（模式识别与智能系统专业论文）火灾监控节点设计研究.pdf

华北电力人学硕十学位论文 摘要 通过监视早期发现火灾是保护生命财产安全的重要手段。视频j l 控系统模拟人 类的判断方式，具有判断准确、发现及时的特点，是当今可视化火灾舱视领域的一 个研究热点。本课题研究基于a r m 平台和l i n u x 操作系统的嵌入式视频监视节点， 包括视频图像的采集、压缩和网络传输等问题。研究构建了基于a r m 9 的火灾视频 监视软件、硬件平台，同时引入图像压缩算法，通过套接字和i p 组网技术可以凭借 以太网实现多路图像信息远传。这样可以为上层服务器提供最直接、及时的火场监 视信息。与同类视频监控系统相比，本设计具有结构简单、体积小、成本低、稳定 可靠等优点，特别适合于对功耗、体积要求较，限格的情况下。 关键词：视频监控，$ 3 c 2 4 4 0 a ，嵌入式l i n u x 操作系统，j p e g ，套接字 a b s t r a c t d e t e c t i n gf i r eb yv i d e om o n i t o r i n gi sas i g n i f i c a n to fe n s u r i n gt h es a f e t yo fp e o p l e s a s s e t sa n dl i v e s v i d e ob a s e dm o n i t o r i n gs y s t e m m a i n l ys i m u l a t i n gh u m a n sw a yo f m a k i n gd e c i s i o n s ，h a sb e e nc o n c e r n e dm o r ea n dm o r e0 nt h ea p p l i c a t i o ni nf i r ed e t e c t i o n a tp r e s e n t ，w i t hi t sf a s td e t e c t i o na n dh i g hp r e c i s ed e c i s i o n t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e st h e d e s i g no fe m b e d d e dv i d e om o n i t o r i n gn o d eb a s e do na r mp l a t f o r ma n dl i n u xo p e r a t i o n s y s t e m ，i n c l u d i n gt h ec o l l e c t i o n ，c o m p r e s s i o na n dn e t w o r kt r a n s m i s s i o n i nt h i sp a p e r , t h ev i d e of i r ed e t e c t i o ns o f t w a r ea n dh a r d w a r ep l a t f o r ma r ec o n s t r u c t e dw i t ha r m 9 m e a n w h i l e ，t h ei m a g ec o m p r e s s i o na l g o r i t h mi si n t r o d u c e da n dm u l t i p a t hi m a g en e t w o r k t r a m m i 豁i o n 搪a e k i e v e d 姆政西a n di pn e t 咖r k i n gu m h n o l o g y ；诵 h ic hc a r lo f f e t h e m o s td i r e c ta n dt i m e l yi n f o r m a t i o no ff i f et ot h eu p l e v ds e n 飘c o m p a r e dt ot h e c o n v e n t i o n a lv i d e om o n i t o r i n gs y s t e m ，t h ep r o p o s e ds y s t e mi ss u p e r i o rw i t hi t ss i m p l e s t r u c t u r e ，s m a l ls i z e ，l o wc o s t ，a n dh i g hr e l i a b i l i t y t h i ss y s t e mi sp a r t i c u l a r l ys u i t a b l et o s o m ep l a c e st h a tr e q u i r es t r i c t l yi ns i z ea n de n e r g yc o n s u m p t i o n z h up e n gf e i ( p a t t e r nr e c o g n i t i o na n di n t e l l i g e n c es y s t e m ) d i r e c t e db y p r o f y a n gg u o t i a n k e yw o r d s ：v i d e om o n i t o r i n g ，$ 3 c 2 4 4 0 a ，e m b e d d e dl i n u xo s ，j p e g ，s o c k e t 95 洲7删69 册7，iiiii脚y 华北电力人学硕士学位论文 目录 中文摘要 英文摘要 第1 章引言1 1 1 课题研究的背景和意义1 1 2 视频监控技术的现状及发展趋势1 1 3 论文的主要工作5 第2 章火灾监控系统的总体架构6 2 1 火灾监控系统的组成6 2 2 嵌入式火灾监控节点的性能要求6 2 3 监控节点设计的原则7 2 4 本章小结7 第3 章基于a r m 9 的嵌入式监控节点硬件平台的构建8 3 1 监控节点硬件平台组成：8 3 1 1 监控节点微处理的选型8 3 1 2 $ 3 c 2 4 4 0 a 微处理器的性能特点9 3 1 3n a n df l a s h 电路设计9 3 1 4s d r a m 电路设计1 1 3 2 电源、时钟和复位电路模块1 2 3 2 1 电源电路设计1 2 3 2 2 时钟电路设计1 3 3 2 3 复位电路设计1 3 3 3 外围接口电路模块1 4 3 3 1j t a g 电路设计1 4 3 3 2r s 2 3 2 串口电路设计1 5 3 3 3 以太网接口电路设计1 6 3 3 - 3 1d m 9 0 0 0 以太网芯片介绍：1 6 3 3 3 2d m 9 0 0 0 的接口电路图1 6 3 3 4 视频采集卡接口电路设计1 7 3 4 本章小结18 第4 章监控节点软件选择及开发环境构建1 9 4 1 监控节点软件选型1 9 5 3 3 2 图像压缩源码3 7 5 4 网络传输模块的实现3 7 5 4 1l i n u x 下网络通信概述3 8 5 4 1 1s o c k e t 概述3 8 5 4 1 2 套接字函数3 9 5 4 1 3 网络连接的通信过程3 9 5 4 2 基于i p 组播技术的网络通信程序设计4 0 5 4 2 1 i p 组播技术一4 0 5 4 2 2 服务器客户端通信流程4 l 5 4 3 监控节点组播的实现4 2 5 5 本章小结4 3 l l ! 华北电力大学硕十学位论文 第6 章总结和展望4 4 参考文献4 5 致谢4 7 在学期间发表的学术论文和参加科研情况4 8 i v 华北电力大学硕士学位论文 第1 章引言 1 1 课题研究的背景和意义 随着社会生产力的发展，社会财富日益增加，火灾损失上升及火灾危害范围扩 大的总趋势是客观规律。严峻的现实证明，火灾是当今世界上多发性灾害中发生频 率较高的一种灾害，也是时空跨度最大的一种灾害。而随着本世纪以来世界城市建 设的不断发展，各类建筑规模越来越大，结构越来越复杂，不仅楼层高，而且建筑 标准高，人员密集，设备分散，这些都给火灾预防提出了越来越高的要求。在这种 情况下，1 9 世纪末出现了各种消防自动报警器及其成套系统。一个多世纪以来，消 费自动报警探测装置得到了飞速的发展，目前它已经成为生产、生活中必备装备， 在人类日常生活、生产中发挥了极其重要的作用 1 。 1 2 视频监控技术的现状及发展趋势 火灾监控探测器的发展： 火灾自动报警系统由火灾探测器和火灾报警控制器组成。火灾探测器是系统的 “感觉器官”，它的作用是监视环境中有没有火灾的发生。一旦有了火情，就将火 灾的特征物理量，如温度、烟雾、气体和辐射光强等转换成电信号，并立即动作， 向火灾报警控制器发送报警信号。目前，国内外火灾探测器根据探测火灾参数的不 同，可以划分为温度、感烟、感光、气体和复合式等几大类火灾探测器 2 。 感温火灾探测器：这是一种响应异常温度、温升速率和温差的火灾探测器。又 可分为定温火灾探测器温度达到或超过预定值时响应的火灾探测器；差温火灾 探测器是指环境温升速率超过预定值时响应的感温火灾探测器： 感烟火灾探测器：这是一种响应燃烧或热解产生的固体或液体微粒的火灾探测 器。由于它能探测物质燃烧初期所产生的气溶胶或烟雾粒子浓度，因此，有的国家 称感烟火灾探测器为“早期发现”探测器。 感光火灾探测器：感光火灾探测器又称为火焰探测器。这是一种响应火焰辐射 出的红外、紫外、可见光的火灾探测器，主要有红外火焰型和紫外火焰型两种。 气体火灾探测器：这是一种响应燃烧或热解产生的气体的火灾探测器。在易燃 易爆场合中主要探测气体( 粉尘) 的浓度，一般调整在爆炸下限浓度的1 5 1 6 时动 作报警。用作气体火灾探测器探测气体( 粉尘) 浓度的传感元件主要有铂丝、钻钯 黑 白元件) 和金属氧化物半导体( 如金属氧化物、钙钛晶体和尖晶石) 等几种。 复合式火灾探测器：这是一种响应两种以上火灾参数的火灾探测器。主要有感 温感烟火灾探测器、感光感烟火灾探测器、感光感温火灾探测器等。 1 输独具的优势，填补了远距离视频传输的空白，如传输距离远、不受电磁干扰、保 密性强等；后期的数字光端机更是将多路模拟基带的视频、音频、数据进行数字化， 形成高速数字流。采用复用技术进行传输，不仅大大提高了传输质量和容量，更加 拓宽了传输业务的种类，为视频联网监控提供的物质基础。 2 华北电力大学硕十学位论文 视频联网监控是远距离大范围监控发展到一定阶段的产物，使人们对远距离大 范围监控以及视频资源共享的迫切需求得到满足。初期矩阵之间的联网是通过 r s 2 3 2 4 2 2 低速数据的通讯来完成的，其缺陷是传输速率低、节点不能任意编号、 不支持远程管理，这就使联网规模受到限制，后期开发的i p 联网控制功能即联网控 制数据则走i p 通道，视频图像数据走光纤通道，弥补了r s 2 3 2 4 2 2 联网的缺陷，增 强了视频联网的扩容能力。 ( 3 ) i p 方式的模拟矩阵联网 无论是r s 2 3 2 4 2 2 方式的矩阵联网，还是i p 方式的矩阵联网，其核心都是基于 模拟矩阵+ 光端机的视频联网监控系统。模拟矩阵历经1 0 多年的发展完善，以其 成熟的技术、稳定的表现、简易的操作占据市场主流近1 0 年，但是模拟视频技术 的发展已接近极限，基于模拟视频的技术瓶颈，随着监控范围和系统规模的不断扩 大，也就越来越多的暴露出来。视频信号在多级传输中，需要经过多次的a d 、d a 转换，每次转换过程都会导致视频信号一定程度的损耗，系统规模越大，传输层次 越多，视频损耗也就越严重，从而导致图像质量无法保证。 视频监控系统中需要加入种类繁多、数量巨大的中间接入设备，如光端机、矩 阵、视分器等，其中大部分设备不具备网管功能，无法侦测设备运行状态，设备故 障也不能自动查找。监控中心通过i p 网络方式实现对视频矩阵和前端摄像机的控 制，由于网络堵塞、网络延时等网络的不稳定性影响了控制的实时性和准确性，使 得系统可靠性较低。 所以基于模拟矩阵的视频联网监控系统在面对大容量、大规模、多层次的联网 监控需求时往往显得力不从心，限于模拟视频的技术瓶颈，无法找到合适的方案从 根本上解决问题，这使得人们不得不去开发新型的联网监控技术。 ( 4 ) 数字视频与i p 网络监控 随着数字技术与网络技术的发展，安防监控领域的视频技术也进入了数字化与 网络化阶段，这使得传统监控系统中视频图像的传输与管理实现了统一。 视频实现数字化最初是从硬盘录像机开始的，视频压缩技术是硬盘录像机的核 心技术。目前在视频监控领域，主流的压缩标准采用h 2 6 4 ，资料显示h 2 6 4 视频 压缩标准以其高效率的编码效率和传输性能，在视频监控领域得到了广泛应用。其 最终制定的标准在2 0 0 3 年已经被i s o i e c ( 作为m p e g 一4 的第十部分) 和i t u - t ( h 2 6 4 草案) 同时支持。 随着网络技术在我国的普及，人们又提出了网络虚拟矩阵的全数字化矩阵概 念。网络虚拟矩阵是以i p 网络为媒质，基于t c p i p 协议，采用网络视频编解码器、 网络交换机、路由器、网络视频存储设备、网络视频管理平台所构建的基于i p 网络 的全数字网络监控平台。全数字网络监控系统的显著优势在于充分发挥了数字技术 和网络技术的特性，在很多方面解决了模拟矩阵技术无法解决的难题，例如：视频 3 华北电力人学硕士学位论文 的无损交换、复制与存储；无距离监控与任意扩展；支持任意网络拓扑结构。全数 字化的网络监控还简化了管理层次，全网视频统一管理与后台的灵活应用等显著优 势使得全数字的网络监控平台在2 0 0 0 年以后逐步成为安防监控的主流。但是这种 基于l p 网络的全数字网络监控技术远非完美。 首先，基于i p 网络的带宽限制，必须将数字视频进行压缩处理，即以牺牲图像 质量( 延时、误码、丢帧等) 来完成视频的数字化和网络化；其次，i p 网络本身并 不是为视频、音频这样的实时大容量业务传输而设计的，网络虚拟矩阵简单的将视 频流打包成i p 数据包通过普通的网络设备( 交换机、路由器等) 进行数据交换，这 导致了在实际应用中许多不尽人意的地方，包括图像质量、实时性、准确性、控制 失灵、延迟抖动等；最后，网络技术的复杂性加大了管理、使用和维护难度，网络 使得安防监控系统最关注的安全性无法得到保证。这些问题都是基于i p 网络的全数 字网络监控系统所无法解决的 3 】。 视频监控技术的发展趋势： 前端一体化、视频数字化、监控网络化、系统集成化、管理智能化是视频监控 系统公认的发展方向，而数字化是网络化的前提，网络化又是系统集成化的基础， 所以，视频监控发展的最大特点就是数字化、网络化、智能化【4 】。 ( 1 ) 数字化 视频监控系统的数字化是系统中信息流( 包括视频、音频、控制等) 从模拟状态 转化为数字状态，改变了“传统闭路电视系统以摄像机成像技术为中心的结构， 根本上改变视频监控系统从信息采集、数据处理、传输、系统控制等的防止和结构 形式。信息流的数字化、编码压缩、开放式的协议，是视频监控系统与安防系统中 其它各子系统间实现无缝连接，并在统一的操作平台上实现管理和控制，这也是系 统集成化的含义。 ( 2 ) 网络化 视频监控系统的网络化将意味着系统的结构将由集总式向集散式系统过渡，集 散式系统采用多层分级的结构形式，具有微内核技术的实时多任务、多用户、分布 式操作系统以实现抢先任务的调度算法的快速响应，组成集散式监控系统的硬件和 软件采用标准化、模块化和系列化的设计，系统设备的配置具有通用性强、开放性 好、系统组态灵活、控制功能完善、数据处理方便、人机界面友好以及系统安装、 调试和维修简单化，系统运行互为热备份，容错可靠等功能。 ( 3 ) 智能化 采用计算机为控制中心，通过系统软件实现控制界面的可视化，控制环境的多 媒体化，可以方便地实现对视频切换、音频切换、镜头云台控制、报警输入、联动 输出录象的智能化控制，进而达到对事件的分析、统计、处理，实现视频监控的智 能化管理【5 】。 4 华北电力人学硕十学位论文 1 3 论文的主要工作 论文的主要工作目标是构造一个基于a r m 微处理器的嵌入式火灾图像监控节 点，该监控节点能通过控制视频采集卡模块来获取c c d 摄像头采集到的火灾图像 信息，并且可以对火灾图像进行在线压缩，以及将压缩后的图像经网络传输到上位 机。同时监控节点应有效的解决视频监控系统的成本、实时性和带宽等问题。 论文的主要工作如下： ( 1 ) 监控节点的硬件平台设计； ( 2 ) 节点若干子模块设计； ( 3 ) 构建嵌入式l i n u x 软件平台； ( 4 ) 编写图像获取程序、j p e g 压缩程序、网络传输程序； ( 5 ) 系统调试。 5 华北电力大学硕士学位论文 第2 章火灾监控系统的总体架构 2 1 火灾监控系统的组成 基于图像的火灾监控系统的主要任务包括图像采集、图像传输、火灾判断、着 火点定位，甚至自动采取灭火措施。所有任务集成于一个嵌入式平台并非不可能， 但是不便于构成大范围的监控系统。如果采用任务分散的分层结构，将图像采集、 处理、传输集成于一个小的嵌入式平台，而把后续处理、分析、判断等集中到p c 平台则可以使系统结构清楚、总体性能优化，而且算法更容易实现。 据此构造的火灾监控系统如图2 1 所示，管理及信息处理系统不作为本论文工 作的重点，这里不作介绍，交换机及摄像头采用外购成品，本文重点放在交换机与 摄像头之间的监控节点上。 管 理 及 信 j 寓 处 理 系 统 一_ 一一一- 一- - - 一一- - - 一一_ 一一一_ - 一_ 一- 一- _ 一_ 一一一- 一 i | 啐；i 监控节点监控节点 ；四目 监控站( 摄像头 监控站2 i传感器等) 图2 1 监控系统总体结构框图 2 2 嵌入式火灾监控节点的性能要求 监 控 系 统 嵌入式火灾监控节点的核心任务是图像采集、在线压缩和网络传输等。为了减 小时间上的监控死区，必须具有较高的图像的采集速度，为了有效的解决网络传输 时延等问题、减小网络带宽消耗，应具有图像在线压缩功能，以达到识别及报警的 实时性要求。此外，为实现采集图像参数的远程设置，节点与上位机之间应采用交 6 一臣聂一 广臣匡 务 一 -l- 华北电力人学硕士学位论文 互式c s 网络传输模式，这样节点可以接收远端控制命令。 1 实时性 作为火灾监控节点，必须具备现场图像信息实时采集、并且迅速上传、准确识 别，及快速发出报警信号等特点。但以上各项动作，都要以实时性作为基础。实时 性是监控系统最基本的性能指标。同时实时性也是衡量监控系统好坏的一个标准。 2 可靠性 作为监控系统的一部分，监控节点长期工作在恶劣条件下，因此要求其能够长 期稳定可靠的工作。也就是要求整个监控节点硬件的可靠，包括监控节点的元器件 必须具有一定的抗干扰性，防腐蚀性等；同时在软件上不能出现进程死锁，内存泄 漏等问题。 3 实用性 监控节点做为监控系统的前端采集平台，不仅要从技术性能角度考虑，来提高 系统的各种指标。也要从实用方面进行考虑，一方面要求设计成本低、体积小、功 耗低；另一方面要求整个系统安装方便、操作简单、易于维护。 4 可扩展性 可扩展性主要指监控节点软硬件可以不断的升级、灵活的扩展功能。软件的设 计应当充分考虑其分布性，强化各个模块之间的接口关系，易于监控节点扩展新功 能。满足更多客户的要求。 2 - 3 监控节点设计的原则 监控节点在整个系统中具有举足轻重的地位，它是整个系统的核心，其性能决 定了整个系统的性能。在设计嵌入式火灾监控节点时，为了达到其工作的最佳性能， 在设计该系统时应兼顾软、硬件两个方面性能。同时还要充分考虑到设计成本、系 统升级、实现难易程度等问题。主要有以下原则需要考虑： ( 1 ) 在保证性能的前提下，优先选用通用微处理器和开发平台，缩短开发周期； ( 2 ) 考虑到监控节点的未来扩展、升级，应考虑预留必要的接口； ( 3 ) 考虑到软件易于维护、升级方便等特点，在不影响系统性能的前提下，优 先考虑通过软件优化来简化硬件设计，以降低成本、方便升级。 2 4 本章小结 本章中阐述了火灾监控系统、监控节点的总体架构等，系统地分析了将嵌入式 平台作为图像处理解决方案的关键性问题。详细分析了嵌入式监控节点的性能要 求、设计原则等内容。 7 华北电力大学硕士学何论文 第3 章基于a r m 9 的嵌入式监控节点硬件平台的构建 在嵌入式系统中，硬件是整个系统设计的基础，是软件依托的平台，只有完成 件的设计，才能为整个系统选择相应的操作系统平台，进行相关硬件驱动程序， 程序的开发等工作。本章将详细对监控节点硬件平台的各个功能模块进行详细 ，以及功能分析。 监控节点硬件平台组成 监控节点的硬件平台可以说是整个监控节点的核心部分，微处理器负责整个系 控制和运算，存储单元里存放着系统的软件代码，及系统必须的数据等内容。 计要考虑功耗、体积、成本等因素。如图3 - 1 虚线框内所示，本系统硬件平台 包括3 大模块： ( 1 ) 监控节点硬件板，其中包括嵌入式微处理器8 3 c 2 4 4 0 a 、s d r a m 电路、n a n d h 电路； ( 2 ) 电源、时钟和复位电路等嵌入式微处理器工作必须的模块； ( 3 ) 系统必需的接口模块：以太网接口电路，r s 2 3 2 串口电路； 3 1 1 监控节点微处理的选型 图3 1 系统硬件结构图 在嵌入式系统规划时，系统选型至关重要。系统选型应从软件和硬件两个方面 考虑。系统硬件选型中以嵌入式处理器的选择最为关键。它的选择决定了系统性能 的优劣。目前主要的嵌入式处理器类型有a r m 、m i p s 、3 8 6 e x 、p o w e r p c 、6 8 0 0 0 系 列等，考虑到开发周期、目前主流技术的成熟程度，以及本监控节点要求微处理器 在高性能和低功耗方面达到最佳的性能。因此采用三星公司a r m 核的$ 3 c 2 4 4 0 a 作 为系统的核心微处理器。 华北电力人学硕十学位论文 3 1 2 $ 3 c 2 4 4 0 a 微处理器的性能特点 $ 3 c 2 4 4 0 a 采用了a r m 9 2 0 t 的内核，0 1 3 r t m 的c o m s 标准宏单元和存储器单元。 其功耗低，简单，优雅，且全静态设计特别适合于对成本和功率敏感型的应用。它 采用了新的总线架构a d v a n c e dm i c r oc o n t r o l l e rb u sa r c h i t e c t u r e ( a m b a ) $ 3 c 2 4 4 0 a 是一个采用1 6 3 2 位a r m 9 2 0 t 内核的r i s c 处理器，实现了m m u 、a m b a b u s 和h a r v a r d 高速缓冲体系结构。通过提供一套完整的通用系统外设，$ 3 c 2 4 4 0 a 无需配置额外的组件，可以降低整体系统成本。特别是集成了下述接口： 外部存储控制器( s d r a m 控制和片选逻辑) ； l c d 控制器( 最大支持4 k 色s t n 和2 5 6 k 色t f t ) 提供1 通道l c d 专用d m a ； 4 通道d m a 并有外部请求引脚； 3 通道u a r t ( i r d a l 0 ，6 4 字节t x ，f i f o ，和6 4 字节r x f i f o ) ； l 通道i i c - b u s 接口( 多主支持) ； 4 通道p w m 定时器和1 通道内部定时器看门狗定时器； 相机接口( 最大4 0 9 6 x 4 0 9 6 像素的投入支持。2 0 4 8 x 2 0 4 8 像素的投入，支持缩放) ； 具有普通，慢速，空闲和掉电模式。 3 1 3n a n df l a s h 电路设计 f l a s h 存储器是一种可在系统( i n - s y s t e m ) 中进行电擦写，掉电后信息不会丢 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编程( 烧 写) 、擦除等特点，并且可由内部嵌入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。常用的f l a s h 为8 位或1 6 位数据宽度，编程电压为单3 3 v 。主要有a t m e l 、a m d 、h y u n d a i 等生 产厂商，他们生产的同型器件一般具有相同的电气特性和封装形式，可通用。 由于a r m l i n u x 嵌入式操作系统要求内存容量为1 m b y t e 左右，为给系统留有 充足的余量，满足大型程序的需要，本设计采用了三星公司的n a n df l a s h k g f l2 0 8 u o b ，该存储器是5 1 2 m b ( 6 4 m x 8 位) n a n df l a s h 。该存储器的工作电压2 7 v 3 6 v ，内部存储结构为5 2 8 字节x 3 2 页x 4 0 9 6 块，页大小为5 2 8 字节，块大小为 ( 1 6 k b + 5 1 2 字节) ；可实现程序自动擦写、页程序、块擦写、智能的读写和擦除操 作，一次可以读写或者擦除4 页或者块的内容，内部有命令寄存器。 如图3 2 所示该器件按功能可以分划分为：存储阵列、输入输出缓冲、命令 寄存器、地址译码寄存器和控制逻辑产生。其中，命令寄存器用来确定外部设备对 寄存器进行操作的类型；地址译码寄存器用于保护被访问的地址并产生相应的译码 选通信号。主设备通过8 位i o 端口分时复用访问器件命令、地址和数据寄存器， o 华北电力大学硕+ 学位论文 完成对芯片内存储器的访问 6 。k 9 f 1 2 0 8 u o b 采用4 8 脚t s o p 封装，8 位数据宽度。 $ 3 c 2 4 4 0 a 具有n a n df l a s h 控制器，可以很方便地扩展n a n df l a s h ，微处理器与n a n d f l a s h 的扩展连接如图3 - 3 所示： 图3 2k 9 f 2 1 2 0 8 结构框图 j f 图3 - 3k 9 f 1 2 0 8 u o m 硬件连接原理图 l o 华北电力人学硕十学位论文 n a n df l a s h 接口电路较简单，微处理器的数据总线直接连接到n a n d f l a s h 总 线上，其数据总线为8 位，没有地址总线，k 9 f 1 2 0 8 的读写信号是直接通过$ 3 c 2 4 4 0 a 的读写信号驱动的，k 9 f 1 2 0 8 的a l e 地址允许信号、c l e 命令允许信号、片选使能 信号分别由$ 3 c 2 4 4 0 a 的a l e 、c l e 来控制，而k 9 f 1 2 0 8 u o m 的r b 状态输出信号由 s 3 c 2 4 4 0 a 的r n b 来读取。 3 i 4s d r a m 电路设计 s d r a m 是嵌入式系统设计时最常用的一类d r a m ，其全称是同步动态随机存储器 ( s y n c h r o n o u sd y n a m i cr a n d o ma c c e s sm e m o r y ，s d r a m ) 。s d r a m 由于集成度高，单 片存储容量大，并且读写速度快，因此在设计嵌入式系统时，经常用其作为主存储， 器。 s d r a m 类型的存储器芯片有许多，其中h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 b 系列是一种容量为4 mx 1 6 b i tx4 b a n k 的s d r a m 。其工作电压为3 3 v ，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 ) 。本设计将两片s d r a m 拼接成3 2 位的总线，实现与$ 3 c 2 4 4 0 a 、t 的无缝接口，具体的电路连接如图3 4 所示，s d r a m 有1 6 位数据总线宽度，s d r a m 的a 0 引脚接到$ 3 c 2 4 4 0 a 的a 2 地址线上，即a d d r 1 4 ：2 同a 1 2 ：0 对应连接 7 。 s d r a m 分成4 个b a n k ，每个b a n k 的容量为4 mx1 6 位。b a n k 的地址由b a l 、b a o “ 决定，0 0 对应b a n k o ，0 1 对应b a n k l ，1 0 对应b a n k 2 ，1 1 对应b a n k 3 ，b a i 、b a o 接 到a 2 5 ，a 2 4 引脚上。在每个b a n k 中，分别用行地址脉冲选通r a s 和列地址脉冲选 通c a s 进行寻址。s d r a m 由m c u 专用s d r a m 片选信号n s c s o n g c s 6 选通，地址空间 为o x o c 0 0 0 0 0 0 - o x o c 8 0 0 0 0 。 图3 4s d r a mh y 5 7 v 5 6 2 0 b t - h 原理图 如前所诉，3 2 位的s d r a m 存储单元以4 b 为单位进行数据访问的时候，内存会 l l 华北电力大学硕士学位论文 忽略a 1 和a 0 地址总线( 事实上a 1 和a 0 地址总线并没有接到s d r a m 的芯片上) 。 如果微处理器需要访问地址偏移量为0 1 的单个字节，就需要d q m ( d a t am a s k ) 信 号进行帮助，这个信号接在$ 3 c 2 4 4 0 a 微处理器的n w b e 线上。d q m 信号由微处理器 根据当前访问的情况发出，如果当前的访问只需要低1 6 位字节，那n w b e o 和n w b e i 线就会有效。 3 2 电源、时钟和复位电路模块 3 2 1 电源电路设计 由于监控节点硬件资源丰富，为了使每个元器件都能j 下常稳定的工作，必须提 供可靠的电源电压，由于$ 3 c 2 4 4 0 、s d r a m 、n a n df l a s h 、c s 8 9 0 0 a 、u s b 控制器的 工作电压各不相同，所以需要为整个系统提供不同的电源电压。其中s 3 c 2 4 4 0 a 处 理器内核需要1 8 v 电源，3 3 v 内存电压、3 3 v 的处理器i o 电压，s d r a m 、n a n df l a s h 、 及c s 8 9 0 0 a 等芯片需要3 v 电源电压，本系统采用5 v 直流电压供电，通过a s l l l 7 - 3 3 和m i c 5 2 1 9 b m m 稳压电路的电源设计，分别得到3 3 v 和1 3 3 v 的电压。电源设计原 理图如图3 - 5 所示。 图3 - 5 电源设计原理图 1 2 华北电力人学硕十学位论文 3 2 2 时钟电路设计 $ 3 c 2 4 4 0 a 中的时钟控制逻辑生成包括c p u 内部时钟( f c l k ) 在内的所需时钟信 号。主时钟脉冲( h c l k ) 用于高级高精度系统总线外围设备。f c l k 应用于c p u 的时 钟，p c l k 用于a p bb u s 各种接口设备。$ 3 c 2 4 4 0 有两个锁相环，一个用于f c l k ，h c l k 和p c l k ，另一个用于u s b 块( 4 8 m h z ) 。时钟控制逻辑能产生没有锁相环( p l l ) 的 慢时钟和链接或不链接提供给外围设备块的软件时钟，可以降低功耗。本系统的时 钟源采用由外部晶振产生，1 2 m h z 晶振用于给内部震荡电路提供时钟，根据$ 3 c 2 4 4 0 a 的最高工作频率以及p l l 电路的工作方式，外部的无源晶振经过微处理器内的p l l 电路倍频后，最高可达4 0 0 m h z 。这样系统可以以较低的外部时钟信号获得较高的工 作频率，从而减低系统的高频噪音，提高了系统的稳定性。通过外接一个3 2 7 6 8 k h z 的晶振使系统内的实时时钟r t c 能够工作。系统的时钟原理图如图3 6 所示。 3 2 3 复位电路设计 图3 - 6 实时时钟电路 复位电路的设计关系到火灾监控节点工作情况。它主要完成系统上电复位和运 行时用户按复位键复位功能。为了防止干扰信号引起误复位操作，常采用专用复位 芯片来产生复位信号s t c 8 1 1 t ，可以在调试和运行时很方便的手动复位，原理图如 图3 - 7 所示。 当n r e s e t 信号为低，a r m 9 2 0 t 放弃任何指令的执行，并从增加的字地址处取指 令。 当n r e s e t 信号为高时a r m 9 2 0 t 进行如下操作： 1 将当前的p c 值和c p s r 值写入r 1 4 一s v c 和s p s r s v c ，已保存的p c 和c p s r 的 值是未知的。 2 强制m 4 ：0 为1 0 0 11 ( 超级用户模式) ，将c p s r 中的“i ”和“f 位设为l ， 并将t 位清零。 1 3 一兰! ! 垒垄查堂堡主堂焦笙茎 3 强制p c 从0 x 0 0 地址处取得下一条指令。 4 恢复为a r m 状态并开始执行。 3 3 外围接口电路模块 3 3 i j t a g 电路设计 图3 7 复位电路 j t a g m u l t i - i c ec o n n e c t 聃r 3 e t 。， 华北电力人学硕十学位论文 j t a g ( j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p ，联合测试行动小组) 是一种国际标准测试协 议( i e e e l l 4 9 1 兼容) ，主要用于芯片内部测试 8 。标准的j t a g 接口是5 线：t m s 、 t c k 、t d i 、t d o 、t r s t ，分别为模式选择、时钟、数据输人、数据输出线和t a p 控 制器重置。j t a g 最初是用于芯片测试，基本原理是在器件内部定义一个t a p ( t e s t a c c e s sp o r t ，测试访问口) 通过专用的j t a g 测试工具对内部节点进行测试。j t r a g 测试允许多个器件通过j t r a g 接口串联在一起，形成一个j t a g 链，能实现对各个 器件分别测试。本设计采用2 0 针j t a g 接口电路。电路原理图如图3 8 所示。 3 3 2r s 2 3 2 串口电路设计 $ 3 c 2 4 4 0 a 通用异步接收器和发送器( u a r t ) 提供了三个独立的异步串行i o ( s i o ) 端口，每个端口都可以在中断模式或d m a 模式下操作。换言之，u a r t 可以 生成一个中断或d m a 请求用于c p u 和u a r t 之间的数据传输。u a r t 使用系统时钟 可以支持最高1 1 5 2 k b p s 的波特率。如果一个外部设备提供u e x t c l k 给u a r t ，u a r t 可以在更高的速度下工作。每个u a r t 通道对于接收器和发送器包括了2 个6 4 位 的f i f o 。$ 3 c 2 4 4 0 au a r t 包括了可编程波特率，红外传输接收，一个或两个停止位， 5 位6 位7 位8 位数据长度和奇偶校验。 每个u a r t 包含一个波特率发送器，发送器，计数器和一个控制单元，其波特 率发生器可由p c l k ，f c l k n 或u e x t c l k ( 外部输入时钟) 来锁定。发送器和接收 器包含了6 4 位f i f o 和数据移位器。数据写到f i f o 然后在被传送前拷贝到发送移 位器。数据通过发送数据引脚( t x d n ) 被发出。同时，接收数据通过接收数据引脚 ( r x d n ) 移入，然后从移位器拷贝到f i f o 。 d 鼬 图3 - 9u a r t 接u 电路 要完成最基本的串行通信功能，实际上只需要3 个引脚r x d 、t x n 和g n d 即可， 但由于r s - 2 3 2 c 标准所定义的高低电平信号与$ 3 c 2 4 4 0 a 系统的l v t t l 电路所定义 的高、低电平信号完全不同，l v t t l 的标准逻辑“1 ”对应2 3 3 v 电平，标准逻辑 华北电力人学硕士学位论文 “0 对应0 - 0 4 v 电平，而r s 一2 3 2 c 标准采用负逻辑方式，标准逻辑，“l 对应 一5 v 一1 5 v 电平，标准逻辑“0 ”对应+ 5 v + 1 5 v 电平。显然，两者问要进行通信必 须经过信号电平的转化。在本系统中设计的串口主要是用做t t y s o 模式下的驱动程 序调试，以及映像文件的下载。因此具体设计中使用了m a x i m 公司的m a x 3 2 3 2 r s 一2 3 2 驱动器来完成t t l 电平到r s 一2 3 2 接口的转换。电路原理图如图3 - 9 所示。 3 3 3 以太网接口电路设计 3 3 3 1d m 9 0 0 0 以太网芯片介绍 d m 9 0 0 0 是一块全集成和高效率的芯片，其上带有以太网m a c 控制器和通用处理 器接口，支持标准i o m i o o m 自适应，可与l o b a s e - t 的u t p3 4 5 和l o o b a s e - t 的 u t p5 接口连接。它可在低功耗和高性能运行两种方式下工作，工作电压为3 3 v 。 d m 9 0 0 0 也能提供m i i 接口连接h p n a 设备或其他支持m i i 接口的收发器，并支持8 位、1 6 位、3 2 位的接口来适应不同微处理器对内部存储器的访问。由于数据有时 是以触发形式收到的，因此，d m 9 0 0 0 还集成有接收缓冲区，以便在接收到数据时能 把数据放到这个缓冲区中，然后由数据链路层直接从该缓冲区里取走数据。链路层 通常包括操作系统中的设备驱动程序和计算机中对应的网络接口卡，它们一起处理 与电缆的物理接口细节数据，它的缓冲区可用来暂时存储要发送或接收的帧。网络 控制器包括m a c 和p h y 两个部分，其中m a c 层控制器作为逻辑控制 9 。d m 9 0 0 0 以 太网控制芯片的特性如下： 支持处理器接口类型：字节字双字的i o 指令进行内部数据运算( 通过w a k e u p 与e e d 0 设置) ； 集成1 0 m 1 0 0 m 收发器； 支持m i i r m i i 接口i 支持t c p i p 硬加速； 支持半双工背压流量控制模式，支持i e e e 8 0 2 3 x 全双工流量控制模式； 支持远端唤醒和连接状态变化； 最大集成1 6 k b 的双字s r a m ； 支持存储转发和e e p r o m 的芯片i d ，可选e e p r o m 设置； 最大支持6 路g p i o 引脚； 低功耗模式； i o 引脚3 3 v 5 v 兼容； 3 3 3 2d m 9 0 0 0 的接口电路图 d m 9 0 0 0 芯片可以根据处理器情况提供8 1 6 3 2 - b i t 三种不同的连接方式，从而 1 6 华北电力人学硕十学位论文 支持更多型号处理器。在该系统的应用中采用的是1 6 - b i t 的连接方法与三星 $ 3 c 2 4 4 0 a 型a r m 芯片相连，为系统提供嵌入式的以太网接口。d m 9 0 0 0 占