（生物医学工程专业论文）基于arm的胶囊内窥镜便携装置的研究与实现.pdf

霎壅奎堂堡主堂垡笙茎主堕堕 a b s t r a c t w i r e l e s se n d o s c o p e sa r ec a p a b l eo fe l i m i n a t i n gt h el i m i t a t i o n so c o n v e n t i o n a lu l e n d o s c o 口e s s u b m i n i a t u r ec a m e r ac a p s u l ec o u l db es w a l l o w e d i n t ot h ei n t e s t m et ot a k e d h o t o g r a p h so fs p e c i f i ca n dn o n s p e c i f i c l o c a t i o n so ft h eg u l l e t ，s t o r e a c h ，l a 。g ea n d s m a l li n t e s t i n e s t h i si sag r e a ta d v a n t a g eo v e rt r a d i t i o n a le n d o s c o p e s ，w h l c h c a no n l y e x a l n i n et h eu p p e ra n dl o w e rg i t r a c t s t h i se x a m i n i n gm e t h o d1 sn o n l n v a s l v ea n d d a i n l e s s ，w h i c hi si nl i n ew i t hr e c e n tt r e n d st o w a r d s n o n i n v a s i v ea n dm i n i l l 1 a l l yl n v a s l v e t h e r a p v lt h i sm e t h o da i m st or e d u c ep o w e ra n di m p r o v ee f f i c i e n c yb ya d j u s t i n g 打啪e f o m a t , c o m p r e s s i n gr a t i o ，e t c w i t h p r o g r e s s o fs o m et y p i c a lc a p s u l e - s t y l e m l c r o s v s t e m s ，s u c ha sw i r e l e s se n d o s c o p e ，s i t es p e c i f i cd e l i v e r yc a p s u l e ( s s d c ) ，a l i m e n 酊y t r a c ts a l n p l i n gc a p s u l e ，p hc a p s u l e p e o p l ec a nt a k eb e t t e rt h e r a p yw i t ht h e s el e n l c l v e t e c h n i q u e h o w e v e r , i ti sv e r yd i f f i c u l ti ns o l v i n g t h ep r a c t i c a b i l i t yo fw l r e l e s se n d 0 8 c o p e b e c a u s eo fi t sp o w e ra n di m a g eq u a l i t y d u e t ot h i sf a c t o r s ，t h eb i - d i r e c t l o n 射a n d m u l t i c h a n n e lm i n i a t r u i z e dt e l e m e t r ym o d u l ef o rw i r e l e s se n d o s c o p yw a s d e v e l o p e dt o i m p r o v et h ep r a c t i c a b i l i t y t h ew h o l es y s t e mh a s t h r e ep a r t s ，e n d o s c o p e ，c o n t r o l l l n ga n d m a n a 西n gu n i ta n di m a g ew o r k s a t i o n d i g i t a l i m a g es e n s o r a n ds m g l e - c h l pr a d l o t r a n s c e i v e ri ne n d o s c o p ea r e c o n t r o l l e db ym i c r o p r o c e s s o rc o n t r o lu n i t ( m c u ) c o m p r e s s i n ga r i t h m e t i c c a nb ec o m p l e t ei nd i g i t a li m a g e s e n s o ru n l t u a t aw a s c 0 1 t i m u n i c a t e db e t w e e ne n d o s c o p ea n da r m m o d u l ew i t ht w ot r a n s c m v e r s - a r m ，t h e c o r eo fc o n t r o l l i n ga n dm a n a g i n gu n i t ，w h i c hh a sm a n yi n t e r f a c e s s ot h a ta l lo ft h e p e r i p h e r a le q u i p m e n t c a nb ee x t e n d e d o nt h i sb o a r d，s u c h a s l 1 q u l dc r y s t a l d i s p l a y ( l e d ) s e c u r ed i g i t a l c a r d ( s d ) ，r a d i o t r a n s c e i v e ra n dp o w e rm o d u l e 1 n e i m a g ew h i c hw a ss h o o t e di ns t o m a c ha n di n t e s t i n ea r ea n a l y s e da n d s t o r a g e do n1 m a g e w o r k s t a t i o n i m a g ed a t aw a st r a n s m i t t e db y u n i v e r s a ls e r i a lb u s ( u s b ) b e t w e e nt w o l a t t e rd a r t s i n t h ew h o l es y s t e m ，f l a m e f o r m a to fd e c o d e r ，c o m p r e s s i n g r a t i o , t r a n s m i t t i n gs p e e da n ds l e e p i n gm o d e l a r ec o n t r o l l e db yc h a n g i n gs o r e ep 盯锄e t 盯s a c c o r d i n 2t oo u rn e e di nd i f f e r e n ts i t u a t i o n s t h es t u d y h a sd e m o n s t r a t e dau m q u ea n d b e t t e ra p d r o a c ht om i n i s ht h ed i m e n s i o no fe n d o s c o p e i ta l s or e p r e s e n t s as l g n l t l c a n t a d v a n c e m e n ti ni n t e s t i n et h e r a p y as u c c e s s f u la t t e m p th a sb e e nm a d et oa c q u l r e b e t t e r d a t aw i mm ea i do ft h i ss y s t e m t h e e m b e d d e ds y s t e mh a s s e v e r a l1 m p o r t a n t a p p l i c a t j o n s i nm e d i c i n e ， a n dp e r h a p st h em o s ts i g n i f i c a n t o n e1 st h es i e e p i n g m o d e l ，w h i c hc a r lb ec o n t r o l l e da sy o u rw i s h ，t h ee n e r g yw a ss a v e d a n dc a p s u l e s t y l e 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 m i c r o s y s t e m sa l s oc a nb eu s e dw i d e l yi nb i o m e d i c i n ee n g i n e e r i n gw i t hi t k e y w o r d s ：w i r e l e s se n d o s c o p e ，e m b e d d e ds y s t e m ，a r m ，u s b c o m p r e s s i n gr a t i o 独创性! 声明 本人声明所呈交的学位论文是本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，也不包含为获得重庞太堂 或其他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己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：签字日期：枷多年儿月侈日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重麽太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重庆大学可以将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、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文作者签名：娠锄写 导师签名： 彰署( 弘 签- - 7 - 日期：侧易年，二月) 日签字日期：砌6 年z 月7 乡日 重庆大学硕士学位论文 l引言 1 1 问题的提出及研究意义 1 1 1 问题的提出 由于小肠远离口腔和肛门，是整个胃肠道中最难被检测的部分，因此对小肠 疾病难以做出讵确的诊断，容易误诊。尤其小肠作为人体最重要的营养吸收器官 约占胃肠道长度的7 5 ，长度约有7 米。小肠包括十二指肠、空肠和回肠三部分。 其功能是进一步消化来自胃的食糜，并吸收营养物质进入血液和淋巴。小肠有节 律的分节运动，使食糜与消化液充分混合，使酶充分发挥化学分解作用，使食糜 与小肠壁紧密接触，利于吸收。小肠的蠕动能把食糜向大肠方向推进，微弱的逆 蠕动又可防止食糜过早通过回盲瓣进入大肠，有利于食物的充分消化吸收。小肠 如果发生疾病，就会引起机体营养的严重紊乱和体液平衡失调。 目前对于小肠疾病的诊断，一般首先应根据临床表现，结合胃、结肠镜排除 胃十二指肠球部以上消化道和结直肠病变。并且结合e c t 、d s a 、b 超、c t 等检 查设备帮助进行诊断。 小肠镜检查是小肠疾病诊断的主要手段之一，推进式小肠镜可通过屈氏韧带 进入空肠近端约5 0 c m ，小肠镜对小肠疾病的诊断具有直观且可进行活检甚至作一 些镜下治疗等优点。在2 0 0 4 年于上海召开的全国小肠疾病暨华东消化内镜学术大 会上，推出了一种称为“推进式双气囊小肠镜”的检查方法，其基本构造与普通电子 内镜相似，其独特构造是在内镜顶端加装一个气囊，小肠镜加装一个带气囊的外 套管。其工作原理是运用外套管与内镜头端的气囊的交替膨胀与收缩来固定小肠 管壁，同时通过外套管和内镜的交替插入和将充气气囊的外套管的收拉等操作， 将小肠远侧肠段牵拉至近侧，使小肠呈同心圆样排列，如此反复。通过经口和经 肛门两种进镜方式，可以完成长达5 米的全小肠检查，并可以取活检、开展内镜 下治疗、协助外科手术定位，使原先常规内镜无法抵达的小肠部位和无法检查出 病变的问题得到了改善。 但是推进式双气囊小肠镜仍然存在普通管道式电子内窥镜【l 的常见缺点和不 足。由于小肠处于消化道深处、迂回曲转，使进镜和观察很困难，且内窥镜的植 入过程采用人为植入，操作技术要求高，操作时间长，可能对人体内部软组织造 成擦伤和拉伤。并且由于内窥镜的左右摆动和扭曲等大幅度体内动作使病人蒙受 很大痛苦，甚至有些病人因恐惧而放弃检查，且不适用于老年、体弱和危险等病 人。此外，推进式内窥镜用于消化疾病检查时病人会有感染上传染性疾病的风险， 如肝炎、a d i s 病等。为了控制这种风险，病人需要进行传染性疾病的检查，如 重庆大学硕士学位论文 h i v 、乙肝5 项等，从而给病人带来很大的不便。 用传统内窥镜技术对病人进行检查，不管是上消化道还是下消化道均采取机 械插入式的方法，给病人带来不适或痛苦，有时甚至需在麻醉下进行。由于其光学 特性和视角的限制，对消化系统非形态性改变的隐性出血、贫血、炎症等也难以有 明确诊断。常用的钡剂造影方法般也只能检测溃疡病灶或实质性瘤体等，而不是 直观式诊断，而且操作繁杂。为此，利用微传感器技术、无线通讯技术、生物电磁技 术与临床医学技术相结合，研制了胶囊内窥镜系统，利用这种智能系统进行检查， 无创伤、无痛苦、无交叉感染，不但克服了胃镜等传统推进式内窥镜的缺点，而且 能检查以前不能通过仪器检查的小肠。胶囊内窥镜彻底解除了病人的痛苦，是消化 道系统无损伤性诊断的一种革命性的技术创新。 1 1 2 国内外研究现状 随着人民的生活水平的提高，人们更加关注身体健康和大众医疗保健，国家 也在大力推动数字化医疗设备的发展。各学科的迅猛发展、交叉、融合，又为新 的医学仪器的出现提供了条件。 1 9 8 3 年，美国w e l c h a l l y n 公司研制成功了电子内窥镜，使内窥镜技术跨入电 子时代。电子内窥镜的应用使消化道疾病的诊治取得了划时代的进步，医生不仅 可以从计算机屏幕上清楚地看到体内病变组织以便直接将其切除和取样，也可将 上述图像进行输出、存储以便进一步诊断和处理。电子内窥镜的诊断优势己在医 学界达到共识，目前仍是消化系统疾病诊断的公认标准，还没有任何的体外影像 系统( m r i 、c t 、胃肠造影等) 能够与其t e 拟。不过，传统的管状推进式内窥镜 ( p u s he n d o s c o p i e s ) 用于消化系统检查时，由于内窥镜的植入过程采用人为植入， 这样有可能对人体造成损伤，且人的肠道长大约7 米，一般的电子内窥镜最远的 仅及一半左右，无法对肠道的全程进行检查。 国外对于内窥镜发展现状比较先进i j 。”j ，起步较早。从2 0 世纪8 0 年代开始， 以日本、美国为主的国家就开始了人体腔道微诊疗系统的研究，欧洲的部分国家、 如瑞士、德国也开展了该领域的研究，目前走在世界前列的有以色列的g i v i n g i m a g i n g 公司和日本的r f 实验室“。 国内在该领域的研究起步较晚，投入资金较少，总体水平落后，在知识产权领 域还处劣势。其中，上海交通大学在该领域起步较早，在主动引导式内窥镜方面 进行了研究，开发出了药丸式微型机器人样机。 我国从事无线内窥镜研究的研究单位和企业也有多家。北京3 0 1 医院在无线 内窥镜方面进行了研究，重庆大学与重庆m e m s 公司联合进行了无线内窥镜方面 的前期研究。清华大学研究的是双向数字式无线内窥镜】，是一种双向无线通信可 控且可实时观察图像、全数字且全消化道检查的双向数字式无线内窥镜系统，含 2 重庆大学硕士学位论文 有无线收发数字式内窥镜摄像装置，便携式无线接收与数据传输装置以及计算机 控制与处理装置，在无线收发数字式内窥镜摄像装置内设有可调视角的摄像头、 可调焦距的光学镜头以及发光照明结构。这种无线内窥镜研究的关键是用m e m s 技术和a s k 技术微型化胶囊内部的相关模块。中国科学院合肥智能机械研究所传 感技术国家重点实验室重点研究的是无线微型机器人肠道内窥镜系统中图像采集 与无线传输子系统，该系统并能清晰传输图像。不过在无线内窥镜研究方面最终 取得突破的还是重庆的金山科技有限公司。金山公司研究的无线内窥镜基本上是 仿照以色列的m 2 a 无线内窥镜c j j ，胶囊的内部结构和功能都和m 2 a 胶囊十分相 似。金山公司的无线内窥镜已经通过动物试验，现正在进行临床实验。 总体而言，我国在人体腔道微型诊疗系统领域的研究起步较晚，总体水平落 后，在知识产权领域更处劣势。但随着技术的发展，许多新技术，特别是m e m s 技术的应用，使得以往的工作原理、设计方法等发生了很大的变化，而且产生了 新的应用领域，进而在近几年形成了一个研究高潮。 近几年国内已经意识到其实用价值，正逐步投入更多的人力物力去开发研究， 有着比较好的发展前景。我国在胶囊内窥镜的研究上，也取得了一定的成绩。2 0 0 4 年6 月1 2 日，由重庆金山科技( 集团) 有限公司研制的“胶囊内窥镜”在重庆通过了国 家“8 6 3 ”专家组的验收。如同普通感冒清大小的智能胶囊，里面安装的代表全球最 先进的微机电( m e m s ) l 珥刮技术设备和微型摄像探头，此胶囊专用于消化道的病变 探查。此项技术成果为国内首创。 然而，可随身携带便携式接收装置却未能在我国很好普及，其原因如下： ( 1 ) 提供的监护功能和记录的信息有限 ( 2 ) 其体积、重量、功耗等不尽如人意，不便于病人使用 ( 3 ) 国外设备费用较为昂贵，普通患者难以承受。 入世以来，随着国际交流合作深入，为满足人们日益增长的高质量医疗健康 条件需要以及与国际接轨，可随身携带的实时接收装置的研制具有重大意义和应 用前景。 1 1 3 研究的意义 医用无线内窥镜系统具有重要的临床应用价值和商业价值，随着无创医疗技 术的发展，无线内窥镜成为人体胃肠道微诊疗系统的重要分支之一。也是消化道 内窥镜系统的研究热点。目前全球只有以色列在i 临床使用无线内窥镜系统，使用外 国的产品检查费用非常昂贵，我国自行开发的产品一旦进入市场后，将大大降低检 查的成本，使数千万胃肠道疾病患者受益。本文阐述的基于a r m 的胶囊内窥镜便 携式接收装置，不仅在课题提及的内窥镜图像处理中得到很好的应用，能满足实 时和按需接收图像的要求，其移植性也相当好，在生物医学工程领域，可以扩展 重庆大学硕士学位论文 为对心电，脑电等视频监视系统，有很好的参考性和使用价值。对生物医学工程 产业的发展有着积极和深远的意义。 1 2 研究内容和目标 通过以上分析表明，广大患者迫切需要一种功能强大、使用方便的便携式图 像接收装置来及时准确的了解胶囊窥镜在体内所拍摄到的图像，以便发现病变时 及时就医，从而更好地保护人们的身体健康。结合近年来电子、计算机、通信技 术和医学的发展，本文提出了一种基于3 2 位高档a r m 9 微处理器的便携式图像接 收装置设计方法，使得该装置具有功耗低、体积小、容量大，有良好的人机界面， 可随身携带，全天候监护和记录，能实时进行分析处理和离线浏览及通过u s b 接 口传输数据的特点，以满足患者的需要。整个基于j p e 9 2 0 0 0 的按需式无线内窥镜 系统共有胶囊内窥镜 2 卯7 1 便携式接收装置和图像浏览工作站三部份组成。胶囊内 窥镜有数字图像传感器拍摄图像，通过f p g a 或d s p 进行压缩后由发送接收模块 单元发送出去，便携式接收装置的接收模块采集到数据进行存储和显示，并通过 u s b 通信模块与上位机接口，在图像浏览工作站中进行病灶勾勒，分析处理等功 能。 本文将其分几个模块来设计：通讯模块、中央处理模块、s d 卡存储及u s b 通 信模块。论文主要工作如下： ( 1 ) 对比国内外研究现状，研究便携式图像接收装置的总体设计方案； ( 2 ) 研究设计数据采集模块； ( 3 ) 设计中央处理模块； ( 4 ) 数据的通信和存储； ( 5 ) u s b 通信接口； 4 重庆大学硕士学位论文2 便携式装置的设计方法 2 便携式装置的设计方法 2 1 选型原则 便携式装置是基于嵌入式开发平台扩展设计的，其核心是根据系统需要所选 的处理器芯片。在实际开发过程中，考虑了d s p “，a r m ，d s p + a r m 等三种方案， 基于成本，性能多方面的考虑，采用了a r m 芯片，其扩展接口比较方便，处理速 度也能满足系统要求。 嵌入式开发的硬件平台的选择主要是嵌入式处理器1 2 s j 的选择。在一个系统中 使用什么样的嵌入式处理器内核主要取决于所应用的领域、用户的需求、成本、 开发的难易度等因素。确定了使用哪种嵌入式处理器内核以后，接下来就是结合 实际情况，考虑系统外围设备的需求情况，选择一款合适的处理器。外围设备主 要考虑总线的需求、i 0 口的扩展、u s b 总线的选择、系统内部是否需要i i c 总线、 s p i 总线等。另外，还要选择处理器的寻址空间，有没有片上的f l a s h 存储器等相 关信息。 根据i e e e ( i 玉i 际电气和电子工程师协会) 的定义：嵌入式系统1 6 是用于控制、 监视或者辅助操作机器和设备的装置”( d e v i c e su s e dt oc o n t r o l ，m o n i t o r , o ra s s i s tt h e o p e r a t i o no f e q u i p m e n t ，m a c h i n e r yo rp l a n t s ) 。可以看出此定义是从应用上考虑的， 嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机电等附属装置。按照一般定义， 嵌入式系统是“以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、功能、可 靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。” 嵌入式系统的几个重要特征包括： 1 ) 系统内核小：由于嵌入式系统般是应用于小型电子装置的，系统资源相对 有限，所以内核较之传统的操作系统要小得多。 2 ) 专用性强：嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的结合非常紧 密，一般要针对硬件进行系统的移植。即使在同一品牌、同一系列的产品中也需 要根据系统硬件的变化和增减不断进行修改。同时针对不同的任务，往往需要对 系统进行较大更改，程序的编译下载要和系统相结合，这种修改和通用软件的“升 级”是完全不同的概念。 3 ) 系统精简：嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，不要求其 功能设计及实现上过于复杂，这样一方面利于控制系统成本，同时也利于实现系 统安全。 4 ) 高实时性o s ：这是嵌入式软件的基本要求，而且软件要求固态存储，以提 高速度。软件代码要求高质量和高可靠性、实时性。 5 重庆大学硕士学位论文 2 便携式装置的设计方法 5 ) 嵌入式软件开发走向标准化：嵌入式系统的应用程序可以没有操作系统直接 在芯片上运行。为了合理地调度多任务、利用系统资源、系统函数以及和专家库 函数接口，用户必须自行选配r t o s ( r e a l - - t i m e o p e r a t i n gs y s t e m ) 7 f 发平台，这样 才能保证程序执行的实时性、可靠性，并减少刀= 发时间，保障软件质量。 6 1 嵌入式系统开发需要丌发工具和环境：由于其本身不具备自主刀：发能力，即 使设计完成以后，用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改，必须有一套开 发工具和环境才能进行开发。这些工具和环境一般是基于通用计算机上的软硬件 设备以及各种逻辑分析仪、混合信号示波器等。开发时往往有主机和目标机的概 念，主机用于程序的开发，目标机作为最后的执行机，开发时需要交替结合进行。 嵌入式系统般指非p c 系统，它包括硬件和软件两部分。硬件包括处理器 微处理器、存储器及外设器件和i o 端口、图形控制器等。软件部分包括操作系 统软件( o s ) ( 要求实时和多任务操作) 和应用程序编程。有时设计人员把这两种软件 组合在一起。应用程序控制着系统的运作和行为；而操作系统控制着应用程序编 程与硬件的交互作用。 嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般就具备以下4 个 特点： 1 ) 对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时 间，从而使内部的代码和实时内核心的执行时间减少到最低限度。 2 ) 具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构己模块 化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保 护功能，同时也有利于软件诊断。 3 ) n 扩展的处理器结构，以能最迅速地丌展出满足应用的最高性能的嵌入式微 处理器。 4 ) 嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通 信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有m w 甚至“w 级。 2 1 1 开发板的选择 在实际过程中，挑选最好的硬件是一项很复杂的工作，要考虑各方面的问题， 如成本和干扰等。成本经常是一个关键因素。但还要考虑产品的整体成本，而不 要只看到c p u 。因为在整体结构中，总线和延迟逻辑也是必须要考虑进去的，只 有这样才能使系统各种外设协同工作。要进行必要的系统功能分析，以使所选用 的硬件能够完成所需要的实时处理任务。 嵌入式微处理器有许多种流行的处理器核，芯片生产厂家一般都基于这些处 理器核生产不同型号的芯片。 根据项目的需求和成本估算，可以决定采用a r m 核处理器1 7 - 8 1 。a r v l 是a r m 6 重庆大学硕士学位论文2 便携式装置的设计方法 公司推出的嵌入式3 2 位r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ) c p u 内核，其结 构己经从v 3 发展到v 6 。a r m 包括了一系列微处理器系统芯片技术。目前流行的 a r m t t d m i ，s t o n g a r m ，a r m 7 2 0 t , a r m 9 t d m i ，a r m 9 2 2 t , a r m 9 4 0 t , a r m 9 4 6 t , a r m 9 6 6 t , a r m o t d m i 等。自v 5 以后，a r m 公司提供p i c c o l od s p 的核给芯片设 计者，用于设计a r m + d s p 的s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 结构的芯片。a r m 芯片获得 了许多实时嵌入式操作系统支持，比较知名的有：w i n d o w sc e ，l i n u x p s o s ， v x w o r k s ，n u c l e u s ，e p o c ，u c o s i i 等。 确定了使用哪种嵌入式处理器的内核以后，接下来就是结合实际情况，选择 一款合适的处理器。 a r m 9 2 0 t 是a r m 9 系列产品中的一款高性能3 2 位s o c ( s y s t e m o n c h i p ) 处理 器。它包括a r m 9 t d m i ，1 6 k 字节的指令缓存和1 6 k 字节的数据缓存，指令和数 据的内存管理单元m m u ( m e m o r ym a n a g e m e n tu n i t s ，写缓存，a m b a ( a d v a n c e d m i c r o p r o c e s s o rb u sa r c h i t e c t u r e ) 总线接1 3 ，e t m 接口。a r m 9 2 0 t 还包括了两个协 处理器：c p l 4 控制软件读取调试通信通道，c p l 5 是系统控制处理器，提供1 6 个附 加的寄存器，这些寄存器用于配置和控制缓存、m m u 、保护系统，时钟模式和其他 系统选项。 a r m 9 2 0 t 处理器的主要特点是基于a r m 9 t d m i ，是a r mv 4 t 的体系结构， 两种指令集设置，一种是高性能3 2 位指令集，一种是t h u m b 高性能集成的1 6 位 指令集，s 级流水线结构：指令读取，指令解码，执行，数据存储读取，寄存器写。 h h a r m 2 4 1 0 l g j 是华恒科技推出的用于高端手持设备、微型智能控制设备的开 发板。由核心板和底板( 外设板或称基本板) 组成，核心板上集成了采用2 0 3 m h z 的a r m 9 2 0 t 内核的处理器$ 3 c 2 4 1 0 。6 4 ms d r a m 以及1 6 m 的f l a s h ，底板上 则提供以下外设接口：一个四线r s - 2 3 2 串c 1 ( c o m l ) ，一个u s bh o s t 接口，一 个1 0 m 1 0 0 m 自适应以太网接口，一个t f t l c d 接口，一个触摸屏接口。核心板和 底板配合即构成一个最小的完整应用系统。系统具有体积小、耗电低、处理能力 强、等特点，能够装载和运行嵌入式l i n u x 操作系统。用户可以在这个系统平台上 进行自主软件开发，该款套件核心板的尺寸仅相当于名片的2 3 大小，基于便携式 的特点和对处理器处理速度的考虑，我们在设计中选择了这款开发板。 $ 3 c 2 4 1 0 内部集成了微处理器和一些手持设备的常用外围组件，特别适用于 手持产品。$ 3 c 2 4 1 0 微处理器是一个多用途的通用芯片，它内部集成了微处理器 和常用外围组件，可用于各种领域。它是应用于手持设备的低成本实现，提供了 更高性价比。 s 3 c 2 4 1 0 集成了一个l c d 控制器( 支持s t n 和t f t 带有触摸屏的液晶显示 屏) 、s d r a m 控制器，3 个通道的u a b t , 4 个通道的d m a , 4 个具有p w m 功能的 7 重庆大学硕士学位论文2 便携式装置的设计方法 计时器和一个内部时钟、8 通道的l o 位a d c 。$ 3 c 2 4 1 0 还有很多丰富的外部接口， 例如触摸屏接口、i i c 总线接口、i i s 总线接口、两个u s b 主机接口、一个u s b 设备接口、两个s p i 接口，s d 接口和m m c 卡接口。在时钟方面$ 3 c 2 4 1 0 也有突 出的特点，该芯片集成了一个具有日历功能的r t c 和具有p l l ( m p l l 和u p l l ) 的芯片时钟发生器。m p l l 产生主时钟，能够使处理器工作频率最高达到2 0 3 m h z 。 这个工作频率能够使处理器轻松运行w i n c e ，l i n u x 等操作系统以及进行较为复杂 的信息处理。u p l l 产生实现主从u s b 功能的时钟。 $ 3 c 2 4 1 0 将系统的存储空间分成8 个b a n k ，每个b a n k 的大小是1 2 8 m 字节， 共1 g 字节。b a n k o 到b a n k 5 的丌始地址是固定的，用于r o m 或s r a m b a n k 6 和b a n k 7 用于r o m ，s r a m 或s d r a m ，这两个b a n k 可编程，且大小相同。b a n k 7 的开始地址是b a n k 6 的结束地址，灵活可变。所有内存块的访问周期都可编程， 外部w a i t 管脚扩展了访问周期。$ 3 c 2 4 1 0 采用n g c s 7 ：o 8 个通用片选线选择8 个b a n k 区。 $ 3 c 2 4 1 0 支持n a n d 闪存b o o t l o a d e r , n a n d 闪存具有容量大、比n o r 闪存 更具竞争力的价格等特点，系统采用n a n d 闪存与s d r a m 组合，可以获得非常 高的性价比。$ 3 c 2 4 1 0 具有三种b o o t 方式，由o m 1 ：0 1 管脚选择：0 0 时处理器从 n a n d 闪存b o o t ；0 1 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 用户将 b o o t l o a d e r 代码和操作系统镜像放在外部的n a n d 闪存，采用n a n d 闪存b o o t 。 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 代码自动 加载到内部的4 k bs 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 ， $ 3 c 2 4 1 0 对于片内的各个部件采用了独立的电源供给：内核采用1 8 v 供电：存 储单元采用3 3 v 独立供电，对于一般s d r a m 可以采用3 3v ，对于移动s d r a m 可以采用v d d 等于1 8 2 5 、v d d q 等于3 0 3 3 i o 采用独立3 3 v 供电。 下面给出$ 3 c 2 4 1 0 微处理器的特性： a r m 9 2 0 t 嵌入式处理器内核，主频可达2 0 3 m k ； 扩展总线最大频率1 0 0 m h z ； 3 2 位数据，2 7 位外部地址线包含r a m ( s d r a m ) 控制器，n a n d 控制器：复位 时引导芯片选择( 8 ，1 6 一比特存储或n a n d 可供选择) ； 四个带有p w m 的1 6 位定时器 多达5 5 个中断源的中断控制器： r t c 和看门狗； 三个u a r t ，s u p p o r t si r d a1 0 ： 四个d m a 通道：( 支持外设d m a ) 重庆大学硕士学位论文2 便携式装置的设计方法 8 通道，5 0 0 k s p s ，1 0 b i ta d c ； 支持s t n 与t f t l c d 控制器； i i c b u s 接口和i i s 音频接口； 两个u s b h o s t 接口，一个u s b d e v i c e 接口 两个串行外围接口电路( s p i ) s d 卡接口； 图2 1 为$ 3 c 2 4 1 0 的结构框图： 图2 1 $ 3 c 2 4 1 0 结构框图 f i g2 i $ 3 c 2 4 1 0b l o c kd i a g r a m 根据$ 3 c 2 4 1 0 的特性，我们选取了华恒这款开发板作为便携式接收装置的开 发平台，下面是基于开发板扩展的一些功能模块。 串行接口电路用于$ 3 c 2 4 1 0 系统与其它应用系统串行通讯； 1 0 m 以太网接口为系统提供以太网接入的物理通道，通过该接1 2 1 ，系统可以 9 重庆大学硕士学位论文2 便携式装置的设计方法 1 0 m 的速率接入以太网： u s b 接口可用于u s b 通讯进行程序下载或u s b 设备的连接： f l a s h 存储器可存放己调试好的用户应用程序、嵌入式操作系统或其他在系 统掉电后需要保存的用户数据等： s d r a m 存储器作为系统运行时的主要区域，系统及用户数掘、堆栈均位于 s d r a m 存储器中： l c d 接口用于连接l c d 模块，显示画面，进行g u i 开发： l e d 和键盘可用于系统功能指示和输入指令： 音频i o 可以实现音频的输入输出，实现系统的报警等功能： 系统总线扩展引出了数据总线、地址总线和必须的控制总线，便于扩展外围 电路，系统功能改进；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。 2 1 2 嵌入式操作系统的选择 随着微处理器的产生，价格低廉、结构小巧的c p u 和外设连接提供了稳定可 靠的硬件架构，那么限制嵌入式系统发展的瓶颈就突出表现在了软件方面。尽管 从八十年代末开始，陆续出现了一些嵌入式操作系统，比较著名的有v x w o r k 、 p s o s 、n e c u l e u s 和w i n d o w sc e 。但这些专用操作系统都是商业化产品，其高昂 的价格使许多低端产品的小公司望而却步；而且，源代码封闭性也大大限制了开 发者的积极性。另外，结合国内实际情况，当前国家对自主操作系统的大力支持， 也为源码开放的l i n u x 的推广提供的广阔的发展前景。还有，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。在不久的将来，从冰箱到收音机都会 内置处理器。因为l i n u x 的开放性，许多人认为l i n u x 非常适合多数i n t e r n e t 设备。 他们认为l i n u x 可以支持不同的设备，支持不同的配置。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 l l o l 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。 嵌入式操作系统主要有p a l mo s ，w i n d o w sc e ，e c o s 等，高端嵌入式系统 要求许多高级的功能，如图形用户界面和网络支持。很多高端r t o s 供应商已经 提供了这些功能，但其价格也很高端，一般人难以接受。微软的w i n d o w sc e 也 有此类功能，却不具各大多数嵌入式系统要求的实时性能，而且难以移植，也曾 经有人想以d o s 为基础用单独的第三方工具拼凑一个系统，但这种努力将是自 费。现在需要的是一个便宜、成熟并且提供高端嵌入式系统所必须特性的操作系 统，嵌入式l i n u x 操作系统以价格低廉、功能强大又易于移植而正在被广泛采用， 1 0 重庆大学硕士学位论文2 便携式装置的设计方法 成为新兴的力量。 l i n u x 为嵌入操作系统提供了一个极有吸引力的选择，它是个和u n i x 相似、 以核心为基础的、完全内存保护、多任务多进程的操作系统。支持广泛的计算机 硬件，包括m o t o r o l a ，x 8 6 ，a l p h a ，s p a r e ，m i p s ，p p c ，a r m ，n e c 等现有 的大部分芯片。软件源码全部公开，任何人可以修改并在g n u 通用公共许可证 ( g n ug e n e r a lp u b l i cl i c e n s e ) 下发行这样，开发人员可以对操作系统进行定制，再 也不必担心像m sw i n d o w s 操作系统中“后门”的威胁。同时由于有g p l 的控制， 大家开发的东西大都相互兼容，不会走向分裂之路。l i n u x 用户遇到问题时可以通 过i n t e m e t 向网上成千上万的l i n u x 开发者请教，这使最困难的问题也有办法解决。 l i n u x 带有u n i x 用户熟悉的完善的开发工具，几乎所有的u n i x 系统的应用软件都 已移植到了l i n u x 上。l i n u x 还提供了强大的网络功能，有多种可选择窗口管理器 ( xw i n d o w s ) 。其强大的语言编译器g c c 、g + + 等也可以很容易得到。不但成熟完 善、而且使用方便。 嵌入式系统选择l i n u x 的原因： 可应用于多种硬件平台。l i n u x 已经被移植到多种硬件平台，这对受丌销、时 间限制的研究与开发项目是很有吸引力的。原型可以在标准平台上开发然后移植 到具体的硬件上，加快了软件与硬件的开发过程。 l i n u x 可以随意地配置不需要任何的许可证或商家的合作关系。唯一的限制 是开发者必须做出对l i n u x 社区有益的改动。 它是免费的，源代码可以得到。这是最吸引人的。毫无疑问，这会节省大量 的开发费用。 微内核直接提供网络支持，而不必像其他操作系统要外挂t c p i p 协议包。 l i n u x 的高度模块化使添加部件非常容易。 l i n u x 在台式机上的成功，也保证了l i n u x 在嵌入式系统中的辉煌前景。 l i n u x 是种很受欢迎的操作系统，它与u n i x 系统兼容，丌放源代码。它 原本被设计为桌面系统，现在广泛应用于服务器领域。而更大的影响在于它正逐 渐的应用于嵌入式系统领域。 l i n u x 是一个自由开放的世界，在l i n u x ( 无论p c 还是嵌入式系统) 上进行 软件开发都可以在丰富的网络资源中获取帮助。 2 2 设计流程 在嵌入式系统的应用开发中，整个系统的开发过程如图2 2 所示 重庆大学硕士学位论文 2 便携式装置的设计方法 图2 2 系统开发流挥图 f i g2 2 f l o wc h a r to f s y s t e me x p l o i t a t i o n 可见，在应用嵌入式系统开发的过程中，因为对每一个处理器的硬件平台都 是通用的、固定的、成熟的。但是不同的硬件系统对应于操作系统也有不同的要 求，假若对内存要求不是那么高，可以选择操作系