（检测技术与自动化装置专业论文）基于嵌入式linux的低照度图像识别系统研究.pdf

硕士学位论文 摘要 指针式仪表是工业领域中应用非常普遍的测量仪表之一，不仅种类多，而且数量大。 如压力表、百分表、电压表、汽车仪表等等。本文实现了基于嵌入式l i n u x 的仪表图像 采集系统，利用灰度图像的预处理技术，如灰度化、图像滤波、增强、边缘检测以及h o u g h 变换在低照度下对仪表指针图像进行处理，并自动识别指针示数。 本文首先简要介绍了仪表图像采集系统的实现方案，说明了基于嵌入式l i n u x 开发 的特点，然后把仪表图像采集系统分为硬件设计和软件设计两大部分。硬件部分主要设 计了s 3 c 2 4 1 0 处理器与存储器和网络控制芯片等接口的连接，在此基础上，重点搭建了 仪表图像输入模块。软件部分则是实现基于嵌入式l i n u x 下u s b 接口c m o s 图像传感 器的驱动加载和利用v i d e 0 4 l i n u xa p i 函数设计图像采集应用程序，接着重点研究了对 直流传动系统上的电压表指针位置进行识别处理的原理、步骤以及具体的实现过程，针， 对光照条件较好的情况下的传统的图像识别方法存在的缺陷，提出了一种新的适合低照 度条件的指针角度识别算法。通过实验结果显示，该算法具有计算简单、适应性强、处 理效果好等诸多优点，解决了低照度对指针角度识别的干扰的问题，为准确识别指针读 数奠定了基础。 关键词：嵌入式l i n u x ；v i d e 0 4 l i n u x = s 3 c 2 4 1 0 ；低照度；指针角度识别 基于嵌入式l i n u x 的低照度图像识别系统研究 a b s t r a c t b e c a u s eo f l a r g ea m o u n to fv a r i e t i e sa n di nq u a n t i t y , a n o l o gm e a s u r e m e n ti n s t r u m e n t s h a v eb e c o m eo n eo ft h em o s tp o p u l a rm e a s u r e m e n ti n s t r u m e n t si nt h ei n d u s t r yf i e l d f o r e x a m p l e , p i e z o m e t e r , c e n t e s i m a lm e t e r , v o l t a g em e t e r , a m p e r e m e t e ra n ds oo n t h i st h e s i sh a s r e a l i z e dm e t e ri m a g ec a p t u r es y s t e mb a s e do ne m b e d d e dl i n u xa n du s e 8m a n yg r a y i m a g e p r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , s u c ha sg r a yp r o c e s s i n g , i m a g ef i l t e r i n g , e n h a n c e m e n t , e d g ed e t e c ta n d h o u g hp r o c e s s i n g , t oc o m p l e t et h ep r o c e s s i n go fi m a g eu n d e rl o wl i g h ta n dr e c o g n i z ep o i n t e r a n g l ea u t o m a t i c a l l y f i r s t l y , t h i sp a p e rb r i e f l yi n t r o d u c e st h ei m a g ec a p t u r es y s t e m sr e a l i z a t i o ns c h e m e ，t h e n p r e s e n t sc h a r a c t e r i s t i co f t h ee m b e d d e ds y s t e md e v e l o p m e n t b a s e d0 1 1t h i s ，t h ew h o l es y s t e m d e s i g ni sd i v i d e di n t oh a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g nt w op a r t s i nh a r d w a r ed e s i g np a r t , e x p l a i n se s p e c i a l l yt h ei n t e r f a c eo f $ 3 c 2 4 1 0c p uc h i pw i t hm e m o r ya n dn e t w o r kc o n t r o l l e r c h i p i ns o f t w a r ed e s i g np a r t , d i s c u s s e su s bc m o si m a g es e n s o rd r i v e rr e a l i z a t i o na n dh o w t ou s ev i d e o l i n u xa p if u n c t i o n st or e a l i z ei m a g ec a p t u r i n g s e c o n d l y , p r e s e n t se s p e c i a l l y i m a g ep r o c e s s i n ga n dr e c o g n i t i o nm e a n so ft h ev o l t a g em e t e rp o i n t e rp o s i t i o n b ea i m e da t t h ef l a wo ft h ec o n v e n t i o n a li m a g er e c o g n i t i o nm e t h o du n d e rb e t t e ri l l u m i n a t i o nc o n d i t i o n , t h ea t t i d ep u t sf o r w a r d san e wm e t h o d w h i c hi sa p p l i c a b l ef o ri d e n t i f y i n gp o i n t e ra r e au n d e r b a di l l u m i n a t i o nc o n d i t i o n t h r o u g hag r e a td e a lo fd i f f e r e n tc o n d i t i o n a le x p e r i m e n t s ，t h i s m e t h o dh a sm a n ya d v a a t a g e s ，s u c ha ss i m p l ec o m p u t i n g , g o o d a p p l i c a b i l i t ya n dg o o d p r o c e s s i n gr e s u l t t h i sm e t h o ds o l v e st h ep r o b l e mo fi d e n t i f y i n gp o i n t e ra l o au n d e rb a d i l l u m i n a t i o nc o n d i t i o na n de s t a b l i s h e st h eb a s i cf o ri d e n t i f y i n gt h ep o i n t e rp o s i t i o na n d c o m p u t i n g t h ep o i n t e ra n g l e k e yw o r d s ：e m b e d d e dl i n u x ；v i d e 0 4 l i n u x ；$ 3 c 2 4 1 0 ；l o wu g h t ；p o i n t e ra n g l e r e c o g n i t i o n 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体己经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：苍沿洙日期：砷年歹月蝈 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 i 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。， ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名 导师签名 日期：坷年夕月2 日 日期：捌年j 月 硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 指针式仪表识别的研究现状 图像信息是人类获得外界信息的主要来源，图像中蕴涵着对事物本质的描述，也是 人类最易接受的表达形式。随着计算机硬件性能的提高和软件技术的发展，将计算机应 用于近代光学识别领域，进行光学图像信息的数字化处理、分析和表示，是测试技术向 自动化、实时化、高精度、高效率发展的一个重要方向。图像识别技术是以现代光学为 基础，融光电子学、计算机图形学、信息处理、计算机视觉等科学技术为一体的现代识 别技术。它以光学系统所成图像为信息载体，经过a d 转换，利用计算机来分析采样信 号并从中提取可用信息，所得结果再以模拟或数字方式输出。 图像处理用于识别系统有其独特的特点：它不干扰被测对象，特别是在采用非接触 测量的场合，不仅安全可靠，而且能达到很高的精度。近几年来，图像处理技术的应用 已经得到了很大的推广。而图像自动识别系统主要利用图像处理技术进行工作。主要包 括几个部分：图像的获取、图像的定位和分割、图像的识别等。图像的获取主要是利用 c m o s c c d 现场实时采集获取含有目标图像的图像，图像的定位和分割主要是把含有 目标的图像进行有用信息定位和分割，图像的识别就是把目标图像从获取的图像中识别 出来。 国内外在数字图像处理这一领域的研究已经有很多年的历史，许多相关的理论均已 经成熟，各种算法和技术也十分丰富，其研究成果为本文的研究提供了坚实的理论基础。 1 1 1 图像识别技术发展 目前国内图像识别的研究大多数是关于数字、文字、指纹、人脸、物体外形以及医 学等方面，并对图像识别的图像分割、特征信号提取、边缘检测、纹理识别等的算法提 出了一些新方法，取得了一定的研究成果。 1 人脸识别【l - 2 目前人脸识别技术发展较快，特别是基于正面静态人脸检测与识别、人脸特征的提 取、基于多姿态的人脸识别等方面已取得大量的研究成果。现今研究的热点主要集中在 以下几个方面：数据融合与方法综合、动态跟踪人脸识别系统、基于小波神经网络的人 脸识别和三维人脸识别等。 2 车牌识别 车辆牌照识别系统作为车辆自动识别的一种重要形式，广泛用于电子收费、出入控 制、车流监控等重要场合。车牌定位作为车辆自动识别中的重要环节，对系统识别精度 有重要的影响。典型的车牌识别方法主要有：j b a r r o s o 提出的基于水平线搜寻的识别方 法【3 】；r p a r i s i 等提出的基于d f t 变换的频域分析方法1 4 1 。另外，灰度阈值、区域增长、 基于嵌入式l i n u x 的低照度图像识别系统研究 边缘检测、频域和空间分割等方法也在传统的车牌识别技术中得到大量的应用。 3 指纹识别 指纹识别是依据人的手指尖表面的脊、谷线分布状态来识别和验证人身份的方法， 是当前身份鉴定中广泛使用的一项生物特征识别技术。指纹自动识别是将采集的指纹图 像和预先存储的指纹图像模板进行特征匹配来实现的，其工作过程一般包括对指纹图像 的预处理、特征提取、特征比对等步骤。基于方向图的指纹识别方法p 】是目前应用较为 广泛的指纹图像识别方法。 4 光学字符识别 光学字符识别( o c r ) 过程首先使识别设备学习、记忆将要辨识字符的特征，使这些 特征成为识别系统自身的知识，然后再利用这些先验知识对输入图像进行判决，得到字 符的识别结果。通常，根据不同的技术策略，识别方法可以分为如下几类：统计特征字 符识别技术、结构字符识别技术和基于神经网络的识别技术。 图像识别中的一个非常重要而又难于解决的问题则是光照问题，目前许多识别方法 对光照条件都有不同程度的依赖，过亮、过暗或偏光现象的存在都可能导致识别率的急 剧下降。虽然目前己提出了一些具体的解决方案，但总的说来，对于光照问题的研究还 相对较少，缺乏高效实用的算法。早期的解决思路是尽可能采用对光照变化不敏感的图 像表示法，如高斯滤波、图像的二维g a b o r 函数滤波等方法。虽然它们对光照变化都有 补偿作用，但仍存在一定的局限性。同时，m o s e s 等【6 】从理论上证明，对于光照保持不 变性的函数是不存在的。 1 1 2 仪表指针识别现状 指针式仪表是工业领域中应用非常普遍的测量仪表之一，不仅种类多，而且数量大。 如压力表、百分表、电压表、汽车仪表等等。这类仪表是将输入到表内的模拟信息量转 换为指针的偏转角度，然后根据指针的偏转情况读出输入表内的模拟量的大小，实时显 示指针的读数。 近年来，国外基于图像识别技术在工业生产中也有非常广泛的应用研究，基于图像 处理的指针识别是其在电力系统中重要的应用方向。电力系统的通信机房和变电站的很 多设备仪表带有指针如：电压表、电流表、温度表、油位表等。指针位置识别是利用远 程视频监控系统对设备或仪表指针进行实时监控并截取现场图片。利用图像处理技术， 确定指针位置和角度，计算指针读数，判断是否需要报警。这对确保电力企业的生产安 全有着重要的现实意义。 对指针式仪表的识别在国内外都有人做过相关方面的研究，取得了宝贵的经验。有 的学者设计出了指针识别系统i 6 - q ，但可靠性不高。也有的研究人员提出基于视觉颜色 聚类和模糊识别方法进行识别【s 捌，但过程复杂且效果不能令人满意。 c o r r e a a l e g r i a 等人在文献 1 0 1 中详细论述了利用机器视觉对指针式仪表的检定的过 2 硕士学位论文 程，首先采用摄像头采集全局的表盘图像，然后利用减影法将两个不同位置的指针的图 像保留下来，再利用h o u g h 变换得到指针的角度，之后将原始得到的图像作几何变换， 使得表盘的刻度线成为一条水平线并与指针垂直，然后得到指针的读数。这种识别方法 的识别精度高，但是运算量较大。而且摄像头与仪表的相对位置一旦发生偏差，则导致 直线参数不精确。 s a b l a t n i g 等人在文献【“1 2 】中详细讲述了另一种指针表的识别方法。与c o r r e a a l e g r i a 不同的是s a b l a t n i g 处理的是水表、百分表等刻度分布为一个圆周的表，这类指 针表的指针旋转的角度范围是3 6 0 0 ，在图像分割完成后直接利用h o u g h 变换得到指针的 角度，以此来确定指针仪表的读数。这种识别方法主要是对表盘的识别类型做了扩展研 究，但是该方法运算量较大，耗时较长，所以导致其实时性较差，指针识别时间达2 s 以上。 s l p a n g 等人在文献【1 3 】中使用基于h o u g h 变换的仪表指针角度识别算法，该算法 首先根据零刻度指针图像与任意刻度指针图像利用最大灰度相减法得到无指针的图像， 然后以无指针图像为基准进行角度识别。这种识别方法的识别精度高，但实际运行设备 的指针表一般不允许调整指针到零刻度位置，同时也很难把有关参数的图像点全部记录 下来，从而使图像空间和参数空间缺乏足够的联系，因此其应用范围受到很大的限制。 在国内，李铁桥【j4 】等人介绍了一种指针式压力表全自动检定系统，该系统包括标准 压力自动产生系统及仪表表示值自动判读系统两部分，该系统检定速度快、检定效率高。 李宝树1 7 等人设计了基于计算机视觉技术和程控标准信号源的智能型指针式仪表识 别系统构成，并研究了刻度线和指针的识别实现方法，提出了新的距离判别法。该方法 更具有合理性并能达到系统精度要求，识别结果优于人工识别。 孙风杰【1 5 】等人分析比较了不同类型的表盘指针位置识别过程中的图像处理算法。针 对在光照条件较好的情况下分割指针图像所具有红色和黑色表针的图像特点，提出一种 新的适合较差光照条件的指针区域判定法一主色提取法，该方法计算简单、适应性强、 处理效果好，为准确判定指针位置和计算指针读数奠定了基础。 王三武【l q 等人研究了基于图像处理基础的多指针的仪表的识别方法、系统组成和工 作原理，对指针示数的判断算法进行了分析，并将所设计的系统应用到了水表自动读数 系统。 但这些研究主要针对正常光照强度情况下的指针角度识别。由于现场低照度情况下 的图像信噪比相对较低，而指针图像通常都比较细小且读数会经常发生变化，所以低照 度下仪表指针位置识别一直是一个难点。 1 1 3 低照度c m o s 的噪声来源 c m o s 传感器是当前被普遍采用的图像传感器，利用光电二极管进行光电转换，将 图像转换为数字数据。在c m o s 传感器中，每个像素都会邻接一个放大器及a d 转换 3 基于嵌入式l i n u x 的低照度图像识别系统研究 电路，用类似内存电路的方式将数据输出。在低照度图像实时噪声处理过程中，c m o s 图像传感器所遇到的噪声主要有以下几种。 1 暗电流噪声 暗电流蜂是某些单元位置上的缺陷密集而形成的。由于信号的读出路径各异，这些 暗电流峰对各个电荷包的电荷贡献也不等，因而形成背景的很大起伏。因暗电流大小与 位置基本固定，故可用电子学方法消除。但当器件工作在长时间积分的弱信号观测时， 暗电流的影响将是主要因素。 2 脉冲噪声 光注入光敏区产生信号电荷的过程可看作随机过程，单位时间产生的光生电荷树木 在平均值上做微小波动，即形成脉冲噪声。脉冲噪声与频率无关，在所有频率范围内有 均匀的功率分布。脉冲噪声在低照度，低反差条件应用时，当其它噪声用各种方法抑制 后，脉冲噪声成为主要噪声，决定了一个器件的极限噪声水平。 3 高斯噪声 主要来源于传输通道及各种器件，多为无规则随机信号，频谱较宽，幅度不等。图 像信号相邻像素、相邻行、相邻帧具有较大相关性，而高斯噪声具有随机性，据此可设 计出积分平均器以改善高斯噪声。 1 2 嵌入式系统概述 目前，大多数嵌入式系统还处于单独应用的阶段，以m c u 为核心，与一些监测、 伺服、指示设备配合实现一定的功能。本课题采用高度集成的a r m 微处理器$ 3 c 2 4 1 0 作为系统核心，扩展少数外围设备，实现了基于嵌入式软硬件平台的仪表图像采集系统， 具有微型化和智能化的特点。 随着科技的日新月异，国民经济的快速发展，各行各业都开始对原有的系统进行升 级换代，以使其适应经济和社会发展的需要，嵌入式系统就是在这一大趋势下应运而生 的。中国计算机学会( c h i n a c o m p u t e r f e d e r a t i o n ) 于1 9 9 9 年6 月举行了“嵌入式系统及 产业化在中国的发展前景，研讨会，专家们探讨了嵌入式系统在当今计算机工业中的地 位及其网络化问题，认为下一代网络设备中嵌入式设备将大大增加，7 0 将是嵌入式设 备。 嵌入式系统是指以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用 系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统【切。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。当前，嵌 入式系统的应用远远超过了各种通用计算机，例如，一台通用计算机的外部设备中就包 含了5 1 0 个嵌入式微处理器，另外，在制造工业、过程控制、通讯、仪表、汽车、航 空、军事装备、电子消费产品类等领域均有嵌入式系统的应用。 4 硕士学位论文 嵌入式操作系统( e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m 或e o s ) 是一种支持嵌入式系统应用的 系统软件，目前有很多种，如：v x w o r k s 、w m c e 、u c o s i i 、嵌入式l i n u x 1 8 】。 嵌入式l i n u x 系统是一个新成员，在近几年成为研究热点。目前，正在开发的嵌入 式系统中，近一半的项目选择l i n u x 作为嵌入式操作系统。采用嵌入式l i n u x 系统的优 点【1 7 。1 9 】： ( 1 ) 遵从g p l ，其源代码公开，人们可以任意修改，以满足自己的应用，排错也很 容易，并且无须为每例应用交纳许可证费。 ( 2 ) 有大量免费优秀的开发工具，如：v i 、g e e 、g d b 。 ( 3 ) 有庞大的开发人员群体。无需专门的人才。只要懂u n i x l i n u x 和c c + + 语言即 可，随着l i n u x 在中国的普及，这类人才越来越多。 ( 4 ) 优秀的网络功能，这在i n t e r n e t 时代尤其重要。 1 5 ) 系统稳定，这是l i n u x 本身具备的一个很大的优点。 ( 6 ) 内核精悍，运行所需资源少，十分适合嵌入式应用。 ( 7 ) 支持的硬件数量庞大。嵌入式l i n u x 和普通l i n u x 并无本质区别，p c 上用到的 硬件嵌入式l i n u x 几乎都支持，而且各种硬件的驱动程序源代码都可以得到，为用户编 写自己专有硬件的驱动程序带来很大方便。 基于嵌入式l i n u x 的上述优点及当前国家对自主操作系统的大力支持，为源码开放 的l i n u x 的推广提供广阔的发展前景。对上层应用开发者而言，嵌入式系统需要的是一 套高度简练、界面友善、质量可靠、应用广泛、易开发、多任务，并且价格低廉的操作 系统。l i n u x 对厂商不偏不倚而且成本极低，能够很快成为用于各种设备的操作系统。 如今，业界已经达成共识：即嵌入式l i n u x 是大势所趋，其巨大的市场潜力与酝酿的无 限商机必然会吸引众多的厂商进入这一领域。 1 3 本论文的研究内容 本文在基于a r m 地硬件平台上移植了l i n u x 2 6 1 4 操作系统，通过分析v 4 l 标准 下的u s b 接口c m o s 图像传感器设备的驱动程序，研究嵌入式平台上u s b 设备的实现 技术。编写了l i n u x 操作系统下基于v 4 l 标准的视频采集应用程序。同时将图像传送回 计算机终端，接下来在终端上利用图像处理技术对表盘指针图像进行自动识别。以电压 表为例，阐述如何利用图像预处理及识别技术对该类表盘指针图像进行处理。本文从以 下几个方面进行研究： 第二章介绍了s 3 c 2 4 1 0c p u 与网络控制器芯片c s 8 9 0 0 、f l a s h 存储器、s d r a m 存储器等接口的实现。这部份是硬件设计工作，涉及对硬件的详细了解。 第三章图象信源的输入部分，关键是要大概了解嵌入式l i n u x 的内核结构以及 l i n u x 下字符设备驱动程序的实现机制，熟练应用v i d e 0 4 l i n u x 内核应用编程接口函数， 做到对图象信号的快速采集。 5 基于嵌入式l i n u x 的低照度图像识别系统研究 第四章仪表指针图像预处理算法的实现，这部分是本文的重点，主要针对c m o s 图像传感器在低照度情况下成像噪声较大的特点，提出了一系列适合本系统的图像预处 理解决方案。 第五章仪表指针识别算法的实现，主要利用h o u g h 变换，实现了指针角度参数的 自动读取。 6 硕十学位论文 第2 章仪表图象采集系统的硬件方案设计 2 1 仪表图像采集系统概述 本仪表图像采集系统采用a r m 嵌入式微处理器作为核心硬件、l i n u x 作为操作 系统平台、c m o s 图像传感器作为图像输入实现图像的采集工作。基于a r m 的嵌入 式图像采集系统属于软硬件结合的二层结构系统。第一层是硬件层面，主要由外围的 c m o s 图像传感器、接口电路、a r m 硬件系统、网络传输模块等部分组成。第二层是 软件层面，包括嵌入式操作系统、各硬件驱动程序、各事件任务等部分，这一层是整个 系统的核心部分，负责实时监控和对整个系统进行管理与控制。硬件模块框图如图2 1 所示。 图2 1 硬件模块框图 整个开发平台以s 3 c 2 4 1 0 为核心，通过其外围控制器以及接口芯片控制着各个功能 模块。u - b o o t 、l i n u x 内核、文件系统都烧写在f l a s h 中，系统启动后，u - b o o t 将内 核、文件系统拷贝到s d r a m 上运行。 2 2 系统硬件平台 为满足系统对硬件平台的要求，本文所采用的是恒丰锐科a r m 9 开发板【2 0 j 。它是 一款功能强大的3 2 位a r m 单片机开发板，采用了s a m s u n g 公司的一款基于 7 基于嵌入式l i n u x 的低照度图像识别系统研究 a r m 9 2 0 t 内核的3 2 位r i s c 嵌入式微处理器$ 3 c 2 4 1 0 1 2 ”。开发平台系统框图如图2 2 所示。 2 3 $ 3 c 2 4 1 0 微处理器 图2 2 开发平台系统框图 $ 3 c 2 4 1 0 的显著特性是它的c p u 核心，结构图如图2 3 所示，是一个由a d v a n c e d r i s cm a c h i n e s ( a r m ) 有限公司设计的1 6 3 2 位a r m 9 2 0 tr i s c 处理器。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8 字长的行( l i n e ) 构成。 通过一系列完整的系统外围设备，$ 3 c 2 4 1 0 大大减少了整个系统的成本，消除了为 系统配置额外器件的需要。 $ 3 c 2 4 1 0 集成的以下片上功能： ( 1 ) 内部1 8 v ，存储器3 3 v ，外部1 0 3 3 v ，1 6 k b 数据c a c h ，1 6 k b 指令c a c h ， m m u 。 ( 2 ) 内置外部存储器控制器( s d r a m 控制和芯片选择逻辑) 。 ( 3 ) l c d 控制器( 最高4 k 色s t n 和2 5 6 k 彩色t f d ，一个l c d 专用d m a 。4 个带 外部请求线的d m a 。 ( 4 ) 三个通用异步串行端d ( i r d a l 0 ，1 6 - b y t et xf i f o ，a n d1 6 一b y t er xf i f o ) ，2 通道 s p i 。 8 硕士学位论文 ( 5 ) 一个主i i c 总线，一个i i s 总线控制器。 图2 3s 3 c 2 4 1 0 芯片结构图 ( 6 ) s d 主接口版本1 0 和多媒体卡协议版本2 1 1 兼容。 ( 7 ) 2 个u s bh o s t ，一个u s bd e v i c e ( v e r l 1 ) 。 ( 8 ) 4 个p w m 定时器和一个内部定时器。 ( 9 ) 看门狗定时器。 ( 1 1 1 7 个通用i o 。 ( 1 1 ) 2 4 个外部中断。 ( 1 2 ) 电源控制模式：标准、慢速、休眠、掉电。 ( 1 3 ) 8 通道l o 位a d c 和触摸屏接口。 ( 1 4 ) 带日历功能的实时时钟。 9 基于嵌入式l i n u x 的低照度图像识别系统研究 ( 1 5 ) 芯片内置p l l 。 ( 1 6 ) 设计用于手持设备和通用嵌入式系统。 ( 1 7 ) 1 6 3 2 位r i s c 体系结构，使用a r m 9 2 0 t c p u 核的强大指令集。 ( 1 8 ) a r m 带m m u 的先进的体系结构支持w i n c e 、e p o c 3 2 、l i n u x 。 ( 1 9 ) 指令缓存( c a c h e ) 、数据缓存、写缓冲和物理地址t a gr a m ，减小了对主存 储器带宽和性能的影响。 ( 2 0 ) a r m 9 2 0 tc p u 核支持a r m 调试的体系结构 ( 2 1 ) 内部先进的位控制器总线( a m b a ) ( a m b a 2 0 ，a h b a p b ) 。 2 4 系统接口设计 本系统设计分为s d r a m 接口设计、f l a s h 接口设计、网络接口设计、u s b 接口设计、 串口电路设计，下面对各模块分别进行阐述。 2 4 1s d r a m 接口设计 r a m 就是我们平常所说的内存，主要用来存放各种现场的输入、输出数据，中间 计算结果，以及与外部存储器交换信息和作堆栈用。它的存储单元根据具体需要可以读 出，也可以写入或改写。r a m 只能用于暂时存放程序和数据，一旦关闭电源或发生断 电，其中的数据就会丢失。现在的r a m 多为m o s 型半导体电路，它分为静态和动态 两种。静态r a m 是靠双稳态触发器来记忆信息的；动态r a m 是靠m o s 电路中的栅极 电容来记忆信息的。由于电容上的电荷会泄漏，需要定时给予补充，所以动态r a m 需 要设置刷新电路。但动态r a m 比静态r a m 集成度高、功耗低，从而成本也低，适于 作大容量存储器。所以主内存通常采用动态r a m ，而高速缓冲存储器( c a c h e ) 则使用 静态r a m 。 动态r a m 2 2 按制造工艺的不同，又可分为动态随机存储器( d y n a m i cr a m ) 、扩 展数据输出随机存储器( e x t e n d e d d a t a o u t r a m ) 和同步动态随机存储器( s y n c h r o m i z e d d y n a m i cr a m ) 。d r a m 需要恒电流以保存信息，一旦断电信息即丢失。它的刷新 频率每秒钟可达几百次，但由于d r a m 使用同一电路来存取数据，所以d r a m 的存取 时间有一定的时间间隔，这导致了它的存取速度并不是很快。另外，在d r a m 中，由 于存储地址空问是按页排列的，所以当访问某一页面时，切换到另一页面会占用c p u 额 外的时钟周期。e d o r a m 同d r a m 相似，但在把数据发送给c p u 的同时可以去访问 下一个页面，故而速度要比普通d r a m 快1 5 3 0 。s d r a m 同d r a m 有很大区别， 它使用同一个c p u 时钟周期即可完成数据的访问和刷新，即以同一个周期、相同的速 度、同步的工作，因而可以同系统总线以同频率工作，可大大提高数据传输率，其速度 要比d r a m 和e d o r a m 快很多( 比e d o r a m 提高近5 0 ) 。 硕十学位论文 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 在系统中的主要用作程序的运 行空间，数据及堆栈区。当系统启动后，c p u 首先从复位地址0 x 0 处读取启动代码，在 完成系统的初始化后，程序代码一般应调入s d r a m 中运行，以提高系统的运行速度， 同时，系统及用户堆栈、运行数据也都在s d r a m 中，s d i 认m 具有单位空间存储容量 大和价格便宜的优点，已广泛用于各种嵌入式系统中。$ d r a m 的存储单元可以理解为 一个电容，总是倾向于放电，为避免数据丢失，必须定时刷新。因此，要在系统中使用 s d r a m ，就要求c p u 具有刷新控制逻辑，或在系统中加入刷新控制逻辑电路。s 3 c 2 4 l o 及其他的一些a r m 芯片在片内具有独立的s d r a m 刷新控制逻辑，可以方便的与 s d r a m 接口。 $ d r a m 主要用来存放执行代码和变量。系统启动之后，主要进行存取操作的存储 器。由于s d r a m 需要定时刷新以保持住存储的数据，因而要求微处理器具有刷新控制 逻辑，或在系统中另外加入刷新控制逻辑电路。s 3 c 2 4 1 0 及其他的一些a r m 芯片在片 内具有独立的s d i 认m 刷新控制逻辑，可以方便的与s d r a m 接口。系统上电启动后， 操作系统内核是常驻在内存中的，加上应用程序的运行，需要占用较大的内存，同时本 系统是个图像采集系统，需要一定大小的内存作为图像数据的缓存，同时考虑到本系统 更丰富的多媒体应用扩展，采用容量稍大的存储器。 目前常用的s d r a m 为8 位1 6 位的数据宽度，我们根据系统需求构建1 6 位或者 3 2 位的s d r a m 存储系统。本课题使用两片三星的k 4 s 5 6 1 6 3 2 e t c 7 5 芯片 2 3 1 构建3 2 位的s d r a m 存储器系统。每片k 4 s 5 6 1 6 3 2 e 的存储容量为1 6 组x 1 6 m 位( 3 2 m 字节) ， 工作电压是3 3 v ，常见的封装为5 4 脚t s o p 兼容i 册，接口，支持自动刷新 ( a u t o r e f r e s h ) 和自刷新( s e l f - r e f r e s h ) ，1 6 位数据宽度。 。 j u ，p i z _ 口l 一 】 一 d d r j 4 ，g m 曲d i 口，口， l 口t “ ，l j 、 d z 口呻 t 柚i 、q d q 0 + d q 廿 $ 3 c 2 4 1 0 d q m i q m d q m lu d q m 誊c 置i k 4 船6 1 的2 c l 日c z i 矗t c 5 a 丑口c z l c 5 矗s r z 1 i a s n c 丑c r z 1 q 图2 4 $ 3 c 2 4 1 0 与s d r a m 的接口框图 基于嵌入式l i n u x 的低照度图像i _ 别系统研究 $ 3 c 2 4 1 0 关于s d r a m 的控制信号主要有n s r a s 、n s c a s 、d q m 3 ：0 1 、s c k e 、 s c l k 1 ：0 】、n w e ，这些信号引脚可以直接与k 4 s 5 6 1 6 3 2 芯片相连，图2 4 给出了 $ 3 c 2 4 1 0 与其中一片k 4 s 5 6 1 6 3 2 相连的框图。$ 3 c 2 4 1 0 使用n g c s 6 实现两片 k 4 s 5 6 1 6 3 2 的片选，这样s d r a m 的起始地址为：o x 3 0 0 0 0 0 0 0 。因为a r m 中要求字 单元的地址是字对齐的，这就要求地址的低两位为o ，即地址线的低两位a d d r i ：0 1 设置为低电平，在图中所示$ 3 c 2 4 1 0 是使用a d d r 2 宜接与k 4 $ 5 6 1 6 3 2 的a 0 相连 的，k 4 s 5 6 1 6 3 2 是2 m x l 6 b i t x 4 b a n k 的1 6 ms d r a m 芯片，芯片上的b a o 和b a i 是b a n k 地址输入信号，它决定了激活哪个b a n k 进行读写或者预充电操作，由$ 3 c 2 4 1 0 的地址线及兼作通用i o1 2 1 的a d d r 2 4 和a d d r 2 5 提供，d q m 主要用于屏蔽输入 输出，具有相当于o e 引脚( o u t p u te n a b l e ) 的功能，k 4 s 5 6 1 6 3 2 的写信号n w e 由 s 3 c 2 4 1 0 存储器控制器的写信号b w e 直接控制$ 3 c 2 4 1 0 的n s r a s 和n s c a s 分 别控制存储器n r a s 行地址选通信号和n c a s 列地址选通信号，另外，s c k e 提供存 储器的c k e 时钟使能信号，s c l k 0 提供系统时钟给s d r a m ，使两者以相同时钟同 步工作。$ 3 c 2 4 1 0 的数据总线d a i a o d 御隗3 l 与两片1 6 位k 4 s 5 6 1 6 3 2 拼成的3 2 位数据线直接相连，因为两者的电源电压都是使用3 3 v ，因此不需要进行总线隔离和 电平转换。 2 4 2f l a s h 接口设计 f l a s h 存储器是一种可以在系统上进行擦写，掉电后信息不丢失的存储器。它具有低 功耗，大容量，擦写速度快，可整片或分扇区在系统上烧写和擦除等特点。并且可由内 部嵌入的算法完成对芯片的操作，因而在各种嵌入式系统中得到了广泛的应用。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。 f l a s h 主要有n o r f l a s h 和n a n d f l a s h 矧两种。n o r f l a s h 是程序可以在芯片内执行， 这样应用程序可以直接在f l a s h 中运行，不必再把代码读到凡蝴中；n a n d 结构能提供 极高的单元密度，可以达到高存储密度，并且写入和擦除的速度都很快，应用n a n d 的 困难在于f l a s h 的管理和需要特殊的系统接口。 两者的特点是： ( 1 ) n o r 的读速度比n a n d 稍快一些； ( 2 ) n a n d 的写入速度比n o r 快很多； ( 3 ) n a n d 的4 m s 擦除速度远比n o r 的5 s 快； ( 4 ) 大多数写入操作需要先进行擦除操作； ( 5 ) n a n d 的擦除单元更小，响应的擦除电路等少。 考虑到大容量的n o rf l a s h 成分较高，而n a n df l a s h 具有良好的性价比和系统接 口，且$ 3 c 2 4 1 0 支持n a n d r o m 启动方式，所以本系统选用了三星公司的n a n d f l a s h ： 硕士学位论文 k 9 f 1 2 0 8 。该f l a s h 是6 4 m x s b i t 的c m o s i 艺制造的存储器，其工作电压为3 3 v ，其f o 口为数据线和地址线的复用端口。通过对其内部的命令寄存器写入标准的命令序列，可 以对其进行编程、整片擦除、按扇区擦除以及其他操作。n a n df l a s h 接口电路原理图 如图2 5 所示。 图2 5 n a n d f l a s h 接口电路原理图 $ 3 c 2 4 1 0 具有三种b o o t 方式，由o m i ：0 1 管脚选择：0 0 时处理器从n a n d 闪存 b o o t ，用户将b o o f l o a d e r 代码和操作系统镜像放在外部的n a n d ，处理器上电复位时， 通过内置的n a n d 闪存访问控制接口将b o o f l o a d e r t 弋码自动加载到内部的4 l ( b s r a m ( 此 时该s r a m 定位于起始地址空间0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 ) 并且运行，在b o o ts r a m 运行的 b o o f l o a d e r 程序将操作系统的镜像加载到s d r a m ，之后操作系统就能够在s d r a m 运 行，启动完毕后，4 k bb o o ts r a m 就可以用于其他用途；o l 时从1 6 位宽的r o mb o o t ； 1 0 时从3 2 位宽r o mb o o t 。因为本课题采用的f l a s h 是3 2 位的n a n df l a s h ，因此 是通过把o m 1 ：0 1 引脚设置成0 0 以第一种方式启动的。 2 4 3 网络接口设计 以太网是局域网中最常用的数据传输协议，采用i e e e 8 0 2 3 标准，以太网所使用的 接入机制叫做：具有冲突检测的载波监听多点接入( c s m a c d ) 。 处理器s 3 c 2 4 l o 中没有集成网络控制器，要实现网络连接，必须使用网络接口芯 片进行扩展。c s 8 9 0 0 【2 0 】是完全综合的、成本较低的快速以太网控制器芯片，具有通用 的处理器接口，1 0 1 0 0 m 自适应，以及4 k 双字节静态存取存储器。它具有低功耗、 高处理性能的特点，支持3 3 v 到5 v 的容差，支持m h 接口和可选的e e p r o m 配 置，支持8 位，1 6 位、3 2 位的接口来适应不同的处理器对内部存储器的访问，完全 支持i e e e 8 0 2 3 u 规格和i e e e8 0 2 3 x 全双工流控制以及支持连接状况变更和远程唤 醒功能【1 4 】。 1 3 基于嵌入式l i n u x 的低照度图像识别系统研究 本课题采用c s 8 9 0 0 以太网控制芯片设计以太网通信接口。c s 8 9 0 0 是一款单片的全 双工的以太网控制芯片，其主要功能块包括了一个i s a 总线接口、一