集系统研制开发的全过程，主要 包括各个功能模块的硬件设计与制作、微控制器软件的设计与编程、可编程逻辑控 制模块的设计、图像数据传输过程的软件实现，以及系统的调试和测试。 本系统经过现场运行与测试，达到设计要求。 关键词：通用分组无线业务( g p r s ) ；联合图像专家组( j p e g ) 可编程逻辑控制： 微控制器；图像采集 一i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fr e m o t ew i r e l e s si m a g e c a p t u r es y s t e mb a s e do ng p r st e c h n o l o g y a b s t r a c t t e c h n o l o g yo fm a g ec a p t u r eh a sb e e nu s e di nm a n yf i e l d sa l o n gw i t ht h ed e v e l o p i n g o fs c i e n c ea n da u t o m a t i z a t i o nt e c h n o l o g y i tp r o v i d e sm o r ee f f e c t i v ei n s p e c t o ri n d u s t r y a n dm a k e sh u m a nl i f es a f e ra n dc o n v e n i e n t a d v a n c e dt e c h n o l o g yo fg p r sw i r e l e s sn e t w o r kt r a n s m i s s i o ni sa p p l i e di nt h e r e m o t ew i r e l e s si m a g ec a p t u r es y s t e mb a s e do ng p r st e c h n o l o g y d a t ao fi m a g ec a nb e t r a n s m i t t e dt h r o u g hw i r e l e s sn e t w o r ko fg s m i ne x i s t e n c e t h es y s t e mc a nb eu s e di n m o s to c c a s i o n sw i t h o u ts p e c i a le q u i p m e n t s ，s p e c i a l l yi nt h eo c c a s i o nt h a tn e t w o r kw i t h c a b l ec a nn o tb ep a v e do rt h et a r g e ti sm o v i n g t h es y s t e mi sc o m p o s e do fi m a g e s a m p l i n gm o d u l e ，d a t ac o m p r e s sm o d u l e ，g p r sn e t w o r kt r a n s m i s s i o nm o d u l ea n da l a r m t r i g g e rm o d u l e i m a g e sa r ec o m p r e s s e da n de n c o d e dw i t hj p e gs t a n d a r db yh a r d w a r et o r e d u c et h et r a n s m i s s i o nq u a n t i t yo fi m a g ed a t a m i c r oc o n t r o l l e ra n dp r o g r a m m a b l e l o g i cd e v i c ei su s e di ns y s t e mh a r d w a r e t h i ss t r u c t u r ec a r lc o n n e c tt h eh i g hs p e e dp a r t o fi m a g ec o m p r e s s i o nc o n t r o lw i t ht h el o ws p e e dp a r to fd a t at r a n s m i s s i o n m o d u l e s w i t hg e n e r a ls t a n d a r di n t e r f a c ea r eu s e di nt h ei m a g ec a p t u r es y s t e m t h ep e r f o r m a n c ei s i n c r e a s e dw i t ht h er e d u c eo fs y s t e mc o m p l i c a t i o n u s e r sc a nc a p t u r et h ei m a g eo ft h e a c t u a ls c e n e ，a n dc a na l s oi n s p e c ta n dc o n t r o li tr e m o t e l y w h o l ep r o c e s so ft h ed e v e l o p m e n to fr e m o t ew i r e l e s si m a g ec a p t u r es y s t e mi s i n t r o d u c e di nt h et h e s i s ，i n c l u d i n gh a r d w a r ed e s i g na n di m p l e m e n to fe a c hf u n c t i o n m o d u l e ，s o f t w a r ed e s i g n ，i m p l e m e n to fm i c r oc o n t r o l l e r , p r o g r a m m a b l el o g i cd e s i g na n d t h ei m p l e m e n to fi m a g ed a t at r a n s m i s s i o ni ns o f t w a r e i nt h ee n d ，w ed e b u ga n dt e s tt h e s y s t e m ， b yd e b u g g i n ga n dr u n n i n gi ns c e n e ，i ts h o w st h a tt h ei m a g ec a p t u r es y s t e m c a n r e a l y et h er e q u e s to fd e s i g n k e y w o r d s ：g p r s ；j p e g ；p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l ；m i c r oc o n t r o l l e r ；i m a g ec a p t u r e i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰 写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明 并表示谓 意。 学位论文作者签名：协魄厌 日 期：州f _ w 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位 论文的规定：即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，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究背景 随着通信技术、微电子技术和智能化建设的发展，人们对生产生活现场的监视 和控制要求越来越高，在传统的视频监控系统中，采用的是模拟视频信号的有线传 输，由于模拟视频采集的易受干扰性和带宽限制，不仅图像采集质量受现场环境的 影响较大，还要占用专门的传输信道，需要铺设传输电缆，成本较高，而且在一些 特殊的场合不可行，例如在一些偏远的生产现场，如油田，野外作业区等等，不仅 距离远，而且需监控现场数量巨大，还会动态改变，根本无法铺设传输电缆。这时 候就需要一种能补充传统监控手段的方法。 现在无线数据传输的手段和方法越来越多，但是都无法克服传输速率较低的缺 陷，而且传输成本较高。考虑到现阶段无线传输的情况，我们开发了基于g p r s 技 术的远端无线图像采集系统，在传统视频监控系统无法建立或者不需要持续监控的 场合，例如可以定时观察的一些生产现场，触发报警，进行图像监视，作为对现有 视频监控手段的一种有效补充。 图像采集有模拟与数字之分，模拟信号数据量极大，不便于视频图像的传输和 存储。因此，在信源端对原始视频图像进行压缩编码，用数字监控系统代替模拟监 控系统成为视频监控系统发展的必然趋势。图像的压缩编码现在有j p e g 和m p e g 等多种成熟标准，综合考虑成本和应用要求以及开发周期，本系统中采用j p e g 图 像压缩技术，使用专用硬件编码芯片实现了高效的图像压缩。 g p r s 是通用分组无线业务( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 的英文简称，是在现有 g s m 系统上发展出来的一种新的承载业务，目的是为g s m 用户提供分组形式的数 据业务。具有覆盖面广，高效、低成本的特点。本系统就是利用g p r s 无线网络传 送压缩图像的新型系统。它采用了先进的g p r s 模块和嵌入式网络处理模块，能够 实现i n t e r n e t 的自动接入。前端图像采集电路采用先进视频处理芯片，可以搭配任 意模拟摄像头并采集多路视频图像，采集得到的图像数据经过j p e g 硬件压缩编码 以后利用g p r s 无线网络传送至i n t e r n e t 网上的监控终端，以此实现g p r s 无线网 络远程图像的传输。 本系统采用了先进的g p r s 无线网络传输技术和数字图像采集与压缩技术，利 用现有的无线网络，具有传统现场监控系统无法比拟的优点： 1 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 1 ) 覆盖面广，适用于广大偏远地区。 ( 2 ) 无线上网，适用于可移动目标。 ( 3 ) 使用专用图像编码芯片，实现简单、成本低。 ( 4 ) 安装简便，维护方便。 1 2 论文内容概述 本文主要介绍了基于g p r s 技术的远端无线图像采集系统的设计与制作，本系 统采用j p e g 图像压缩编码技术实现了数字图像的压缩编码，并且采用了g p r s 通 用无线分组业务技术实现了图像数据的无线传输。 在系统的设计主要涉及g p r s 无线网络传输，视频图像信号的数字化转换，以 及数字图像信号的硬件压缩编码实现。由于使用无线数据传输，传输速率受到限制， 因此在采集终端需要有数据缓存功能。这部分功能，以及视频a d 转换芯片、图像 压缩编码芯片的初始化设置和逻辑控制，是由微控制器和c p l d 实现的。本文详细 介绍了无线图像采集系统应用的技术以及具体实现，包括硬件设计，软件设计，以 及可编程逻辑部分，除此整个图像采集和传输过程的实现还包括了网络通信的实现， 其中有服务器和监控终端的软件实现，涉及到s o c k e t 通信的服务器和客户端的建立。 本文还介绍了系统的调试和运行过程中遇到的问题和注意事项。 1 3 论文结构 第一章绪论：介绍论文的研究背景，并对论文的主要内容的组织形式进行简要 的叙述。 第二章无线图像采集系统的总体设计：详细介绍本系统的功能、组成和工作过 程，此外还介绍了本系统设计开发中使用的关键技术和开发工具。 第三章无线图像采集系统的硬件开发：介绍本系统的硬件开发，主要是系统前 端采集和传输部分的硬件实现。 第四章无线图像采集系统软件的设计与实现：介绍了系统前端的微控制器的软 件部分和由c p l d 实现的可编程逻辑控制。以及介绍系统数据传输相关的网络通信 部分，主要有服务器和客户端控制软件的编程实现。 第五章无线图像采集系统的调试与测试：介绍本系统调试过程和参数测试结 果。 第六章结束语：总结了本系统的优点和不足，提出了系统升级的目标。 一2 一 苤j b 盘生墅堂焦逢耋 篓三奎垂线垦堡盘基茎纽约垫垡企玺 第二章无线图像采集系统的总体介绍 2 1 系统的功能 本系统的目的是为了采集远端现场的图像并将采集到的数字化图像传输给远 程监控的终端，在终端显示界面上显示出来。 其功能要求如下： ( 1 ) 系统为监控【1 1 而设计，需要满足常规监控要求，具有定时采集、点播采集 以及监控现场报警采集等功能； ( 2 ) 采集前端密封良好，适应露天环境的长期工作； ( 3 ) 采集前端易于安装，信号传输和电源等各种接口具有通用性，方便安装； ( 4 ) 采集前端的模拟视频输入能适合各种工业摄像头的视频输入，对视频制 式无特殊要求，不必特各专用摄像头，用户可根据现场要求改变摄像头； ( 5 ) 监控终端软件易于安装，对网络状态无特殊要求，能接入i n t e r n e t 即可， 可应用于任何网络环境下，如公网，局域网内网等： ( 6 ) 监控终端软件界面美观，操作方便，显示画面大小可调整； ( 7 ) 系统能及时将监控终端的用户命令传送到采集前端，并在规定时间内将 现场图像发送到监控终端并显示； ( 8 ) 采集前端具有报警触发装置，当现场满足报警要求时，采集前端自动采 集现场图像，并发送到监控终端，监控终端接受到此类图像以后发出报警信号提示 现场有异常出现。 以上都是从用户角度考虑的要求，从开发者来说，还有一些特定的要求，以方 便调试和升级。 ( 9 ) 各功能模块之间的连接方式采用通用的接口标准，以方便模块选择和升 级，如g p r s 网络通信模块的接口，本系统采用的是通用异步串行接口( u a r t ) ， 接口物理特性满足r s 2 3 2 标准，可以方便连接到任意具有u a r t 接口的g p r s 模 块。 ( 1 0 ) 微控制器选择尽量是自带调试和下载接口，可以现场调试和固件升级， 本系统采用的是a t 8 9 s 5 2 ，具有在线编程功能。 ( 1 1 ) 可编程逻辑器件具有现场编程功能，现在一般使用的可编程逻辑器件都 满足要求，如c p l d 采用j t a g 接口下载，f p g a 具有j t a g 接口下载和调试功能， 3 盔i b 盘芏塑生焦逢圭箜三童垂垡图选苤苤亟绫盐! 垦焦企丝 还有其他一些下载方式，如a l t e r a 器件的a s 方式，都满足现场调试或下载的功 能 2 】。 ( 1 2 ) 图像采集前端除了图像采集功能以外还应该具有足够的数字输入和输 出接口，在不大幅度提高成本的情况下能尽可能多地满足多种输入输出要求。 ( 1 3 ) 软件要考虑用户使用的电脑的操作系统的情况，尽可能要适应当前各种 主流操作系统，考虑到开发成本和周期等因素，也可向用户提出采用适应软件的统 一的操作系统等软件环境。 2 2 系统的组成 无线图像采集系统包括三个部分：采集前端、服务器、监控终端。系统结构见 图2 1 。 图2 1 系统结构 f i g 2 1 t h ea r c h i t e c t u r eo fs y s t e m 4 - 壅i 盘堂塑茎焦煎塞 箍三至垂毖圈堡箍塞茎绫煎蔓堡企塑 采集前端包括图像采集部分和g p r s 网络传输部分，图像采集部分由视频a d 芯片实现模拟图像的数字化转换，使用专用芯片实现j p e g 图像压缩编码。g p r s 网络传输部分由专用g p r s 模块实现网络传输功能，它与图像采集部分的接口是通 用异步串行接口( u a r t ) 。 服务器部分包括硬件和软件，硬件为一台具有公网i p 地址的电脑，软件即为服 务器程序，由服务器程序实现g p r s 网络传输模块和监控终端间的命令传递和数据 传输的转发。 监控终端也包括硬件和软件部分，硬件为一台能接入i n t e m e t 的电脑，软件为 监控程序，电脑的网络状态无特殊要求，公网、内网，固定i p 、动态i p 等等均能 适用于本系统。 需要说明的是，如果监控终端满足服务器的网络要求，可以将服务器和监控终 端放到一台电脑上，以节约硬件和网络资源。 2 3 系统的工作过程 本系统是为满足现场监控而设计，下面对系统的工作过程应结合监控系统的要 求加以叙述。 监控系统要求具有定时观察和点播观察，以及现场报警触发的功能，本系统主 要也是满足此类要求，具体工作过程如下： ( 1 ) 启动阶段：采集前端安装并启动蛆后，g p r s 模块自动通过预先设定的服 务器地址与服务器进行连接。连接到服务器以后，服务器会向采集前端发送请求读 取设备号的命令，前端接收到命令以后发送本前端设备号到服务器，服务器记录并 监视该前端与服务器的连接。此时，如果监控终端也发送网络连接请求到服务器， 并发送被监控的采集前端的设备号，服务器就会将采集前端和监控终端的网络连接 对应上，此后采集前端和监控终端就可以采用透明方式进行数据传输，服务器不参 与控制，只是提供数据通道。 ( 2 ) 定时工作阶段：采集前端定时抓拍现场图像，定时功能在本系统中由监 控终端实现，即监控终端定时向采集前端发送采集图像的命令，采集前端收到命令 以后会采集当前现场的图像，通过服务器传输给监控终端。定时时间设置由监控终 端软件的设置功能实现。 ( 3 ) 实现点播观察：当用户无定时监控的要求，或者用户设置的定时时间较 长，但在定时间隔中间有观察现场的要求的时候，用户可以启动点播功能。在监控 终端软件上有点播按钮，点击此按钮时，监控终端会向采集前端发送采集图像的命 5 壅些盘茎墅茎焦盈圭 墓三童垂线璺焦苤堡亟丝盟：查生企丝 令，采集前端收到命令后会采集当前现场的图像，传送给监控终端。 ( 4 ) 实现报警触发观察：在采集前端，微控制器的输入接口与传感器相连， 当传感器满足报警设置要求的时候，采集前端会采集当前现场图像，传送到监控终 端，在传送的信息中会带有当前报警情况，当监控终端收到此报警信息后，会发出 报警提示，直到用户关闭此次报警。 2 4 系统开发中使用的技术和开发工具 2 4 1j p e g 图像压缩技术介绍 图像信息的数据量巨大，大数据量的图像信息会给存储器的存储容量，通信干 线信道的带宽，以及计算机的处理速度增加极大的压力。单纯靠增加存储器容量， 提高信道带宽以及计算机的处理速度等方法来解决这个问题不现实，这时就要考虑 压缩。 压缩的理论基础是信息论。从信息论的角度来看，压缩就是去掉信息中的冗余， 即保留不确定的信息，去掉确定的信息，用一种更接近信息本质的描述来代替原有 冗余的描述。压缩可分为两大类：第一类压缩过程是可逆的，从压缩后的图像能够 完全恢复出原来的图像，信息没有任何丢失，称为无损压缩；第二类压缩过程是不 可逆的，无法完全恢复出原图像，信息有一定的丢失，称为有损压缩。选择哪一类 压缩，要折衷考虑，尽管我们希望能够无损压缩，但是通常有损压缩的压缩比比无 损压缩的高1 3 l 。 图象压缩一般通过改变图像的表示方式来达到，因此压缩和编码是分不开的。 图象压缩的主要应用是图像信息的传输和存储，可广泛地应用于广播电视、电视会 议、计算机通讯、传真、多媒体系统、医学图像、卫星图像等领域。 压缩编码的方法有很多，主要分成以下四大类：( 1 ) 像素编码；( 2 ) 预测编码；( 3 ) 变换编码；( 4 ) 其它方法。 所谓像素编码是指，编码时对每个象素单独处理，不考虑像素之间的相关性。 在像素编码中常用的几种方法有：( 1 ) 脉冲编码调制：( 2 ) 熵编码；( 3 ) 行程编码；( 4 ) 位平面编码。 所谓预测编码是指，去除相邻象素之间的相关性和冗余性，只对新的信息进行 编码。例如，因为象素的灰度是连续的，所以在一片区域中，相邻象素之间灰度值 的差别可能很小。如果只记录第一个象素的灰度，其它象素的灰度都用它与前一个 象素灰度之差来表示，就能起到压缩的目的。常用的预测编码有调制，微分预测 6 壅i 盘堂题圭生焦监塞 差三主垂线国堡塞塞亟丝数。釜堡企丝 编码。 所谓变换编码是指，将给定的图象变换到另一个数据域( 如频域) 上，使得大量 的信息能用较少的数据来表示，从而达到压缩的目的。变换编码有很多，如( 1 ) 离散 傅立叶变换；( 2 ) 离散余弦变换；( 3 ) 离散哈达码变换。 其它的编码方法也有很多，如混合编码、矢量量化、l z w 算法。值得注意的是， 近些年来出现了很多新的压缩编码方法，如使用人工神经元网络的压缩编码算法、 分形、小波、基于对象的压缩编码算法、基于模型的压缩编码算法。 j p e g 是j o i n tp h o t o g r a p h i ce x p e r t sg r o u p ( 联合图像专家组) i 4 j 的缩写，文件后辍 名为“j p g ”或“j p e g ”，是最常用的图像文件格式，由一个软件开发联合会组织制 定，是一种有损压缩格式，能够将图像压缩在很小的储存空间，图像中重复或不重 要的资料会被丢失，因此容易造成图像数据的损伤。尤其是使用过高的压缩比例， 将使最终解压缩后恢复的图像质量明显降低，如果追求高品质图像，不宜采用过高 压缩比例。但是j p e g 压缩技术十分先进【5 1 ，它用有损压缩方式去除冗余的图像数 据，在获得极高的压缩率的同时能展现十分丰富生动的图像，换句话说，就是可以 用最少的数据空间得到较好的图像品质。而且j p e g 是一种很灵活的格式，具有调 节图像质量的功能，允许用不同的压缩比例对文件进行压缩，支持多种压缩级别， 压缩比率通常在1 0 ：1 到4 0 ：1 之间，压缩比越大，品质就越低；相反地，压缩比 越小，品质就越好。当然也可以在图像质量和文件尺寸之间找到平衡点。j p e g 格 式压缩的主要是高频信息，对色彩的信息保留较好，适合应用于互联网，可减少图 像的传输时间，可以支持2 4 b i t 真彩色，也普遍应用于需要连续色调的图像。 j p e g 格式是目前最流行的图像格式，是可以把文件压缩到最小的格式，各种 图片浏览软件也都支持该格式，也方便编程实现图片的浏览显示。 j p e g 图像压缩的实现有两种方法，一是软件实现，即在高速处理器上运行j p e g 压缩软件，对原始图像数据进行压缩编码，压缩编码软件开发周期较长，虽然现在 有开源软件可以参考开发，但是对处理器要求较高，常常是使用在高速通用处理器 平台上，一般在嵌入式【6 1 领域较少使用软件压缩编码的方案。另一种方法是使用专 用j p e g 压缩编码芯片，专门处理系统中的图像压缩编码事务，由于专用j p e g 压 缩编码芯片设计成熟，稳定性好，这种方案的开发周期较软件开发相对较短，并且 对嵌入式处理器要求不高，可以降低系统成本，这种方案在嵌入式系统应用中使用 较多。 7 一 壅韭盘兰亟芏焦造盘笠三童垂线图堡苤苤盘缠煎：垦堡企丝 2 4 2g p r s 技术介绍 g p r s 7 - 8 ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 是通用分组无线业务的简称。g p r s 是 g s mp h a s e 2 1 规范实现的内容之一，能提供比现有g s m 网9 6 k b i t s 更高的数据率。 g p r s 采用与g s m 相同的频段、频带宽度、突发结构、无线调制标准、跳频规则以 及相同的t d m a 帧结构。因此，在g s m 系统的基础上构建g p r s 系统时，g s m 系统 中的绝大部分部件都不需要作硬件改动，只需作软件升级。 g p r s 采用分组交换技术，高效传输高速或低速数据和信令，优化了对网络资源 和无线资源的利用。定义了新的g p r s 无线信道，且分配方式十分灵活：每个t d m a 帧可分配1 n 8 个无线接口时隙。时隙能为活动用户所共享，且向上链路和向下链路 的分配是独立的。支持中、高速率数据传输，可提供9 0 5 1 7 1 2 k b i t s 的数据传输 速率( 每用户og p r s 采用了与g s m 不同的信道编码方案，定义了c s 一1 、c s 一2 、c s 3 和c s 4 四种编码方案。 g p r s 网络接入速度快，提供了与现有数据网的无缝连接。 g p r s 支持基于标准数据通信协议的应用，可以和i p 网、x 2 5 网互联互通。支持 特定的点到点和点到多点服务，以实现一些特殊应用如远程信息处理。g p r s 也允许 短消息业务( s m s ) 经g p r s 无线信道传输。 g p r s 的设计使得它既能支持间歇的爆发式数据传输，又能支持偶尔的大量数据 的传输。它支持四种不同的q o s 级别。g p r s 能在0 5 1 秒之内恢复数据的重新传输。 g p r s 的计费一般以数据传输量为依据。 在g s mp l m n 中，g p r s 弓i 入两个新的网络节点：一个是g p r s j 匣务支持节点 ( s o s n ) ，它和m s c 在同一等级水平，并跟踪单个m s 的存储单元，实现安全功能和 接入控制。节点s g s n 通过帧中继连接到基站系统。另一个是g p r s 网关支持节点 g o s n ，g g s n 支持与外部分组交换网的互通，并经由基于i p 的g p r s 骨干网和s g s n 连通。 g p r s 的安全功能同现有的g s m 安全功能一样。身份认证和加密功能由s g s n 来 执行。其中的密码设置程序的算法、密钥和标准与目前g s m 中的一样，不过g p r s 使用的密码算法是专为分组数据传输所优化过的。g p r s 移动设备( m e ) n 7 通过s i m 访 问g p r s 业务，不管这个s i m 是否具备g p r s 功能。 g p r s 可以实现基于数据流量、业务类型及服务质量等级( q o s ) 的计费功能，计 费方式更加合理，用户使用更加方便。 g p r s 的核心网络层采用i p 技术，底层可使用多种传输技术，很方便地实现与高 一8 一 盔韭盔壁! l 茎焦选 笠三童垂线璺堡塞苤盘缠的盗堡企塑 速发展的i p 网无缝连接。 g p r s 在应用上有如下优点 9 1 ： ( 1 ) 资源利用率高。g p r s 弓i 入了分组交换的传输模式，使得原来采用电路交换 模式的g s m 传输数据方式发生了根本性的变化，这在无线资源稀缺的情况下显得尤 为重要。按电路交换模式来说，在整个连接期内，用户无论是否传送数据都将独自 占有无线信道。而对于分组交换模式，用户只有在发送或接收数据期间才占用资源， 这意味着多个用户可高效率地共享同一无线信道，从而提高了资源的利用率。g p r s 用户的计费以通信的数据量为主要依据，体现了“得到多少、支付多少”的原则。实 际上，g p r s 用户的连接时间可能长达数小时，却只需支付相对低廉的连接费用。 ( 2 ) 传输速率高。g p r s 可提供高达1 1 5 k b i t s 的传输速率( 最高值为1 7 1 2 k b i t s ， 不包括f e c ) 。这意味着通过便携式电脑，g p r s 用户能和i s d n 用户一样快速地上网 浏览，同时也使一些对传输速率敏感的移动多媒体应用成为可能。 ( 3 ) 接入时间短。分组交换接入时间缩短为少于1 秒，能提供快速即时的连接， 可大幅度提高一些事务( 如信用卡核对、远程监控等) 的效率，并可使已有的i i l t e r n e t 应用( 如e m a i l 、网页浏览等) 操作更加便捷、流畅。 ( 4 ) 支持i p 协议和x - 2 5 协议g p r s 支持因特网上应用最广泛的i p 协议和x 2 5 协 议。而且由于g s m 网络覆盖面广，使得g p r s 能提供i n t e r n e t 和其它分组网络的全球 性无线接入。 目前各大通信厂商推向市场的g p r s 终端模块大多不具有t c p i p 协议栈，需要用 户对终端模块进行二次开发。嵌入式系统应用中的g p r s 网络通信的实现手段主要有 两种，一是由嵌入式控制器运行网络协议栈，二是使用自带t c p i p 协议栈的g p r s 通信模块。第一种方案在高档嵌入式网络处理器上实现起来比较简单，且不必为 g p r s 通信增加硬件成本，使用比较广泛，但在未使用高性能处理器的嵌入式系统中 无法提供网络协议运行的环境，则无法实现此方案。这种情况下第二种方案成为了 比较好的选择，即采用已经在g p r s 终端上开发出网络应用的模块，这种模块内嵌网 络处理器年g t c p i p 网络协议栈，给用户的接口通用方便，可以降低开发难度，节约 开发时间。 2 4 3c p l d f p g a 可编程逻辑控制技术介绍 在电路设计和应用中，可编程逻辑控制技术的应用越来越广泛，基于 c p l d f p g a 的可编程逻辑控制具有传统基于处理器和分立逻辑器件的数字系统无 法比拟的优点，在变速率采样系统中的不同速率的信号衔接控制，在系统需要处理 9 塞韭盘茎亟星垡迨塞 箜三奎垂垡圈堡墨基亟丝的益焦企鲤 多个简单但相对独立的信号逻辑判断、事务处理等应用中有着其独特的优势。下面 对基于c p l d f p g a 的可编程逻辑控制技术的发展、特点及应用进行介绍。 随着数字集成电路的广泛应用，数字集成电路本身在不断地进行更新换代。它 由早期的电子管、晶体管、小中规模集成电路、发展到超大规模集成电路，以及许 多具有特定功能的专用集成电路。但是，随着微电子技术的发展，设计与制造集成 电路的任务已不完全由半导体厂商来独立承担。系统设计师们更愿意自己设计专用 集成电路( a s i c ) 蕊l , 片，而且希望a s i c 的设计周期尽可能短，最好是在实验室里就 能设计出合适的a s i c 芯片，并且立即投入实际应用之中，因而出现了现场可编程 逻辑器件( f p l d ) ，其中应用最广泛的当属现场可编程门阵列( f p g a ) 和复杂可编程逻 辑器件( c p l d ) 。 早期的可编程逻辑器件只有可编程只读存贮器( p r o m ) 、紫外线可按除只读存贮 器( e p r o m ) 和电可擦除只读存贮器( e e p r o m ) 三种。由于结构的限制，它们只能完 成简单的数字逻辑功能。 其后，出现了一类结构上稍复杂的可编程芯片，即可编程逻辑器件( p l d ) ，它 能够完成各种数字逻辑功能。典型的p l d 由一个“与”门和一个“或”门阵列组成，而 任意一个组合逻辑都可以用“与或”表达式来描述，所以，p l d 能以乘积和的形式完 成大量的组合逻辑功能。 这一阶段的产品主要有p a l ( n 编程阵列逻辑) 和g a l ( 通用阵列逻辑) 。p a l 由 个可编程的“与”平面和一个固定的“或”平面构成，或门的输出可以通过触发器有 选择地被置为寄存状态。p a l 器件是现场可编程的，它的实现工艺有反熔丝技术、 e p r o m 技术和e e p r o m 技术。还有一类结构更为灵活的逻辑器件是可编程逻辑阵 y l j ( p l a ) ，它也由一个“与”平面和一个“或”平面构成，但是这两个平面的连接关系是 可编程的。p l a 器件既有现场可编程的，也有掩膜可编程的。在p a l 的基础上，又 发展了一种通用阵列逻辑g a l ( g e n e r i c a r r a y l o g i c ) ，如g a l l 6 v 8 ，g a l 2 2 v 1 0 等。 它采用了e e p r o m 工艺，实现了电可擦除、电可改写，其输出结构是可编程的逻 辑宏单元，因而它的设计具有很强的灵活性，至今仍有许多人使用。这些早期的p l d 器件的一个共同特点是可以实现速度特性较好的逻辑功能，但其过于简单的结构也 使它们只能实现规模较小的电路。 为了弥补这一缺陷，2 0 世纪8 0 年代中期。a l t e r a 和x i l i n x 分别推出了类似于 p a l 结构的扩展型c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 和与标准门阵列类 似的f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y ) ，它们都具有体系结构和逻辑单元灵活、 集成度高以及适用范围宽等特点。这两种器件兼容了p l d 和通用门阵列的优点，可 1 0 盔业盘翘茔焦迨垂 笠三圭垂线圈堡苤苤盘续的! 垦堡佥丝 实现较大规模的电路，编程也很灵活。与门阵列等其它a s i c ( a p p l i c a r l o ns p e c m cl c l 相比，它们又具有设计开发周期短、设计制造成本低、开发工具先进、标准产品无 需测试、质量稳定以及可实时在线检验等优点，因此被广泛应用于产品的原型设计 和产品生产( 一般在1 0 ，0 0 0 件以下) 之中。几乎所有应用门阵列、p l d 和中小规模 通用数字集成电路的场合均可应用f p g a 和c p l d 器件。 图2 2p l d 框图 f i g 2 2d i a g r a mo fp l d f p g a ( 现场可编程门阵y r j ) 与c p l d ( 复杂可编程逻辑器件) 都是可编程逻辑器 件，它们是在p a l ，g a l 等逻辑器件的基础之上发展起来的。同以往的p a l ，g a l 等相比较，f p g a c p l d 的规模比较大，它可以替代几十甚至几千块通用l c 芯片。 这样的f p g a c p l d 实际上就是一个子系统部件。这种芯片受到世界范围内电子 工程设计人员的广泛关注和普遍欢迎。经过了十几年的发展，许多公司都开发出了 1 1 盔韭盘生塑生焦硷盍 箜三室垂鸯璺堡叁基塞绫的：垦堡企丝 多种可编程逻辑器件。比较典型的就是x i l i r l x 公司的f p g a 器件系列和a l t e r a 公司 的c p l d 器件系列。 尽管f p g a ，c p l d 和其它类型p l d 的结构各有其特点和长处，但概括起来， 它们是由三大部分组成的。 一个二维的逻辑块阵列，构成了p l d 器件的逻辑组成核心。 输入输出块。 连接逻辑块的互连资源。连线资源：由各种长度的连线线段组成，其中也有 一些可编程的连接开关，它们用于逻辑块之间、逻辑块与输入输出块之间的连接。 典型的p l d 的框图见图2 2 。 对用户而言，c p l d 与f p g a 的内部结构稍有不同，但用法一样，所以多数情 况下，不加以区分。 f p g a c p l d 芯片都是特殊的a s i c 芯片，它们除了具有a s i c 的特点之外，还 具有以下主要优点： 随着v l s i ( v e r yl a r g es c a l ei c ，超大规模集成电路) 工艺的不断提高单一芯片内 部可以容纳上百万个晶体管，f p g c p l d 芯片的规模也越来越大，其单片逻辑门 数已达到上百万门，它所能实现的功能也越来越强，同时也可以实现系统集成。 f p g a c p l d 芯片在出厂之前都做过百分之百的测试，不需要设计人员承担投 片风险和费用，设计人员只需在自己的实验室里就可以通过相关的软硬件环境来完 成芯片的最终功能设计。所以，f p g a c p l d 的资金投入小，节省了许多潜在的花 费。用户可以反复地编程、擦除、使用或者在外围电路不动的情况下用不同软件就 可实现不同的功能。所以，用f p g a p l d 试制样片，能以最快的速度占领市场。 f p g a c p l d 软件包中有各种输入工具和仿真工具，及版图设计工具和编程器等全 线产品，电路设计人员在很短的时间内就可完成电路的输入、编译、优化、仿真， 直至最后芯片的制作。当电路有少量改动时，更能显示出f p g a c p l d 的优势。电 路设计人员使用f p g a c p l d 进行电路设计时，不需要具备专门的i c ( 集成电路) 深 层次的知识，f p g a c p l d 软俘易学易用，可以使设计人员更能集中精力进行电路 设计，快速将产品推向市场。 2 4 ，4 开发工具与应用环境 c p l d 的编译环境是q u a r t u si i ，a l t e r aq u a r t u si i 设计软件提供完整的多平台设 井环境，可以轻易满足特定设计的需要，是单芯片可编程系统( s o p c ) 设计的综合 性环境。q u a r t u si i 软件拥有f p g a 和c p l d 设计的所有阶段的解决方案。有关 1 2 盔业杰主塑芏焦盈童一 一 笠三童垂线图堡鑫苤亟绫曲整签企丝 q u a r t u si i 设计流程的图示说明，见图2 3 。 图2 3 q u a r t u s1 1 设计流程图示 f i g 2 3d e s i g nf l o wo fq u a r t u si i 此外，q u a r t u si i 软件允许设计者在设计流程的每个阶段使用q u a r t u si i 图形 用户界面、e d a 工具界面或命令行界面。可以在整个流程中只使用这些界面中的一 个，也可以在设计流程的不同阶段使用不同的选项。具体见图2 4 。 q u a r t u si i 软件包括模块化编译器。编译器包括以下功能： ( 1 ) a n a l y s i s s y n t h e s i s ( 2 ) f i a e r ( 3 ) a s s e m b l e r ( 4 ) t i m i n ga n a l y z e r ( 5 ) d e s i g na s s i s t a n t ( 6 ) e d an e t l i s tw r i t e r ( 7 ) c o m p i l e rd a t a b a s ei n t e r f a c e 可以在全编译过程中通过选择s t a r tc o m p i l a t i o n ( p r o c e s s i n g 菜单) 来运行 所有的编译器模块。若要单独运行各个模块，可以通过选择s t a r t ( p r o c e s s i n g 菜 单) ，然后从s t a r t 子菜单中为模块选择相应的指令。此外，还可以通过选择 c o m p i l e rt o o l ( t o o l s 菜单) 并在c o m p i l e rt o o l 窗口中运行该模块来启动编译器 模块。在c o m p i l e r t o o l 窗口中，可以打开该模块的设置文件或报告文件，还可以 打开其它相关窗口。 】3 盎业盘生塑芏垡逾盘一 一筮三童垂线圈堡塞苤盘选盟! 亟垡金丝 图2 4q u a r t u s1 1 图形用户界面功能 f i g 2 4 u s e ri n t e r f a c ef u n c t i o no fq u a r t u s1 1 以下步骤描述q u a r t u si i 图形用户界面的基本设计流程： ( 1 ) 使用n e w p r o j e c t w i z a r d ( f i l e 菜单) 建立新工程并指定目标器件或器 一1 4 - 塞a 盘鲎巫主焦盈塞 箍三童垂线圈堡盘塞盘缠鲍：量 垫企丝 件系列。 ( 2 ) 使用t e x te d i t o r ( 文本编辑器) 建立v e r i l o gh d l 、v h d l 或a l t e r a 硬 件描述语言( a h d l ) 设计。可以使用b l o c ke d i t o r ( 原理图编辑器) 建立流程图 或原理图。流程图中可以包含代表其它设计文件的符号。还可以使用m e g a w i z a r d p l u g - i nm a n a g e r 生成宏功能模块和i p 内核的自定义变量，在设计中将它们实例 化。 ( 3 ) ( 可选) 使用a s s i g n m e n