（计算机应用技术专业论文）基于嵌入式linux无线远程图像监控系统的研究.pdf

两华大学硕士学位论文 基于嵌入式l i n u x 无线远程图像监控系统的研究 计算机应用技术 研究生李松渊指导教师李兵 摘要 随着现代科技进步和社会发展，图像监控系统已经应用到了社会生活的方 方面面。目前在图像监视系统领域，有线方式的图像监视系统较为普遍。而在 监控范围广、监控地点不确定、地形复杂的场合，如对于山体滑坡或泥石流的 监控，有线方式受到了固有物理布线的限制而显得无能为力。随着计算机技术 和通信技术的发展，将嵌入式系统技术、无线通信技术和基于t c p i p 的 i n t e m e t 技术结合在一起的无线远程图像监视系统则可以很好解决这类缺陷。 从而使监控系统的应用领域和作用得到了极大的扩展。 本文的主要任务就是以实现无线远程监控为目标，基于现有可利用的软硬 件设备和g p r s 无线网络资源，分析无线远程监控系统对软硬件资源的需求， 通过软硬件编程，将系统功能通过软件实现。从而实现一套简易、可行的无线 远程图像监控系统。 基于系统设计的目标，分析了无线远程监控系统的特点及其对软硬件资源 的需求，本文采用a r ml i n u x 嵌入式开发环境。首先对监控系统进行整体设 计，分析了系统的软硬件结构。然后利用v i d e 0 4 l i n u x 内核应用编程接口函数 进行编程，在$ 3 c 2 4 1 0 开发板上通过u s b 接口实现了单帧图像和视频连续帧 的采集和显示，并以文件的形式保存。最后通过实现p p p 拨号，将系统板卡 的g p r s 模块接入g p r s 网络，并通过网络编程将所采集到的图片传到服务器 端，实现了图片的无线远程传输。论文最后对嵌入式无线远程图像监控的实现 进行了总结和展望。 西华大学硕士学位论文 关键词：嵌入式系统；无线监控；图像采集；g p r s ；p p p r e s e a r c ho fw i r e l e s sr e m o t e i m a g em o n i t o r i ng s y s t e mb a s e do ne m b e d d e dl i n u x a c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y m d c a n d i d a t e ：l is o n g y u a n s u p e r v i s o r ：l ib i n g a b s t r a c t wl t nt h ep r o g r e s so ft h em o d e m s c i e n t i f i ca n ds o c i a ld e v e l o p m e n t ，m o n i t o 向g s y s t e mh a sb e e na p p l i e dt oa l l a s p e c t so ft h es o c i e t y a tp r e s e n t ，i nt h ef i e l do f 1 n i a g em o n l t o m gs y s t e m , t h et y p eo fw i r em o n i t o r i n gs y s t e mi sm o r e g e n e r a l l v b u tt h e a p p l i c a t i o n sa r el i m i t e db e c a u s eo ft h ep h y s i c a ld i s a d v a n t a g e s i ns o m e d 1 插c u l ts l t u a t l o n s ，s u c ha st h e m o n i t o r s p o i n t sd i s t r i b u t eb r o a d l y t h ew i r e 】e s s m o n l t o rs y s t e 瞄a r et h e o n l yr e s o l u t i o n s w i t ht h ef a s t d e v e l o p m e n to ft h e c o m p u t e ra n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，t h ew i r e l e s sm o n i t o rs y s t e mc o m b i n e d w i t ht h ee m b e d d e ds y s t e mt e c h n o l o g y ，w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nt e c h n 0 1 0 9 ya n d m t e m e tt e c h n o l o g yc a nb er e a l i z e d s o t h a tt h ea p p l i c a t i o na r e aa n dr o l eo ft h e m o n i t o r i n gs y s t e mh a sb e e ng r e a t l ye x p a n d e d in en l a mt a s ko ft h i sp a p e r i s ，r e a l i z i n gw i r e l e s sr e m o t em o l l i t 0 血ga st h eg o a i ， u s l n gt h ee x l 吼i n gh a r d w a r e ，s o f t w a r ea n dg p r sw i r e l e s s n e 帆o r kr e s o u r c e s a n a l y s l ss o f l w a r ea n dh a r d w a r er e q u i r e m e n to f w i r e l e s sr e m o t em o n i t o 血g s y s t e 砜 t n r o u g hh a r d w a r ea n ds o f t w a r e p r o g r a m m i n gt or e a l i z es y s t e mf u n c t i o n b v s o n w a r em e t h o d ，d e s i g nas i m p l e ，p r a c t i c a lw i r e l e s sr e m o t e m o n i t o r i n gs y s t e m b a s e d0 nt h e g o a l so ft h es y s t e md e s i g n ，t h et h e s i s u s i n ga r ml i n u ) 【 e m b e d d d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t f i r s t l y ，d e s i g nt h eo v e r a l lo ft h e s v s t e r n , a n a i y z et h es t r u c t u r eo ft h es y s t e m ”h a r d w a r ea n d s o f t w a r e t h e n ，u s et h ea p i so f - i i i 两华大学硕士学位论文 v i d e 0 4 l i n u xk e m e lt or e a l i z ei m a g ea c q u i s i t i o no ft h es y s t e m , t h r o u g hp p pd i a l - u p t oa c c e s st h eg p r s ，t h r o u g hn e t w o r kp r o g r a m m i n gt or e a l i z et h et r a n s m i s s i o no f t h ei m a g e d e v e l o p e dap r o t o t y p em a c h i n eo ft h es y s t e ms u c c e s s f u l l y f i n a l l y ， m a k eac o n c l u s i o na n do u t l o o k o ft h ee m b e d d e dw i r e l e s sr e m o t em o n i t o r i n g s y s t e m k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ；w i r e l e s sm o n i t o r i n g ；i m a g ea c q u i s i t i o n ；g p r s ；p p p i v 西华大学硕士学位论文 西华大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅，西华大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口 2 、不保密 年解密后适用本授权书； 本授权书。 ( 请在以上口内划) 艚e t 剪j 狮- 戳l ：。秀点 。i 5 2 7 韶妙 名厂 签孵小 糍钡 姗痧 讼 ： 西华大学硕+ 学位论文 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。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，也不包含为获得西华大学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已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文成 果归西华大学所有，特此声明。 名：锄呵节州夕日 翮虢槌z 哆年叫日 西华大学硕士学位论文 1 综述 1 1 国内外发展现状 图像监控一直是人们关注的应用技术热点之一，它以其信息内容丰富、直 观而被广泛应用。图像监控系统中通过传输线路及多媒体设备，实现声音、影 像及文件资料互传，达到及时且互动的沟通，以完成监视、控制和交流的目的。 在电子技术与通信技术的发展过程中，图像监控系统的技术水平，直接反应了 不同阶段电子与通信的技术现状。就图像监控的方式而言，图像监控系统大致 分为以下几种。 ( 1 ) 本地模拟信号监视系统 本地图像监视系统主要由摄像机、视频矩阵、监视器、录像机等组成，由 视频线、控制线缆等连接，利用模拟视频线将来自摄像机的视频连接到监视器 上，利用视频矩阵主机显示，采用键盘进行切换和控制，录像采用使用磁带的 长时间录像机。此系统广泛应用于保安、生产管理等场合，其中最典型的就是 传统的模拟闭路电视监控系统。传统的模拟闭路电视监视系统有很多局限性： 首先，有线模拟视频信号的传输对距离十分敏感；其次，有线模拟视频监视无 法联网，只能以点对点的方式监视现场，并且使得布线工程量极大；另外，有 线模拟视频信号数据的存储会耗费大量的存储介质( 如录像带) ，查询取证时 十分烦琐。 ( 2 ) 基于p c 插卡的数字监视系统 基于p c 机的远程图像监视系统由p c 机插视频卡构成，在监视现场， 有若干个摄像机，各种检测、报警探头与数据设备，通过各自的传输线路，汇 接到监视终端机上，该终端可以是一台p c 机，也可以是专用的工业机箱。 基于p c 的视频监视系统终端功能较强，便于现场操作。但稳定性不好，视 频前端，如c c d 等视频信号的采集、压缩、通讯较为复杂，可靠性不高， p c 机也需专人管理，特别是在环境或空间不适宜的监视点，这种方式不理想。 ( 3 ) 基于嵌入式技术的网络数字监视系统 基于嵌入式技术的监视系统不需处理模拟视频信号的p c ，而是把摄像机 西华大学硕士学位论文 输出的模拟视频信号通过嵌入式视频编码器直接转换成数字信号。嵌入式视频 监视系统具备视频编码处理、网络通信、自动控制等强大功能，直接支持网络 视频传输和网络管理，使得监视范围达到前所未有的广度。嵌入式系统中除了 编码器外，还有嵌入式解码器、控制器、录像服务器等独立的硬件模块，它们 可单独安装，不同厂家设备可实现互连。数字化视频监视的优点是克服了模拟 闭路电视监视的局限性：首先，数字化视频可以在计算机网络( 局域网或广域 网) 上传输图像数据，基本上不受距离限制，信号不易受干扰，可大幅度提高 图像品质和稳定性；其次，数字视频可利用计算机网络联网，网络带宽可复用， 无须重复布线；另外，数字化存储成为可能，经过压缩的视频数据可存储在磁 盘阵列中或保存在光盘中，查询十分简便快捷。由于这种系统的硬件是一个同 处理器和操作系统捆绑较为紧密、功能专一、专门设计的独立的设备，因此性 能上更稳定，且便于安装、维护，易于实现系统的模块化设计，便于管理和维 护。 ( 4 ) 未来嵌入式图像监控系统的发展 将嵌入式系统技术、无线通信技术和基于t c p i p 的i n t e m e t 技术结合在 一起的视频监控系统将成为监控系统的未来发展方向瞄。利用嵌入式技术采集 并对现场信息进行相应处理，再通过无线通信方式传输到i n t e m e t 上，用户通 过i n t e m e t 来管理和使用信息。由于采用了g p r s 等无线数据通信方式，可 以省去了有线方式下必须采用的物理布线。而且无线方式有利于对监控点的合 理安排，克服了传统系统只能用于固定现场的监控，不易采用有线方式的监控 地点表现得无能为力的弱点。另外随着嵌入式技术和无线通信技术的进步，无 线自组织网络也将更广泛应用到监控系统中来。 因此，这种监控方式在局域环境监测和安全监控、工农业生产、移动通信、 家用电器自动化等领域都具有相当广阔的应用前景。 1 2 无线监控简介 图像监控系统一般由图像采集、前端图像处理、图像传输、终端图像处理、 图像显示和系统控制六大部分组成跚4 | ，系统组成框图如图1 1 所示。 2 两华大学硕士学位论文 f i g 1 1i m a g em o n i t o r i n gs y s t e ma r c h i t e c t u r e 图1 1图像监控系统框图 ( 1 ) 图像采集部分 图像采集部分是监控系统的前端部分，是整个系统的“眼睛，包括摄像 头、云台、防护罩等设备。图像采集设备的功能主要是完成目标景物到图像信 息的转换，其物理变换是一个光电变换过程。在这个变换过程中摄像头承担了 主要任务，而云台、镜头和其他辅助设备而完成目标景物的取景、照明和聚焦 等功能。从整个系统看，图像采集部分是原始信号源，因此图像采集设备的好 坏直接影响图像信号质量和整个系统的质量。 ( 2 ) 前端图像处理部分 图像处理部分是监控系统中的数字信号处理部分，是整个系统中最重要的 部分。它关系到系统图像的实时性、质量和容量，前端图像处理主要是对图像 采集部分输出的模拟信号进行a d 采样和压缩编码，以便有利于图像的实时 传输；还原图像处理则是对经过编码的图像进行解码，以便在现实部分显示。 ( 3 ) 图像传输部分 图像传输部分是指监控系统的图像信号的数据传输信道。传输部分的数据 主要是图像信号，但有时同时包括了控制中心对终端的摄像仪、镜头、云台、 防护罩等进行控制信号。图像传输部分的功能就是把经过图像处理部分处理过 的数字图像及时、准确地传送到监控中心，实现图像的再现。对于图像信号的 传输，主要要求在图像信号经过传输系统后，不产生明显的噪声和失真，保证 在再现端能准确再现图像。以前，这两部分数据是通过不同的信道通信传输的， 但在以太网传输中，一般将这两部分的信号都放在以太网上传输。 ( 4 ) 终端图像处理部分 终端图像处理部分主要是对传输过来的前端图像进行解码以及图像存储。 图像存储主要是完成对远程传输来的编码图像进行打包和存储。图像监控系统 3 两华大学硕士学位论文 的很大一部分就是需要记录以前的图像信息，当需要的时候再调出来查看。以 前模拟系统一般以录像带为主，随着p c 技术的发展，硬盘的容量越来越大， 图像以数字形式保存在p c 中已经得到了广泛的应用。 ( 5 ) 图像显示部分 图像显示部分一般由多台监视器组成，是图像监控系统面向用户的终端设 备，主要完成再现目标景物的图像。在由多台摄像仪组成的图像监控系统中， 一般不是一台监视器对应一台摄像仪进行显示，而是多台摄像仪的图像信号用 一台监视器轮流切换或者多画面显示。 ( 6 ) 系统控制部分 系统控制部分是实现整个系统功能的指挥中心。系统控制部分的主要功能 是视频信号分配、图像信号的切换、图像信号的记录、摄像仪及镜头、云台、 防护罩的控制等。 1 3 研究的目的和意义 自从9 0 年代初欧洲g s m 通信系统标准确立以来，无线蜂窝数字通信技术 获得了长足发展。2 0 0 2 年推出的g p r s 是在g s m 基础上发展起来的一种分组 交换的数据承载和传输网络技术，它充分利用了g s m 系统的无线结构，通过 进一步在g s m 网络中增加数据设备提供高速数据类应用，从而保证采用g s m 系统的运营商实现从2 g 系统到2 5 g 系统的平滑过渡，实现从电路方式业务 到语音分组方式业务的转变。在g s m 系统中，简单的数据类业务通过m s c 中作为m o d e m 的i m f 单元实施，其速率受到很大限制，最高仅为9 6 k b p s ， 并且这种数据业务的应用采用电路方式，会造成系统资源和用户计费的不合理 性。g p r s 系统则实现了高达1 7 1 2 k b p s 理论速率的吞吐量，从而可以实现移 动用户的i n t e m e t 接入、彩信收发、高速w a p 浏览以及其他各种业务的应用。 g p r s 实现了电路交换和数据交换系统的融合，通过系统中分组域与电路域的 相互作用，保证了系统资源的有效利用，拓展了系统的业务和功能，为进一步 向第三代系统的迈进提供了技术保证。它具有永远在线、按量计费、传输速率 快的特点，使其为各种无线数据采集和监控系统广泛应用。 与此同时，由于视频应用市场的牵引和电子技术飞速发展的支撑，视频图 像数据压缩技术也得到了快速发展，各种视频图像压缩算法应运而生。m p e g 4 两华大学硕士学位论文 ( m o v i n gp i c t u r ee x p o r t sg r o u p ) 组织1 9 9 9 年公开的m p e g - 4i s o i e c14 4 9 6 v 1 0 采用了更高性能的图像数据压缩算法更方便超低比特率的图像传输，利 用符合该标准的编解码器模块可以快速开发出理想的超低比特率视频图像应 用系统6 j 。 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。无线通信网络的发展，数据传输带宽的 不断扩大，特别是未来3 g 网络的使用，将无线通信技术运用于多媒体无线 监控成为可能。 多媒体技术引入图像监控系统后，两个问题需要解决。一是图像监控系 统结构的调整，二是适合监控规范的、集图像、视频、声音、信号检测与控制 一体的多媒体软件的设计。本课题的研究目的是：着眼局域环境监测和安全监 控等应用场合，设计一种新的、可实现的无线远程图像监控系统，研究嵌入式 技术在监控系统中的应用，设计、实现基于该技术的嵌入式无线远程图像监控 系统，并进行相关试验研究。 ( 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 无线远程图像监控系统中，可以发挥嵌入式系统独有的小体积、低功耗、低成 本、高可靠性等特点，从各个方面满足监控系统的特殊需要。 ( 2 ) 操作系统与单片机相比，具有相当大的灵活性，大多数嵌入式系统 以模块化进行设计，可以根据自己的需要对软硬件进行裁剪或者添加，有利于 在较短的时间内取得较大的成果。 ( 3 ) 针对嵌入式操作系统的研究，可以提高对嵌入式开发平台认知，熟 悉操作系统的运行和应用开发技术及开发流程。 ( 4 ) 图像的采集、压缩编码和大流量数据的传输，都是当前研究的热点。 通过对该系统的研究和开发，可以在图像编码压缩等方面取得较深入的理解、 应用。 ( 5 ) 实现基于g s m g p r s 网络的数据传输，可以在无线方式下的大流 量数据通信方面有所创新和突破。 图像监控系统在现代工农业生产、交通运输、环境监测、自动防火、现代 国防等领域有着重要的作用，也是人们关注的应用技术热点之一，它以其信息 内容丰富、直观而被广泛应用。图像监视系统中通过传输线路及多媒体设备， 5 西华大学硕十学位论文 实现声音、影像及文件资料互传，达到及时且互动的沟通，以完成监视、控制 和交流的目的。目前在图像监视系统领域，有线方式的图像监视系统较为普遍， 而在监控范围广、监控地点不确定、地形复杂的场合，如用于山体滑坡或泥石 流的监控，有线方式受到了固有物理布线的限制而显得无能为力。而随着计算 机技术和通信技术的发展，将嵌入式系统技术、无线通信技术和基于t c p i p 的i n t e m e t 技术结合在一起的无线远程图像监视系统则可以很好解决这类缺 陷。为了实现这些监控功能，实时获得视频数据就成了整个系统的关键。 1 4 论文的主要工作 论文的主要工作包括一下几个方面。 ( 1 ) 分析现在常见的嵌入式图像监控系统。 ( 2 ) 基于嵌入式a r ml i n u x ，分析、设计嵌入式图像监控系统。 ( 3 ) 系统软硬件设计。包括系统硬件结构，摄像头结构，g p r s 模块，以 及系统的软件结构。 ( 4 ) 基于系统的软硬件结构，编程实现图像采集。 ( 5 ) 基于g p r s 网络，分析无线网络监控系统中所设计到各种网络协议 栈。 ( 6 ) 基于g p r s 网络，编写程序，实现远程拨号与图像传输。 ( 7 ) 服务器( 监控中心) 的设计与实现。 ( 8 ) 总结课题中所遇到的难题和有待解决的困难。 6 西华大学硕士学位论文 2 无线监控系统平台的构建 2 1 系统的整体设计 在l i n u x 系统下，设计和开发一种基于g s m g p r s 网络的嵌入式无线远 程图像监控系统。该系统由嵌入式无线图像监控终端和监控服务器组成。图 2 1 是监控系统的功能示意图。 f i g 2 1f u n c t i o na r c h i t e c t u r eo fm o n i t o r i n gs y s t e m 图2 1 监控系统的功能示意图 无线远程图像监控系统分为4 大块：硬件设计、操作系统、监控中心软 件设计、无线终端软件设计。本文完成无线终端软件部分。终端软件包括图像 的采集与编码、传输系统的设计与验证、外设驱动程序开发等哺。 嵌入式终端操作系统基于嵌入式l i n u x ，硬件平台采用s a m s u n g $ 3 c 2 4 1 0 处理器。使用该系统，能在g s m g p r s 网络覆盖的区域内，将事发现场的图 像通过g s m g p r s 网络传输至控制中心监控服务器。监控服务器也能在必要 的时候，控制监控终端自动采集现场图像，传输至监控服务器，以达到监控目 7 西华大学硕士学位论文 的。 2 2 系统的硬件环境 2 2 1 开发板结构 为了实现基于u s b 接口视频的采集和后期数据的处理传送，硬件系统采 用s a m s u n g 公司的$ 3 c 2 4 1 0 处理器，其最高工作频率2 0 3 m h z 。它包含一个 1 6 3 2 b i t 的r i s c ( a r m 9 2 0 t ) 的c p u 内核，独立的1 6 k b 指令和1 6 k b 数据的 缓存( c a c h e ) ，用于虚拟内存管理的m m u 单元，l c d 控制器( s t n & t f t ) ， 非线性( n a n d ) f l a s h 的引导单元，系统管理器( 包括片选逻辑控制和 s d r a m 控制器) 三通道的异步串口( i7 a r t ) ，4 通道的d m a ，4 通道的带脉 宽调制( p w m ) 的定时器，输入输出端口，实时时钟单元( r t c ) ，带有触摸 屏接口的8 通道的1 0 b i ta d c ，i i c 总线接口，i i s 总线接口，u s b 的主机( h o s t ) 单元，u s b 的设备接口，s d 卡和m m c ( m u l t i m e d i ac a r d ) 卡接口，双通道 的s p i 接口和锁相环( p l l ) 时钟发生单元川。开发板的电路框图如图2 2 所示。 西华大学硕士学位论文 f i g 2 2e l e c t r i ca r c h i t e c t u r eo f d e v e l o p i n gb o a r d 图2 2 开发板的电路框图 各部分基本功能描述如下： 一串行接口电路用于$ 3 c 2 4 1 0 系统与其他应用系统的短距离双向串行通 讯； 一复位电路可完成系统上电复位和在系统工作时用户按键复位； 一电源电路为5 v 到3 3 v 的d c d c 转换器，给$ 3 c 2 4 1 0 及其他需要3 3 v 电源的外围电路供电； 一1 0 m h z 有源晶振为系统提供工作时钟，通过片内p l l 电路倍频为 5 0 m h z 作为微处理器的工作时钟； 一f l a s h 存储器可存放已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； 一s d r a m 存储器作为系统运行时的主要区域，系统及用户数据、堆栈 均位于s d r a m 存储器中； 9 西华大学硕士学位论文 一i o m i o o 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 3 ，系统可以i o m 或1 0 0 m b p s 的速率接入以太网； 一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； 一i i c 存储器可存储少量需要长期保存的用户数据； 一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，便于用 户根据自身的特定需求，扩展外围电路。 s a m s u n g 公司的$ 3 c 2 4 1 0 是基于以太网应用系统的高性价比1 6 3 2 位r i s c 微控制器，内含一个由a r m 公司设计的1 6 3 2 位a r m 9 t d m ir i s c 处理器核， a r m 9 t d m i 为低功耗、高性能的1 6 3 2 核，最适合用于对价格及功耗敏感的 应用场合。 除了a r m 9 t d m i 核以外，$ 3 c 2 4 1 0 比较重要的片内外围功能模块包括： 一2 个带缓冲描述符( b u f f e rd e s c r i p t o r ) 的h d l c 通道： 一2 个u a r t 通道； 一2 个g d m a 通道； 一2 个3 2 位定时器； 一1 8 个可编程的m 口。 片内的逻辑控制电路包括： 一中断控制器； 一d ra 嗄，s d r a m 控带0 器： 一r o m s r a m 和f l a s h 控制器； 一系统管理器； 一一个内部3 2 位系统总线仲裁器； 一一个外部存储器控制器。 $ 3 c 2 4 1 0 结构框图如图2 - 3 所示。 1 0 两华大学硕士学位论文 模 f i g 2 3 $ 3 c 2 410a r c h i t e c t u r e 图2 3 $ 3 c 2 4 1 0 结构框图 $ 3 c 2 4 1 0 的特性描述如下。 体系结构： 一用于嵌入式以太网应用的集成系统； 一全1 6 3 2 的r i s c 架构； 支持大、小端模式。内部架构为大端模式，外部存储器可为大、小端 l l 西华大学硕士学位论文 作； 一内含效率高、功能强的a r m 9 t d m i 处理器核； 一高性价比、基于j t a g 接口的调试方案； 一边界扫描接口。 系统管理器： 一支持r o m s r a m 、f l a s h 、d r a m 和外部i o 以8 1 6 3 2 位的方式操 一带总线请求应答引脚的外部总线控制器； 一支持e d o 常规或s d r a m 存储器； 一可编程的访问周期( 可设定0 - 7 个等待周期) ； 一4 字的写缓冲； 一高性价比的从存储器到外围的d m a 接口； 一体化的指令数据c a c h e ： 一一体化的8 kc a c h e ； 一支持l r c ( 近期最少使用) 替换算法； 一c a c h e 可配置为内部s 洲。 i i c 接口： 一仅支持主控模式； 一串行时钟由波特率发生器生成； e t h e m e t 控制器： 一带猝发模式的d m a 引擎： 一d m a 发送接收缓冲区( 2 5 6 字节发送，2 5 6 字节接收) ； 一m a c 发送接收f i f o 缓冲区( 8 0 字节发送，1 6 字节接收) ； 一数据对准逻辑： 一支持端模式变换； 一1 0 0 m 1 0 m b p s 的工作速率； 一与i e e e 8 0 2 3 标准完全兼容； 一提供m i i 和7 线制1 0 m b p s 接口； 一站管理信号生成； 一片内c a m ( 可达2 1 个目的地址) ； 一带暂停特性的全双工模式； 1 2 两华大学硕士学位论文 一支持长短包模式； 一包拆装p d a 生成。 h d l c ( h i g h l e v e ld a t al i n kc o n t r 0 1 ) 高层数据链路协议： 一h d l c 协议特征：标志检测与同步：零插入与删除；空闲检测和发送； f c s 生成和检测( 1 6 位) ；终止检测与发送； 一地址搜索模式( 可扩展到四字节) ； 一可选择c r c 模式或非c r c 模式； 一用于时钟恢复的数字p l l 模块； 一波特率生成器； 一发送和接收支持n r z n r z i f m 曼切斯特数据格式； 一回环与自动回波模式： 一8 字的发送和接收f i f o ； 一可选的1 字或4 字数据传送方式； 一数据对准逻辑； 一可编程中断； 一m o d e m 接口； 一高达1 0 m b p s 的工作速率； 一基于8 位位组的h d l c 帧长度； 一每个h d l c 有2 通道d m a 缓冲描述符用于发送和接收。 d m a 控制器： 一用于存储器到存储器、存储器到u a t r 、u a t r 到存储器数据传送的2 通道通用d m a 控制器，不受c p u 干预； 一可由程序或外部d m a 请求启动； 一可增减源地址或目的地址，无论8 位、1 6 位或3 2 位数据传输； 一4 种数据猝发模式。 u a r t ： 一2 个可工作于d m a 方式或中断方式的u a r t 模块； 一支持5 、6 、7 、8 位的串行数据发送和接收； 一波特率可编程： 一l 位或2 位停止位； 1 3 谣华大学硕十学位论文 一奇偶校验； 一间隔信号的生成与检测； 一奇偶校验、覆盖和帧错误检测； 一1 6 时钟模式； 一支持红外发送和接收。 定时器： 一2 个可编程3 2 位定时器； 一间隔模式或触发模式工作。 可编程i o 口： 一1 8 个可编程i o 口； 一可分别配置为输入模式、输出模式或特殊功能模式。 中断控制器： 一2 1 个中断源，包括4 个外部中断源； 一正常中断或快速中断模式( i r q 、f i q ) ； 一基于优先级的中断处理。 p l l ： 一外部时钟可由片内p l l 倍频以提高系统时钟； 一输入频率范围：1 0 - 4 0 m h z , 一输出频率可以是输入时钟的5 倍。 工作电压： 一3 3 v ，偏差不超过5 。 工作温度： 一o 7 0 。 工作频率： 一最高为5 0 m h z 。 封装形式： 一2 0 8 脚q f p 封装。 1 4 西华大学硕士学位论文 2 , 2 2 摄像头结构 本设计采用的摄像头是网眼v 2 0 0 ，它的性能如下“。 一c i f ( 3 5 2 x 2 8 8 ) 格式帧率可达3 0 f b s ，真正的实时视频捕获： 一v g a ( 6 4 0 x 4 8 0 ) 格式帧率】o 1 5 f p s ； 一良好的电源管理功能； 一完善的自动亮度、白平衡控制，提供色彩饱和度、对比度、边缘增强、 伽马表等高级数码影像控制功能； 一支持v i d e of o rw i n d o w s 、d i r e c t m e d i a 6 0 视频设备新一代标准适用 于各种视像软件： 一t w a i n 标准兼容提供6 4 0 x 4 8 0 格式高清晰静止图像捕获模式： 一多种视频和输出格式供选择。能生成 b m p ”、 j p g ”、“t i f ”等多种格 式。 f i 9 2 4 w e b e y e 2 0 0 图2 4w e b e y e 2 0 0 实物图 w e b e y e 2 0 0 的性能参数如表1 所示。 表1w e b e y e 2 0 0 的性能参数 t a b l e lw e b e y e 2 0 0 p e r f o r m n c e p a r a m e t e r s 图像传蘑嚣3 5 万像素c 说像解像度6 4 0 ( 水平) x4 8 0 ( 垂直) 恒素 两华大学硕十学位论文 竺竺!羔竺! 竺竺竺竺：竺竺竺竺 输出格式 r g b 2 4 u v 4 2 0 输m 接口 u s b 口 帧串c i f 格式3 0 帧秒v g a 格式1 0 - 1 5 帧秒 视加f5 1 6 水平 摄像头控制色彩饱和度，对比度，边缘增强，伽5 表可调 n 平衡、自动，手动 雌光拄制，在范围2 2 0 0 0 ：1 内自动调整 爪缩摄像头硬件压绾大于5 ：1 闪烁控制5 0 h z 或6 0 h z - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - ：- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 一 视野潍度5 0 毫米到无限远 兼容性l 遵守u s s 标准1 0 即插即用和自动电源控 功耗 l7 _ 2 23 g p r s 模块 f i 昌25 w a v e c o m q 2 4 0 3 a g s m g p r s m o d u l e 图2 5w a v e c o m q 2 4 0 3 a g s m g p r s 模块 1 6 两华大学硕士学位论文 w a v e c o m q 2 4 0 3 ag s m g p r s 模块的基本特征是：双频g s m g p r s m o d e m 模块，执行e t s ig s mp h a s e2 + 的标准，类别4 ( 2 w 9 0 0 m h z ) ， 类别1 ( 1 w 1 8 0 0 1 9 0 0 m h z ) ，外部3 v 5 vs i m ，双音多频功能( d t m f ) ， a 5 1 & a 5 5 加密算法等“。 支持的短信服务包括：点对点的m t & m o ，短消息区域广播群发，彩信， 回复呼叫信息，附加服务，呼叫转移，多方通话，呼叫限制，电话簿，固定号 码呼叫，呼q 等待或保持，呼叫线路认证，记费，红外线s i m 数据传输，回 声取消，s i m 工具包，s i m 锁，u s s d ，等。 电源接口：为数据操作，r s 2 3 2 c 串口线，通过a t 指令控制，波特率从3 0 0 到l1 5 ，2 0 0b i t s s ，自动速率从2 , 4 0 0 到1 9 ，2 0 0b i t s s 。 实时时钟：为手持设备设计，i o 接口，4 位平行接口，平行l c d 接口，1 2 c b u s ，1 0 条输出线路f o r5 x 5 键盘，2 个麦克风输入和2 个耳机输出，蜂鸣器 输出。 数据特征： 一q 2 4 0 3 a ( 支持c l a s s 2 ) ，下载2 6 8 k b i t s s ，上传1 3 4 k b i t s s ： 一q 2 4 0 6 a ( 支持c l a s s l 0 ) ，下载5 3 6 8 k b i t s s ，上： 一传2 6 8 k b i t s s ： 一数据线路异步传输和同步可达1 4 ，4 0 0b i t s s ： 一自动传真g r o u p 3 ( c l a s sl & 2 ) ； 一通话和传真转换； 一i r d a1 2 a 协议； 一g p r sw a p 。 它的主要应用领域包括：短信，遥控，遥测系统，无线公话，移动联通的 代理点收费，短信催缴，短信报警，移动直放站监控，无线数据传输，无线远 程监控，g s m ，g p r s ，c d m a ，直放站，p h s ，s c d m a ，3 g ，w a p ，w a pp u s h ， i v r ，a 悄，b r e w ，自消费，自消费设备，移动通信直放站，无线p o s ， 移动办公，医疗监护，监控，数传，抄表，无线m o d e m ，d t u ，移动，联通， 华为c d m a 模块，c r n 3 2 0 模块，华为c d m a 自消费，高通a n y d a t ac d m a 模块， 环境监测，电力监控，直放站监控，车载，安防，车辆防盗，油井测控，g p r s 远程监控，路灯监控，输油管线监控，电力调度，电力负荷监控，m m s ，多 1 7 西华大学硕士学位论文 媒体，彩信，水利，水文遥测，短信收发，移动梦网，梦网排名等3 。 2 3 系统的软件环境 2 3 1 系统的软件结构 考虑到l i n u x 操作系统的众多优点，整个系统是在嵌入式l i n u x 的基础上 构建的。所谓嵌入式l i n u x ( e m b e d e dl i n u x ) 是指对l i n u x 经过小型化裁剪后， 能够固化在容量只有几十万字节或几十亿字节的存储器芯片或单片机中，应用 于特定嵌入式场合的专用l i n u x 操作系统。l i n u x 操作系统开放源代码，可以 裁剪内核，它支持广泛的计算机硬件，包括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 ，m o t o r o l a 等现有的大部分芯片，并已在x 8 6 、a l p h a 、s p a r c 、 m i p s 、p p c 、m o t o r o l a 、n e c 和a r m 等硬件平台上稳定、高效地运行。其源 码全部公开，任何人都可修改并在g n u 通用公共许可证( g n ug e n e r a lp u b l i c l 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 i c r o s o f t 、弛d o w s 操作系统中“后门”的威胁别。 首先在宿主机上安装l i n u x 系统，之后在宿主机上建立交叉调试的环境。 开发过程中需要向开发板中移植相关的程序，如系统中的视频数据采集、显示、 保存，外围设备驱动，基于g p r s 的无线图像传输等。这些程序都是先利用c 语言编写的，再利用交叉编译调试工具编译连接生成可执行代码。 $ 3 c 2 4 1 0 平台使用的文件系统是y a 凰，文件系统包括应用程序、模块、配 置文件和库等，图像的采集、显示及保存是建立在嵌入式l i n u x 内核之上的， 整个系统的软件结构如图2 6 所示。 西华大学硕士学位论文 f i g 2 6s o f t w a r es t r u c t u r eo ft h es y s t e m 图2 6 系统的软件结构 2 3 2 系统软件结构的优缺点 分析系统的软件结构之后发现。 该软件结构的优点是： ( 1 ) 系统层次结构清晰，利于功能模块的编程实现； ( 2 ) 所涉及到的系统软件、中间件、应用软件都是比较常见、常用的软 件，降低了设计的成本； ( 3 ) 将摄像头驱动设计在内核，提高了监控系统的可靠性。 1 9 两华大学硕士学位论文 3 系统软件的研究及实现 在构建了系统的软件环境、设计了系统的软件结构之后，需要深入分析系 统的软硬件引导过程及系统构成的各功能模块，进而实现系统的整体功能。本 章节就是主要围绕这些内容展开。 3 1 终端b o o t l o a d e r 的设计实现 通用计算机系统中，引导加载程序( b o o t l o a d e r ) 是系统加电后运行的第 一段软件程序，通过这段程序可以初始化硬件设备、建立内存空间的映射图， 从而将系统的软硬件环境带到一个合适的状态，以便为最终调用操作系统内核 准备好正确的环境。b o o t l o a d e r 是严重地依赖于硬件环境而实现的，在嵌入式 系统中它也是一段不可缺少的程序u 制。在基于a r ml i n u x 车载导航仪中 b o o t l o a d e r 的主要作用类似通用计算机中的b i o s ，是作为系统从硬盘启动到 操作系统启动的过渡。每次启动目标板时都会首先运行b o o t l o a d e r , 完成处理器 和相关硬件单元的初始化后，从设定的初始地址启动操