（信号与信息处理专业论文）基于arm9的嵌入式视频采集系统的研究与应用.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着互联网技术的发展和后p c 时代的到来，嵌入式系统的应用愈来愈广泛。 目前嵌入式技术已经成为最热门的技术之一，嵌入式产品已经在i t 产业中占有 很大的比重。 嵌入式系统的硬件核心是嵌入式处理器，a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e ) 处 理器是目前业界公认的技术领先的3 2 位嵌入式处理器，凭借其低功耗、低成本 和高性能等特性占据了嵌入式应用领域的领先地位，基于a r m 的嵌入式技术已 经成为了当前嵌入式领域研究的一个亮点。 嵌入式系统的软件核心是嵌入式操作系统，嵌入式l i n u x 作为标准l i n u x 的 精简版，继承了标准l i n u x 强大的功能、可移植性、对硬件良好的支持和免费等 特性。因此，嵌入式l i n u x 在各类嵌入式设备中得到了广泛的应用。 近几年嵌入式技术的发展，对人机交互界面的要求越来越高，友好的图形 化界面为使用者提供了丰富的图像信息、直观的表达方式。m i n i g u i 可以实现快 速开发，并且功耗低。用户可以使用它方便地定制出自己的图形用户界面，完 成各种应用程序的开发。 嵌入式系统具有低成本，携带方便，功能强大、低功耗等优点，已被广泛 应用于工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类领 域。本文设计了一个基于嵌入式a r m l i n u x 的图像采集系统。 本文首先对图像采集系统的硬件平台和软件平台做了简要的陈述。给出了 系统的硬件及软件构成部分的规划方案。并在现有的开发条件下，详细讲述了 嵌入式a r m - l i n u x 开发系统的构建过程，整个过程的内容主要基于视频采集系 统来讲述的。主要内容包括，交叉编译环境的建立、u - b o o t 的移植、嵌入式l i n u x 内核的创建、c s 8 9 0 0 a 网卡移植、n f s 网络文件系统的建立、l c d 驱动移植和 触摸屏驱动移植。 接下来，重点研究了u s b 摄像头驱动的开发流程。其主要流程包括，$ 3 c 2 4 1 0 u s b 主控制器驱动的配置、u s b 摄像头设备端驱动开发，v i d e 0 4 l i n u x a p i 应用 三大部分。 最后，详细陈述了基于m i n i g u i 的用户图形界面开发过程。主要内容包括 武汉理工大学硕士学位论文 m i n i g u i 开发板及宿主机开发环境的配置、图形界面的设计、图像重现功能的设 计和地输入引擎的二次开发。实现了触摸屏作为输入设备的图形化操作方式。 关键词：a r m ，$ 3 c 2 4 10 a ，嵌入式l i n u x ，m i n i g u i 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n t e r n e ta n da r r i v a lo fp o s t - p ct i m e s ，t h e a p p l i c a t i o no fe m b e d d e ds y s t e mb e c o m e sm o r ea n d m o r ep o p u l a r n o w e m b e d d e ds y s t e mt e c h n o l o g yh a sb e e no n eo ft h em o s tp o p u l a rt e c h e m b e d d e dp r o d u c t sh a v ep o s s e s s e dg r e a tp r o p o r t i o ni ni tf i e l d t h ek e r n e lo fh a r d w a r eo fe m b e d d e d s y s t e m i se m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o r ，a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e ) i si nt h el e a da c c r e d i t e di nt h e f i e l do f32b i t se m b e d d e dp r o c e s s o r , a n do c c u p i e di nt h ef i e l do fe m b e d d e d s y s t e ma p p l i c a t i o no fl o wc o n s u m p t i o n ，l o wc o s ta n dh i g hp e r f o r m a n c e t h e e m b e d d e dt e c h n o l o g yb a s e do ma r mh a sb e c o m eal i g h tp o i n to fc u r r e n t e m b e d d e df i e l d t h ek e r n e lo fs o f t w a r eo fe m b e d d e ds y s t e mi se m b e d d e do p e r a t i o n s y s t e m e m b e d d e dl i n u x ，as t r e a m l i n e dv e r s i o no fs t a n d a r dl i n u x ，i n h e r i t s i t sp o w e r f u lf u c t i o n ，f i n ep o r t i n g ，w e l ls u p p o r tf o rh a r e w a r ea n df o rf r e e e m b e d d e dl i n u xg a i n sv a s ta p p l i c a t i o ni nm a n yf i e l d i nr e c e n ty e a r s ，w i t hd e v e l o p m e n to fe m b e d d e dt e c h n o l o g y ，d e m a n d sf o r h m ib e c o m e sm o r ef r i e n d l yg r a p h i ch m ip r o v i d e sa b u n d a n tg r a p h i c sa n d i m a g ei n f o r m a t i o na n di n t u i t i o n i s t i cc o m m u n i c a t i o nm e a n sf o re m b e d d e d s y s t e m m i n i g u ii sa ne m b e d d e dg u is o f t w a r e ，w h i c hb o t hc a ni m p l e m e n t r a p i d l yd e v e l o p m e n ta p p l i c a t i o np r o g r a ma n dc a ns a v ee m b e d d e ds y s t e m r e s o u r c e s u s e rc a l ld e s i g no w ng r a p h i c sh m lw i t hm i n i g u ie x p e n d i e n t l y , a n d c o m p l e t ea l lk i n d so fa p p l i c a t i o np r o g r a m s e m b e d d e ds y s t e mh a sb e e nu s e dw i d e l yi ni n d u s t r i a l c o n t r o l l i n g 、 c o n s u m m i n g e l e c t r o n i c s ，c o m m n u i c a t i o ns y s t e m ，n e t w o r k ，w i r e l e s s p r o d u c t s ，b e c a u s eo f i t sm a n ym e r i t s ，s u c ha sl o w - c o s t 、c a r r i a b l ee a s y l y 、h i g h p e r f o r m e n c e 、l o wp o w e rc o n s u m p t i o n 。t h ep a p e rd e s i g n e da ne m b e d d e d a r m l i n u xp i c t u r eg r a b b i n gs y s t e m f i r s t l y ，t h ep a p e rp r e s e n t sh a r d w a r ea n ds o f t w a r es t r u c t u r eo fap i c t u r e 武汉理工大学硕士学位论文 g r a b b i n gs y s t e ma n da l lp a r t sw h i c hi n c l u d e di nt h es t r u c t u r e a c c o r d i n g w i t hc u r r e n td e v e l p i n ge n v i r o m e n t ，t h ep a p e rp r e s e n t st h e p r o c e s s i n go f b u i l d i n ga l le m b e d d e da r m l i n u xd e v e l o p i n gs y s t e m a l lt h ew o r ki sb a s e d o na r m - l i n u xv i d e o g r a b b i n gs y s t e m i n c l u d i n gb u i l d i n go fc r o s st o o l c h a i n ，p o r t i n go fk e r n l ，c s 8 9 0 0 ad r i v e r ，n f sn e t w o r kf i l es y s t e m ，l e d d r i v e r 、t o u c h s c r e e nd r i v e r 。 s e c o n d l y , t h ep a p e rp r e s e n t st h ep r o c e s so fd e v e l o p i n gu s bc a m e r a d r i v e r t h ec o n t e n ti n c l u d i n gp o r t i n g $ 3 c 2 410u s bh o s tc o n t r o l l e rd r i v e ra n d u s bc a m e r ad e v i c ed r i v e r 、v i d e 0 4 l i n u xa p ia p p l i c a t i o n a tl a s t ，t h ep a p e rd e t a i l l yp r e s e n t st h ep r o c e s so fd e v e l o p i n ga p p l i c a t i o n p r o g r a mb a s e do nm i n i g u i t h ec o n t e n ti n c l u d i n gb u i l d i n gt a r g e tb o a r da n d p cd e v e l o p i n ge n v i r o n m e n to fm i n i g u i ，d e v e l o p i n gu s e rg r a p h i ci n t e r f a c e ， p i c t u r er e v i e w i n gf u n c t i o nd e s i g n i n ga n di a ld e v e l o p i n g t h eo p e r a t i n g m e t h o d ，w h i c hu s eg r a p h i c su s e ri n t e r f a c ew i t ht o u c hs c r e e ni n p u te n g i n e ，c a n w o r kw e l l k e yw o r d s ：a r m ，s 3 c 2 410 a ，e m b e d d e dl i n u x ，m i n i g u i i v 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果尽我所知，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，也不包含为获得武汉理工大学或其它教 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 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意 研究生( 签名) ：愆日期： 坦鳘：s ：缝 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生c ：箍交导师c ：隧晖日期：了趔s 呼 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章引言 1 1 课题研究的背景及意义 图像采集与存储功能构成的嵌入式监控系统是安全防范技术体系中不可缺 少的重要组成部分，随着微电子技术和软件技术的发展，嵌入式技术也有了长 足的进步。因此，基于嵌入式技术的图像数据采集与存储监控系统以其直观、 方便、信息内容丰富的特点，广泛应用于许多场合。 监控系统工作于特定的环境下，具有很特殊的环境和结构要求，这对监控 系统的软硬件平台提出了很高的要求。处理器性能的提高，接口传输数据能力 的增强，特别是未来高容量存储器的出现，图像监控系统的小型化、多功能化 是易于实现的，嵌入式技术引入图像监控系统后，两个问题需要解决，一是灵 活的图像监控系统结构调整，二是适合监控规范、集图像和信号检测与控制一 体的交互式软件的设计。 本论文针对嵌入式系统中图像采集、存储与重现功能的设计与应用展开研 究，开发了一种新的、市场所需的方便灵活的小型图像监控系统，研究嵌入式 技术在监控系统中的应用。设计并实现了基于该技术的嵌入式图像采集系统， 迸行了相关试验研究。主要达到的目标如下： ( 1 ) 针对嵌入式系统的特点，将嵌入式处理器和嵌入式操作系统运用于图像 采集与本地存储的图像监控系统中，充分利用嵌入式系统独有的体积小、成本 低、可靠性高等特点，以满足监控系统各方面的特殊需要。 ( 2 ) 嵌入式操作系统，具有相当大的灵活性，由于系统是以模块化方式设计 的，因此可以根据自己的需要对软硬件进行裁剪或者添加，加快了设备的开发 进程。 ( 3 ) 针对嵌入式操作系统的研究，可以提高对嵌入式操作系统认知，熟悉嵌 入式操作系统的运行和应用开发技术及开发流程。熟悉嵌入式图形用户界面的 创建流程。 ( 4 ) 图像的采集、传输和存储，都是当前研究的热点。通过对该系统的研究 和开发，可以在信号采集与处理方面等方面取得较大的成绩。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 图像采集系统的现状和发展趋势 1 2 1 图像采集技术的发展现状 随着信息化、智能化、网络化的发展，嵌入式系统技术也将获得广阔的发 展空间。在这种发展趋势下，图像采集技术也得到了长足的发展。 1 8 3 9 年法国画家达盖尔公布了他发明的“达盖尔银版摄影术”，于是世界上 诞生了第一台可携式木箱照相机。这项技术的发明可被看做是图像采集系统的 始祖。拉开了化学方法成像技术发展的序幕。 现如今，图像采集技术早已广泛应用于人们生产生活的各个方面，图像监 控以其信息内容丰富、直观而被广泛应用。图像采集作为图像监控系统的主要 部分，主要功能是完成目标景物到图像信息的转换，在这个转换过程中摄像器 件完成了主要功能。 c a t v 有线电视技术从引入我国到现在已经有三十多年的历史了，目前我国 许多城市、农村到都安装了有线电视系统，其技术已十分成熟，设备性能稳定 可靠。有线电视图像监控系统主要由摄像头、监视器、录像机等组成，利用视 频线将来自摄像头的图像连接到监视器上，利用视频主机，采用键盘进行切换 和控制，这种方法实现简单，但是设备体积庞大，便携性很差。但长期以来， 有线电视监控系统始终处于分散、人工、模拟、低效状态，特别是在实时性要 求和集中遥控方面还有很大距离。 随着p c 机时代的到来，基于p c 体系的图像采集设备的应用越来越广泛。 远程图像监控系统由p c 机插视频卡构成，在监控现场，有若干个摄像机、各种 检测探头与数据设备，通过各自的传输线路，连接到监控终端机上。现有的基 于p c i 接口和u s b 接口的图像采集卡技术愈加成熟。 在后p c 时代，随着芯片、网络技术的进步，现在出现了基于嵌入式技术的 图像监控系统。嵌入式系统也由于软件硬件可裁剪、本身体积小，实时性高， 稳定性好，支持网络等优点，成为工控领域的新热点。基于嵌入式技术的监控 系统有效地将嵌入式技术和图像采集技术结合在一起，可以很好地解决基于p c 的监控系统中存在的问题。 在监控现场利用嵌入式技术，采用专用芯片和嵌入式操作系统，把摄像头 输出的信号进行图像压缩编码处理、本地保存、随时再现等，有效地提高了系 2 武汉理工大学硕士学位论文 统的实时性和稳定性，把图像采集压缩和本地存储功能集成到一个体积很小的 设备内，省掉各种复杂的电缆，安装方便，使得监控范围达到前所未有的广度。 1 2 2 图像采集系统的发展趋势 信息时代、数字时代使得图像采集系统得到了巨大的发展机遇。目前图像 采集系统有这么几个发展趋势： ( 1 ) 小型化。随着嵌入式系统的发展，拥有同样功能的的设备，体积正在交 得越来越小巧。图像采集系统也是这样。 ( 2 ) 网络化。网络互联已经成为必然的趋势。采集到的图像也可以通过现有 的网络传送到任何需要的地方。 ( 3 ) 高清晰。随着显示设备的分辨率越来越高以及人们对图像质量的高要求。 图像采集系统的分辨率也越来越高。 ( 4 ) 海量存储。对于某些特殊领域，人们需要记录大量的图片信息。海量存 储功能能应运而生。 ( 5 ) 高频率采集。为了了解事物瞬间的变化，人们需要高频率的图像采集设 备，以记录事物极短时间内的连续变化。 1 3 本文主要的研究工作和组织结构 1 3 1 本文主要的研究工作 随着信息化、智能化、网络化的发展，图像监控系统在实时性和人机交互 性能方面提出了更高的要求，传统的图像监控技术已经无法满足超便携监控领 域的要求。嵌入式系统技术在图像监控系统中的应用，大大提高了图像监控系 统的功能和质量。近几年来，国内嵌入式系统技术迅速发展，然而，在超便携 图像监控领域的发展却很缓慢。本文研究设计了一种嵌入式图像监控系统的方 案，主要应用于汽车行驶过程的图像监控。具体来讲本文主要做了以下工作： 对国内外嵌入式系统的最新发展做了具体的调查研究，对目前市场上嵌入 式操作系统进行了分析和比较，从而确定应用系统中的嵌入式操作系统的选型。 对基于a r m 处理器及嵌入式l i n u x 系统的开发环境的建立和操作进行了学 习和研究。 3 武汉理工大学硕士学位论文 对市面常见的图像采集器件进行了具体的研究调查，从而确定应用系统中 图像采集设备的选型。并且完成了图像采集器的驱动开发。 对嵌入式图像采集系统的软件设计。针对a r m 嵌入式开发平台的具体应用 对软件进行了包括：系统启动程序设计，嵌入式l i n u x 系统移植，嵌入式图形用 户界面的设计以及应用程序的实现等工作。 1 3 2 组织结构 本文第一章主要介绍图像采集系统的发展现状和发展趋势、课题的研究背 景、意义和内容。第二章介绍了系统的硬件平台。第三章介绍了系统的软件平 台。第四章介绍了a r m l i n u x 软件平台的实现过程。第五章主要是对u s b 摄像 头驱动的设计与开发。第六章主要是对用户图形界面的设计与应用，最后给出 了本文的结论和展望。 1 4 本章小结 本章首先介绍了课题的研究意义和背景；然后对图像采集系统的现状和发 展趋势做了介绍；最后给出了本文的主要研究工作和组织结构。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章硬件开发平台 嵌入式系统开发与硬件平台紧密相连，没有硬件支持的嵌入式平台是不完 整的。良好的硬件平台也为嵌入式系统应用软件的开发提供许多便利。选择合 适的硬件平台是一项复杂的工作。具不完全统计，全世界嵌入式处理器超过1 0 0 0 种。流行的体系结构有3 0 多种。在手机和p d a 等行业，大部分采用a r m 核结 构的处理器。在选择处理器时，我们更倾向于选择具有主流体系结构的处理器， 这样可以得到更多的技术支持，从而能够快速、准确的解决开发中遇到的问题。 当前主流处理器架构有x 8 6 、a r m 、m i p s 、p o w e r p c 、c o l d f i r e 。 2 1 硬件平台的选择原则 嵌入式开发平台选择工作的首要内容是选择一款合适的嵌入式处理器。在 一个系统中选择了什么样的处理器主要取决于该系统的应用领域。表2 1 列出了 几种常见处理器的特性。 表2 1 常见微处理器特性比较 处理器类型价格 主要应用领域 x 8 6高 应用范围狭窄，主要针对工业控制计算机市场 手持设备、可视电话、楼宇的对讲系统、v o i p a 剐m低 、网络监控、多媒体终端产品、医疗电子设备 和各种其它移动无线应用等 应用范围广泛，主要针游戏机，路由器和超级 p s 低计算机等市场 适合于集成灵活、通用的通信功能和多种控制 p o w e r p c高 应用功能的通信和网络设备。 工业控制，音频，通讯设备等 c o l d f i r e高 5 武汉理工大学硕士学位论文 完成嵌入式处理器内核的选择以后，接下来就是结合实际情况，根据系统 外围设备的功能要求，选择一款合适的嵌入式处理器。下面列出了几条需要考 虑的主要因素： 处理器工作速度； 能够支持的总线类型； 有没有串行接口； 是否配备网络设备接口； 是否有l c d 显示器接口； 是否支持触摸屏接口； 是否需要a d 、【) a 转换器； 是否需要i x o 控制接口； 处理器的寻址空间； 是否有片上f l a s h 存储器； 系统成本。 另外，还要考虑应用开发是能够得到的技术支持是否充分。良好的技术支 持能够帮助我们快速准确的解决问题。就目前而言，a r m 处理器的应用较为广 泛，因此我们选择a r m 内核的处理器。a r m 微处理器内核的选择条件 ( 1 ) 系统的工作频率 系统的工作频率在很大程度上决定了a r m 微处理器的处理能力。a r m 7 系 列微处理器的典型处理速度为0 9 m i p s m h z ，常见的a r m 7 芯片系统主时钟为 2 0 m h 2 卜1 3 3 m h z ，a r m 9 系列微处理器的典型处理速度为1 1 m i p s m h z ，常见 的a r m 9 的系统主时钟频率为1 0 0 m h z - 2 3 3 m h z ，a r m l 0 最高可以达到 7 0 0 m h z 。不同芯片对时钟的处理不同，有的芯片只需要一个主时钟频率，有的 芯片内部时钟控制器可以分别为a r m 核和u s b 、u a r t 、d s p 、音频等功能部 件提供不同频率的时钟。 ( 2 ) 芯片内存储器的容量 大多数的a r m 微处理器片内存储器的容量都不太大，需要用户在设计系统 时外扩存储器，但也有部分芯片具有相对较大的片内存储空间，如a t m e l 的 a t 9 1 f 4 0 1 6 2 就具有高达2 m b 的片内程序存储空间，用户在设计时可考虑选用 这种类型，以简化系统的设计。 ( 3 ) 片内外围电路的选择 6 武汉理工大学硕士学位论文 除a r m 微处理器核以外，几乎所有的a r m 芯片均根据各自不同的应用领 域，扩展了相关功能模块，并集成在芯片之中，我们称之为片内外围电路，如 u s b 接口、l l s 接口、l c d 控制器、键盘接口、r t c 、a d c 和d a c 、d s p 协处 理器等，设计者应分析系统的需求，尽可能采用片内外围电路完成所需的功能， 这样既可简化系统的设计，同时提高系统的可靠性。 正是基于以上的考虑因素，在我们的应用系统中，我们选择了s a m s t m g 公 司的基于a r m 9 2 0 t 内核的$ 3 c 2 4 1 0 a 嵌入式处理器。$ 3 c 2 4 1 0 a 嵌入式处理器全 貌如图2 1 所示。 图2 - 1 $ 3 c 2 4 1 0 a 处理器全貌 该处理器的优势在于： f n 处理速度快 a r m 是r i s c 结构，而且a r m 9 采用了5 级流水线技术，大大提高了处理 器速度。标称频率为2 0 3 m h z ，最高工作频率课达到2 6 6 m i - l z 。 ( 2 ) 应用前景广泛 全世界几十家著名半导体公司都使用了a r m 公司的授权，其中包括m m 、 i n t e l 、a t m e l 、n e c 、s o n y 、l g 和s a m s u n g 等。正是由于这些著名厂商的大 力推广，a r m 处理器已经广泛应用于工业控制、无线通讯、网络应用和消费类 电子产品等诸多领域。 f 3 ) 价格低廉 $ 3 c 2 4 1 0 a 处理器现在的市场价格仅为7 美元一片，台人民币6 0 多元。并 且货源充足，有继续降价的趋势。除此之外，相应的外设价格也很便宜。 现阶段，市面上有许多种类的a r m 开发板可供开发者选择，开发人员可咀 把精力主要集中到应用程序的开发上。为应用开发提供了很多方便。选择现有 嵌入式系统开发板的另外一个原因是，在内核移植及开发板上所配各的外设驱 武汉理工大学硕士学位论文 动移植等多方面，能够得到更多的技术支持。本系统选用友善之臂公司的 n a n 0 2 4 1 0 开发板。该开发板配置了一些基本的电路模块，能够满足基本的应用 需求。稍后将对其做详细的介绍。 2 2a r m 嵌入式处理器简介 a r m ( a d v a n c e d s cm a c h i n e s ) ，既可以认为是一个公司的名字，也可以 认为是对一类微处理器的统称，还可以认为是一种技术的名字。 1 9 9 1 年a r m 公司成立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权。目前， 采用a r m 技术知识产权( 口) 核的微处理器，即我们通常所说的a r m 微处理 器，已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各 类产品市场，基于a r m 技术的微处理器应用约占据了3 2 位r i s c 微处理器7 5 以上的市场份额，a r m 技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。a r m 微 处理器的特点如下： ( 1 ) 采用r i s c 架构； ( 2 ) 体积小、低功耗、低成本、高性能； ( 3 ) 支持t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 双指令集，能很好的兼容8 , 1 莹1 6 位器件； ( 4 ) 大量使用寄存器，指令执行速度更快； ( 5 ) 大多数数据操作都在寄存器中完成； ( 6 ) 寻址方式灵活简单，执行效率高； ( 7 ) 指令长度固定。 a r m 微处理器目前包括下面几个系列，以及其它厂商基于a r m 体系结构 的处理器，除了具有a r m 体系结构的共同特点以外，每一个系列的a r m 微处 理器都有各自的特点和应用领域。 a r m 7 系列 a r m 9 系列 删9 e 系列 a r m l 0 e 系列 s e c u r c o r e 系列 8 武汉理工大学硕士学位论文 i n t e l 的x s c a l e i n t e l 的s t r o n g a r m 其中，a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 和a r m l 0 为4 个通用处理器系列，每一个 系列提供一套相对独特的性能来满足不同应用领域的需求。s e c u r c o r e 系列专门 为安全要求较高的应用而设计。 2 3a r m 微处理器的应用领域 到目前为止，a r m 微处理器及技术的应用几乎已经深入到各个领域： ( 1 ) 工业控制领域：作为3 2 的r i s c 架构，基于a r m 核的微控制器芯片不但 占据了高端微控制器市场的大部分市场份额，同时也逐渐向低端微控制器应用 领域扩展，a r m 微控制器的低功耗、高性价比，向传统的8 位1 6 位微控制器 提出了挑战。 ( 2 ) 无线通讯领域：目前已有超过8 5 的无线通讯设备采用了a r m 技术， a r m 以其高性能和低成本，在该领域的地位日益巩固。 ( 3 ) 网络应用：随着宽带技术的推广，采用a r m 技术的a d s l 芯片正逐步获 得竞争优势。此外，a r m 在语音及视频处理上行了优化，并获得广泛支持，也 对d s p 的应用领域提出了挑战。 ( 4 ) 消费类电子产品：a r m 技术在目前流行的数字音频播放器、数字机顶盒 和游戏机中得到广泛采用。 ( 5 ) 成像和安全产品：现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用a r m 技 术。手机中的3 2 位s i m 智能卡也采用了a r m 技术。 除此以外，a r m 微处理器及技术还应用到许多不同的领域，并会在将来取 得更加广泛的应用。 2 4a r m 9 微处理器系列 a r m 9 系列微处理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能。具有以 下特点： ( 1 ) 5 级整数流水线，指令执行效率更高； ( 2 ) 提供1 1 m i p s m h z 的哈佛结构； 9 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 支持3 2 位a r m 指令集和1 6 位t h u m b 指令集； ( 4 ) 支持3 2 位的高速a m b a 总线接口； ( 5 ) 全性能的m m u ，支持w m d o w sc e 、l i n u x 、p a l mo s 等多种主流嵌入式 操作系统； ( 6 ) c p u 支持实时操作系统； ( 7 ) 支持数据c a c h e 和指令c a c h e ，具有更高的指令和数据处理能力。 a r m 9 系列微处理器主要应用于无线设备、仪器仪表、安全系统、机顶盒、 高端打印机、数字照相机和数字摄像机等。a r m 9 系列微处理器包含a r m 9 2 0 t 、 a r m 9 2 2 t 和删9 4 0 t 三种类型，以适用于不同的应用场合。 基于以上因素的考虑，同时考虑到国内开发者的a r m 选型倾向以及能够得 到的技术支持等因素，本系统决定使用三星公司的$ 3 c 2 4 1 0 a 处理器。现阶段， 市面上有许多种类的a r m 开发板可供开发者选择，开发人员可以把精力主要集 中到应用程序的开发上。为应用开发提供了很多方便。本系统选用友善之臂公 司的n a n 0 2 4 1 0 开发板。开发板外观如图2 2 所示。n a a 0 2 4 1 0 开发板采用$ 3 c 2 4 1 0 微处理器，该处理器是一款由s a m s u n ge l e c t r o n i c sc o 。l t d 为手持设备设计的低 功耗、高度集成的微处理器，采用2 7 2 脚f b g a 封装，内含一个a r m 9 2 0 t 内 核和如下片内外围【1 1 。 ( 1 ) 1 个l c d 控制器( 支持s i n 和1 1 吓带有触摸屏的液晶显示器) ； ( 2 ) s d r a m 控制器； ( 3 ) 3 个通道的u a r t ； ( 4 ) 4 个通道的d m a ； ( 5 ) 4 个具有p w m 功能的计时器和1 个内部时钟； ( 6 ) 8 通道的1 0 位a d c ； ( 7 ) 触摸屏接e l ； ( 8 ) 1 2 c 总线接口； ( 9 ) 1 个u s b 主机接口，1 个u s b 设备接口； ( 1 0 ) 2 个s p i 接口； ( 1 1 ) s d 接口和m m c 卡接口； ( 1 2 ) 1 1 7 位通用i o 口和2 4 位外部中断源。 开发板上有与之相对应的接口硬件。在本视频采集系统中要使用到的接口 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 模块分别为：串行接口、u s b 接口、n a n d & s d r a m 存储模块、l c d 接口和触 摸屏接口。 2 5n a n 0 2 4 1 0 开发板介绍 n a n 0 2 4 1 0 开发板是有广州友善之臂公司设计的一套基于s m d i ( 2 4 1 0 开发板 规范的嵌入式系统开发套件，主要为开发者提供了一个良好的硬件平台。开发 板全貌如图2 - 2 所示。 哪晰i d eh ，l c o j h r s w i t c h om m 图2 2n a n 0 2 4 1 0 开发板全貌 n a n 0 2 4 1 0 开发板采用$ 3 c 2 4 1 0 a 微处理器，该处理器是一款由s a m s u n g e l e c t r o n i c sc ol t d 为手持设各设计的低功耗、高度集成的微处理器，采用2 7 2 脚 f b g a 封装，内含一个a r m 9 2 0 t 内核和如下片内外围【2 l ： ( 1 ) 1 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器) ； f 2 ) s d r a m 控制嚣； f 3 13 个通道的u a r t ； “14 个通道的d m a ； 武汉理工大学硕士学位论文 ( 5 ) 4 个具有p w m 功能的计时器和1 个内部时钟： ( 6 ) 8 通道的1 0 位a d c ： ( 7 ) 触摸屏接口； ( 8 ) 1 2 c 总线接口； ( 9 ) 1 个u s b 主机接口，1 个u s b 设备接口： ( 1 0 ) 2 个s p i 接口； ( 1 1 ) s d 接口和m m c 卡接口； ( 1 2 ) 1 1 7 位通用i o 口和2 4 位外部中断源。 通常情况下，为了满足手持设备对体积和外观的要求，$ 3 c 2 4 1 0 a 处理器组 成的核心电路需要使用6 层布线：这也为开发者带来了一定的困难。n a n 0 2 4 1 0 v 2 开发板充分考虑到了开发者的需求，配置了相应的外设，免去了开发过程中电 路的设计。开发者可以集中精力、完成应用软件的开发。n a n 0 2 4 1 0 v 2 开发套 件主要特性如下： 超小尺寸：5 8 ( w ) x3 6 ( l ) xl l ( h ) m m ； 删9c p u ：s 3 c 2 4 1 0 a ，系统主频最高可达2 6 6 m h z ； 大存储量( 使用n a n df l a s h ) ：6 4 mb y t e ； 更多的动态存储容量( s d r a m ) ：3 2 mb y t e l 1 0 m 以太网接口； d m a i d e 接口，读写速度平均可达5 mb y t e s ； u s b h o s t ( 可外接优盘、鼠标、摄像头、打印机、键盘等设备) ； u s bs l a v e d e v i c e ： 支持s d 侏n d c 卡，经试验，可支持8 m 1 g 的s d m m c 卡； 支持各种s t n 伪彩、n 吓真彩l c d ，最高分辨率可达1 0 2 4x7 6 8 ： 音频输入与输出：可以播放m p 3 、w a v 等格式的文件； 内置看门狗； 内置实时时钟： 3 个串口( 均可扩展为4 8 5 接口) ； 小型的系统总线接口( 可扩展以太网、i d e 等外设) ； 丰富的常用嵌入式系统接口： s p ixl ： 1 2 cxl ： 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 sx1 ( 一般用来外接音频输入与输出，也可用作g p i o ) ： a dx2 ( 1 0 位精度) ； p w mx1 ； 8 个外部中断； 板载四线电阻触摸屏接口； 2 0 r a m 间距11 2 针双列直插，使用极其方便； 支持标准l i n u x - 2 4 和2 6 版本内核的高级嵌入式操作系统； 支持w m d o w s c e 4 2 。 在我们的系统中要使用到的接口模块分别为：串行接口、u s b 接口、 n a n d & s d 洲存储模块、l c d 接口和触摸屏接口。 2 6 本章小节 本章主要是对系统硬件平台的相关知识做了调查和研究。包括嵌入式处理 器的发展状况的研究、处理器的选型原则的确定和开发平台硬件资源的介绍。 有了这样一套硬件平台，我们能够更好的专注于应用软件的开发。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章软件开发平台 软件平台主要包括：嵌入式操作系统和嵌入式图形用户界面开发平台。嵌 入式操作系统是嵌入式系统极为重要的组成部分。它提高了系统的可靠性、提 高了开发效率，缩短了开发周期、充分发挥了3 2 位c p u 的多任务潜力。因此， 选择一个合适的嵌入式操作系统显得尤为重要。对良好的人机交互功能的需求 使得嵌入式图形用户界面发展迅速，它极大的方便了非专业用户的使用。由于 对于设备尺寸、外观等方面的要求，嵌入式系统在硬件资源上受到了限制，因 而我们需要针对现有的硬件平台和系统功能要求，选择合适的嵌入式图形用户 界面开发平台。 3 1 嵌入式操作系统简介 嵌入式操作系统e o s ( e m b e d d e do p e r a t i n g s y s t e m ) 是一种用途广泛的系统 软件，过去它主要应用于工业控制和国防系统领域。具不完全调查，目前国际 上有两百多种嵌入式操作系统嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关 依赖性、软件固态化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。e o s 是相 对于一般操作系统而言的，它除具备了一般操作系统最基本的功能，如任务调 度、同步机制、中断处理、文件功能等外，还有以下特点： ( 1 ) 可装卸性。开放性、可伸缩性的体系结构。 ( 2 ) 强实时性。e o s 实时性一般较强，可用于各种设备控制当中。 ( 3 ) 统一的接口。提供各种设备驱动接日。 ( 4 ) 操作方便、简单、提供友好的图形g u i ，图形界面，追求易学易用。 ( 5 ) 提供强大的网络功能，支持t c p i p 协议及其它协议，提供t c p 、u d p 、 i p 、p p p 协议支持及统一的m a c 访问层接口，为各种移动计算设备预留接口。 ( 6 ) 强稳定性，弱交互性。嵌入式系统一旦开始运行就不需要用户过多的干 预，这就要负责系统管理的e o s 臭有较强的稳定性。嵌入式操作系统的用户接 日一般不提供操作命令，它通过系统调用命令向用户程序提供服务。 ( 7 ) 固化代码。在嵌入系统中，嵌入式操作系统和应用软件被固化在嵌入式 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 系统计算机的r o m 中。辅助存储器在嵌入式系统中很少使用，因此，嵌入式操 作系统的文件管理功能应该能够很容易地拆卸，而用各种闪存文件系统。 ( 8 ) 更好的硬件适应性，也就是良好的移植性。 以下列出了几种有代表性嵌入式操作系统，这也是当前流行的嵌入式操作系统。主要的 对比内容如下： ( 1 ) v x w o r k s v x w o r k s 操作系统是美国w m d r i v e r 公司于1 9 8 3 年设计开发的一种嵌入式 实时操作系统( r 1 的s ) ，是t o r n a d o 嵌入式开发环境的关键组成部分。良好的持 续发展能力、高性能的内核以及友好的用户开发环境，在嵌入式实时操作系统 领域逐渐占据一席之地。v x w o r k s 具有可裁剪微内核结构；高效的任务管理； 灵活的任务间通讯；微秒级的中断处理；支持p o s i x1 0 0 3 1 b 实时扩展标准； 支持多种物理介质及标准的、完整的t c p i p 网络协议等。 然而其价格昂贵。由于操作系统本身以及开发环境都是专有的，价格一般 都比较高，通常需花费1 0 万元人民币以上才能建起一个可用的开发环境，对每 一个应用一般还要另外收取版税。一般不通供源代码，只提供二进制代码。由 于它们都是专用操作系统，需要专门的技术人员掌握开发技术和维护，所以软 件的开发和维护成本都非常高。支持的硬件数量有限。 ( 2 ) w m d o w sc e w m d o w sc e 与w m d o w s 系列有较好的兼容性，无疑是w m d o w sc e 推广的 一大优势。w m d o w sc e 为建立针对掌上设备、无线设备的动态应用程序和服务 提供了一种功能丰富的操作系统平台，它能在多种处理器体系结构上运行，它 是从整体上为有限资源的平台设计的多线程、完整优先权、多任务的操作系统。 它的模块化设计允许它对从掌上电脑到专用的工业控制器的用户电子设备进行 定制。 从技术角度上讲，w m d o 、sc e 作为嵌入式操作系统有很多的缺陷：没有开 放源代码，使应用开发人员很难实现产品的定制；在效率、功耗方面的表现并 不出色，而且和w m d o w s 一样占用过的系统内存，运用程序庞大；版权许可费 高昂。一般院校或爱好者难以负担。 ( 3 ) 嵌入式l i n u x 这是嵌入式操作系统的一个新成员，其最大的特点是源代码公开并且遵循 g p l 协议，在近一年多以来成为研究热点，据i d g 预测嵌入式l i n u x 将占未来 1 5