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硕士论文 基于a r m 的陶瓷划痕自动检测装置设计研究 摘要 本文分析了国内外陶瓷划痕检测的发展和现状，介绍了一种嵌入式陶瓷划痕自动检 测装置。该检测装置设计以a r m 处理器为核心，先通过c m o s 摄像头采集陶瓷图像， 将其存储在a r m 存储器里，再经过图像预处理，边缘检测，图像平滑，二值化处理和 划痕识别，判定陶瓷是否有划痕，并将检测数据显示出来，如果有划痕，将有划痕的陶 瓷图片通过以太网从该装置传送到主控计算机。 论文首先介绍了陶瓷划痕检测装置的硬件架构和软件平台的构建，其次重点介绍了 陶瓷划痕检测的数字图像处理技术，对其中的一些算法进行了详细地分析，并在m a t l a b 下进行了仿真，同时对用于图像边缘检测的p r e w i t t 算子进行了算法改进，减少了图像 处理的运算量，更好地满足了该检测装置的实时性要求。最后详细介绍了该装置的软件 设计，这也是本论文最核心的一部分，软件设计包括陶瓷图像的采集，划痕的检测，按 键模块，显示模块和通讯模块等。 本文的研究结果具有较大的工程实际意义，对于陶瓷划痕的检测具有一定的参考价 值。 关键词：a r m ，嵌入式，l i n u x ，图像处理，陶瓷划痕检测 a b s t r a c t b ya n a l y z i n gt h ed e v e l o p m e n ta n ds i t u a t i o n so fc e r a m i c n i c ki n s p e c t i n gs y s t e mh o m e a n da _ b r o a d t h i st h e s i ss h o w sa ne m b e d d e da u t o m a t i cc e r a m i c n i c ki n s p e c t i n gs y s t e m t h e s y s t e ：mb a s e d o na r m m i c r o p r o c e s s o r , a n di tg e t si m a g ed a t aw h i c h w i l lb es t o r e di na r m w i t hac m o sc a m e r a , a n dt h e nc a r r i e so u tas e r i e s o fp r o c e s s i n g ，i n c l u d i n gi m a g e p r e p r o c e s s i n g ，e d g ed e t e c t i o n ，i m a g es m o o t h i n g ，i m a g eb i n a r y z a t i o n ，a u t o m a t i cr e c o g n i t i o n f i n a l l y , i td e t e c t st h ec e r a m i cw h e t h e rh a sn i c ko rn o tb yc a l c u l a t i n gs o m ep a r a m e t e r sw h i c h w i l lb es h o w e d i ft h ec e r a m i ch a sn i c k ，t h ei m a g ew i l lb et r a n s p o r t e df r o mt h ed e v i c et om a i n c o n t r o l l i n gc o m p u t e r f i r s t l y , t h eh a r d w a r ed e s i g na n dt h es e tu po f s o f t w a r ep l a t f o r ma r ep u tf o r w a r da n d d i s c u s s e d s e c o n d l y , t h et h e s i sm a k e sas t u d yo fd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g y s o m e i m p o r t a n ta l g o r i t h m sh a sb e e na n a l y z e di nd e t a i l ，a n ds i m u l a t e dw i t hm a f l a b ，a tt h es a m e t i m e ，a l g o r i t h mo fp r e w i t tf u n e t o rw h i c hi su s e di ne d g ed e t e c t i o nh a sb e e ni m p r o v e dt o i e d u c ec a l c u l a t e da m o u n to fi m a g ep r o c e s s i n ga n dh a ss a t i s f i e dt h ed e m a n do fr e a l - t i m eo f t h ed e t e c t i n gd e v i c e f i n a l l y , t h i st h e s i sd i s c u s s e dt h es o f t w a r ed e s i g no fs y s t e mi nd e t a i l ， w h i c hi sh a r d c o r eo ft h et h e s i s ，i n c l u d i n gc a p t u r i n gi m a g e ，i n s p e c t i n gc e r a m i c - c r a c k ，t h e d e s i g no f b u t t o n sa n dd i s p l a y , c o m m u n i c m i o nm o d u l ea n d s oo n r e s u l to ft h i sr e s e a r c hw a sp r o v i d e dw i t hg r e a ts i g n a l i t yo fp r a c t i c a le n g i n e e r i n ga n da v a l u a b l er e f e r e n c ef o rc e r a m i c ，n i c ki n s p e c t i n g k e y w o r d ：a r m ，e m b e d d e ds y s t e m ，l i n u x ，i m a g ep r o c e s s i n g ，c e r a m i c n i c ki n s p e c t i n g i i 声明 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：年月日 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：年月 日 硕= 论文 基于a r m 的陶瓷划痕自动榆测装置设计研究 1 绪论 1 1 国内外陶瓷划痕无损检测的现状 人类社会所使用的工业制品是由金属材料、有机材料和陶瓷这三大材料制成的。今 天，作为现代材料三大支柱之一的陶瓷材料，由于特殊的物理化学性能而在现代工业中 得到广泛应用。陶瓷材料包括氮化硅、碳化硅、氧化铝等，绝大部分材料是由元素周期 表中电负性小的元素和电负性大的元素形成的化合物构成，元素之间的组合形式多，表 现出多种材料特性，具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损、比重小等优良性能，然而陶瓷的断 裂韧性一般很低，是典型的脆性材料，即使是微小的缺陷，也容易在该处造成应力集中 而破坏【l j ，在外表面尤其如此。如果能够用无损检测的方法在陶瓷制造的早期剔除废品， 避免无价值的加工而造成的损失。这样，将挽回经济损失，而且会缩短材料开发制造周 期。 当前，国内外陶瓷材料的无损检测的方法主要有：射线检测、超声波检测、液体渗 透检测、激光散射检测和数字图像检测。近年来，随着科学技术的发展，出现了各种各 样的新的检测方法，尤其是数字图像处理方法与其它技术的结合，大大推动了无损检测 技术的发展1 3 j 。 1 1 1 超声波检测 在陶瓷划痕检测中，超声波检测是应用最广泛的技术，它不仅能检测分层、气孔、 裂缝和夹杂等缺陷，而且在判别密度差异、弹性模量、厚度等特性和几何形状的变化方 面也具有一定的能力。 超声波检测是指超声波与试件相互作用，就反射、透射和散射的波进行研究，对试 件进行宏观缺陷检测、几何特征测量、组织结构和力学性能变化的检测和表征，并进而 对其特定应用性进行评价的技术，这种方法特别适用于揭示被检测对象内部的面积型缺 陷，如裂纹、分层等。一般情况下难以检测出一百微米以下的裂纹状内部缺陷。 由于声音从一种介质进入另一种介质时会有很大的损耗，特别是从气体直接进入固 体时损耗更大，所以一般在应用超声检测前需要先给被检工件涂上一层声耦合介质( 水 或油脂) ，以便大部分超声能量顺利传到被检工件中。 1 1 2 射线检测 射线检测技术依据的是被检测的工件由于成分、密度、厚度等的不同，对射线产生 不同的吸收或散射的特性，从而对被检工件的质量、尺寸、特性等做出判断。射线检测 技术采用适当的检测器拾取射线照射被检工件所形成的透射射线强度分布图像，依据所 l 绪论硕士论文 得到的图像对被检工件进行评定，它适用于探测体积型缺陷，如气孔、夹渣等。射线检 测包括x 射线检测，丫射线检测、中子射线检测、仪射线检测、p 射线检测等。当前在 无损检测技术中应用最广泛的是x 射线检测法和丫射线检测法。 1 1 3 液体渗透检测 液体渗透检测法是检验非疏孔型金属和非金属试件表面上开口缺陷的一种无损检 测方法，它是一种古老的无损探伤方法，也是目前常规无损检测常用的方法。这种检测 是利用一些特殊液体的某些特性，并借助这些特性对材料表面缺陷进行良好的渗透，当 显像液喷洒在工件表面时，残留在缺陷内的渗透液又会被吸出来，形成缺陷痕迹，从而 达到探伤目的。液体渗透检测一般限于一百五十微米以上的表面裂纹。 到目前，上述检测方法在检测陶瓷划痕中普遍应用【2 1 ，但是都有各自的局限性，其 它的检测方法，由于技术上或经济上等方而的原因，基本上都处在实验室研究与应用的 水平上，均无法在工业大生产中推广应用，还都处于理论发展和应用摸索阶段。 1 1 4 数字图像检测 数字图像检测是利用数字图像处理技术对采集到的陶瓷图片进行划痕检测的一种 方法，它是一种相对成熟的方法，这种检测方法通过一些图像处理方法，例如边缘检测、 图像平滑、二值化处理，突出图像中有明显特征的区域，再利用图像识别的方法确认陶 瓷的表面是否有划痕。 这种检测方法具有再现性好、处理精度高、适用面宽、灵活性高、信息压缩潜力大 的优点，给陶瓷划痕的无损检测提供了一种更加实用、高效的方法，目前在检测陶瓷划 痕中普遍应用。 1 2 课题背景 课题源于陶瓷生产厂家对陶瓷划痕进行无损检测的需求。目前，有相当一部分陶瓷 生产厂家每年在陶瓷划痕检测上花费了大量的人力和物力，但是效果并不理想，据不完 全统计，每年因不能精确检测陶瓷划痕而造成大量的废品和次品，也因此给经济上造成 了巨大的损失。本课题以此为背景，设计一套陶瓷划痕自动检测装置，以a r m 微处理 器为核心，利用数字图像处理技术，对陶瓷图像进行处理，从而判定陶瓷是否有划痕。 1 3 论文主要内容及结构安排 2 针对陶瓷划痕自动检测中的关键技术进行分析，本文将着重研究以下内容： ( 1 ) 陶瓷划痕自动检测装置系统方案的选择； ( 2 ) 陶瓷划痕自动检测装置系统硬件设计； 硕士论文基于a r m 的陶瓷划痕自动检测装置设计研究 ( 3 ) a r m l i n u x 嵌入式软件开发环境的建立； ( 4 ) 基于a r m 的陶瓷图像采集程序设计； ( 5 ) 基于a r m 的陶瓷划痕处理程序的设计； ( 6 ) 设计人机交互界面，显示最终的检测结果，并通过以太网将有划痕的图片从a r m 板子上传送到p c 机； 全文的内容安排如下： 第l 章综合概述了国内外陶瓷材料无损检测的现状以及数字图像处理技术发展现 状和优势。 第2 章阐述了陶瓷划痕自动检测装置的原理，并介绍了该装置的系统结构。 第3 章介绍了嵌入式系统的硬件架构，包括$ 3 c 2 4 1 0 的硬件组成，摄像头，按键 模块，显示模块。 第4 章研究了嵌入式l i n u x 在a r m 上的剪裁和移植，包括交叉编译环境的建立、 内核的分析与移植，以及文件系统的建立。 第5 章研究陶瓷划痕自动检测装置的软件设计，其中包括陶瓷图像的采集，图像 处理、检测程序的编写，按键模块，显示模块和传输模块等。 第6 章对系统各个部分进行功能测试，检验是否满足设计的要求。 第7 章对本文的工作进行总结，并提出对今后工作的展望。 2 陶瓷划痕白动榆测装置的设计方案硕七论文 2 陶瓷划痕自动检测装置的设计方案 设计陶瓷划痕自动检测装置，首先要确定陶瓷划痕检测的方法，在绪论部分已经介 绍了目前所常用的几种陶瓷划痕检测的方法，其中利用数字图像处理方法对陶瓷进行检 测具有再现性好、处理精度高、适用面宽、灵活性高、信息压缩潜力大等优点，所以在 本设计中采用这种方法。其次，要选用一种微处理器开发一个以数字图像处理为基础的 检测装置。本章在分析检测要求的基础上，确定系统总体方案，根据系统方案进行各结 构模块的设计。 2 1 系统原理 本文所研究的对象是陶瓷工艺产品，陶瓷在刚刚生产出来( 还未进行加工) 后需要 检测其外表面和内表面是否有划痕，如果检测出没有划痕，再进行后续的加工，比如镶 嵌花纹等。如果检测出有划痕，就不能继续加工，以免浪费加工的成本。 根据陶瓷生产厂商对陶瓷检测的要求可确定其检测方法为：先通过采集设备采集陶 瓷内外表面的图片，这一采集过程分两个步骤，先采集陶瓷外表面图片，用固定装置把 摄像头固定，让陶瓷以固定合适的转速旋转，这样就可以把陶瓷外表面采集完毕，接着 采集陶瓷内表面，先把摄像头固定在一根吊杆上，将吊杆伸进陶瓷内部，然后以适当的 转速旋转陶瓷就可以完成内表面采集了。采集后保存下来的图片经过图像预处理、边缘 检测、图像平滑、二值化处理和特征提取后根据判别准则判断合格与否。 2 2 设计方案 根据陶瓷划痕检测装置的要求，前端是采集设备，完成陶瓷图像的采集功能，通过 u s b 接口和微处理器相连，微处理器是整个装置的核心部分，主要完成陶瓷划痕的检测， 微处理器通过通讯接口和主控计算机相连，传送检测出有划痕的图片，并配合相应的按 键模块和显示模块，组成了一个能完成陶瓷划痕自动检测的装置。系统结构框图如图 2 2 1 所示。 4 图2 2 1 陶瓷划痕自动检测系统结构框图 硕士论文基于a r m 的陶瓷划痕自动检测装置设计研究 系统整个检测的过程如下：先通过采集设备采集陶瓷图像数据，将其存储在微处理 器存储器内，再调用相应的数字图像处理程序进行陶瓷划痕检测，并将处理的数据结果 显示在l c d 屏上，最后通过通讯接口将最终的陶瓷检测结果( 包括检测出有划痕的陶 瓷图片) 发送给主控计算机。 陶瓷划痕检测装置前端是采集设备，来完成陶瓷图像的采集。目前用于图像采集的 摄像头主要有两种，一种是c c d ，一种是c m o s 。c c d 是一种特殊的半导体材料。它 是由大量独立的光敏元件组成，每个光敏元件也叫一个像素。这些光敏元件通常是按矩 阵排列的，光线透过镜头照射到c c d 上，并被转换成电荷，每个元件上的电荷量取决 于它所受到的光照强度。当c c d 工作时，c c d 将各个元件的信息传送到模数转换器上， 模拟电信号经过模数转换器处理后变成数字信号，数字信号以一定格式压缩后存入缓存 内，然后图像数据根据不同的需要以数字信号和视频信号的方式输出。c m o s 主要是利 用硅和锗这两种元素做成的半导体，通过c m o s 上带负电和带正电的晶体管来实现基 本的功能。这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片记录和解读成影像。c c d 成 像像素高，清晰度高，色彩还原系数高，速度对光线要求不高，但是由于技术垄断、制 造工艺复杂、成品率低，其造价非常昂贵，功耗大，经常应用在高档次数码摄像机、数 码照相机中；而c m o s 在成像方面稍微差一些，特别光线差时，速度较慢，但是其价 格低廉，并且c m o s 针对c c d 最主要的优势就是非常省电，c m o s 电路几乎没有静态 电量消耗，只有在电路接通时才有电量的消耗，一般应用在低档相机，数码摄像头和玩 具中。综合考虑，本系统选择c m o s 摄像头作为采集设备。 整个陶瓷划痕的检测是以微处理器为核心，所以对于微处理器的选择至关重要。用 作该检测装置的微处理器可以选择单片机、d s p ( 数字信号处理器) 和a r m 嵌入式微处理 器。单片机应用很广泛，它的硬件电路和软件都比较简单，开发速度很快，但是缺点是 处理速度慢，能够实现的功能少。d s p 处理速度非常快，可达4 0 m i p s ，但是d s p 侧重 于处理大量的数据计算，控制功能不足。a r m 嵌入式处理器是一种应用广泛的微处理 器，它计算速度快，资源多，芯片内部集成了各种接口，方便与各种外围设备相连，能 够实现各种复杂的功能，适合于数字图像处理方面的应用。 目前，a r m 处理器有a i 洲7 、a r m 9 、a r m 9 e 、a m l 0 、a 砌讧11 和s e c u r c o r e 等系列，其中a r m 9 系列性价比较高。s 3 c 2 4 1 0 是三星公司生产的基于a r m 9 2 0 t 内核 的芯片，处理速度达到2 0 3 m h z ，采用五级流水线和哈佛结构，具有全性能的m m u 、 独立的1 6 i 指令缓存和1 6 k b 数据缓存，芯片内部集成了串口控制器，l c d 控制器， d m a 控制器，以太网控制器等，方便连接外设，并且该处理器支持l i n u x 操作系统， 用于陶瓷划痕检测显得十分方便、快捷，能更好的满足系统实时性的要求，所以本系统 选择三星公司生产的$ 3 c 2 4 1 0 ( a r m 9 2 0 t ) 作为微处理器。 微处理器与主控计算机之间的通讯可以采用串口和以太网来实现，但考虑到串口传 5 2 基于a r m 的陶瓷划痕自动榆测装置的原理和结构硕士论文 输速度较慢，所以本系统选择以太网来实现微处理器和主控计算机之间的通讯。 2 3 本章小结 本章主要介绍了陶瓷划痕自动检测装置的结构和工作原理。该系统的开发，对改变 当前陶瓷划痕检测技术的落后状况，实现检测的自动化，提高检测的可靠性和有效性具 有重要意义。 6 硕士论文基于a r m 的陶瓷划痕自动检测装置设计研究 3 陶瓷划痕检测装置的硬件设计 3 1 微处理器 $ 3 c 2 4 1 0 是三星公司生产的基于a r m 9 2 0 t 内核的芯片，采用五级流水线和哈佛结 构，提供1 1 m i p s m h z 的性能，它是专门为手持设备而设计的，功耗低，集成度高。 作为$ 3 c 2 4 1 0 x 芯片的c p u 芯核，1 6 3 2 位a r m 9 2 0 tr i s c 微处理器采用0 1 8 p m c m o s 标准单元结构，具有全性能的m m u 、独立的1 6 k b 指令缓存和1 6 k b 数据缓存， 以及高速的a m b a 总线接口1 2 5 j 【2 6 1 。 $ 3 c 2 4 1 0 内部结构复杂，芯片内部集成了以下资源：1 个l c d 控制器( 支持s t n 和，r f t 带有触摸屏的液晶显示屏) ，s d r a m 控制器，n a n df l a s h 控制器，3 通道i7 a r t ( 串口) ，4 通道d m a ，4 个具有p w m 功能的计数器和1 个内部时钟，8 通道的1 0 位 a d c ，触摸屏控制器，1 2 c 总线接口，1 2 s 数字音频总线接口，2 个u s b 主机接口，1 个 u s b 设备接口，2 通道s p i 和p l l 数字锁相环，s d m m c 卡控制器，看门狗计数器， 1 1 7 位通用i o 和2 4 位外部中断源【2 7 h 2 9 1 。其内部结构如图3 1 1 所示。 7 3 陶瓷划痕检测装置的硬件设计硕十论文 一藉毒 1 p a 【31 = 0 1 厂孺亨万 m m u 匕 f c a c h e 广i1 6 k b dc 1 3 i v 2 a 3 1 ：o 】l l 。f l 幽一t 、ia r c m p 9 u t 核d 洲l、ll r u 仫 广1 ( i n t e r n a l e m b e d d e di c e ) l 可- _ 一 d v 2 a 3 1 ：0 l 1c 1 3 卜一 数据 m m u 外部协 处理接i u d c p l 1 ：0 】 d v a 31 i 0 】 厂数- 据- 1 c a c h e 1 6 k b 写缓冲 a m b a 总线 i f 艮巡2w b p a 3 1 ：0 】 巫矗r 孺尹一：厂系统总线桥& d m a一了 u a r t o ，l ，2 一 ? 、i _ 1 2 c 、rl 一 t 一p 、 卜叫 1 2 s u s b 设备 vy ls d z m m c 一 a i l x g p i o p 月k b 、j - 【一一一 l 一一看门狗 ( 、? 总 ，“+ r t c 、1 线 厂总线控制；： 汇一 a d c 一 厂s p l 0 ，1k：一刊n 黜 图3 1 1 $ 3 c 2 4 1 0 内部结构图 $ 3 c 2 4 1 0 支持8 个内存块，每个内存块1 2 8 m b ，其中6 个用于r o m 、s r a m 及其 它，2 个用于r o m s r a m s d r a m ，每个内存块都支持8 1 6 3 2 位数据总线编程，1 个 起始地址和大小可编程的内存块( b a n k 7 ) ，7 个起始地址固定的内存块( b a n k 0 - - - b a n k 6 ) ， 所有的内存块可编程寻址周期，支持s d r a m 自动刷新模式，支持指令c a c h e 、数据c a c h e 和写缓冲，支持从多种类型的r o m 启动，包括n o r n a n df l a s h 、e e r o m ，支持 a r m 调试结构、片上i c e 支持j t a g 调试方式，支持大端( b i ge n d i a n ) d , 端( l i t t l e e n d i a n ) 模式，支持w i nc e 、l i n u x 等操作系统。 8 十论文基f a r m 的陶瓷划痕自动椅测装口设计研究 3 2 采集设备 本设计在实验过程中选用巾星微3 0 1 摄像头，如图3 21 所示，它以u s b 接口输出 聚集的图像，而开发板上也集成了u s b 接口，所咀选用这款摄像头对于图像的采集比 较方便，在实际的应用过程中，设计者也可以根据具体的设计需求选用其他型号的摄像 头。此摄像头采用的是c m o s 感光芯片，3 0 万像素。调焦范围为2 0 m m 至无限远，5 1 度水平视角，视角具有图像清晰细腻、色彩鲜艳等特点。其输出格式为b m p 、j p g 格式， 静态图像捕捉最大分辨率为8 0 0 x 6 0 0 ，帧速率为3 0 帧秒( 3 2 0 2 4 0 c i f ) ，动态捕获存 储格式为m p e g 1 ( 支持捕获音频) 、a v i 、m p e g - 4 ，硬件压缩为5 ：1 ，闪烁控制为5 0 h z 。 攀獭黼瀚麟 幽3 2 l 中是微3 0 1 摄像头 此系列摄像头拥有影像光源自动增益补强技术，自动曝光、自动白平衡，色彩饱和 度、对比度、边缘增强以及伽马矫正等先进的影像控制技术层次表现力很强，图像变 化十分平滑，视觉教果十分舒服。 3 3 人机交互设备 3 3 1 按键 人机接口提供了人与嵌入式系统进行信息交换的手段，键盘是最常用的人机输入设 备，与台式机不一样嵌入式系统巾的键盘，其所需的按键个数及功能通常是根据具体 应用束确定的，不刷的应用其键盘中按键个数及功能均可不一样。困此，在嵌入式系统 的键盘接口设计时，通常根据应用的其体要求，来设计键盘的硬件电路，同时还需完成 识别按键动作、生成按键码和按键具体功能的程序设计p “。 为了更好的实现人机交互，奉装置需要用到四个按键( 复位、自检、采集图片、发 送) 就能完成系统的要求，所以本装置设计的按键接口电路如图33l 所示。 3 陶瓷划痕榆测装置的硬件设计硕：t 论文 x 4 u 、，一 v c g p f o r 9 一 童7 k 一 广 i l 氇 r 。1 。 4 了k 一广 r 孑 r 1 4 7 k 广 硒 r 1 4 7 k g 阪d 图3 3 1 按键电路图 本设计用到的四个g p i o 口分别是：g p f 0 ，g p f 2 ，g p g 3 ，g p g l l 。从电路图上可 以看到，按键的一端与行线相连，行线通过一个电阻被连接到v c c ，列线与按键的另 一个引脚相连，并同时与地线相连，所以其始终保持低电平。当没有按键按下时，行线 始终保持着高电平，而当有按键被按下时，相应的行线被置成低电平，这时只需检测一 下四个引脚上哪个是低电平，就能判断是哪个按键被按下。 根据本设计的要求，将每个按键所对应的功能设计如下表3 3 1 所示。 表3 3 1 键盘键值功能表 按键号键值 功能 k 11 复位 k 22 自检 k 33 采集 k 4 4 发送 3 3 2 显示 $ 3 c 2 4 1 0 x 支持t f t s t n 型的l c d 及触摸屏，l c d 驱动板一般都有固定标准， 只需按接口标准从c p u 引出l c d 控制信号，接上标准的l c d 驱动板就可以使用l c d l o 硕士论文基于a r m 的陶瓷划痕自动检测装置设计研究 了。图3 3 2 是l c d 的接口电路图。 3 4 网卡控制器 图3 3 2l c d 接口电路图 c s 8 9 0 0 a 是c i r r u sl o g i c 公司生产的1 6 位以太网控制器，芯片集成了片上 r a m 、1 0 b a s e t 收发滤波器，以及带2 4 m a 驱动的直接i s a 总线接口。该芯片的突出 特点是使用灵活，其物理层接口、数据传输模式和工作模式等都能根据需要而动态的调 整，通过内部寄存器的设置来适应不同的应用环境。 它最大的工作电流为5 5 m a ，支持广泛的软件驱动，3 v 供电电压，工业级温度范围， 全双工通信方式，可编程发送功能，数据碰撞自动重发，自动打包及生成c r c 校验码， 可编程接受功能，数据流降低c p u 消耗，自动切换于d m a 和片内r a m ，提前产生中 断便于数据帧预处理，自动阻断错误包，可跳线控制e e p r o m 功能，启动编程支持无 盘系统，l e d 驱动用于指示连接状态和网络活动情况，待机和睡眠模式，1 0 0 一p i nt q f p 封装。 c s 8 9 0 0 a 可以在内存模式和i o 模式下操作。当配置成内存模式操作时，c s 8 9 0 0 a 的内部寄存器和帧缓冲区映射到主机内存中连续的4 k b 的块中，主机可以通过这个块 直接访问c s 8 9 0 0 a 的内部寄存器和缓冲区。 3 陶瓷划痕检测装置的硬件设计 硕士论文 c s 8 9 0 0 a 收到由主机发来的数据报后，帧听网络线路。如果线路忙，它就等到线路 空闲为止，否则立即发送该数据帧。发送过程中，首先添加以太网帧头( 包括先导字段 和帧开始标志) ，然后生成c r c 校验码，最后将此数据帧发送到以太网上。接收时，它 将从以太网收到的数据帧在经过解码、去掉帧头和地址检验等步骤后，缓存在片内。通 过c r c 校验后，它会根据初始化配置情况，通知主机c s 8 9 0 0 a 收到了数据帧，最后选 用一种传输式传到主机的存储区中【l2 1 。其连接原理图如图3 4 1 所示。 1 2 图3 4 1c s 8 9 0 0 a 连接原理图 硕十论文摹于a r m 的陶瓷划痕自动检测装置设计研究 3 5 串行接口 串口在系统开发中起着十分重要的作用，一般的调试和下载都是通过串口而进行 的。同时串口也是一个很通用的接口设备，通过串口可以和很多其它设备进行扩充连接。 串口电路采用r s 2 3 2 标准，r s 2 3 2 c 标准是美国电子工业协会( e n ) 与b e l l 等 公司一起开发，1 9 6 9 年公布的通信协议。它适合于数据传输率在o 至2 0 0 0 0 b s 范围内 的通信，它的机械特性：单端发送、单端接收、传输线上允许一个驱动器和一个发送器。 标准接口有2 5 针( d b 2 5 ) 和9 针( d b 9 ) 两种。它的最大传输距离可达3 0 m ，最大速 率2 0 k b s ，适于相距较近设备的通信；电气特性：r s 2 3 2 c 标准定义1 5 v 3 v 表示逻辑 “l ”，+ 3 v + 1 5 v 表示逻辑“0 ”。它选择1 5 v 3 v 和+ 3 v + 1 5 v 这个范围而不采用t t l 逻辑( 0 v - 5 v ) 的原因是为了提高抗干扰能力和增加传输距离，因此与t t l 设备连接 时需加电平转换接口。 由于s 3 c 2 4 l o x 的异步串行通讯接口不是r s 2 3 2 逻辑，因此，需加电平转换接口， 本设计采用m a x 2 3 2 进行接口转换，采用9 针d b 9 接口。转换电路如图3 5 1 所示。 e l ? l l 0 。l q t l g 丁 4 5 迄r 0 1 q f l l l 1 0 i 1 2 i 9 3 6 本章小结 e l + v | 。c c l - c 2 +钕 c 玉茹 t l l nt l e 娜t t 2 l nt 勿婀 i n o 醒t玟l l 辩 疑2 0 u fl l 馘截翻：2 ：鲶 l 蠡 l | 5 2 6 c 2 3 1 1 0 ，l 证 _ h 谢榭 a 1 心a 狻 l ? 1 3 嚣 0 1 司d p j l 图3 5 1 串口转换电路图 4 螂 本章主要根据陶瓷划痕自动检测装置所要完成的功能，对其硬件平台进行了综合介 绍，其中包括$ 3 c 2 4 1 0 应用板的各硬件组成、摄像头、按键模块、显示模块、网卡控制 器和串行接口，基本完成了基于a r m 的陶瓷划痕自动检测装置的硬件设计。 4 嵌入式l i n u x 平台的构建硕士论文 4 嵌入式l i n u x 平台的构建 由于开发板嵌入式系统资源有限，因此直接在嵌入式系统的硬件平台上编写软件基 本是不可能的。一般采用在计算机上编写程序，然后通过交叉编译生成目标平台上可以 运行的二进制代码，最后下载到目标板特定位置上运行。通常采用宿主机目标板模式， 如图4 1 所示。目标板通过串口和以太网和宿主机( p c 机) 连接，这两个接口是用于终 端开发的主要通道。 4 1 嵌入式l i n u x 系统 图4 1 嵌入式l i n u x 开发环境 在笔者的开发过程中，根据嵌入式操作系统选择的原则，选用嵌入式l i n u x 作为系 统的操作系统。l i n u x 诞生于1 9 9 1 年的1 0 月5 日( 第一次正式向外发布的时间) ，1 9 9 6 年6 月发布了2 0 版，在长期的开发过程中，大量的开发工作极大地扩充了内核的基本 功能，增加了设备支持，最重要的是扩大了可以使用的应用程序的范围。 在嵌入式系统中使用的l i n u x 就是嵌入式l i n u x ，是在对标准l i n u x 进行相应改造 后，再用作嵌入式计算机的操作系统，为嵌入式应用程序提供操作系统服务。 嵌入式l i n u x 具有相当多的优点，它内核稳定、功能强大，可裁减和低成本的特性 非常适合嵌入式应用。但是，l i n u x 最初并非为嵌入式系统设计的，其内核本身不具备 强实时特性，且内核体积相对较大。因此，如要把l i n u x 用于嵌入式系统，有时还需根 据需要对l i n u x 进行改造，这是当前嵌入式开发的新热点。 一般而言，嵌入式l i n u x 系统具有如下特点： ( 1 ) 精简的内核，性能高，稳定。l i n u x 内核功能强大，实现简洁，并且由于其源 代码的丌放性，使得其代码得到众多网络黑客的审查和修改，有着非常好的安全性和稳 定性。 ( 2 ) 多用户，多任务。l i n u x 支持多用户，各个用户对于自己的文件设备有自己特 殊的权限，保证了各用户间互不影响。多任务则是现在电脑最主要的一个特点，l i n u x 可以使多个程序同时并独立地运行。 1 4 硕士论文基于a r m 的陶瓷划痕自动检测装置设计研究 ( 3 ) 适用于不同的c p u ，支持多种体系结构，包括目前流行的i n t e lx 8 6 、 m o t o r o l a i b mp o w e r p c 、a r m 、m i p s 、m 6 8 k 等微处理器体系结构。目前，众多的将 l i n u x 移植到其他硬件平台的计划也都正在实施之中。 ( 4 ) 应用软件多，兼容性好，易移植。l i n u x 完全兼容i e e e 的p o s i x i 0 标准，为 用户程序提供了规范的应用编程接口a p i ，这使得l i n u x 平台上的应用软件和硬件驱动 程序不断地得到扩充，可支持大量的周边硬件设备，驱动丰富。 ( 5 ) 强大的网络功能。l i n u x 是一个通过网络发展起来的操作系统，支持广泛的通 信协议，l i n u x 内核在处理网络协议设置方面比标准的u n i x 更具执行效率，具有更高 的吞吐量。 ( 6 ) 完善的嵌入式g u i 、方便的开发工具和s d k 。 ( 7 ) 开放源码，支持广泛。l i n u x 是开源的操作系统，只要遵循g n u 通用许可证 ( g p l ) ，就可以免费获得，因此大大降低了成本，并且由于其开源特点，使其得到社群 的广泛支持，众多的邮件论坛可以解决绝大多数的开发者遇到的问题。 4 2 交叉编译环境的建立 由于嵌入式系统硬件上的特殊性，一般不能安装发行版的l i n u x 系统。例如f l a s h 存储空间很小，没有足够的空间安装，或者处理器很特殊，也没有发行版的l i n u x 系统 可用，所以需要专门为特定的目标板定制l i n u x 操作系统，这必然需要相应的开发环境， 即交叉编译环境的建立。 通常嵌入式系统的软件编译和执行是在两个不同平台上进行的。编译是在宿主机， 一般为桌面主机；执行是在目标机，即嵌入式系统的硬件平台。一般是在宿主机上通过 跨平台交叉编译器把源文件编译成目标平台上可执行的文件，再通过串口、并口或者网 络下载至目标平台上的f l a s h 或者其它存储介质，然后由目标机来运行这些软件。这 里所说的跨平台编译器和一般的编译器功能类似，都是把源代码通过编译器编译成目标 文件，然后通过链接器、可重定位器程序和定位器把目标文件重新定位成可执行文件。 和通用的编译器之间最大的差别就在于跨平台编译器编译出来的可执行程序通常只能 在特定c p u 所属平台上运行。所以一般来说每种c p u 都对应有不同的跨平台编译器。 本系统采用基于a r m9 2 0 t 的s 3 c 2 4 1 0 x ，可以使用常用的a r m 交叉编译器。要 成功构建完整的交叉编译环境，需要在宿主机上创建一系列的工具，包括c c + + 编译器、 汇编器、链接器、嵌入式系统的标准c 库和g d b 代码级调试器。成功建立好开发环境 后便可以运用这些工具进行嵌入式系统开发了【3 i j 。 4 3 系统引导代码b o o t l o a d e r b o o t l o a d e r 是在操作系统运行之前执行的一段小程序。通过这段小程序，可以初始 1 5 4 嵌入式l i n u x 平台的构建 硕七论文 化硬件设备、建立内存空间的映射表，从而建立适当的系统软硬件环境，为最终调用操 作系统内核做好准备。 对于嵌入式系统，b o o t l o a d e r 是基于特定硬件平台来实现的。因此，几乎不可能为 所有的嵌入式系统建立一个通用的b o o t l o a d e r ，不同的处理器架构都有不同的 b o o t l o a d e r 。b o o t l o a d e r 不但依赖于c p u 的体系结构，而且依赖于嵌入式系统板级设备 的配置。对于两块不同的嵌入式板而言，即使它们使用同一种处理器，要想让运行在一 块板子上的b o o t l o a d e r 程序也能运行在另一块板子上，一般也都需要修改b o o t l o a d e r 的源程序。 b o o t l o a d e r 一般情况下需要包含以下几个必备的功能【3 2 】： ( 1 ) 初始化处理器。这个动作都是用汇编语言完成的，称为重置码( r e s e tc o d e ) 或 者称为b o o tc o d e ，而且对于每个c p u 都不一样的，当电源接通后就会执行这个动作， 通常只有两三个汇编指令，目的是将c p u 的控制权转给硬件初始化的程序。 ( 2 ) 初始化一些必要的硬件。这个动作也大都由汇编语言来完成，主要是初始化 c p u 、s d r a m 等，其他的硬件，例如串口，可以由c 语言等比较高级的程序语言来完 成后续动作。 ( 3 ) 设置处理器的寄存器以及内存，关掉所有的输入管脚( 包括中断管脚) ，以防止 突然有信号进入妨碍接下来的硬件初始化动作。然后初始化串口，以便后续运行的程序 能够同h o s t 端进行通信，便于调试。 ( 4 ) 从特定的位置把操作系统和文件系统调入内存，并设置一些操作系统所必需的 参数，然后把c p u 控制权交给操作系统。有的b o o t l o a d e r 会先从串口或者网络等其他 途径得到内核的映像文件，然后把这些文件写入目标系统的f l a s h 或者其它存储介质， 最后再把内核载入r a m 执行，交出控制权。 一般b o o tl o a d e r 都包含两种不同的操作模式：“启动加载”模式和“下载 模式， 这种区别仅对于开发人员才有意义。从最终用户的角度看，b o o tl o a d e r 的作用就是用来 加载操作系统，而并不存在所谓的启动加载模式与下载模式的区别。 b o o tl o a d e r 的实现依赖于c p u 的体系结构，一般来说启动过程分为两个阶段【3 引。 第一阶段依赖于c p u 体系结构的代码，比如设备初始化代码等，通常都放在第一 阶段中，而且通常都用汇编语言来实现，运行效率比较高。这个阶段完成的任务一般如 下： ( 1 ) 硬件设备初始化( 屏蔽所有的中断、关闭处理器内部的指令数据c a c h e ) ； ( 2 ) 为第二阶段准备r a m 空间； ( 3 ) 复制b o o t l o a d e r 的第二阶段代码到r a m 空间中； ( 4 ) 设置好堆栈并跳转到第二阶段的c 程序入口点； 而第二阶段则通常用c 语言来实现，这样可以实现复杂的功能，而且代码会具有 1 6 硕士论文基于a r m 的陶瓷划痕自动检测装置设计研究 更好的可读性和可移植性。这个阶段主要任务有： ( 1 ) 初始化本阶段要使用的硬件设备； ( 2 ) 检测系统内存映射； ( 3 ) 将内核映像和根文件系统从f l a s h 读到r a m 中； ( 4 ) 为内核设置启动参数； ( 5 ) 调用内核文件运行； 4 4l i n u x 内核移植 本系统选用嵌入式l i n u x 作为目标机操作系统，一方面由于l i n u x 是一款免费的操 作系统，能很好的降低成本，同时l i n u x 的开发应用现在已经成为热门，有大量的资源 可用于学习与重复应用，并且l i n u x 系统具有良好的可移植性和可裁剪性，能自动支持 多任务管理。一般常用的g u i 如q t e ，m i n i g u i 等都支持l i n u x 。l i n u x 的开发工具也 都可以很方便的免费获得。 在l i n u x 系统内核3 4 1 。鲫代码中有a r c h 目录，其中包括了不同平台的代码，与体系 结构相关的代码都存放在a r c h 下面相应的目录中，本系统采用a r m 开发平台，所以依 赖a r m 硬件平台的代码都在a r c h a n n 下面。根目录下面只需要修改m a k e f i l e 文件，该 文件主要任务是产生v m l i n u x 文件和内核模块。对该文件的修改主要是设置目标平台和 制定交叉编译器，代码如下： a r c h = a l t l l c r o s s c o m p i l e = a l n l l i n u x 接下来的工作便是修改a r m 目录下面的相应文件，具体的工作主要就是在内核文件 中添加s 3 c 2 4 l o x 处理器信息，在a r n l 目录下面的m a k e f i l e 文件添加： i f e q ( $ ( c o n f i q a r c h _ s 3 c