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摘要叶面积作为标定植物生长发育、长势、遗传特性等生理生化反应过程的主要参数，广泛应用于农业科研服务和生产中。本文构建了基于w i n d o w sc e 嵌入式操作系统的便携式终端设备，结合嵌入式系统的移动计算能力，设计了基于数字图像处理技术的叶面积测量系统，方便了户外考察工作。在研究w i n d o w sc e 嵌入式操作系统的体系结构的基础上，根据实际硬件平台的需要，定制剪裁系统内核，完成了$ 3 c 2 4 4 0 下w i n d o w sc e 的系统移植。研究图像预处理( 灰度线性变换等) 、阈值化处理等图像处理方法在叶面积测量中的应用，总结图像处理方法在实际测量环境下的局限性，并分析了常用的改进方法，如基于对比度拉伸的阈值化、子图像局部阈值化等，上述的改进方法可以在一定程度上改善图像处理的效果，但适用范围不够广泛。在此基础上，提出用户提示输入的方案，在实际测量环境下取得了较好的图像分割效果，具有更广泛的适用范围。与传统的长、宽、系数法相比较，本文的叶面积测量系统有较小的误差，能够取得较好的测量精度。关键词：叶面积，嵌入式系统，w i n d o w sc e ，图像处理，图像分割a b s t r a c ta sam a j o rd e n o t a t i o nt op l a n t sp h y s i o l o g i c a lp r o c e s ss u c ha sg r o w t hs t a t u s ，g r o w t he f f i c i e n c ya n dh e r e d i t yf e a t u r e ，l e a fa r e ai sw i d e l ya p p l i e di na g r i c u l t u r er e s e a r c ha n dp r o d u c t i o n i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，ak i n do fp o r t a b l et e r m i n a lb a s e do nw i n d o w sc eo si sc r e a t e d c o m b i n e dw i t he m b e d d e ds y s t e m sm o b i l i t yc o m p u t a t i o n ，am e a s u r e m e n ts y s t e mo fl e a fa r e ab a s e do ni m a g e - p r o c e s s i n gi sd e s i g n e d ，w h i c hp r o v i d e sac o n v e n i e n tw a yf o ro u t d o o ri n v e s t i g a t i o n a f t e ra n a l y s i so nw i n d o w sc e sa r c h i t e c t u r e ，t h et r a n s p l a n tt o $ 3c 2 4 4 0f o rw i n d o w sc eh a sb e e nc o m p l e t e dt h r o u g hc u s t o m i z i n gt h ek e r n e la c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to fa c t u a lh a r d w a r e i m a g e - p r o c e s s i n gm e t h o d ss u c ha sp r e p r o c e s s ( 1 i k el i n e a rg r a yl e v e lt r a n s f o r m a t i o n )a n dt h r e s h o l d i n ga r ea n a l y z e d t h e r ee x i s t sal i m i ti na c t u a ls u r r o u n d i n gf o rt h o s em e t h o d s s o m ei m p r o v e m e n tm e t h o d s ，s u c ha st h r e s h o l do p e r a t i o nb a s e do nc o n t r a s t e x t e n s i o na n ds u b i m a g et h r e s h o l do p e r a t i o n , i sa b l et og e tb e t t e rr e s u l ti ns o m ee x t e n dt h o u g hi ti sn o tc o m p a t i b l ee n o u g h am e t h o dn a m e du s e rh i n ti n p u ti sp u t t e do u t ，a n dt h i sm e t h o di sa b l et oc a u s eb e t t e rr e s u l ta n dc a nb ea p p l i e dw i d e l y c o m p a r e d 谢t ht r a d i t i o n a lm e a s u r e m e n t ，t h em e a s u r e m e n ts y s t e mo fl e a fa r e ah a sab e r e rp r e c i s i o na n dl e s se r r o r k e yw o r d ：l e a fa r e a , e m b e d d e ds y s t e m ，w i n d o w sc e ，i m a g ep r o c e s s i n g ，i m a g es e g m e n t a t i o n声明户明本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明确的说明。研究生签名：阜坠圳年多肘日学位论文使用授权声明南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。研究生签名：4 赴坠洲年z 月夥日硕士学位论文便携式智能信息终端的叶面积测量系统开发1 绪论1 1 研究意义及研究背景叶片是植物重要的光合器官，也是植物进行蒸腾的主要途径。研究植物叶片的各种参数对植物的生长发育、作物产量以及栽培管理等都具有十分重要的意义。建立方便、快速、准确的植物叶片分析方法，对于调整群体结构、充分利用光热资源，从而指导作物栽培密度及合理施肥以获得作物高产有着重要的意义。叶面积是作物栽培和育种实践中常用的指标，是农作物的产量和品质的评价指标，也是理想株型选育、测定害虫危害损失的重要指标，利用该参数可计算作物的用水量、蒸腾作用及产量等，也可分析植物的生长状况，并且建立植物生长模型。叶片是植物进行光合作用合成有机物的重要器官，叶面积的大小在一定程度上直接影响着农作物的产量。植物学研究人员在野外考察时，时常需要获取植物叶片的面积。因此建立方便、准确的叶面积测定方法，对于指导农业生产实践活动，制定高产、优质和高效的栽培技术措施具有积极的意义。1 1 1 数字图像处理技术的应用叶面积作为标定植物生长发育、长势、遗传特性等生理生化反应过程的主要参数，广泛应用于农业科研服务和生产中。传统叶面积测量主要有网格法、称重法、系数法、叶面仪测量法等。其中网格法测量的精度较高，但是速度很慢；称重法比较烦琐，不能精确测定单片叶子的面积，且误差较大；系数法利用平均原理，可以进行非破坏性测定，但必须用其它方法确定系数之后才能用，且系数会随品种的不同而不同，结果误差也较大；叶面仪测量法的精度很高，速度快，但其价格昂贵，维修不方便，它破坏作物群体结构且对测量的叶子大小也有一定的限制。另外，这些方法存在着测量不准确、操作烦琐、破坏作物生长、测量范围窄等一系列缺点，不能满足科研等工作对叶片面积测量的要求。这几种测定方法已经在传统农业研究中得到广泛应用，但是它们具有测量精度低、测量范围小、仪器设备昂贵、操作繁琐的特点。并且，它们都需要从植物上采集大量的叶片，进行破毁性测量，这或多或少的对植物造成一定程度的伤害，进而会影响到农学试验的连续性。随着近些年来计算机技术的不断发展，数字图像处理技术不断成熟和完善，因此可以考虑使用图像处理技术辅助以计算机图像获取设备实现对植物叶片的快速分析。研究开发基于数字图像处理的叶面积测量和分析系统可以进行叶面积的简单快速测l 绪论硕士学位论文量，还可以对叶面积数据进行管理和分析，并且成本低廉，满足非破坏性优势。1 1 2 嵌入式技术的应用信息化是当今世界经济和社会发展的大趋势。信息技术已经成为本世纪世界各国经济发展新的增长点。如何获取信息、管理信息和使用信息将会变得至关重要。在信息时代，信息技术在野外调查植物叶面积数据的采集与管理中应发挥重要作用。但是，我国野外调查植物叶面积数据的获取、管理较大范围内仍采用传统的方法。首先，数据采集人员携带纸笔和一些测量工具到采样地点进行数据调查与记录；然后，进行数据的整理、统计分析和数据建库等工作。这种工作模式，不仅造成数据后处理的工作量大，而且程序复杂，很难保证数据的精度。复杂的数据后处理操作流程极费时间，影响了调查数据的工作效率。将植物科研和计算机技术紧密结合，在符合我国生产环境的前提下，探讨农业数据采集的可行性解决方案，并结合最新的研究成果，解决在数据采集和传输系统中的关键问题。这对促进农业信息化的发展，具有较大的研究意义，并且可带来较大的经济效益。同时，随着科学技术的飞速发展，计算机及其相关技术得到进一步的发展，计算将不再局限于传统模式，嵌入式技术将很快成为人们日常生活的一部分。嵌入式实时系统正逐步应用到越来越多的领域，包括智能过程控制、航天航空、交通、飞行控制、通信、多媒体、办公自动化、实时模拟、虚拟现实、医疗电子、军事电子、信息家电等领域。因此，学习和研究嵌入式技术，并将嵌入式技术运用于社会生产具有深远的意义，也是未来计算机技术发展的方向之一。需求的增长使得嵌入式系统成为研究与应用的热点，有着体积小、耗能低、应用灵活、功能强大、可靠性强等诸多优点的嵌入式系统定会有无法估计的应用前景。1 1 3 便携式信息终端与叶面积测量系统传统叶面积测定主要有以下几种方法：( 1 ) 九宫格法：主要是采用坐标纸描绘叶片，并计算叶片的覆盖面积，方法简单，目前应用较广，但其缺点是耗时多、操作烦琐，精度不高。( 2 ) 系数法：利用九宫格法测量一定数量长( l ) 宽( w ) ，以公式r = ( 三w ) s 计算系数r 。在以后的测量中同种叶片只需测得叶片的长宽乘系数便可。这种方法是利用平均原理，所得的误差比较大。( 3 ) 称重法：借助于分析天平，先称出单位面积内的叶片质量，再计算叶片的密度指数，则可利用叶片的质量来计算面积。在使用称重法时，由于分析天平属非常规仪器，而且在使用过程中技术环节较多，又因为叶片薄厚不均，密度不同，所以误差硕士学位论文便携式智能信息终端的叶面积测量系统开发也较大。( 4 ) 叶面积仪：专业的叶面积测定设备，其主要特点是操作简单、准确、快速，但价格昂贵，维修不便。基于数字图像处理的叶面积测量和分析系统可以进行叶面积的简单快速测量，还可以对叶面积数据进行管理和分析，并且成本低廉，满足非破坏性测量优势。而有着体积小、耗能低、应用灵活、功能强大、可靠性强等诸多优点的嵌入式系统不仅可以实现方便快捷的数据采集，同时也具备有效率的数字图像处理能力。将基于数字图像处理的叶面积测量系统实现于便携式智能信息终端之上，将两者的优点集于一身，可以满足从事叶面积测量的研究人员对移动性、数据采集便捷性的需求。同时，基于嵌入式系统的便携式智能信息终端具有结构模块化的特点，适用性强、使用灵活、可扩展性强，可以通过模块接口扩展其功能，如温湿度传感器、决策系统等。在进一步的研究中，可以将其扩展成为多功能一体化的智能信息终端。本文提出一种基于数字图像处理的测量方案来达到面积测量的目的，并应用于加载数码摄像头的便携式手持设备上，可以大大方便农业研究人员的考察工作。由于焦距和拍摄角度是变化的，无法根据照片中的植物叶面轮廓直接计算叶面的实际面积，本文通过引入参照正方形解决了这一问题。参照正方形是人工黏附于叶面表面的已知边长的正方形纸片( 比如边长为l c m ) ，把这个正方形纸片成为参照纸片。在使用便携设备拍摄叶面前，将参照纸片黏附在叶面表面。这样拍摄的照片中既有叶面的轮廓又有参照纸片的轮廓，通过计算两者轮廓的面积比值，就可以结合参照纸片的实际面积根据比例关系计算叶面的实际面积。1 2 国内外研究现状本文研究与开发基于w i n d o w sc e 的智能终端，利用智能终端上的c c d 摄像头获取叶面图像，通过终端系统中的多项图像处理算法最终获得二值化图像，统计叶面所占的像素数并乘以每个像素所代表的面积来计算出叶面的真实面积。主要研究内容包括w i n d o w sc e n e t 的移植、设备驱动程序开发、图像目标分割( 对植物叶面的提取分割) 等。w i n d o w sc e n e t 的移植方面，北京邮电大学的曾锦韬在( ( $ 3 c 2 4 1 0 下的w i n d o w sc e n e t 的移植及应用程序开发中介绍了基于$ 3 c 2 4 1 0 微处理器的嵌入式操作系统w m d o w sc e n e t 的移植过程，及应用软件开发实现的方法。重点讲述了移植和开发过程中的关键步骤，对其中涉及的相应概念进行了解释。w i n d o w sc e n e t 平台的实时响应能力、良好的通讯能力、出色的图形用户界面及提供的丰富的应用程序接口为进一步开发提供了非常大的空间。31 绪论硕士学位论文开发嵌入式操作系统的设备驱动程序是应用嵌入式技术的重要基础。流接口驱动程序是w i n d o w sc e 基本的驱动程序，是很多驱动程序的基础。作者李涛在文章w i l l d o w sc e 流接口驱动程序设计方法中分析了w i n d o w sc e 流接口驱动程序的基本结构，探讨了流接口驱动程序的功能定义，认为流接口驱动程序应当能为应用程序提供查询输入和事件输入等两种输入方式，给出中断程序设计、i o 缓冲区设计的注意事项，总结出了一般的流接口驱动程序设计开发方法。同济大学的陈瑜在文章基于$ 3 c 2 4 1 0 的w i n d o w sc e 驱动开发阐述了设备驱动程序的概念和结构，介绍了w i n d o w sc e n e t 环境下开发驱动程序的特点以及开发中一些常用的工具，对不同工具的开发特性进行了介绍，详细阐述了驱动的系统结构，重点研究了w i n d o w sc e n e t 环境下的本机驱动和流驱动模型，并以华恒科技的基于s a m s u n g $ 3 c 2 4 1 0的h h a r m 9 e d u 开发板的触摸屏驱动程序为例，对w i n d o w sc e 。n e t 环境下开发具体驱动程序作了解释。浙江大学的胡军辉在文章( ( w i n d o w sc e 设备驱动程序开发中提出，w i n d o w sc e 操作系统标准设计的一个重要方面，就是原始设备制造商( o e m s ) 和独立硬件开发商( i h v s ) 可以自主开发设备驱动程序来支持他们的硬件，而不需要微软公司去另外开发设备驱动程序。该文介绍了w i n d o w sc e 体系结构和开发w i n c e 设备驱动程序的过程，阐述了设备驱动程序模型、设备驱动结构和中断处理。w m d o w sc e 操作系统支持4 种设备驱动模型：本机设备驱动，流接口设备驱动，u s b设备驱动，n d i s 网络驱动。随着近些年来计算机技术的不断发展，数字图像处理技术不断成熟和完善，对于图像处理在植物叶面积测量方面的研究得到了深入的开展。首都师范大学的潘巍和四川大学的李晋川提出了“一种基于有效梯度信息的复杂图像分割方法 ，论文以集装箱号码图像为例，在分析比较几种流行的图像分割算法后，提出一种新的基于有效梯度信息的图像分割算法1 5 j ，即直接针对梯度图，对目标与背景边界部分的梯度信息进行统计分析，并在此基础上直接得到图像的阈值，完成分割。国防科技大学的翟红芳、卢焕章针对中值滤波和边缘检测技术在背景复杂的灰度图像分割中的应用【9 】进行了研究，采用了一种基于中值滤波、s o b e l 算子和数学形态学相结合的边缘检测算法，比传统的边缘检测能更有效地抑制噪声，提高边缘检测精度，具有更好地边缘提取效果和边缘连续性，着重研究了其基本思想。针对植物叶面图像，华中科技大学的侯国祥和翁章卓在基于图像处理的树叶面积测量系统中以数字图像处理技术为基础，对数码相机拍摄的含有参照硬板和树叶的照片进行图像分析处理，提出了获取树叶的实际面积测量系统的一种独特实现方案4硕士学位论文便携式智能信息终端的叶面积测量系统开发i s 】。c l a r k e 等在用叶片数字图像测量叶面积方面进行了研究，将叶片从植株上分离后，再对其进行拍照并将照片输入计算机，通过图像处理进行测型。m e y e r 等人利用相互垂直的两个相机获取作物图像的二维信息，利用由两个二维图像构造三维图像的坐标变换方程，对图像处理获取的特征点变换到三维坐标空间中。这样，在三维空间中就可以求取作物节点间距、叶柄长度、茎秆直径、叶片倾斜角等；对于叶片面积的测量采用三角形逼近的方法，即把叶片与叶柄相连的一端为顶点，向叶片轮廓作射线将叶片进行细分，相邻两条射线与叶片边缘有两个交点，利用此三点可在三维空间中求取其对应三角形的面积，将所求得的所有三角形的面积相加即为所求叶片的近似面积。此外文献中还利用土壤与植物图像对比度的差异作为土壤干湿的判断依据。但对光源不均、叶片重叠并未给出很好的分割方法，对于植物图像与土壤的分离，黑白图像并不能完全区分作物和土壤，若采用光谱图像则成本较高【3 1 】。m c d o n a l d 等人将数学形态学应用于谷粒大小分布检测、叶片形状识别和牛肉纹理分析，实验表明形态学变换可以把图像变换为易于理解的图像，利用几个简单的形态学算子就可以实现复杂的图像处理过程。而且，形态操作具有并行处理、易于实现、实时性好等特点，因此数学形态学在农业工程领域必将会有广泛的应用。f r a n z e 等人将曲率用于完全可见和部份可见的叶片的边界描述。对于完全可见的叶片，将实测的曲率函数和模型相匹配即可对叶片进行辨识；对于部份可见的叶片，利用傅立叶一梅林( f o u r i e r - m e l l i n ) 相关性变换对曲率函数进行重建后再与模型进行匹配。当叶片与茎杆的旋转角度超过3 0 。时，模型要进行相应角度的旋转【3 1 1 。荷兰w a g e n i n g e n 大学的v a n h e n t e n e j 等人研究了植物叶冠相对覆盖率与植物干重之间的关系，建立了3 种数学模型，并且利用图像处理技术和有损测量对莴苣作对比实验，利用线性回归方法得到一个最优的模型。实验证实植物的叶面积与植物干重之间的确存在线性关系，图像处理方法误差只有5 。这一研究结果为图像处理方法测量叶面积，预测植物干湿重提供了理论依据川。宁素俭等研究了利用链码描述作物、果实等轮廓的周长、宽度、长度、面积、惯性矩等形状特征参数的方法，并结合实例给出编程方法。张全法，冯绚等利用以c c d 为图像传感器的数字化图像采集设备，将植物叶片的图像输人到计算机中进行处理，得到叶片所对应的像元数通过测量已知面积的物体( 标准物体) ，可以实现对系统的标定，得到一个比例系数，即每个像元所对应的实际面积将叶片所对应的像元数乘以该比例系数即得其面积 9 】。；杨劲峰，陈清等采用平台扫描仪获取叶片的数字图像，建立运用数字图像处理技术测定蔬菜叶面积的方法，同时与目前较常用的交叉网格法，c i d 仪器法，复印称重l 绪论硕士学位论文法和生产上常用的直尺法进行比较分析，结果表明，图像处理方法与其它方法相比具有准确，快速，适用范围广，容易普及等优点，适用于科研和生产推广使用，试验还得出采用直尺法时，油菜和空心菜的叶面积的校正系数分别为0 7 9 2 和0 8 1 8 1 8 。纪寿文等利用图像处理测得的投影面积、叶长、叶宽等形状描述参数，对苗期的玉米和杂草进行识别，确定杂草的分布密度，为精确喷洒除草剂提高依据。但是，简单地把水平扫描的最大叶片长度定义为最大叶长，把垂直扫描的最大叶片宽度定义为最大叶宽，没有考虑图像中叶片的位置取向，误差较大 6 】。徐贵力，毛罕平，胡永光，提出参考物法，即利用计算机视觉技术分别测量出已知面积的参考物和被测叶片对应的像素数，从而可知它们的像素数比，也即面积比，参考物的面积己知，就可求出叶片的面积。利用计算机视觉技术采用参考物法测量叶片的面积研制了无需采摘叶片测量其面积的活体采样光箱，并进行了光箱参数的优化，用极值法求得阈值，并对图像进行阈值化，且测量精度和效率都很高。1 3 研究目标与内容1 3 1 研究目标本课题的研究目标是采用数字图像处理技术与嵌入式技术开发一种便携式农业信息终端的叶面积测量系统，针对户外环境光线导致图像质量差、结构复杂的情况，研究图像处理在本文叶面积测量系统中的应用，实现并就叶面积的测量的应用加以研究。系统目标是实现叶面积测量在不同图像成像质量下的准确测量，实现户外叶面积数据采集的需求。1 3 2 研究内容本课题的主要研究内容：1 、w i n d o w sc e 嵌入式操作系统的移植b o o tl o a d e r 开发、系统定制、驱动程序开发等2 、叶面积测量系统的系统设计图像采集、图像分割、目标提取、面积计算6硕士学位论立便携式智能信息终端的 面积目量系统* 2 开发环境介绍本系统基于s b c 2 4 4 0 和w i n d o w sc en e t 。使用p l a t f o r mb u i l d e r 42 和e m b e d d e dv i s u a lc + + 40s p 4 开发，下面分硬件、软件两方面对开发环境进行介绍。2 1 硬件环境本系统采用深圳技创科拄有限公司的s b c - 2 4 4 0 开发板( 如图211 ) 。终端采用a r m 9 k i s c c p u 三星$ 3 c 2 4 4 0 a 作为主控芯片。三星$ 3 c 2 4 4 0 a c p u具有4 0 0 m h z 的主频。存储器是由2 m b 的n o rf l a s h 和6 4 m b 的n a n df l a s h ，以及6 4 m b 的r a i v l 作为平台的主存。另外可以扩展s d 卡或者m m c 卡作为扩展存储。另外板上有一个h o s t u s b 和一个s l a v e u s b ，也可以通过u s b 来扩展其存储能力，或者是做出其它扩展。另外$ 3 c 2 4 4 0 还具有l a n 、串口、多媒体音频接口和摄像头接口。主要的输出输出设备是s h a r p 公司的一块分辨率为2 4 0 3 2 0 的带有触摸功能的屏幕。摄像头：o v 7 6 6 0 摄像头，3 0 万像素，1 5 c m o s 感光元件。图2 ii 技创s 1 3 c 一2 4 4 0 开发板2 开笈环境舟镕学论文图2 1 2s b c 一2 4 4 0 开发板与s h a r p q v g a l c ds b c 一2 4 4 0 开发板是针对$ 3 c 2 4 4 0 a 的高性能开发平台，并适合用来作为开发高性能手持式咀及便携式智能设备或终端。s b c - 2 4 4 0 开发板硬件特性如下：序号名称描述1c p us a m s u n gs 3 c 2 4 4 0 a ，4 0 0 m h z 主频2r o m2 m bn o r f l a s h 。6 4 m bn a l l d f l a s h3r a m6 4 m bs d r a m4l a n一个lo 1 0 0 m e t h c r n c t ，i u - 4 5 接口5s e r i a l一个d b 9 标准串口6u s b一个u s b h o s t 接口，一个m 埘u s bs l a v e 接口7a u d i o一个音频输出接口，一个音频输入口8c a m e r a一个c a m e r a 接口( 支持1 3 0 万像素)9g p r s g p s两个扩展的r s 2 3 2 电平的串口1 0i r d a一个红外控制器1 1t o u c h一个触摸屏控制器( 四线电阻式)1 2l c d一个l c d 控制器接1 ：31 3多功能扩展口通用p c i 0 4 总线接口1 4r t c外接3 27 6 8 k h z 的晶振，带有备份电池硕士学位论文便携式智能信息终端的叶面积测量系统开发1 5j t a g1 6s d2 2 软件环境一个1 0 针( 2 0 m m 间距) j t a g 接1 ：3一个s dc a r d 插座本系统基于w i n d o w sc e 开发，下面对w i n d o w sc e 系统、w i n d o w sc e 开发环境、w i n d o w sc e 产品开发流程和w i n d o w sc e 驱动开发等进行简单的介绍。2 2 1w i n d o w sc e 系统w i n d o w sc e 操作系统是微软为实现“信息随手可得”的设想而努力开发的成果。通过w i n d o w sc e ，微软提供了标准的开发平台，极大地减少了独立硬件制造商( i h 、软件开发商( s r r v ) 以及采取新一代非p c 技术解决方案的客户多方之间的矛盾。w i n d o w sc e 是一个功能强大的开放的3 2 位实时嵌入式操作系统，适用于快速构建新一代内存少、体积小的智能设备。例如工业控制器、手持式设备、智能电话、机顶盒和零售点设备等。目前的掌上电脑( p d a ) 、全球定位系统( g p s ) 、地理信息系统( 6 i s ) 、车载p c ( a u t op c ) ，有很多采用w i n d o w sc e 操作系统。( 1 ) w i n d o w sc e 的体系结构w m d o w sc e 是由许多离散模块构成的，每一模块都提供特定的功能。这些模块中的一部分被划分成组件。组件使w m d o w sc e 变得非常紧凑( 只占不到2 0 0 k b 的r a m ) ，因此只占用了运行设备所需的最小的r o m 、r a m 以及其他硬件资源。w i n d o w sc e 的体系结构如图2 2 1 所示。在图2 2 中，系统分为4 层。最底层为硬件层，指c p u 、板卡等硬件设备组成的硬件系统。最顶层是应用层。应用层主要包括w i n d o w sc e 应用程序、客户应用程序、i n t e m e t 客户服务和国际化的用户接口等部分。中间两层是系统层和o e m 层，这两层构成了实际的操作系统。92 开发环境介绍硕士学位论文一，一：一一。、v 、：4。一，一w i n d o w sc e 体系结构一，r+定制的程序，+应用层一。j警tt；：，ws、：j一!圳一e 应用程序 l ，7j一国际化夏骨lj 。7v，i-：t ? ：，r 、r 。应用| 和服务开发j - ，0 0 ；：j = ：。j ：孳算季统置：一o 、j “n0 、j 、。，”，t 。j，i核，t ：, d l l：鼻j ，o - i对象存储l4，ill一：，一，一”| ，j ：7 |通信和网络。；? 。，j ：i ：，?多媒体技术g w e s设备管理器o ，7 j。-、。?：，。服务，。：；。”卜j7 一，内核。7 卜一j 。、| _ t “二。0o | 。? ，卜| _ 。e m 适配层7 | 。o e m 层c，驱动0 。，卜：，4jb 。t l 。a d e ri 配置文件“j，7，一一一。f ，y _ 。”，。1、，。“。，：、。，。，j 一。j t ”，一：，| ，_ ：5 ：一一，77 硬件层图2 2 1w i n d o w sc e 体系结构图在o e m 层，包括以下模块：o a l 模块这个模块主要包括和硬件相关的功能。例如处理器的专用支持代码、总线控制器的驱动等。引导程序引导程序是嵌入式系统中将操作系统核心调入内存的引导程序。配置文件根据不同硬件系统的特点，保存相关配置的文件。驱动程序驱动程序是嵌入式系统中至关重要的部分，它使操作系统能驱动不同的硬件，实现了操作系统和具体硬件的分离。在实际的操作系统中，驱动程序是许多实体程序构成的集合，它包括很多内容，运行形态也比较复杂。驱动程序是许多其他模块的底层，如图形系统模块，它的下层是图形驱动，数据驱动模块下面是文件系统驱动模块。对于b s p 和系统核心，也有其驱动程序。o e m 层是嵌入式系统中实现系统可移植性最重要一层。正是o e m 层使w i n d o w sc e 系统实现了广泛的硬件支持。在实际的系统中，o e m 层实际上包括c s p 、b s p1 0硕士学位论文便携式智能信息终端的叶面积测量系统开发和驱动程序。其中c s p 支持不同的处理器体系结构，b s p 支持不同的硬件底板( i o 、总线等) ，而用驱动程序来支持不同的外设。在操作系统层，包括以下模块：核心d l l核心d l l 是w i n d o w sc e 操作系统最重要的组成部分之一。它是处于操作系统和应用程序之间的一个模块，隔离了操作系统其他模块与应用层，这样使系统的应用层通过核心d l l 来与操作系统模块进行通信，使操作获得了一个保护层。在系统中，核心d l l 层主要担任对外部调用系统功能进行代理的任务，它实现了系统a p i 的管理和按名调用。另外，核心d l l 实现了字符串处理、随机数产生、时间计算等基本支持函数。内核w i n d o w sc e 操作系统的内核在系统运行时体现为n k e k e ，一个占用空间很小的核心文件。在w i n d o w sc e5 0 中，n k e x e 文件只占用2 0 0 k b 左右的空间。核心部分在整个操作系统运行中，始终运行在较高的优先级和处理器特权级别上。一般除中断例程外，系统内其他的线程不能抢占内核，并且在虚拟存储管理模式下，内核总是被禁止换出的。核心主要完成操作系统的主要功能，如处理器调度、内存管理、异常处理、系统内的通信机制，以及为其他部分提供的核心调用例程，还为系统范围内的调试提供支持。j ：g w e sg w e s 是用户、应用程序和o s 之间的图形用户接口。它包括了用户输入系统( u s e ri n p u ts y s t e m ) 、事件管理器( e v e n tm a n a g e r ) 和窗1 2 管理器( w i n d o w sm a n a g e r ) - - 个组件。其中用户输入系统接受来自键盘、鼠标和手写设备的信息，事件管理器管理消息和消息队列，而窗口管理器将消息响应发送到对应的窗口已实现特定的显示。对象存储f i l e s y s e x e 支持w i n d o w sc e 对象存储a p i 函数。对象存储所支持的永久性存储器的类型如表2 1 所示。对象存储可将用户数据和应用程序数据存入文件或注册表。在操作系统定制过程中，对于这些不同的对象存储组件，可以根据需要选取。通信和网络服务通信和网络服务模块在w i n d o w sc e 操作系统中是相对最为独立的一个模块。它的主要功能就是完成w m d o w sc e 操作系统与外界网络的通信功能，并为操作系统上层提供网络服务。2 开发环境介绍硕士学位论文应用和服务开发模块该模块包括一般所说的w i n 3 2 系统服务模块。它是w i n d o w sc e 对应用程序提供的接口。在系统实际运行时，这一部分的相当一部分内容被包含在了n k e x e 中，但实际上它也包含了多个模块的上层对外功能的接口。在应用开发和服务开发时，系统就是利用这一模块完成开发者的系统调用的。( 2 ) w i i l d o w sc e 性能特点w i n d o w sc e 是一个抢先式多任务并具有强大通信能力的嵌入式操作系统。它是一个全新的、可移植的、实时的、模块化的操作系统，具有流行的微软程序开发界面，提供许多快速开发嵌入式系统的工具。新内核w i n d o w sc e 看上去和w i n d o w s9 x n t 很像，但它不是这些操作系统的简化版，也不是从这些系统移植过来的。w i n d o w sc e 具有全新的内核和任务调度、内存管理策略。可移植性由于w i n d o w sc e 操作系统几乎完全是用c 语言编写的，所以可移植到众多的3 2 位微处理器上；支持各种处理器家族，包括x 8 6 ，p o w e r p c ，删，m i p s 和s h等系列。微软为每个支持的处理器家族提供完整的系统库。w i n d o w sc e 可以通过o e m 适配层o a l ( o e ma d a p t a t i o nl a y e r ) 适配到任何硬件平台。o a l 是驻留在c e 内核和硬件之间的代码层。原始设备制造商使用这些代码把c e 适配到自己的硬件上。o a l 链接c e 的内核和定制的硬件。实时性。、w i n d o w sc e2 1 及其以前的版本实时性能不强，但w i n d o w sc e 3 0 及以后的版本实时性能得到明显改善。w i n d o w sc e 的实时性能主要通过以下技术实现：支持嵌套中断，高优先级的中断并不需要等待低优先级的中断服务例程( i s r ) 完成；2 5 6 个线程优先级，可以灵活调度嵌入式系统的任务；通过固定高优先级中断服务线程( i s t ) 的最大调度延迟改善线程响应时间；使用a p i 函数c e s e t t h r e a d q u a n t u m和c e g e t t h r e a d q u a n t u m 修改操作系统中线程的线程量；中断服务子程序的响应时间非常短；支持信号量。在基于w i n d o w sc e 的参考平台上，使用h i t a c h is h 3 微处理器，系统可以在2 5ps 内启动一个中断服务例程( i s r ) ，在9 0 1 7 0l as 内启动相应的中断服务线程。如果考虑其它因素，如c p u 类型、时钟频率、总线速度等的影响，许多实际的基于w i n d o w sc e 平台的响应时间更短。模块化由于存储器资源在移动和嵌入式设备中非常有限，w i n d o w sc e 被设计成一个模1 2硕士学位论文便携式智能信息终端的叶面积测量系统开发块化操作系统，设计者只需选择那些需要的模块以满足指定平台的存储器要求。w i n 3 2 兼容性w i n d o w sc e 采用与w m d o w s 9 5 n t 相同的编程模型，它的a p i 是w i n 3 2a p i 的一个子集，大约有6 0 0 个a p i 函数，可以实现所有的嵌入式应用。c e 只支持u n i c o d e码，c e a p i 删除了w i n 3 2 a p i 中包含a n s i 字符串参数的函数。c e 还支持当前流行的软件技术和运行库，如m f c ( m i c r o s o f tf o u n d a t i o nc l a s s ) 、a t l ( a c t i v et e m p l a t el i b r a r y ) 、e v c ( e m b e d d e dv i s u a lc 抖) 。w m 3 2 的兼容性可以容易地把现成的w i n d o w s应用程序移植到w i n d o w sc e 中。目前有许多开发人员精通w i n d o w s 编程技术，他们只需学习很少的知识就可以开发w 砌o w sc e 应用程序。2 2 2w i n d o w sc e 开发环境本系统使用p l a t f o r mb u i l d e r4 2 进行系统内核定制和驱动开发，使用e m b e d d e dv i s u a lc 抖4 0s p 4 开发播放系统软件。下面简单介绍这两种开发工具。( 1 ) p l a t f o r mb u i l d e r 简介p l a t f o r mb u i l d e r 是微软提供给w i n d o w sc e 开发人员进行基于w i n d o w sc e 平台下嵌入式操作系统定制、驱动开发及应用开发的集成开发环境。它提供了所有进行设计、创建、编译、测试和调试w i n d o w sc e 操作系统平台的工具。它运行在桌面w i n d o w s下，开发人员可以通过交互式的环境来设计和定制内核、选择系统特性，然后进行编译和调试。同时，开发人员还可以利用p l a t f o r mb u i l d e r 来进行驱动程序开发和应用程序项目的开发等。p l a t f o r mb u i l d e r 的强大功能，已使其成为w i n d o w sc e 平台下嵌入式系统开发和定制必备的工具。本文采用版本为4 2 0( 2 ) e m b e d d e dv i s u a lc 抖简介编写在w i n d o w sc e 下运行的应用程序，需要使用专门用于w i n d o w sc e 的开发工具。根据需要的不同可以选择e m b e d d e dv i s u a lc + + 和v i s u a ls t u d i o n e t 。但是最佳选择莫过于e m b e d d e dv i s u a lc + + ，因为嵌入式系统资源有限，c + + 编译器的效率高、性能好，编译出的应用程序结构紧凑。因此，现在应用最广泛的开发工具是e m b e d d e dv i s u a lc + + 。本文采用版本为4 0s p 4 。2 2 3w i n d o w sc e 产品开发流程基于w i n d o w sc e 的产品开发流程大致上可以分为6 阶段。( 1 ) 硬件设计目标机的基础平台可以自己研发也可以从硬件厂商直接购买。( 2 ) 获得目标设备b s p ( b o a r ds u p p o r tp a c k a g e )p l a t f o r mb u i l d e r 中已经自带了一些标准的b s p 。当然也可以往p l a t f o r mb u i l d e r2 开发环境介绍硕士学位论文中导入其他的b s p 。部分c p u 产品的供应商( 如a m d 、v i a ) 也提供相应的b s p 开发包。( 3 ) 获得驱动程序p l a t f o r mb u i l d e r 中自带了一些标准的b s p ，里面也有一些通用的驱动程序；此外，有些公司自己定制了自己的b s p ，其中包含这个硬件的驱动程序；当然有些厂商只提供了硬件的驱动程序和注册表文件，这时需要开发人员手动添加到内核中；如果硬件厂商没有提供驱动，就需要自己开发相关的驱动。( 4 ) 内核裁剪通过p l a t f o r mb u i l d e r 可以对w i n d o w sc e 系统结构进行裁剪。对于不必要的系统组件可以不添加到定制的内核里面，而对于一些必须要添加到目标操作系统里面的组件，可以在这个阶段添加到内核里。( 5 ) 生成s d k通过p l a t f o r mb u i l d e r 生成并导出系统的s d k 。( 6 ) 编写应用软件使用导出的s d k 通过e v c 或者v i s u a ls t u d i o n e t 开发应用软件，完成最终产品的开发。图2 2 2 描述了开发w i n d o w sc e 产品大致的流程。1 4图2 2 2w m d o w sc e 平台开发流程图硕士学位论文便携式智能信息终端的叶面积测量系统开发2 2 4w i n d o w sc e 驱动模型就像其它操作系统一样，w i n d o w sc e 也提供了设备驱动软件，这些软件的目的是驱动内部和外围的硬件设备，或为它们提供接口。设备驱动程序将操作系统和设备链接起来，使得操作系统能够识别设备，并为应用程序提供设备服务。目前，w i n d o w sc e 提供了四种驱动模型，其中两种是专门用于w i n d o w sc e 的模型，另外两种外部模型来自其它操作系统。基于w i n d o w sc e 的两种模型是本机的设备驱动程序和流接口驱动程序。两种外部模型用于通用串行总线( u s b ) 和网络驱动器接口标准( n d i s ) 的驱动程序。不同的驱动模型只能通过它们所支持的软件接1 3 来区别，而不是它们所适用的设备。驱动程序模型决定了指定驱动程序输出的软件接口。独立于驱动程序模型，设备驱动程序可以是一个整体也可以是分层的，也就是说设备驱动程序可以直接根据对设备所进行的操作来实现软件接口，也可以将软件接口和针对设备所进行的操作分散到两层上。由微软提供的许多驱动程序实例都采用了分层结构，因为这样可以减少开发人员在将这些实例移植到别的新的设备上时的工作量。如果设备被映射到系统的内存的话，设备驱动程序可以直接访问它们；否则设备驱动程序必须通过下一层的设备驱动程序来访问它们的设备。比如，p c 卡的设备驱动程序需要用到p c 卡插槽驱动程序的服务来访问p c 卡。总之，设备驱动程序可被中断访问；也可以被轮询，或者可能根本不需要根据设备的状态来更新。i 本机设备驱动程序是专为底层内置硬件而设计的，如键盘、屏幕和p c 卡插槽。因为本机设备驱动程序通常与基于w i n d o w sc e 的平台有着紧密的连接，而且每种本机设备驱动程序都有精确的和特殊的目的，微软提供了定制接口的方式来支持内部设备驱动程序。也就是说绝大多数的开发人员不需要编写本机设备驱动程序。但把w i n d o w sc e 定制到新平台的原始设备制造商( o e