（信号与信息处理专业论文）基于armμclinux远程图像监控系统的研究与设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 图像监控系统是- - i - j 集计算机技术、通信技术和数字图像处理技术于一体 的综合系统。它以其直观、方便、信息内容丰富等特性而被广泛应用于工业生 产、交通、电信、电力、银行、智能办公大楼等场所。网络技术、嵌入式技术 和图像处理技术的发展使得数字化图像数据的网络实时传输和控制成为可能。 嵌入式图像监控系统就是一种以嵌入式技术、图像压缩编码技术、网络传输控 制技术为核心的新型监控系统，它在稳定性、实时性、处理速度、功能、价格、 扩展性等方面和传统的监控系统相比有着突出的优势，同时也代表着目前图像 监控系统研究和发展的方向。 本文设计了一种基于嵌入式的远程图像监控系统，系统以a r m 7 作为核心 处理器，并采用j _ t c l i n u x 操作系统，实现前端采集的图像信息经g p r s 无线信道 进行远程传输。 本文完成的工作包括嵌入式远程图像传输系统硬件平台搭建与软件开发。 硬件方面，完成了以a r m 7 微处理器( s a m s u n g 公司的s 3 c 4 4 b o x ) 为核心的系统 硬件平台搭建。该系统硬件资源包括s 3 c 4 4 b o x ，f l a s h ，s d r a m ，u a r t ，以 太网控制器以及l c d 接口等；软件方面，针对硬件平台完成b o o t l o a d e r 移植和 g c l i n u x 移植，并完成嵌入式监控终端和上位机应用程序的设计。在本系统中把 上位机做为服务器，嵌入式监控终端做为客户端，通过g p r s 网络客户端应用 程序和服务器应用程序在i n t e m e t 上建立联接，从而可以相互访问。 本文首先综述了课题研究的目的意义以及国内外研究现状。其次设计了以 a r m 7 为核心处理器并采用嵌入式l a c l i n u x 操作系统的远程图像监控系统整体方 案。从b o o t l o a d e r 概念出发，对u b o o t 在系统硬件平台上的移植做了详细的分 析，并研究了其在移植过程中经常出现的问题，提出了解决方法。分析了p , c l i n u x 系统结构及驱动程序原理，并在系统硬件平台上实现g c l i n u x 移植。最后研究设 计了系统整体软件设计，包括上位机软件设计和嵌入式终端的软件设计，并给 出了实验结果。 关键词：图像监控；a i 洲；l a c l i n u x ；g p r s a b s t r a c t m o n i t o r i n gs y s t e mo ni m a g ei sa n t e c h n o l o g y , c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y i n t e g r a t e ds y s t e mw h i c hr e f e r st oc o m p u t e r a n dd i g i t a l i m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g y b e c a u s eo fi t s d i r e c t 。v i e w i n g ，c o n v e n i e n c ea n da b u n d a n ti n f o n n a t i o n i th a s 锄 a b r o a da p p l i c a t i o ni nt h ea r e ao fi n d u s t r y , t r a f f i c ，t e l e c o m ，e l e c t r i cp o w e r ，b 砌( i n t e l l i g e n c eb u i l d i n ge t c w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn e t w o r kt e c h n 0 1 0 9 y e m b e d d e d t e c h n o l o g ya n di m a g et e c h n o l o g y , i th a sb e e np o s s i b l et ot r a n s p o r ta n dc o n t r 0 1d i g i t a l t m a g ed a t ao nn e t w o r k i n gr e a l - t i m e e m b e d d e dm o n i t o r i n gs y s t e mi sa n e wd i g i t a l m o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do ne m b e d d e ds y s t e mt e c h n o l o g y , i m a g et e c h n o l o g ya n d r e a l 。t i m en e t w o r kt r a n s p o r tt e c h n o l o g y i th a sm a n y a d v a n t a g e sc o m p a r e dt ot h eo l d m o n i t o r i n gs y s t e m ，s u c ha ss t a b i l i t y , r e a l - t i m ep e r f o r m a n c e ，f u n c t i o n sa n dp r i c ee t c i t i sa l s ot h ed i r e c t i o no fr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ti nm o n i t o r i n gs y s t e m t h ep a p e r d e s i g n sak i n do fr e m o t e m o n i t o r i n gs y s t e mo ni m a g eb a s e do n e m b e d d e ds y s t e m t h es y s t e mi sd e s i g n e db a s e do na r m 7 a si t sc o r ep r o c e s s o ra n d i t c l i n u xa si t so p e r m i n gs y s t e m t h es y s t e ma c c o m p l i s h e st h a tt h ef r o n t e n d i m a g e i n f o r m a t i o nt r a n s p o r tt ot h es e r v e r b yg p r sw i r e l e s sc h a n n e l t h ec o m p l e t e dw o r k si nt h e p a p e ri n c l u d et h eh a r d w a r ep l a t f o r md e s i g na n dt h e s o f t w a r ed e s i g no ft h er e m o t em o n i t o r i n gs y s t e m w i t ht h er e g a r d st ot h eh a r d 、v a r e d e s i g n ，i tc o m p l e t e st h e s y s t e mh a r d w a r ep l a t f o r m d e s i g n b a s e do na r m 7 m i c r o p r o c e s s o ra sc o r em c u t h eh a r d w a r ep l a t f o r mi n c l u d e ss 3 c 4 4 b o x ，f l a s h ， s d r a m ，u a r t , e t h e r n e tc o n t r o l l e ra n dl c di n t e r f a c ee t c a sf a r 嬲t h es o f i w a r e d e s i g n ，i tt r a n s p l a n t sb o o t l o a d e ra n dl a c l i n u xk e r n e lt ot h es y s t e mh a r d w a r ep l a t f o 肿 a n dc o m p l e t e se m b e d d e dc h i pa n dp c m o n i t o r i n gs o f t w a r ed e s i g n i nt h es y s t e mt h e p cm o n i t o r i n ga ss e r v e ra n dt h ee m b e d d e d c h i pa sc l i e n tc a nc o r n m u n i c a t ee a c ho t h e r t h r o u g hg p r sn e t w o r k i nt h ep a p e r i ti n t r o d u c e st h ep u r p o s ea n ds i g n i f i c a n c eo ft h e d e s i g na n dt h e s t a t u so ft h ed o m e s t i ca n df o r e i g nr e s e a r c ha tf i r s t a f t e rt h a t ，i td e s i g n st h ee m b e d d e d l i 武汉理工大学硕士学位论文 r e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mo ni m a g eb a s e do na r m 7a n dt x c l i n u x t h e ni ta n a l y s e s t h et r a n s p l a n t a t i o no fu b o o tt ot h es y s t e mh a r d w a r ep l a t f o r m ，a n dd e t a i l st h e p r o b l e m so ft h et r a n s p l a n t a t i o na n dt h em e t h o d so fr e s o l u t i o nt h ep r o b l e m s i t a n a l y s e st h es t r u c t u r eo fi 上c l i n u xk e r n e la n dt h el i n u xd e v i c ed r i v e r , a n dt r a n s p l a n t s i - t c l i n u xt ot h es y s t e mh a r d w a r ep l a t f o r m a tl a s t ，i td e t a i l st h es o f t w a r ed e s i g no ft h e s y s t e mi n c l u d et h ep cm o n i t o r i n gs o f t w a r ed e s i g na n dt h ee m b e d d e dc h i ps o f t w a r e d e s i g n ，a n dd e s c r i b e st h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s k e yw o r d s ：i m a g em o n i t o r i n g ；a r m ；l 上c l i n u x ；g p r s 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构 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。 研究生签名：丝三磕 f ii 争i 域。叟丝 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部内容， 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名：起三诲一一导师签名： 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究的目的及意义 嵌入式计算机技术、通信技术、数字图像技术等的发展，图像监控技术也 得到了迅速发展，基于p c 的远程图像监控系统得到了迅速地普及【l j 。这种远 程图像监控系统可被广泛应用于那些对于安全要求敏感的场合，如银行，停车 场、仓库、超市、自动贩卖机、a t m 和交通管理等。由于基于p c 的远程图像 监控系统结构复杂，稳定性、可靠性不高，价格高昂，操作烦琐等缺陷，不能 满足某些领域的应用要求1 2 】。 随着人们期望采集点的增多，对采集点的期望值也在增大，这些期望导致 一种新型图像监控系统的诞生基于嵌入式技术和无线通信技术的远程图像 监控系统1 3 j 。 这种监控系统以嵌入式处理器作为核心处理器，集成了嵌入式系统成熟的 图像处理技术、网络通信技术、w e b 技术等，利用现有的计算机网络通信信道 和无线通信信道进行远程图像的传输。现在这种图像监控系统的开发和设计正 越来越多地受到人们的瞩目1 4 1 1 5 1 0 基于嵌入式技术的图像监控系统必将有良好的应用与发展前景，由它代替 当前普遍应用的基于p c 的远程监控系统已成为必然趋势。 1 2 国内外研究现状 图像监控系统的发展大致经历了三个阶段：本地模拟图像监视系统、基于 p c 的多媒体监控系统以及基于嵌入式技术的远程网络监控系统l o j 。 本地图像监控系统主要由摄像机、视频矩阵、监视器、录像机等组成，模 拟视频线将来自摄像机的视频连接到监视器上，利用视频矩阵主机，并通过键 盘进行切换和控制：远距离图像传输时采用模拟光纤，然后通过光端机进行视 频的传输。该系统有很多局限性：首先，有线模拟视频信号的传输对距离十分 敏感：其次，有线模拟视频监控无法联网，只能以点对点的方式监视现场，并 武汉理工大学硕士学位论文 且使得布线工程量极大；另外，有线模拟视频信号数据的存储会耗费大量的存 储介质( 如录像带) ，查询取证时十分烦琐。 基于p c 机的多媒体监控系统由p c 机插视频卡构成，在监控现场，有若干 个摄像机，各种检测、报警探头与数据设备，通过各自的传输线路，汇接到监 控终端机上，该终端可以是一台p c 机，也可以是专用的工业机器。此系统终端 功能较强，便于现场操作。但系统稳定性不好，视频前端( 如c c d 等视频信号的 采集、压缩、通讯) 较为复杂，可靠性不高，p c 机也需专人管理，特别是在环境 或空间不适宜的监控点，这种方式不理想。 随着网络带宽、计算机处理能力和存储容量的迅速提高以及各种实用图像 处理技术的出现，图像监控进入了全数字化的网络时代【n 。对于远程网络远程监 控又分为两种：一种是单独构建无线网，另一种是利用公g s m 。第一种方式由 于要自己进行网络构建包括传输设备，中继站，传输协议制定，工作量比较大。 第二种用g s m 网络实现，这类监控的通信方式是依托遍布全球的g s m 网，它 的最大特点是打破了距离的限制，从而可以实现全国乃至全球漫游监控。这类 监控主要是利用g p r s 数据业务通过i n t e r a c t 进行通信。利用g p r s 进行远程监 控，既避免了开发新的频率资源，又开辟了远程监控的新领域。该系统具有网 络覆盖范围广，系统抗干扰能力强，通信速度快，通信误码率低等优点，并且， 完全利用g p r s 移动通信网络，建设和运行成本低。随着g p r s 网络技术的不 断发展，构筑在g p r s 网上的远程无线测控系统必然能与移动通信技术的发展 同步，因而具有广阔的前景1 8 j 。 1 3 嵌入式系统 1 3 1 嵌入式系统概述 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，其软硬件可配置，对 功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格约束的一种专用系统。 嵌入式系统由嵌入式硬件与嵌入式软件组成，硬件以芯片、模板、组件、 控制器形式埋藏于设备内部，软件是实时多任务操作系统和各种专用软件，一 般固化在r o m 或f l a s h 中。软硬件可剪裁，适用于对功能、体积、成本、可靠 性、功耗有严格要求的计算机系统中。它提供用户接口、管理有关信息的输入 2 武汉理工大学硕士学位论文 输出、监控设备工作，使设备及应用系统有较高智能和性价此【9 1 。 1 3 2 目前较流行的嵌入式操作系统 2 0 世纪8 0 年代起，国际上就有一些i t 组织和公司开始进行商用嵌入式系 统和专用操作系统的研发，其中涌现出一些著名的嵌入式系统【l o l 。 ( 1 ) 1 t c l i n u x i - t c l i n u x 是一套非常优秀的嵌入式自由软件。其具有文件系统，功能强大， 它的内核需要至少5 1 2 k b 存储空间。由于i - t c l i n u x 操作系统是源代码公开的， 其硬件相关部分可以通过定义一些函数移植到不同的硬件平台。具有l i n u x 的宿 主机开发环境，有g n u 的c 交叉编译器的支持，有操作系统的源代码，因此开 发基于嵌入式系统的应用程序将非常方便。 i t c l i n u x 针对无m m u ( t 为存管理单元) 的处理器设计支持多任务，具有完各的 t c p i p 协议栈并支持多种网络协议。i x c l i n u x 还支持多种文件系统，如r o m f s ，n f s ， f a t l 6 3 2 ，e x t 2 等。实际上，p c l i n u x 已经成功应用于路由器、网络摄像机、机 顶盒、p d a 等诸多领域。另外， t c l i n u x 移植性很强，用户通过重新配置，编译 内核，很方便的将其移植到a r m ，c o l d f i r e ，p o w e r p c 等多种处理器硬件平台 上。 ( 2 ) w i n d o w sc e 从整体上为有限资源的平台设计的线程、完整优先权、多任务的操作系统。 它的模块化设计允许它对于从掌上计算机到专用的工业控制器的用户电子设备 进行定制，其操作系统基本内核需要至少2 0 0 k b 的r o m 。 ( 3 ) u c o s i i u c o s i i 是一个开源的小实时操作系统内核，内核代码仅几到几十k b y t e ， 且己有十几年的应用史，并己经被移植到了几乎所有的嵌入式处理器上。它具 有可裁剪( s c a l a b l e ) 、占先式( p r e e m p t i v e ) 、多任务、可确定性、任务栈、系统服 务、中断管理中断的特点。 ( 4 ) v x w o r k s v x w o r k s 是目前嵌入式系统领域中使用较为广泛，市场占有率较高的系统。 它支持多种处理器，如x 8 6 ，m c 6 8 x x x ，p o w e rp c 等等。大多数v x w o r k s a p i 是专用的，采用g n u 的编译和调试器。 3 武汉理工大学硕士学位论文 ( 5 ) p a l m o s 3 c o m 公司的p a l mo s 在p d a 市场上占有很大的市场份额，它有开放的操 作系统应用程序接l a ( a p i ) ，开发商可根据需要自行开发所需的应用程序。 ( 6 ) q n x q n x 是一个实时的、可扩充的操作系统，它部分遵循p o s i x 相关标准。它 提供了一个很小的微内核以及一些可选的配合进程。其内核仅提供4 种服务： 进程调度、进程间通信、底层网络通讯和中断处理。这个灵活的结构，可以使 用户根据实际的需求，将系统配置成微小的嵌入式操作系统。 ( 7 ) p s o s i s i 公司己被w i n r i v e r 公司兼并，现在p s o s 属于w i n r i v e r 公司的产品。这 个系统是一个模块化、高性能的实时操作系统，专为嵌入式微处理器设计，提 供一个完全多任务环境，在定制的或是商业化的硬件上提供高性能和高可靠性。 以上介绍的嵌入式操作系统大都是商业性的，其价格昂贵。而且，由于它 们各自的源代码不公开使得每个系统上的应用软件与其他系统都无法兼容。由 于这种封闭性导致了商业嵌入式系统在各种设备的支持方面存在很大的问题， 使得对它们的软件移植变得和困难。源代码开放的嵌入式操作系统，如u c o s i i 和i x c l i n u x 等，由于自身的诸多优势吸引了众多开发商的目光。 1 4g p r s 简介 g p r s g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ，为通用分组无线业务的简称，是欧洲电 信协会g s m 系统中有关分组数据所规定的标准【l 。g p r s 具有充分利用现有的 网络、资源利用率高、始终在线、传输速率高、资费合理等特点。 g p r s 较大的优势是能够充分利用现有的g s m 网，且g p r s 业务以数据流 量计费，此外，g p r s 可提供高达1 1 5 k b s 的传输速率( 最高值为1 7 1 2 k b s ) 。 g p r s 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。同时，用户只需按数据 通信量付费，而无需对整个链路占用期间付费。实际上，g p r s 用户可能连接的 时间长达数小时，却只需支付相对低廉的连接费用，可使用户的使用费用大大 降低。 g p r s 通信模块就是为使用g p r s 服务而开发的无线通信终端设备。可应用 4 武汉理工大学硕士学位论文 到下列系统集成中：远程数据监测系统、远程控制系统、无线定位系统、物质 管理系统等。 1 5 论文研究内容及结构安排 本文以远程图像监控系统领域现阶段的技术为参考，设计并实现了一种基 于a r m 内核的嵌入式微处理器和嵌入式实时操作系统 t c l i n u x 的远程图像监控 系统。该系统将现场采集的图像信息通过无线( g p r s ) 信道发送至远程监控中心。 这个图像监控系统平台为后继的研究工作提供了一个初步的平台。本文就基于 嵌入式i _ t c l i n u x 系统整体硬件平台设计和系统整体软件设计两个问题进行了研 究。 ( 1 ) 基于嵌入式p c l i n u x 系统整体硬件平台设计 本系统硬件部分主要有三部分组成：主控板模块、图像采集压缩模块和 g p r s 模块。对于主控板本文选择优龙的嵌入式s 3 c 4 4 b o x 开发板，其配置了 2 m 字节f l a s h 和8 m 字节的s d r a m ，并向外扩展了晶振、电源、复位、串 口、l e d 、l c d 接口及以太网控制器等一系列的功能模块。 系统整体硬件平台设计包括系统整体硬件平台的搭建、针对硬件平台的 b o o t l o a d e r 分析移植和i t c l i n u x 的移植。 ( 2 ) 系统整体软件设计 本系统软件设计分为两个大的部分，图像监控终端软件与系统管理终端软 件。系统管理终端作为服务器端负责接受j p e g 图像数据并解码显示。图像监控 终端作为客户端，完成的功能包括图像采集压缩和无线发送，这部分软件设计 在l i n u x 环境下编译，并在w i n d o w sx p 环境下调试完成。 本文在结构组织上共分六章：第一章介绍了本文的研究目的意义与研究内 容；第二章提出了整体设计方案；第三章详细介绍了b o o t l o a d e r 及其移植；第四 章详细介绍了 t c l i n u x 操作系统结构分析及其移植；第五章介绍了系统软件的开 发和实验结果；最后一章结论。 5 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章远程图像监控系统整体方案设计 2 1 系统总体方案设计 本文主要设计了一种基于a r m + p c l i n u x 的远程图像监控系统，系统对于图 像信息的传输有两个设计方案，方案一：借助现有的g p r s 网络完成图像数据 的无线传输；方案二：图像数据通过i n t e r a c t 传输。设计方案如图2 1 所示。本 文所阐述的是基于方案一的设计。在方案设计中，系统由两部分组成，即图像 监控终端和系统管理终端，图像监控终端将采集的图像信息经g p r s 模块调制 后，通过g p r s 网络，然后通过无线网络运营商的网关服务器，接入i n t e m e t 网， 系统管理终端通过网卡从i n t e m e t 网得到图像信息。 图2 1 远程图像监控系统设计方案 整个图像监控系统依照c s 模式设计，由下位机的图像监控终端和上位机 的系统管理终端组成。系统工作时，先由下位机终端启动视频图像采集和压缩 过程并发起与远方上位机端的视频图像数据的传送连接，依据与上位机端的命 令交互决定视频图像压缩数据包的即时传送：上位机端以服务器模式运行，等 待远方采集终端的传送连接并依据需要作好视频图像压缩数据包的接收及解码 处理、图像显示等操作。 6 武汉理l 大学硕+ 学位皓文 2 2 系统硬件平台搭建 远程图像监控系统主要负责采集视频图像数掘、压缩编码视频图像数掘、 传送压缩视频图像数据。远程图像监控系统的硬件主要出以下三部分组成：主 控制模块、图像采集压缩模块和g p r s 模块。图像采集压缩模块和g p r s 模块 都是通过串口连接于土控板模块。系统硬件连接模块框图如图2 - 2 。系统硬件连 接实物如图2 - 3 。 图2 2 系统硬件连接模块框图 图2 - 3 系统硬件连接图 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 1 主控板模块 主控模块采用优龙f s 4 4 b o x 开发板，开发板上主要包含a r m 处理器模块、 电源模块、j t a g 模块、s d r a m 和f l a s h 、串口、网络通讯模块、l e d 模块和 l c d 接口等，主控模块硬件模块框图如图2 - 4 所示。 图2 4 主控板硬件模块框图 对于a r m 处理器模块主控板选用性价比高的3 2 位a r m 微处理器 s 3 c 4 4 b o x ，来组成高效、实时处理、功能全面、操作简单的硬件平台。该微处 理器具有通用性强、提供的硬件资源丰富、有较好的中断处理功能、便于系统 扩展、通信接口种类多、指令系统简单实用等特点。 s a m s u n gs 3 c 4 4 b o x 微处理器是韩国三星公司提供的一款高性价比和高性 能的微控制器，它采用0 2 5 1 x mc m o s 工艺制造，特别适合对成本和功耗敏感的 应用场合，它都采用新的总线结构s a m b a i i ( s a m s u n ga r mc p u 嵌入式控制器 总线结构) 【1 2 】。 s 3 c 4 4 b o x 最突出的特点是它的c p u 核采用a r m 公司的1 6 3 2 位 a r m 7 t d m i r i s c 结构( 主频6 6 m h z ) 。a r m 7 t d m i 系统扩充包括t h u m b 协处理 器、片上i c e 中断调试支持和3 2 位硬件乘法器【1 3 1 。 s 3 c 4 4 b o x 通过在a r m 7 t d m i 内容基础上扩展一系列完整的通用外围器 件，使系统成本降至最低，消除了增加附加配置的需要。s 3 c 4 4 b o x 集成的片上 功能描述如下1 1 4 l ： 2 5 v 供电的静态a r m 7 t d m ic p u 内核，带8 k bc a c h e ： 8 武汉理工大学硕士学位论文 外部存储控制器( f p e d o s d r a m 控制，片选逻辑) ； 1 个专用d m a 通道的l c d 控制器( 最大支持2 5 6 色d s t n ) ； 2 个通用d m a 通道，1 个带外部请求管脚的d m a 通道； 1 个多主机i i c 总线控制器，2 个u a r t 通道； 5 个p w m 定时器通道及1 个内部定时器通道； 看门狗定时器( w a t c hd o gt i m e r ) 7 1 个通用i o 口，8 个外部中断资源； l 通道u s b 总线控制器，8 通道1 0 位a d c ： 具有日历功能的实时时钟( r t c ) ，片上p l l 时钟产生器。 s 3 c 4 4 b o x 的存储器映射见图2 - 5 1 5 1 【1 6 】。有图可知，系统共有8 个存储体 ( b a n k ) ，每个存储体大小为3 2 m b ，故s 3 c 4 4 b o x 的地址空间寻址可达 3 2 * 8 = 2 5 6 m b 。 s r o m u r a m s d 洲 ( n g c s 7 ) 瑚1 脚 r e f e r t o s r o m d r n d s d r a m 嬲鹕2 - j h ( n g c s 6 ) l s r o m 3 ：酣b ( n g c s 5 ) s r o m ( n g c s 4 ) 3 2 悔 s r o m i2 5 6 m bs a l 2 7 ：0 】 3 2 m b a c c e s s a b l er e g i o n ( n g c s 3 ) r s r o m 3 ：! 惦 ( n g c s 2 ) l s r o m l n g c s l ) 3 加 l s p e c i a lf u n c t i o n r e g i s t e r s ( 4 mb y t e s ) s r o m t2 8 m b 7 ( n g c s 0 ) 图2 - 5s 3 c 4 4 b o x 的存储器映射 在本系统中存储器分配：f l a s h 地址0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 开始的2 m 字节，网络芯片 r t l 8 019 基地址0 x 0 6 0 0 0 0 0 0 ，s d r a m 地址0 x 0 c 0 0 0 0 0 0 开始的8 m 字节。分配 状态如图2 6 所示。 9 武汉理工大学硕士学位论文 j s r o ，d r m s d r a m ( n g c s 7 ) 蝴僦啪 t o s d r a mk 4 5 6 4 1 6 3 2 明字节 删胞m b j 伯川 i n g c s 6 ) 0 i c 0 0 0 0 0 0 o x c 7 丌叩p p r s r o m ji ( n g c s s ) 3 2 m b 1 j s r o m ( n g c s a ) 3 2 m b l2 5 6 m bs a 2 7 ：0 1 ( n g c s 3 l i q l 8 0 1 9 3 2 m b a c c e s s a b l er e g i o n s r o m ( n g c s 2 ) 3 2 m b ( n g c s l ) u s b0 1 2 3 2 m b s p e c i a lf u n o t i o n r e g i s t e r s ( 4 mb y t e s ) ( n g c s 0 ) o s ，$ ( 1 0 1 3 0 9 n o ：f 筹节 t2 8 啪7 图2 - 6 系统存储器的分配 以下对主控板上其他模块进行介绍。 ( 1 ) 存储器( s d r a m 和f l a s h ) 模块用来存储程序和采集的图像数据。 作为一种非易失性存储器，f l a s h 在系统中通常用于存放程序代码、常量表 以及一些在系统掉电后需要保存的用户数据等。常用的f l a s h 为8 位或1 6 位的 数据宽度，a r m 系统可以支持8 、1 6 、3 2 位的数据宽度，而且接口简单。主控 板采用s s t 3 9 l v l 6 0f l a s h 芯片，容量为1 m x l 6 b i t 、是最高速度为7 0 n s 的n o r f l a s h ，它通过1 6 位数据总线与c p u 交换数据。n o r 和n a n d 是现在市场上两 种主要的非易失闪存技术。n o r 的特点是芯片内执行x i pe x e c u t ei np l a c e ，这 样应用程序可以直接在f l a s h 闪存内运行，不必再把代码读到系统r a m 中。 n o r 的传输效率很高，在l 一4 m b 的小容量时只有很高的成本效益，因此在嵌 入式系统得到广泛的应用。 与f l a s h 存储器相比较，s d r a m 不具有掉电保持数据的特性，但其存取速 度大大高于f l a s h 存储器，且具有读写的属性，因此，s d r a m 在系统中主要用 作程序的运行空间，数据及堆栈区。主控板采用h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0s d r a m 芯片， 它存储容量为4 组x 1 6 m b i t ( 8 m 字节) ，工作电压为3 3 v ，常见封装为5 4 脚t s o p ， l o 武汉理r 大学硕十学位论文 兼容l t t l 接口，支持自动刷新( a u t o r e f r e s h ) f l 自刷新( s e l f - r e f r e s h ) ，1 6 位数 据宽度。 ( 2 ) 网络通讯模块采用t r l s 0 1 9 网络芯片，提供了1 0 m 以太网的接口，并嵌 八式了t c p i p 协议栈，实现了有线传输信道的建立： ( 3 ) 串口通讯模块用于串口通信； ( 4 ) l e d 显示模块用于将系统运行参数及报警信号显示于本地数码管中，方 便开发人员和用户的测试及维护； ( 5 ) l e d 接1 2 1 ，采用的a r m 芯片内置了l c d 控制器，故预留了l c d 接e l 。 ( 6 ) j t a g 接口可对芯片内部的所有部件进行访问，通过该接口可对系统进行 调试、编程等； ( 7 ) 电源模块为整个系统的运行提供了稳定的电源供应。 2 22 图像采集压缩模块 为了简化系统的设计，图像采集压缩模块采用视频采集压缩卡。视频采集 压缩卡33 v 供电，电流1 9 5 m a ，且模拟信号输入，j p e g 压缩图像输出，图像 的采集和压缩都山硬件实现，减轻了嵌八式系统终端负担。时输出图像采取 标准的r s - - 2 3 2 串口，方便的与a r m 系统板接口。视频采集压缩卡的实物如 图2 7 所示。 图2 7 视频采集压缩 武汉理工大学硕士学位论文 主要特性： 4 路p a l 制式模拟视频信号输入 串口输出j p e g 图像文件。串口为3 3 v t t l 电平( 可承受5 v 电压) ，波 特率为1 2 0 0 - - l15 2 0 0 b p s ，支持r t s c t s 硬件流控制 支持6 种图像分辨率：1 6 0 1 2 0 、1 7 6 1 1 4 、3 5 2 * 2 2 8 、6 4 0 * 4 8 0 、7 0 4 * 5 7 6 支持6 种图像压缩比 支持黑白图像压缩比 可调整两度、对比度、色饱和度 支持自动压缩发送图像 支持同一图像重复发送 支持字符叠! j h ( o s d ) 功能 支持图像侦测功能 3 3 v 供电，电流1 9 5 m a ( 睡眠模式下4 5 m a ) 工作温度范围：一2 0 7 0 技术特点： 能够将模拟视频信号转换为数字视频，并压缩为标准的j p e g 图像文件。最 多可支持4 路模拟视频信号输入，它内部包含了视频切换功能，在大多数情况 下，都不必配备额外的视频切换器。 采用接口为标准的串口，可方便的与p c 、a r m 、d s p 或单片机系统等接口， 也可以支持电台、g p r s 或c d m a 透传m o d e m 、光端机等接口。主机通过发 送控制命令，而压缩卡通过串口发送压缩j p e g 给主机。串口波特率可以在 1 2 0 0 1 1 5 2 0 0 b p s 的范围内设定。串口支持r t s c t s 硬件流控制，也就是说，主 机可以使压缩卡暂停发送数据，这样，主机自身就可以不需要配大容量的缓存， 从而降低了成本，也为资源受到限制的嵌入式系统提供了方便。对于那些低速、 速度不稳定的无线通信系统，还可以利用此功能在通信阻塞的时候暂停输出。 压缩算法完全符合1 5 0 i e c l 0 1 9 8 标准，输出的是标准j p e g 文件，兼容性很好。 此外还支持图像侦测功能，在图像侦测状态下，压缩卡连续捕捉图像，并对图 像进行判别，当有异物入侵时向主机发送报警信息。图像侦测灵敏度以及异物 面积大小均可由主机设定。有快图像捕捉速度和较强的数字图像处理能力。配 以改进的图像侦测算法，取得了较好的图像侦测效果，它可以取代传统的红外 或微波探头。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 3g p r s 无线通信模块 g p r s 无线通信模块主要负责将图像信息以无线方式实时传送给系统管理 终端。本系统使用g p r s 模块h 7 7 1 0 。 h 7 7 1 0d t u 是基于移动通信网络，针对工业监控、交通管理、金融等行业 的数据通信的应用开发的。与数据中心的接口设备一起提供透明数据传输通道， 组成用户专用数据网络。 h 7 7 1 0g p r s c d m ad t u 主要功能： 支持双频g p r s 或c d m ai x 网络； 数据终端永远在线： 支持语音通信； 透明数据传输与协议转换； 支持虚拟数据专用网； 支持动态数据中心域名和i p 地址； 支持t t l r s 2 32 4 2 2 4 8 5 ； 系统配置、维护接口； 短消息数据备用通道( 定制选项) ； 自诊断与告警输出； 采用可插拔式接线端子，适合工控行业应用。 g p r s 模块h 7 7 1 0 支持g p r s 数据g p r sc l a s s2 1 0 ，其编码方案：c s i c s 4 ； 串行数据接口类型为：t t l r s 2 3 2 r s 4 2 2 r s 4 8 5 ；支持s i m 卡；供电电压为： + 7 5 - - - + 2 6 v d c ( 可定制+ 5 v d c ) ；功耗在最大工作电流时为：2 3 0 m a ，+ 1 2 v d c ； 空闲时为：1 2 m a ，+ 1 2 v d c 。 本系统设计中，g p r s 模块通过r s 2 3 2 串口与主控板通信，使用1 2 v 直流 稳压电源为g p r s 模块供电。 2 3 系统整体软件结构 软件的设计分为两部分，图像监控终端软件设计和系统管理终端软件设计。 图像监控终端主要解决控制图像采集压缩卡采集j p e g 图像，接受p c 机端的命 令，嵌入式的无线接入i n t e r n e t ，并将图像上传至i n t e m e t ；系统管理终端负责的 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 j p e g 图像接收和显示，以及监控功能命令的发送。本部分采取v c + + 编写，p c 机采用s o c k e t 通信连接到i n t e m e t 上，侦听无线终端的t c p 连接，由于无线网 络带宽的限制，采用静态图像的传输方式，也就是说，一旦连接成功后，p c 发 送命令给终端采集j p e g 图像或设置终端的状态、图像的压缩比例、图像幅度大 小等。 2 4 本章小结 本章首先从系统总体方案的提出出发，详细论述了系统整体的设计思想， 然后提出了系统硬件平台方案，并说明了主控板模块、图像采集压缩模块和 g p r s 无线传输模块，最后简要说明了系统图像监控终端软件设计和系统管理终 端软件设计。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章b o o t | o a d e r 分析及移植 b o o t l o a d e r 引导程序是嵌入式开发很重要的组成部分，其最基本的功能是进 行硬件的初始化( 包括c p u 的主频、s d r a m 、中断、串口等) 和内核启动参数的 设置并启动内核等【17 1 。功能强大的b o o t l o a d e r 可以和主机进行交互，从串口、 u s b 口或者网络口下载映像文件，并可以对f l a s h 等存储设备进行管理【1 8 1 。本章 以下内容将详细介绍b o o t l o a d e r 。 3 1b o o t l o a d e r 概念 简单地说，b o o tl o a d e r 就是在操作系统内核运行之前运行的一段程序。通过 这段程序，我们可以初始化硬件设备、建立内存空间的映射图，从而将系统的 软硬件环境带到一个合适的状态，以便为最终调用操作系统内核准备好正确的 环境19 1 。 大多数b o o t l o a d e r 都分为两个阶段。依赖于c p u 体系结构的代码，比如设 备初始化代码等，通常都放在阶段一中，而且通常都用汇编语言来实现，以达 到短小精悍的目的：阶段二则通常用c 语言来实现，这样可以实现复杂的功能， 而且代码会具有更好的可读性和可移植性。 完整的b o o t l o a d e r 引导流程可描述如下： 初始化阶段一 硬件初始化 复制二级中断异常矢量表 初始化各种处理器模式 复制r o 和r w ，清零z l ( 跳转到c 代码入口函数) 初始化阶段二 初始化本阶段使用到的硬件设备： 建立人机界面 实现映像文件的下载和烧录工具 实现映像文件的加载和运