（通信与信息系统专业论文）无人值守通信机房的数据采集系统.pdf

摘要 摘要 随着科学技术的飞速发展，传统的数据采集系统已经无法满足人们生产和生活 的需求。取而代之的是数字型的智能数据采集系统，嵌入式技术的发展为这一领域 注入了新的活力，基于嵌入式技术的数据采集系统应用而生并h 得到了广泛关注。 本文采用嵌入式微处理器s 3 c 2 4 4 0 作为主控制器，在嵌入式操作系统l i n u x 的支持 下，设计并实现了基于嵌入式的无人值守铁路通信机房的数据采集系统，主要完成 机房内现场温度的采集和当机房内出现非法入侵时现场图像的采集工作。 本文首先给出了基于嵌入式处理器s 3 c 2 4 4 0 的无人值守通信机房的数据采集系 统的整体设计方案，搭建系统开发所需要的软硬件平台。其次分模块介绍具体实现 的功能，本系统设计分为三大模块：图像采集模块、温度采集模块、网络传输模块。 图像采集部分选用摄像头o v 9 6 5 0 ，利用l i n u x 提供的v i d e 0 4 l n u xa p i 接口函数来 完成机房内的图像采集，并通过帧差法原理实现机房内运动目标的检测，最后经过 图像格式转换和图像压缩，主动上传图像给监控中心。温度采集模块选用单总线型 数字传感器d s l 8 8 2 0 ，通过d s l 8 8 2 0 来监测机房的温度，当机房内温度超过设定限 制时，主动上传温度值实现报警功能。网络传输采用典型的c s 模式，把采集板 s 3 c 2 4 4 0 作为客户端，把监控中心作为服务器端，通过基于t c p l p 协议的s o c k e t 通信技术实现客户端与服务器之问的通信。最后，进行系统测试，所设计系统符合 了设计要求。 本系统采用模块化的设计方法，使得设计更加简洁、高效，具有良好的扩展性和 易用性。 关键词嵌入式l i n u x ：a r m ；s 3 c 2 4 4 0 ：v i d e 0 4 l i n u x ：d s l 8 8 2 0 ：s o c k e t 河北科技大学硕士学位论文 = = ：昌：=：昌= 墨车= ：= 暑：= = = = 昌皇；皇= = = = = = = = = = = = = = = = = = 皇皇昌= = = = = = ；= = = = = = = = 窖= ；= = = = a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f s c i e n c ea n d t e c h n o i o g y ， t h et r a d i t i o n a ld a t a a c q u i s i t i o ns y s t e mh a sb e e nu n a b l et om e e tt h ep e o p i e sp r o d u c t i o na n dn e e d s r e p i a c e d b yad i g i t a li n t e l l i g e n t d a l aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，a n dt h ed e v e i o p m e n to fe m b e d d e d t e c h n o l o g yh a si n i e c t e dn e wv i t a l i t yi n t oi nt h i sa r e a ，t h u si t h a sb e e nm o r ew i d e l yu s e db y t h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mw i t he m b e d d e dt e c h n o i o g y i nf h i sp a p e r ，t h em a i nc o n t r o u e r i st h ee m b e d d e dm i c r o p f o c e s s o rs 3 晓4 4 0 ，i nt h es u p p o no fe m b e d d e dl i n u x0 p e r a t i n g s v s t e m ， h e d a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m b a s e do ne m b e d d e du n m a n n e dr a i l w a y c o m m u n i c a t i o n sr o o mi sd e s i g n e d ，a n di tc a nc o m p l e t et h et a s k o fa c h i e v et h ei m a g e s w h e nt h ee n g i n er o o mh a v ei l i e g a li n v a s i o na n dt e m p e r a t u r eo fe n g i n er o o m ，a n dh a v et h e a b i i i t yt ot i m e l yi n i t i a t i v et h ed a t c o fa b n o r m a l s i t u a t i o n i nt h i sp a p e r w ef i r s t l yp r o p o s et h e0 v e r a l id e s i g no ft h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mw i l h u n a t t e n d e dc o m m u n i c a t i o nr o o m 1 m e nb a s e do nt h ee m b e d d e dp r o c e s s o rs 3 c 2 4 4 0 ，t h i s s y s t e ms e t su pt h eh a r d w a r ca n ds o f t w a r ep l a t f o 肌f o rs y s i e md e v e l o p m e n t s e c o n d l y ， t o t a ld e s i g i ls o l u t i o n t m si sd i v i d e di n t ot h r e em o d u i e s ：i m a g ea c c q u i s i t 彻 m o d u i e ， t e m p e r a t u r ea c q u i s i t i o nm o d u l e ，n e 似o r kt r a n s m i s s i o nm o d u l e i m a g ca c q u i s i t i o nm o d u l e u s e dc a m e 阳o v 蝣5 0 ，l j n u xp r o v i d e sav i d e 0 4 l i n u xa p ii n t e h c ef u n c t i o n st 0c o m p i e t e t h ec n g i n e 啪mo fi m a g ca c q u i s i t i o n ，a n dt h r o u 曲t h ef r a m ed i f f c r e n c cm e t h o dt oa c h i e v e m o v i n gt a r g e t d e t e c t i o ni nt h ep r i n c i p i eo fr o o m f i n a y ，t h r o u g ht h ei m a g ef o 咖a t c o n v e r s i o na n di m a g cc o m p r c s s i o n ，t ou p l o a dt h ei m a 寥t ot h cm o 止t o r i n gc c n t e fa c t i v e l y t 1 l es i n g l e b u sd i g i t a ls e n s o rd s1 8 8 2 0i sa p p l i e dt ot h et e m p e r a t u r ea c q u i s i t i o nm o d u l e a d o p t w h i c ht 0m o n i t o rt h et e m p e r a t u r eo ft h ee n g i n er o o m ，w h e nt h et e m p e r a t u r e e x c c c d st h es e tl i m i t ，u p l o a dt c m p c r a t u r ea c t i v e i ya n df e a l z ct h ea l a 皿f u n c t i o n n e t w o r k t n n s m i s s i o nu t i i i z c st h et y p i c a lc sm o d c ，a c q u i s i t i o nb o a r ds 3 c 2 4 加豳ac l i e n t t h e m o n i t o r i n gc c n t e r 镐as e c r ，b a s e do nt c p 厂i pp r o t o c o ls o c k e tt e c l u l o i o g yt 0r 髓l i z et h e c o m m u n i c a t i o nb e 咐e e nc l i e n ta n ds e e r f n a i l y ，t h es y s t e mt e s t s a n dt h ed e s i 印o f s y s t e mm e e t s t h ed e s i g nr e q u i r e m e n l s 1 n h em o d u l a rd e s i 四m e t h o di su s e di n t h i ss y s t e m ，t h a lc a nm a k et h ed e s i g i lm o 佗 s i m p l ea n de 舾c i e n t ，a n dw h i c hh 雏w e us c a l a b i l i t y 孤du s e f i l i n e 辎 k e yw o r d s e m b e d d e dl i n u x ；a r m ；s 3 c 2 j 蚴；v i d e 0 4 u n u x ；d s1 8 8 2 0 ；s 0 c k e t 第1 章绪论 第l 章绪论 1 1 论文的研究背景及意义 随着我国通信事业的飞速发展，通信设备不断增加和完善，铁路通信也得到了 高速发展。在铁路运行过程中，不仅要保障铁路运j 亍的安全，而且要满足人们对信 息交流的需求，这就对铁路通信机房设备的维护和使用的要求越来越高，铁路通信 机房的作用和地位日益突出。一旦通信机房出现了问题，通讯就会中断，给我们的 生产生活将带来很大的不便。 由于我国铁路通信机房设置数量大、分布广，有的甚至在偏远的山区，因此无 法给每个机房都配置专门的工作人员值守。在这种情况下，如果设备出现故障就可 能无法得到及时了解和排除，对于交通不便的机房，铁路局监控中心发现设备故障 反馈给维修人员后，即使维修人员马上出发，到达现场时也是一、两个小时以后， 在此期间设备一直处于故障状态，导致通信中断，出现数据传输故障问题，当发生 严重事故时，甚至会造成机房内设备报废，现场通信设备长时间瘫痪，后果不堪设 想。如何实时准确地掌握机房的环境状态和设备的运行状况，已经成为通信机房管 理的重要内容和研究目标。 因此，及时的了解各机房设备的运行参数，对于及时快捷的维护运行设备和处 理设备故障，有着至关重要的意义。 “无人值守机房的数据采集系统”即针对解决上述问题，采集机房的各项参数， 如：动力设备参数( 如电压、电流等) 、环境参数( 如温度、湿度、水浸、烟雾等) 。 把采集到的各项参数及时上传给监控中心，及时发现问题解决问题。 随着计算机技术的迅速发展，一般工业数据采集已由传统的测控电路发展为由 微型计算机、接口电路、外部通用设备等组成的现代数据采集与控制系统i 。但是以 微型计算机为核心平台的数据采集系统也逐渐暴露出来了许多缺陷，例如：微型计 算机的防震、防尘等功能较差；体积大，不易携带使用：扩展性差、成本高等。在 由微型计算机和单片机组成的数据采集系统中，计算机与单片机、计算机与计算机 之间经常需要进行数据交换。但是许多数据采集系统都是针对自己特定的应用领域 而建立的，因此，数据采集系统的应用范围受到了很大的限制i2 1 。 同时，人们对数据采集的要求越来越高，不仅要求采集系统具有高速度、高精 度，还要求采集设备便携化、智能化和网络化，而且还需要有好的人机界面等等。 传统的8 1 6 位单片机因资源极度受限，难以满足上诉要求，而p i c 或i s a 数据采集 卡，则存在着安装麻烦、价格昂贵且兼容性差等缺点。3 2 位嵌入式微处理器的出现 河北科技大学硕士学位论文 很好地解决了上述矛盾，它既有传统单片机系统成本低、体积小、功耗低的特点， 又有p c 平台丌发环境好、资源丰富、具备操作系统、用户界面友好的优点，尤其 在多传感器技术、人机接口和控制算法等方面具有特殊的优势。因此，嵌入式系统 在数据采集领域得到了良好的发展。 另一方面，随着计算机技术的飞速发展，嵌入式系统己成为计算机领域的一个 重要组成部分，并且成为了近年来新兴的研究热点。由于过去我国集成电路集成度 和制造水平的限制，嵌入式系统很难得到普及。但是现在我国半导体c i 设计企业已 经可以生产出大量的低成本的微型硅组件，并以此为基础发展出了很多可编程逻辑 和微处器理控制器，这些组件可以运用软件技术来实现或是更改硬件功能，搭配特 定的操作系统或用户接口，可以实现许多新型态应用1 3 1 。 在软件开发部分，为了配合嵌入式系统，业界也已经发展出来了多种嵌入式操 作系统，这些实时操作系统的功能非常强大。目前市场上主要的嵌入式操作系统有： w i n c c 、e m b e d d e dx p 、w i n d o w sm o b i l e 、l i n u x 、v x w b r i 【s 、q n x 等等l 4 。这些操作 系统的广泛应用为基于嵌入式的数据采集系统的实现与普及提供了非常广阔的软件 发展平台。 本课题在传统的单片机数据采集系统的基础上进行了改进，设计了一种基于 a r m 9 的通信机房数据采集系统，具有很好的现实意义，并有助于将传统的数据采 集系统推向高准确性、高实时性、小型化和智能化的新型发展平台。同时，由于嵌 入式操作系统具有可裁剪性和可移植性、性能稳定、接口简单和可视化等特点，又 使得本系统具备了强大的功能，其核心代码只需少量的修改就可以在不同的平台下 移植，只需添加或删除相关的任务代码就能改变部分功能，而不需要对整个系统进 行大的改动。 。无人值守通信机房的数据采集系统”满足了信息化发展的需求，使得维护和 管理从人工例行检查到监控系统自动实时监测和预警，已经成为通信机房无人值守 或少人值守等必不可少的手段。既减轻了劳动强度，又提高了工作效率和维护质量， 使得通信机房的维护和管理工作达到一个新的水平。 1 2 嵌入式系统概述 目前，嵌入式系统一般定义为：以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件 可剪裁，适应应用系统，对功能、可靠性、成本、体积和功耗等严格要求的专用计 算机系统。1 5 叫 1 2 1 嵌入式系统的特点 嵌入式系统是应用于特定环境下、面对专业领域的应用系统，不同于通用计算 机系统的多样性和实用性。与通用计算机系统相比，嵌入式系统具有以下特点1 7 i ： 2 1 ) 嵌入式系统通常都是面向特定应用的，一般都有实时要求。嵌入式处理器大 多动作在为特定用户群所设计的系统中，通常具有功耗低、体积小、集成度高、成 本低等特点，它能够把通用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、专业化，同时移动能力大大增强，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、半导体工艺、电子技术和通信网络技术 与各领域的具体应用相结合的产物。这一特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 ) 嵌入式系统的软件和硬件都必须高效率地设计，在保证稳定、安全、可靠的 基础上，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。 4 ) 为了提高执行速度和系统的可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储 器芯片或单片机本省中，而不是存储于磁盘等载体中。 5 ) 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，所以它的升级换代也是和具体的 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。 6 ) 嵌入式系统本身不具备自我丌发能力，即使设计完成以后通常情况下用户也 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。 1 2 2 嵌入式系统的组成 嵌入式系统通常由软件和硬件两部分组成，硬件部分主要有嵌入式处理器、存 储器及外围元器件和接口电路等，软件部分包括嵌入式操作系统( 0 s ) 和应用程序。 ( 1 )嵌入式系统硬件嵌入式系统的核心部件是嵌入式处理器，它是控制、辅 助系统运行的硬件单元。如图1 1 所示为典型嵌入式系统的硬件基本组成。 i 乜源模块 外围电路 n 弱h liii i 时钟i 微处理器 l r a m i -i li l 删l ll l 复位 i l r o m i -l ll 一 外设 u s bl c d键盘 其他 幽1 1嵌入式系统的硬f ，i ：结构 嵌入式处理器与通用处理器最大的区别在于其大多工作在为特定用户群设计的 3 河北科技大学硕士学位论文 = 声；= 暑= = ；= 篁= = 昌= = = = = 高= = = = 2 = = = = = = = = = = = = 高= = = = = = = 盲= = = ： 穹昌= ：墨= ：=：= = = 暑= 鲁：警篁 系统中，它通常把通用计算机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，并具有高效率、高可靠性等特征。嵌入式处理器可 以分为以下几类1 8 l ： 1 ) 低端的微控制器( m c u ：俗称单片机) ，最大的特点是单片化，体积小，功耗 和成本低，可靠性高。通用系类包括：8 0 5 1 系列，a r m 芯片等。 2 ) 中高端处理器( e m p u ) ：基础是通用计算机中的c p u ，具有体积小、成本低及 可靠性高等优点。目前主要有a m l 8 6 8 8 p o w e r p c 、m l p s 和a r m 系列等。 3 ) 通信领域d s p 处理器( d s p ) ：由于系统结构和指令的特殊设计，d s p 适合 于执行d s p 算法，其编译效率较高，指令执行速度也较快。嵌入式d s p 处理器有代 表性的产品有t m s 3 2 0 系列和d s p 5 0 0 0 、d s p 6 0 0 0 系列。 4 ) 高度集成的片上系统( s o c ) ：s o c 是在一个硅片上实现一个更为复杂的系 统。s o c 分为专用和通用两类：专用s o c 一般用于某个或某类系统中，不为一般用 户使用；通用系列包括t r i c a r c 、m c o r e 、某些a r m 系列器件等。 ( 2 ) 外围设备嵌入式系统中的外围设备是指用于完成存储、通信、调试和显 示等辅助功能的其他部件。常见的嵌入式外围设备有：存储设备( 如r a m 、s r a m 、 f l a s h 等) 、通信设( s p l 接口、网口等) 和人机交互设备( l c d 、键盘等) 。 1 3 )系统软件嵌入式软件系统分为操作系统和应用软件两大部分。如图1 2 所示。 输入输a ： 软件结掏 硬件结构 图l 2 嵌入式系统的软件基本结构 在大型的嵌入式应用系统中，为了使嵌入式开发管理更方便、快捷，需要具备 一种稳定、安全的软件模块集合，用以管理存储器分配、中断处理、任务问通信和 定时器响应，以及提供多任务处理等，即嵌入式操作系统1 9 i 。目前常见的嵌入式操作 系统有：l i 帅x 、w i n d o w s c e 、v x w b r i ( s 、u c ，o s i i 等。 嵌入式系统的应用软件是针对特定的实际专业领域，基于相应的嵌入式硬件平 4 第l 章绪论 台，能完成用户预期任务的计算机软件【旧l 。有些应用软件需要嵌入式操作系统的支 持，但是在简单的应用场合的时候就不需要专门的操作系统。嵌入式应用很显著的 特点就是成本低，因此，为了减少系统的成本，一般情况下，除了精简每个硬件单 元的成本外，都应尽可能地减少应用软件的资源消耗，尽可能地优化系统。 1 2 3嵌入式系统的发展及应用 嵌入式技术的发展大致经历了四个阶段，第一阶段是以单芯片为核心的可编程 控制器系统：第二阶段是以嵌入式c p u 为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系 统：第三个阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统：第四个阶段是以1 1 1 t e r n e t 为标志的嵌入式系统。 当前，嵌入式系统正处在一个飞速发展和激烈竞争的时代，未来的几年里这种 发展和竞争将达到白热化的程度。就嵌入式系统的技术和市场来讲，国外发展速度 极快，技术也日益成熟，市场格局基本形成。而国内发展也增长很快，市场潜力非 常大。在国外，嵌入式系统硬件，特别是嵌入式c p u 的处理能力提升较快，由8 位、 1 6 位升级到3 2 位，掌上电脑、智能手机等产品层出不穷，产业规模同益壮大。在国 内，嵌入式系统关键硬件主要靠国外引进，技术基础较薄。但是国内的个人数字助 理市场火爆，掌上电脑、机顶盒等产品在进入市场后也获得了用户好评，智能手机 市场前景看好。 嵌入式操作系统的也是嵌入式技术的核心。目前，国内外相继推出了很多商业 化嵌入式操作系统，国内较成熟的实时操作系统有d e l t ao s ，已经在一些领域得到 了很好的应用1 1 2 j 。但是由于专用的操作系统价格昂贵并且源代码不公开，l i n u x 系统 因其内核小、源代码完全公开等优点，成为了嵌入式应用中的焦点。 目前，嵌入式技术已经遍及我们生活的各个领域，例如：笔记本电脑、智能手 机、电子游戏、机顶盒、路由器、数码相机等。 1 3 数据采集的国内外研究现状及发展趋势 “数据采集”是指将温度、压力、流量、位移等模拟量采集转换成数字量后，再 由计算机进行存储、处理、显示或打印的过程1 1 3 i 。相应的系统称为数据采集系统。 数据采集系统性能的好坏，主要取决于它的精度和速度。在保证精度的条件下，应 有尽可能高的采样速度，以满足实时采集、实时处理和实时控制的要求。 随着计算机技术、微电子技术和数字通信技术的发展，国外数据采集器的技术 已较初期有了很大的发展。从近年来国外有关公司展示的新产品可以看出，主要的 变化可概括为功能多样化、体积微小化和使用方便化三个方面。具体表现在既是一 台数据采集器，又是一台功能较全的机器状态分析仪，测量频带大，储存量大，能 适应机器从低速到高速的各种检测需要，可利用振动传感器和过程传感器输入多种 5 河北科技大学硕士学位论文 物理量，形成多参数检测系统1 1 4 1 。同时数据采集器还配置l c d 大屏幕背光显示屏， 并尽量减少操作键等，这些都极大地方便了用户的使用。 目前，数据采集与控制系统正朝着两种趋势发展：一种是分散式的控制系统， 它正朝着小型化和直接面向现场的方向来发展，它同时也标志着工控网络时代的到 来：另一种足分布武的系统，它采用高性能处理器或多处理器协同处理以达到高可 靠性、高性能i l 川。为了迎合数据采集系统发展的趋势，高端的嵌入式微处理器和嵌 入式实时操作系统就成为了工控业界的热点。系统的核心部件3 2 位嵌入式处理器在 国外已经得到了广泛的应用，在国内的工控领域也开始逐步发展。基于3 2 位处理器 的数据采集系统，不仅有传统单片机系统成本低、体积小、功耗低等特点，还具有 开发环境好、资源丰富、具备操作系统等优点，尤其在多传感器技术、人机接口和 控制算法等方面具有特殊的优势，因而在数据采集领域有很好的发展前景。 1 4 本文的研究内容及工作安排 本课题是在分析传统的单片机数据采集系统的基础上，提出了基于a r m 9 嵌入 式的无人值守通信机房的数据采集系统。在嵌入式设备终端上完成机房温度采集、 机房内部的图像采集、图像的入侵检测、图像压缩、温度和图像数据的网络发送等 工作的设计，并在监控中心建立n f s 服务器，实现无人值守通信机房的远程监控。 本文的主要内容： 1 1 嵌入式l i n u x 平台及其开发环境的构建： 2 1 基于v i d e 0 4 l i n u x 的图像采集程序的丌发； 3 ) 图像入侵检测、图像的格式转换及压缩的实现： 蚋d s l 8 8 2 0 的驱动程序的设计和移植： 5 ) 基于t c p i p 协议的s o c k e t 编程，实现图像和温度数据的网络发送： 6 1 监控中心n f s 服务器的建立。 本文的工作内容主要分为六部分，安排如下： 第l 章绪论本章主要论述了课题的研究背景及意义，嵌入式系统的组成及 特点和数据采集系统的国内外研究现状，并给出了本文的研究内容和工作安排。 第2 章系统总体设计首先给出了本数据采集系统的总体设计方案，分析了 嵌入式系统的开发流程。其次分别论述了系统开发的软件、硬件平台，介绍了a r m 技术和s 3 c 2 4 4 0 的体系结构，嵌入式系统的组成及开发环境。 第3 章图像采集的研究与实现首先介绍本数据采集系统中图像采集的方 案，讨论了图像序列中运动目标的检测方法。然后利用v i d e 0 4 “n u x 提供的接口函数 实现图像的采集，接着采用帧差法实现对机房内的运动目标的检测。最后介绍了图 像的格式转换和图像的压缩方法，先将图像由r g b 5 6 5 格式转换成为r g b 2 4 格式，接 6 着保存为b m p 格式，最后采用j p e g 压缩算法实现图像的压缩。 第4 章温度采集的研究与实现首先介绍了机房温度采集的方案，然后详细 介绍了单总线型数字温度传感器d s l 8 8 2 0 的内外结构及工作原理。随后论述了主控 制器s 3 c 2 4 4 0 与d s l 8 8 2 0 的物理连接和通信过程。最后设计温度采集的应用程序实 现机房的温度采集。 第5 章网络传输的设计与实现本章主要介绍网络传输的模式与传输过程。 网络传输模式采用典型的c s 模式，采集核心板s 3 c 2 4 4 0 作为客户端，监控中心做 为服务器端，采用基于t c p i p 协议的s o c k e t 通信技术实现客户端与监控中心的通信。 首先介绍了l i n u x 下的s o c k e t 和s o c k e t 编程原理，然后分别设计了客户端与服务器 端的通信程序。最后设计了面向连接的s o c k e t 通信过程。 第6 章系统测试及运行结果首先介绍了n f s 服务器的建立过程，接着分别 给出了图像和温度数据的上传结果。 结论 对所完成的任务进行总结，并总结了所做工作中的不足，指出了在今 后的研究工作中需要继续深入研究的地方。 7 河北科技大学硕士学位论文 第2 章系统总体设计 本文设计基于a r m 9 嵌入式单片机的无人值守通信机房的数据采集系统，主要 完成铁路无人值守通信机房内的温度和机房内出现非法入侵时的现场图像的采集工 作，并且能够主动把采集到的异常情况的数据及时的上传给监控中心，实现无人值 守通信机房的远程监控。数据采集系统的采集核心板采用a r m 9 处理器的天嵌公司 的s 3 c 2 4 4 0 开发板，在l i n u x 操作系统的支持下，控制和完成机房的数据采集工作。 整个系统设计分为四大模块：图像采集模块、温度采集模块、采集核心板控制 模块、网络传输模块。系统设计结构如图2 1 所示。 图2 l 系统总体设计方案 图像采集模块采用c m o s 类型的o v 9 6 5 0 摄像头，负责采集机房内出现异常情 况时的现场图像，根据帧差法原理来完成机房内现场图像的采集工作。因被检测机 房内无人值守，所以机房内的现场环境处于相对静止状态，一旦出现非法入侵，则 机房内的现场环境会出现变化，前后两帧图像之问的像素差值会很大，此时，摄像 头开始采集图像，记录非法入侵的现场情况。如果机房内一直保持相对静止状态， 则摄像头不采集图像。 温度采集模块采用基于单总线型的数字温度传感器d s l 8 8 2 0 ，负责采集机房内 的现场温度，并把检测到的温度值传送给采集板，完成机房内的温度采集工作。 采集核心板采用基于a r m 9 的s 3 c “4 0 开发板，负责控制温度采集模块和图像 采集模块，并通过判断和分析所检测的数据，将异常数据主动数据通过网络上传给 监控中心。同时，接收来自于监控中心的命令，实现数据采集系统与监控中心的双 向通信。 网络传输模块负责数据采集系统与监控中心之间的通信。本系统设计采用典型 的c 】s 模型，采集核心板s 3 c 2 4 4 0 作为客户端，监控中心作为服务器端，通过基于 8 圣三垡坠。丝箜丝童。一一一；一。；，。 t c p i p 协议的s o c k c t 通信技术完成采集系统与监控中心之间的通信。 2 1 嵌入式系统开发流程 嵌入式系统的开发过程与通用系统的，f ：发流程存在很大的差别，在进行嵌入式 开发以前，我们首先了解嵌入式系统的开发流程，并对系统的各个模块进行简要的 说明。其总体流程图如图2 2 所示。 图2 - 2 嵌入式系统开发流挫幽 在系统总丌发过程中由于嵌入式系统与硬件系统依赖非常紧密，往往某些需求 只能通过特定的的硬件才能实现，因此需要进行处理器的选择，以便更好的满足产 9 河北科技大学硕士学位论文 品的要求l l 。另外，对于有些硬件和软件都可以实现的功能，就需要在成本和性能 上做出抉择，往往通过硬件实现会增加产品的成本，但能大大提高产品的性能和可 靠性。 再次，开发环境的选择对于嵌入式系统的开发也有很大的影响。这里的开发环 境包括嵌入式操作系统的选择以及开发工具的选择等。 系统需求分析：根据具体需要，确定系统所要完成的任务和要达到的目标，最 后制定设计说明。 体系结构设计：描述系统对硬件、软件的功能需求，以及包括这两个方面的选 型等。 软硬件设计：根据体系结构设计，对软硬件进行详细的设计，其大部分设计都 要集中在软件设计上。 系统集成：把系统的软件和硬件集成在一起进行综合调试，发现问题及时改进。 系统测试：对设计好的系统进行测试，检测系统是否满足设计目标。 2 2 系统开发的硬件平台 一个系统的主控制器的选择非常重要，关系到系统设计的成功与否。而选择合 适的系统主控制器往往需要考虑诸多方面的因素，例如：主控制器的开发难易度、 外围资源是否丰富以及外围资源能否充分地被系统所利用、控制与处理能力以及功 耗是否能满足系统的需要、片源及价格等等，以上这些因素在设计一个好的系统之 前都需要充分地进行调研论证和评估，以得出最佳的设计方案1 1 7 j 。 当前可供选择的处理器芯片的种类很多，比如单片机、d s p 芯片、a r m 芯片和 f p g a ( 现场可编程阵列) 芯片等等。这些芯片都有各自的优缺点。单片机的控制功 能较强，有较多的外围控制器，但主频较低，计算和处理信息的能力相对较弱，一 般适用于任务比较单一的控制应用场合。d s p 芯片一般用于数字信号处理的专用芯 片，它的运算能力较强，而且主频较高，但是它的控制能力要相对偏弱。a r m 芯片 的处理能力和控制能力都较好，功耗也低，但是计算能力一般1 1 8 l 。f p g a 芯片是一 种可编程的逻辑芯片，它的外围控制器可以根据系统的具体需要来定制，可是使用 现有的i p 核或自己编制，运用起来比较灵活，但是开发难度较大，而且开发周期一 般都很长。 单片机、d s p 芯片和a r m 芯片都是专用集成电路芯片中的一种，都有自己的开 发工具、仿真工具、操作系统和应用方面的支持，它们的开发难度都不是很大，所 以在很多系统中得到了广泛的应用。根据多次的方案论证和考察，本系统决定采用 天嵌公司的t q s 3 c 粼开发板作为系统的主控制器，s 3 c 2 4 4 0 开发板资源丰富，能 够很好的实现本系统设计想要实现的功能。 l o 第2 章系统总体设计 2 2 1a r m 处理器 a r m 即a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s 的缩写【1 铆。它既是一个公司的名字，也是一类 微处理器的统称，还可以把它理解为一种技术的名字。 a r m 处理器采用r i s c ( r e d u c e dl n s l r u c t i o ns e tc o m p u t e r ，精简指令集计算机) 结构，是在一种可扩展、可移植、可集成的处理器。a r m 微处理器般都具有以下 特点1 2 0 i ： 1 1 体积小、低功耗、低成本、高性能： 2 ) 支持t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 双指令集，能很好地兼容8 位1 6 位器件； 3 ) 大量使用寄存器，指令执行速度快，大多数数据操作都在寄存器内完成： 4 ) 寻址方式灵活简单，执行效率高。 目前，a r m 处理器内核已经有多个系列的产品，例如：a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 、 s e c u r c o r e 以及a r m l l 系列。每一系列都提供一套特定的性能来满足设计者对功耗、 性能和体积的需求。a r m 家族的所有成员都共享同一个基本指令集即3 2 位a r m 指 令集，不同的产品有不同的扩展集。a r m 指令集是基本指令集，包括数据传输、数 据处理、流程转向、协处理器指令1 2 1 l 。可见，a r m 指令集对于一般的控制应用绰绰 有余，而且其3 2 位r i s c 的特性使得其性能要远远优于一般的8 1 6 位单片机。 现在，a r m 微处理器及技术的应用已经深入到工业控制、网络应用、无线通讯、 消费类电子产品等各个领域，相信在未来肯定会得到更加广泛的应用。 2 2 2s 3 c 2 4 4 0 开发板 t q s 3 c 2 4 4 0 丌发板采用s u m s u n g 公司出产的处理器s 3 c 2 4 4 0 ，该处理器是集成 了a r m 9 2 0 r r 内核的3 2 位微处理器，具有功耗低、处理速度快和计算能力高等优点， 是一款以手持设备为主的芯片，很适合一些功耗低、简单稳定的设计。 s 3 c 2 4 4 0 本身资源丰富，主频4 0 0 m h z ( 最高可达5 3 3 m h z ) ，板载6 4 m bs d 洲， 时钟频率高达1 0 0 m h z ，2 5 6 m bn a n df l a s h ，2 m bn o rf l a s h 。当我们需要进行数据 采集的时候，就可以直接将采集到的数据输入缓冲区中或者是以文件的形式保存起 来，并且能够通过移植数据处理程序，从而进行相关的数据处理工作。同时，丌发 板的核心板采用3 3 v 供电，内核采用专业1 2 5 v 核心电压供电，完美解决了c p u 发热现象。其硬件特性如下所示： 串口：五线异步串行口( u a r 拍) ，可外接串口扩展出另两个串口( u a r t l 和 u a r l r 2 ) ： 网络接口：1 0 0 md m 9 0 0 0 网卡，带联接和传输指示灯： u s b 接口：u s bh o s tj 安口，u s bd e v i c e 接口； 存储接口：一个s d 卡接口，最大支持3 2 g bs d 卡： 河北科技大学硕士学位论文 音频接口：采用芯片u d a l 3 4 l ，立体声音频输出，可录音； c a m e r a ：标配1 3 0 w 像素摄像头，可支持a 、，信号视频输入或更高像素的摄像头： 调试接口：j t a g 接口，支持a d s l 2 ，k e i i 等软件的单步调试功能； 复位电路：采用专业复位芯片8 1 1 进行复位，稳定可靠： 用户按键：4 个用户按键，可以使用外部中断； l e d 灯：4 个用户l e d 灯，使用g p i o 口控制： 时钟源：内部实时时钟( 带有后备锂电池) ： l c d 接口：集成了4 线电阻式触摸屏接口，支持8 0 0 6 0 0 ，“0 + 4 8 0 ，3 2 0 木2 4 0 等 不用分辨率的t f tl c d ，可接v g a 转接板。标配n e c2 5 6 k 色2 4 0 搴3 2 0 3 5 英寸t 丌 真彩液晶屏，带触摸屏： 扩展接口：1 个3 4p i n2 o m mg p i o 接口：1 个4 4 p i n2 o m m 系统总线接口： 操作系统支持：l n u x2 6 内核以上：w i n d o w s c e n e t 4 2 。 2 3 系统开发的软件平台 2 3 1 嵌入式l i n u x 操作系统 随着嵌入式操作系统的广泛应用，业界已经推出了多种比较成功的嵌入式操作 系统，主要有：w i n d o w sc e ，v xw | o r l ( s ，l i n u x 、c o s i i 等1 2 l 。 现在很多高端r t o s 供应商所提供的嵌入式操作系统功能已经非常强大，但是 其价格也比较高，一般用户难以接受。l i n u x 自1 9 9 1 年问世以来，已经发展成为了 一个功能强大设计完善而且免费的操作系统。目前l i n u x 在商场上占有相当大的份 额，可以与传统的商业操作系统分庭抗礼。在嵌入式领域l i n u x 也同样获得了很好 的发展，现在正在开发嵌入式系统中，有几乎一半的项目选择用“n u x 作为嵌入式 操作系统。l i n u x 之所以如此成功，与其优良特定是分不开的陋i ： 1 ) l i n u x 源码开放、完全免费，是开源的操作系统，可极大地降低产品成本。 而且，l i n u x 上的资源非常丰富，所有的通用程序在l i n u x 上都可以找到。任何人或 单位只要遵循g p l ( g e n e m lp u b l i cl j c c n s e ，g n u 通用公共许可证) 协议就可以自 由发布和使用l j n u x 软件。 2 ) u n u x 内核精简，各部分的功能明确，可扩展性强，易于裁剪。在内核模块中， 进程管理、内存管理和文件系统是三个基本的子系统。用户程序可以直接通过系统 调用或者函数库来访问内核的资源 3 ) l j 删x 有良好的可移植性和稳定性。i j n u x 的硬件驱动非常丰富，支持各种主 流硬件设备和最新硬件技术。 4 ) 支持t c p i p 协议，有强大的网络功能。u 咖x 天生就是一个网络操作系统， 它几乎定制了所有的网络协议和网络接口，这一点是别的嵌入式操作系统所不具备 1 2 第2 章系统总体设计 的。 5 ) 良好的开发工具包 嵌入式l i n u x 为用户提供了一套很优秀的完整开发工具链，多种集成开发环境， 能够方便地实现从操作系统内核到用户态应用程序各个级另l j 的调试。而且这个开发 工具都可以免费使用。 由以上可见l i n u x 是嵌入式操作系统的理想选择。在本系统设计中操作系统采 用l i n u x 2 6 3 0 4 。 2 3 2 “n u x 操作系统组成 嵌入式系统主要由b o o t i o a d e r 、“n u x 内核、根文件系统及应用程序组成1 2 4 1 。嵌 入式l i n u x 系统层次结构如图2 3 所示。 用户应用程序( 图像及温度采集程序) t 文件系统 t l j n u x 内核 t b l i o r ( u - b t ) t 殃件平台( c p u 、s d i 认m 等) 幽2 3 嵌入式l j n u x 系统层次结构 ( 1 )b t i 蚰d e r 在嵌入式系统中，系统引导程序( b 0 0 t i o a d e i ) 的作用与p c 机上的b 1 0 s ( b a s i ci n p u to u i p u ts y s t e m ，基本输入输出系统) 类似，通过b 0 0 t l o a d e f 我们可以完成对开发板上的主要部件( 如c p u 、s d r a m 、f l a s h 、串口等) 进行初 始化操作，也可以下载文件到系统板、对f l 弱h 进行擦除与编程。 本系统中的引导程序选择的是u b 0 0 t ，它是一个庞大的公开源码的软件。u b o o t 支持一系列的a r m 体系，包含常见的外设的驱动，是一个功能强大的板极支持包。 通俗地讲，u b 0 0 t 即在操作系统内核运行之前运行的一段小程序1 2 5 1 。通过这段 小程序，可以初始化硬件设备、建立内存空间的映射图，将系统的软硬件环境带到 一个合适的状态，以便于为最终调用操作系统内核准备好正确的环境。 ( 2 ) l i n u x 内核在本系统设计中操作系统采用嵌入式“n u x ，该嵌入式l i n u x 的内核版本为i i n u x 2 6 3 0 4 ，应用程序基于嵌入式l i n u x 基础之上。嵌入式l i n u x 性 能优异，代码完全开放，有许多的应用软件支持，开发周期短，实时性能和稳定性 都良好，很适合作为本系统的操作系统。 1 3 河北科技大学硕士学位论文 ( 3 )文件系统文件系统是指在计算机上命名、安排和存储文件的方法，是 l i n u x 操作系统的重要组成部分，l 肿x 内核在系统启动期间进行的最后一项重要操 作就是安装根文件系统。文件系统中的文件是数据的集合，它不仅包含着文件中的 数据而且还有文件系统的结构，所有l n u x 用户看到的文件、目录、软件连接及文 件保护信