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车载环视显示系统设计 摘要 车载环视显示系统将安装在车辆前后以及两侧的4 个1 8 0 度广角摄像机所 提供的图像，合成为车辆的俯视图显示在车内的仪表板显示器上。它为汽车驾 驶提供更为直观的辅助驾驶图像信息，在汽车辅助驾驶和汽车安全上有着非常 好的应用前景。本文就以4 个c m o s 摄像头为图像采集设备，以a r m 9 芯片 $ 3 c 2 4 1 0 为主处理器，c p l d 为协处理器，搭建一个车载环视显示系统。本论 文所做的工作主要有以下几个方面t 在硬件设计上，使用四个c m o s 摄像头( o v 7 6 6 0 ) 进行图像的采集，并 配置使其输出8 位r a w r g b 格式的图像数据流。然后利用一片c p l d 接受摄像 头的输出时序，并参考这个时序将4 个c m o s 摄像头的一帧图象数据缓存于4 个8 位的s r a m 中，最后通知a r m 读取。在完成了电路设计后，进行了p c b 图的绘制，各个元器件的购买，以及最后的焊接和调试。 在软件上，通m c 2 4 1o 的开发板，我们可以完成一个初步的软件平台的搭 建，其中主要包括操作系统的移植，驱动的编写和调试，以及界面程序q t 的 库的移植。在目标机l i n u x 版本的选择上，我们采用较新的2 6 内核，同时移 植了相应的系统引导程序u b o o t l 1 2 。驱动层主要包括了响应中断读取s r a m 的驱动，c m o s 摄像头的初始化，l c d 驱动。在本文中会逐一介绍以上三个驱 动的具体编写方法。在应用程序层，主要的工作是完成q t 界面库的移植以及 q t 界面编程方法的学习。 关键词：车载环视显示c m o s 摄像头图像采集a r ml i n u x d e s i g n i n g o fv e h i c l ea r o u n dv i e wm o n i t o r a b s t r a c t t h ev e h i c l ea r o u n dv i e wm o n i t o rr e s e a r c h e di nt h i sp a p e ri sas t e e r i n ga s s i s t a n ts y s t e m w h i c hc a l ll e tt h ed r i v e rs e et h eb i r de y ev i e wi m a g eo ft h es c e n ea r o u n dt h es t e e r e dv e h i c l e o i lt h ep a n e ld i s p l a yi nf r o n to ft h ed r i v e r t b eb i r de y ev i e wi m a g ei sf o r m e db y t r a n s f o r m i n gt h ef o u r18 0 。w i d e a n g l e - l e n si m a g e sg r a b b e db yt h ec o r r e s p o n d i n gf i x e d c a m e r a sa r o u n dt h ev h i c l ei n t ot h ei m a g e s ，w h i c hs e e mt ob et a k e nb yav i r t u a lc a m e r a h a n g e do v e rt h ev e h i c l e a n dt h e nm o s a i c i n gt h e mt o g e t h e r t h es y s t e mi sv e r yh e l p f u lf o r d r i v e r st os a f e l ym a n i p u l a t et h e i rv e h i c l e i nt h i sp a p e r , f o u rc m o sc a m e r a s ，ap i e c eo f h o s tp r o c e s s o r ( a r mc h i ps 3 c 2 4l0 1 ，a n dac p l dc o p r o c e s s o ra r eu s e dt ob u i l dt h e v e h i c l ea r o u n dv i e wm o n i t o rs y s t e m t h em a i nr e s e a r c hw o r ki sd e p i c t e da sf o l l o w s ： i nt h eh a r d w a r e t h el a r g es c a l ed y n a m i cs c e l ei sg a s p e db yf o u rc m o sc a m e r a s e d s o r s ( o v 7 6 6 0 ) s y n c h r o n o u s l y t h eo u t p u ti m a g e sd a t af o r m a ta r es e t t e da s8 - b i tr a w r g b t h et i m i n gs e q u e n c e sa r ec o n t r o l l e db yap i e c eo fc p l dc h i p l e nt h ei m a g e a c q u i s i t i o ns y s t e mr e c e i v e sac o m m a n d o fi m a g ea c q u i s i t i o n , t h ec p l dp r o d u c es e r i e so f t i m i n gs e q u e n c e sf o rt a k i n gi m a g e sf r o mt h e4c m o ss e n s o r ss y n c h r o n o u s l y ，s a v i n gt h e i m a g e si n t o48 b i ts r a mm e m o r i e s ，a n dt h e ni n f o r m i n gt h es y s t e mt or e a dt h ei m a g ed a t a i n t oa na r mm e m o r y h a v i n ga3 2 一b i td a t ab u s i nt h es o f t w a r e ，i tc o m p l e t e sap r i m a r ys o f t w a r ep l a t f o r mb yt h ed e v e l o p m e n tb o a r d m c 2 41o ，w h i c hi n c l u d e so p e r a t i o ns y s t e mi m p l a n t a t i o n , w r i t i n ga n dd e b u g g i n gd e v i c e d r i v e r s a n dg r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c el i b r a r yq ti m p l a n t a t i o n i ta d o p t s t h el i n u xk e m e l2 6i no b j e c tm a c h i n e a n di m p l a n t st h es y s t e mb o o tp r o g r a m u b o o t l 1 2 t h ed r i v e r1 a y e rm o s t l yi n c l u d e st h ed r i v e ro ft h ei n t e r r u p ti nr e s p o n s et or e a d s r a m t h el c dd r i v e ra n dt h ec m o sc a r e e ri n i t i a l i z a f i o n t h ea p p l i c a t i o nl a y e rm a i n l y c o m p l e t e sq ti m p l a n t a t i o na n dq t i n t e r f a c ea p p l i c a t i o np r o g r a md e v e l o p m e n t k e y w o r d s ：v e h i c l ea r o u n dv i e wm o n i t o r ：c m o sc a m e r a ；i m a g ea c q u i s i t i o n ：a r m ； l i n u x ： h 插图清单 图1 - 1 车辆之死角区域。蓝色部分为可视范围，红色部分为死角区域2 图1 - 2 在车辆上方置单一摄像机所涵盖的范围及所能得到的俯视图像3 图1 - 3 架设于车辆四周之摄影机所涵盖之范围3 图1 - 4 以p n x l5 0 1 e 为核心的视频采集系统4 图1 - 5i m e 6 4 0 0 内部框图5 图1 - 6 基于i m e 6 4 0 0 的视频采集系统5 图2 2 $ 3 c 2 4 10m e m o r ym a pa f t e rr e s e t 9 图2 - 3s 3 c 2 4 1 0 的l c d 控制端口1 2 图2 - 4a r m 与l c d 数据信号连接1 2 图2 - 5a r m 与l c d 的连接的电路图1 3 图2 - 7c p l d 控制地址写s r a m 仿真图形1 4 图2 - 8 帧存储器外围电路1 4 图2 - 9c p l d 控制地址配合a r m 读取图像数据的的时序仿真1 5 图2 - 1 0m c 2 4 1 0 核心板1 5 图2 一l l 制作的电路板图1 6 图3 - 1 把交叉编译工具加入到环境变量中2 0 图3 - 2 固态存储设备的典型空间分配结构2 1 图3 3 内核配置界面2 8 图4 - 2l q 0 8 0 v 3 d g 0 1 时序参数3 6 图4 - 3l q 0 8 0 v 3 d g 0 1 操作时序3 7 图4 - 4 系统启动正确的显示小企鹅3 8 图4 5 显示q t o p i a 3 8 图5 - 1 信号和槽连接的摘要图4 l 图5 2 初步的界面4 6 v l 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志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金目巴王些厶堂 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已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位做作者签字：持蛆签字日期： 矽年f 月弓日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒壁王些太堂有关保留、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，允许论文被查阅或借阅。本人授权盒蟹王些太 兰l 可以将学位论文的全部或部分论文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。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：景交灶 导师签名： 签字日期：夕年厂月多日 签字日期： 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 、，沙 付 日序朋 尹矿嚣 致谢 本学位论文的完成是在导师卢荣胜教授的精心指导下完成的。从当初的开题到后 来的方案设定，以及实际的设计与制作，无不包含着卢老师的心血。三年来，卢老师 对我的课题、学习以及生活上都给予了无微不至的关心和帮助。卢老师严谨的科学态 度、渊博的知识和精湛的学术水平、开阔的视野、分析洞察问题的能力和对科研事业 的执着追求都给我留下了深刻的印象，卢老师三年来的指导开拓了我的研究思路，坚 定了我继续攻克难题的信心，这所有的一切都值得我在以后的工作和生活中细细体会 与学习，也将激励我在以后的人生道路上勇敢的面对困难与挑战。 在学习过程中，感谢李勇老师、杨蕾老师给予我无私的指导和帮助，也要感谢师 兄弟夏瑞雪和李琪、刘宁、王骏武、马程在我实验的过程中给予很多的帮助，是你们 的帮助使得我的工作进展比较顺利。特别要感谢家人给予我生活的关心和支持，是你 们无私的爱才能使我能够在学习上不断进取，取得今天的成绩。 在课题研发的过程中，感谢美国m a x i m 公司给我提供了所需的芯片，感谢合肥 易通电力公司在电路板焊接和调试过程中给予的帮助。 最后还要感谢所有在我的硕士学习阶段关心、支持和帮助过我的老师和同学们。 i 作者：操虹 日期：2 0 0 9 年3 月 1 1 引言 第1 章绪论 近年来，随着汽车产业的迅速发展和人们生活水平的不断提高，我国的 汽车数量正逐年增加。同时汽车驾驶人员中非职业汽车驾驶人员的比例也逐年 增加。在公路、街道、停车场、车库等拥挤、狭窄的地方倒车时，驾驶员既要 前瞻，又要后顾，稍微不小心就会发生追尾事故。 因此各种汽车驾驶辅助系统应运而生，如超声波测距的倒车雷达系统，在 车辆后方架设摄影机建立后视系统等等。它们都在一定程度上减轻了驾驶员的 负担，但都仍然有着易受干扰，不够直观等缺点。比较理想的辅助驾驶是能够 得到俯视汽车的画面。通过安装在车身前后左右的摄像头对周围路面情况进行 拍摄，然后利用图像处理技术将其合成为一个完整的俯视画面显示在液晶屏上。 这样汽车驾驶员只要在车内就能完成的看到整个车子前后左右的各个部分，完 全没有任何的死角。这种技术被成为车载环视显示技术，可以极大方便的汽车 驾驶和行车安全。 2 0 0 7 年，日产展示了其环视检测系统a v m ，这一系统安装在仪表台上的显示 屏显示了车辆四周的俯视情况，可以彻底消灭车辆的盲点。尤其是在停车时会 给驾驶者很大的帮助。这是环视显示技术首次正式的应用在汽车电子上。技术 上没有任何的公开。国内汽车行业在这项技术上，目前应用上还处于空白阶段。 1 2 汽车辅助驾驶系统的发展 当人类社会发展到以汽车作为主要交通运输工具时，对行车安全性与舒适 性有了更高标准要求，使得车内搭载电子设备及电子系统更为普及。过去，在 车内或车外设置反射镜面( 内后视镜、外后视镜) 的最初构想，主要目标便是 降低车身与外界发生撞击的可能性，从而增加汽车使用寿命，而这些原始构想 却也提供了第三者在车外的安全保障，避免被来车撞击。 但事实上，只凭三面镜子所提供的驾驶视野及讯息，恐怕也难以满足驾驶 者对于驾驶安全的需求，尤其是在倒车的时候，车辆的后面存在着很大的盲区。 因此，倒车雷达开始出现。早期的倒车雷达多以音频作为主要的辅助手段，由 安装于车辆的后保险杠上的传感器来探测车辆的后部物体，通过不同节奏的音 频来提醒驾驶者车辆后面的状况。倒车雷达是依靠回音探测距离并以通过不同 频率的声音进行提示的，但光凭声音提示显然没有视觉来得直观，而且对声音 的判断也必然会存在误差。 经过多年的发展，倒车雷达系统已经升级了技术，改良了性能，不管从结 构和外观上还是从性能价格上。如今的产品都各有特点，使用较多的是数码 显示、荧屏显示和视频实时显示这三种。其中，数码显示只是通过一个小小的 显示嚣，来实时显示后方障碍物与后保保险杠的距离。荧屏显示则就更进一步 地增加了遍布车辆全身的传感器的数量，然后通过平面图象，实时显示车辆周 围障碍物与车辆之间的距离。但这样的图象多为计算机绘制，且传感器的精度 不能傲到最为逼真的水平。因此就出现了视频实时倒车系统，即倒车影像监视 系统。该系统让倒车时车后的状况更加直观可视，对于倒车安全来说是非常实 用的配置之一。当挂倒车挡时，该系统会自动接通位于车尾的高清摄像头，将 车后状况清晰的显示于液晶显示屏上，并在显示器上通过电脑台成当前方向盘 的转动角度所对应的车辆行车路线，从而准确而直观地把握车后的状况。显然， 倒车影像监视系统比起全方位的倒车雷达更加直观和实用。 汽车技术的发展总是永无止境的，此后又出现了全方位的3 6 0 。环景监视系统， 首先由同产汽车公司发布了全球首款a r o u n d v i e w m o n i t o r 环景监视系统，藉由车身周 围所装置的高分辨率的超广角镜头及测距雷达，结合中控台上的显示屏幕，环景监视 系统能够实时显示车身鸟瞰视野及周遭画面，以提供驾驶员完整的驾驶视角辅助。 1 3 车载环视显示系统介绍 根据车辆不同之造型设计，车辆周遭存在着许多范围大小不等的视线死角 ( 图1 1 ) ，对驾驶员的行车安全造成威胁。即便现在许多车辆制造厂在车辆后 方架设摄影机并且建立后视系统，让驾驶员得阱在倒车时目视柬自车辆后方的 影像，但驾驶员仍需分心监视左右两边的后照镜以及前方区域，在无法同时观 察车辆四周的状况下，驾驶员常会顾此失彼而造成行车意外。 图卜1 车辆之死角区域。蓝色部分为可视范围，红色部分为死角区域 让驾驶员得以同时目视环绕车辆四周状况的一种简单做法，是在车辆上方 架设一台摄影机( 图1 2 ) ，拍摄车辆四周的俯视影像以供驾驶员参考。但是这 种方法存在着许多缺点，例如：在车辆上方并不适合架设摄影机，困为会增添 不必要的车辆高度。另外，接近车辆本身的四周容易被遮蔽而产生死角。 圜1 _ 2 在车辆上方置单一摄像机所涵盖的范围及所盹得到的俯视图像 车载环视显示系统是在车辆四周假设数台鱼眼摄像机，以涵盖车辆周围的 所有区域( 图l 一3 ) ，并利用无接缝之影像合成技术采接合这些鱼眼摄影机所拍 摄的影像，以得到车辆周边3 6 0 度的景物俯视影像。这种方法可以消除各精 度的死角，并且提升了驾驶员行车的安全以及操控停车的便利性。由于车辆四 周的各个方位都有摄影机涵盏本系统亦能将环场俯视影像储存起来，可做为 还原车辆事故现场的f 黑盒子j ，理清肇事责任。 图卜3 架设于车辆四周之摄影机所涵盖之范围 1 4 系统图像采集部分的设计 1 4 1 实现平台的选择 在车载环视显示系统中，多路图像的采集是最重要的部分。在国内外，车 载环视显示系统搭建起来太多是采用图像采集卡加p c 机的形式，其主要的 氇 。 一蘸，最 目的大多是验证图像拼接算法的正确性，以及观察算法的效果图。在应用方面， 日产展示了其环视检测系统a v m 并没有公布任何的技术信息。而就p c 机加图像 采集卡的形式，在汽车上应用起来，显然面临着很多的困难。比如说空间的问 题，散热的问题，功耗的问题等等。相比p c 机而言，嵌入式系统却有着各种汽 车环境所需要的优点。例如：功耗低，体积小，成本低等等。所以以嵌入式系 统搭建车载环视显示系统有着p c 机无法比拟的优势。 1 4 2 嵌入式实现方法的比较 d s p 实现 d s p ( 数字信号处理器) ，凭借高速的处理速度，配合相应图像采集芯片， 可以完成多路图像采集的任务。图1 4 所示，是由飞利浦芯片p n x l 5 0 1 e 为核 心所搭建的视频服务器系统p j 。 p n x l 5 x x 是飞利浦在p n x l 3 x x 的基础上推出的新一代产品，其最高主频 为3 5 0 m h z 它采用d d r 内存接口，集成二维绘图引擎变长解码( v l d ) 图像缩 放等硬件模块，支持两个视频输入接口一个视频输出接口，有8 路音频输入输出 接1 3 、p c i x i o 总线、1 0 1 0 0 m b p se m a c 接口、i i c 接1 3 等。单芯片可完成两 路d i 格式的视频m p e g 4 压缩。图1 4 所示的视频服务器系统框图，该系统 支持从两路d l 到8 路c i f 格式视频输入。 视频输入端是两片t e c h w e l l 公司的视频前端处理芯片t w 2 8 2 4 ；每片 d d e 内存 8 路视频输入 6 路音频输入 2 路音频 输入输出 c $ 4 2 2 2 6 5 6 6 5 6 i i s i i s v i p p c i x l o m i i f g p i m d i i o p x p n x l 5 0 1 e a ig p i o v d o a o i i c r s t 致 巡 m d l o 图卜4 以p n x l 5 0 1 e 为核心的视频采集系统 复位电路 t w 2 8 2 4 内部集成4 路视频a d c ，输出端包括一个实时输出口x 和一个录像输 出口y 每个输出口都可以输出从单路实时d 1 至4 路合成c i f 等各种画面格式， 两片t w 2 8 2 4 实现8 路c i f 视频输入，合成后的两路b t 6 5 6 视频流分别通过v i p 4 羔百 兰一 是一 和f g p i 接口输入到p n x l 5 0 1 e 。 硬件a s i c 压缩方案 i n t i m e 公司的i m e 6 4 0 0 是业界最先推出的4 通道音视频压缩编码a s i c 芯片： 视频处理方面，支持单路实时d 1 至4 路实时c i f 等格式视频的m p e g 4 压缩； 音频处理方面，支持双声道m p e g 1l a y e r 2 ，a d p c m ，u p c m 音频压缩编码 i m e 6 4 0 0 在视频监控、视频会议、远程教育等领域都有广泛的应用f 3 l 。图1 5 为其内部结构和基本应用框图。 视频r i s c 视频。 视频解码 视频输入 卜 刊 丰棚辖k 视频协 搜素引擎 + 处理器 ： fs d r a m 卜叫内存接口卜一 缓冲区 到a d ch - 醐d s p 卜 自举r o m p l l i m e 6 4 0 0 ： 图1 - 5i m e 6 4 0 0 内部框图 机 图1 6 所示为基于i m e 6 4 0 0 的4 路c i f 视频输入的视频监控服务器的系统 框图。该系统为“音视频压缩a s i c + m c u 结构，m c u 采用a m d 公司微控 制器e l a n s c 5 2 0 。4 通道视频输入解码后送a q 4 0 4 进行画面合成，合成后的单 路b t 5 6 5 视频流直接送i m e 6 4 0 0 进行m p e g 4 压缩编码；音频部分i i s 格式音 频流直接送i m e 6 4 0 0 进行压缩编码；编码后的音视频码流通过g p 总线送m c u 进行网络传输。 s d r a m1 叫卜叫r s - 4 8 5 = = i e l a n s c 5 2 0i = = f l a s h 卜叫卜叫r t l 8 1 3 g p b u s l - 一铲 赢频落跹矿 i4 x 郇5 1 5 0lii t 丁丁t 2 通道音频输入 4 通道视频输入 图卜6 基于i m e 6 4 0 0 的视频采集系统 5 两种方法比较1 4 】 方案性能对比 d s p优点：软件实现视频压缩，算法灵活性好，画面质量优，系统升 级维护容易 缺点：系统开发周期较长，难度较大，成本较高。 a s i c 优点：硬件实现视频压缩，开发难度较小，成本较低。 缺点：算法灵活性小，画面质量一般，系统升级困难。 本次方法的选择 在本次的的实现方法的选择上，并没有选择上述两种方法，而是选择 了体积小，成本低，并且能够直接输出数字信号的c i d o s 摄像头1 5 】。由c p l d 将4 个c m o s 摄像头输出的图像数据分别缓存于4 片s r m a 中，然后凭借a r m 的3 2 位总线，同时读取缓存在4 片s r a m 中的图像数据，在嵌入式多路视 频采集上是一种新的尝试。 1 5 课题来源以及课题的研究内容 1 5 1 课题来源 本课题源于下列科研项目中的研究内容。 校创新团队项目“车载环视显示系统” 1 5 2 研究内容 研究的主要内容为车载环视显示系统硬件以及软件平台的搭建。 硬件平台搭建 ( 1 ) 方案的设计。系统搭建的前期工作。主要是选取适合的c m o s 摄像头， a r m 处理器，以及操作系统。完成整个系统的设计，证明可行性。 ( 2 ) p c b 板的制作。在方案确定后，画电路图和p c b 图。购买相应的元器 件，完成焊接工作。并调试电路板。 软件平台搭建 ( 1 ) 操作系统的移植。基础的软件平台的搭建，主要工作包括系统引导 程序u - b o o t l 12 的移植和l i n u x 2 6 内核在开发板上的移植。 ( 2 )驱动的编写。在操作系统的基础上完成本系统所需要的设备驱动的 编写。驱动的编写主要包括液晶的驱动，中断读取s r a m 的驱动，用 g p i o 口模拟s c c b 总线的驱动。 ( 3 )界面程序。人机界面的编写是必不可少的部分。主要的任务是完成 q t 在开发板上的移植，并且能够显示常用的u i 控件。另外还包括 l i n u x 按键驱动在q t 界面程序上的映射。 6 第2 章硬件平台搭建 2 1 基于s a m s u n gs 3 c 2 4 10 硬件平台的搭建 2 1 1 硬件系统组成 整个系统可以分为三个模块：图像采集模块、图像存储模块、a r m 。系统结 构框图如图o 2 所示。图像采集模块主要由四片c m o s 摄像头组成，摄像头的 初始化由a r m 通过s c c b 总线完成。图像存储模块由四片s r a m 和一片c p l d 组成。由c p l d 控制s r a m 的地址，将c m o s 输出的图像数据流存储进s r a m 中。a r m 读取到图像数据后，对图像进行转换后，最终显示在液晶屏上。 图2 - 1 系统结构框图 本系统的设计难点在于如何保证图像数据读取单元和c m o s 摄像头的严 格同步以及高速数据流( 2 4m h z ) 的实时处理。系统采用一片c p l d 设计时序 控制器，协同c m o s 传感器、a r m 以及帧存储器( s r a m ) 之间的工作流程， 很好地解决了系统同步和高速数据流实时处理的问题。 整个系统上电后，由a r m 通过g p i o 口模拟s c c b 总线设置4 个c m o s 摄像头的工作状态，使其输出8 位的r a w r g b 图象格式数据。初始化完成后， 摄像头开始工作，由c p l d 根据同步信号控制帧缓存( s r a m ) 地址，把4 个 摄像头的数据信号分别写入4 个不同的s r a m 中。到4 个摄像头都写完一帧后， c p l d 给中断通知a r m 读取数据。a r m 收到中断后，通过对两个d a l 队b u f 的控制，切换s r a m 的数据总线到a r m 这边。再通过地址同步信号和读开始 完成信号，与c p l d 配合，由c p l d 控制s l 乙m 地址，通过3 2 位总线同时读 取4 片s r a m 中的数据。数据读完后，a r m 再将总线切换回来，c p l d 继续根 据同步信号将图象数据写入s r a m 中。而a r m 则完成采集到数据的处理和显 示【6 1 。 7 2 1 2s a m s u n g $ 3 c 2 4 1 0 介绍 s a m s u n g 公司推出的1 6 3 2 位r i s c 处理器$ 3 c 2 4 1 0 ，为手持设备和一般 类型应用提供了低价格、低功耗、高性能小型微控制器的解决方案i7 。为了降 低整个系统的成本，$ 3 c 2 4 1o a 提供了以下丰富的内部设备：分开的16 k b 的指 令c a c h e 和1 6 k b 数据c a c h e ，m m u 虚拟存储器管理，l c d 控制器( 支持 s t n & t f t ) ，支持n a n df l a s h 系统引导，系统管理器( 片选逻辑和s d r a m 控制 器) ，3 通道u a r t ，4 通道d m a ，4 通道p w m 定时器，l ，o 端口，r t c ，8 通道1 0 位 a d c 和触摸屏接口，i i c b u s 接口，u s b 主机，u s b 设备，s d 主卡& m m c 卡接 口，2 通道的s p i 以及内部p l l 时钟倍频器。 $ 3 c 2 4 10 a 采用了a r m 9 2 0 t 内核，0 18 u m 工艺的c m o s 标准宏单元和存储 器单元。它的低功耗、精简和出色的全静态设计特别适用于对成本和功耗敏感 的应用。同样它还采用了一种叫做a d v a n c e dm i c r o c o n t r o l i e rb u s a r c h i t e c t u r e ( a m b a ) 新型总线结构。 $ 3 c 2 4 1 0 a 的显著特性是它的c p u 核心，是一个由a d v a n c e dr i s c m a c h i n e s ( a r m ) 有限公司设计的1 6 3 2 位a r m 9 2 0 tr i s c 处理器。a r m 9 2 0 t 实现了m m u ，a m b ab u s 和h a r v a r d 高速缓冲体系结构。这一结构具有独立的 1 6 k b 指令c a c h e 和1 6 k b 数据c a c h e ，每个都是由8 字长的行( 1 i n e ) 构成。 通过提供一系列完整的系统外围设备，$ 3 c 2 4 10 a 大大减少了整个系统的 成本，消除了为系统配置额外器件的需要。本文档将介绍$ 3 c 2 4 1 0 a 中集成的以 下片上功能： 1 8 v ，2 o v 内核供电，3 3 v 存储器供电，3 3 v 外部i o 供电； 具备1 6 k b 的i - c a c h e 和1 6 k b 的d c a c h e m m u ； 外部存储控制器( s d r a m 控制和片选逻辑) l c d 控制器( 最大支持4 k 色s t n 和2 5 6 k 色t f t ) 提供1 通道l c d 专用d m a 。 4 通道d m a 并有外部请求引脚。 3 通道u a r t ( i r d a l 0 ，1 6 字节t xf i f o ，和1 6 字节r xf i f o ) 2 通道s p i 1 通道多主i i c b u s 1 通道i i s b u s 控制器。 兼容s d 主接口协议1 0 版和m m c 卡协议2 1 1 兼容版。 2 端口u s b 主机1 端口u s b 设备1 1 版) 4 通道p w m 定时器和1 通道内部定时器 看门狗定时器 1 17 个通用i o 口和2 4 通道外部中断源。 功耗控制模式：具有普通，慢速，空闲和掉电模式。 8 通道1 0 比特a d c 和触摸屏接口 具有日历功能的r t c 具有p l l 片上时钟发生器 8 系统管理器 一支持大小端方式 一寻址空间：每b a n k1 2 8 m 字节( 总共lg 字节) 一支持可编程的每b a n k8 1 6 3 2 位数据总线带宽 一从b a n k o 到b a n k 6 都采用固定的b a n k 起始寻址 一b a n k 7 具有可编程的b a n k 的起始地址和大小 一8 个存储器b a n k ： 一其中6 个适用于r o m ，s r a m ，和其他 一另外2 个适用于r o m s r a m 和同步d r a m 一所有的存储器b a n k 都具有可编程的操作周期 铷最：请野 o x 倒1 0 00 0 0 0 - o m | t ：0 1t 0 1 ，1 0 o m i t ：埘1 叼h h d b 埔wb o o tr o 哪 n o t e s ： 1 s r 嗍嗍r 铷飒圳社嗍哪 zs f r 盯捌嵋s 弦 f m d 煳嘲瞄簋， 图2 - 2 $ 3 c 2 410m e m o r ym a pa f t e rr e s e t 一支持外部等待信号延长总线周期 一支持掉电时的s d r a m 自刷新模式 一支持各种型号的r o m 引导( n o 鼬，n a n df l a s h ，e e p r o m ，或其他) n a n df l a s h 启动引导 9 一支持从n a n df l a s h 存储器的启动 一采用4 k b 内部缓冲器进行启动引导 一支持启动之后n a n d 存储器仍然作为外部存储器使用 中断控制器 一5 5 个中断源( 1 个看门狗定时器，5 个定时器，9 个u a r t s ，2 4 个外部中断，4 个 d m a ，2 个r t c ，2 个a d c ，1 个i i c ，2 个s p i ，1 个s d i ，2 个u s b ，1 个l c d ，和1 个电池故 障) 一电平边沿触发模式的外部中断源 一可编程的边沿电平触发极性 一支持为紧急中断请求提供快速中断服务 r t c ( 实时时钟) 一全面的时钟特性：秒、分、时、日期，星期，月和年； 一3 2 7 6 8 k h z 工作 一具有报警中断 一具有节拍中断 通用i o 端口 一2 4 个外部中断端口 一多功能输入输出端口 u a r t 一3 通道u a r t ，可以基于d m a 模式或中断模式工作； 一支持5 位，6 位，7 位或者8 位串行数据发送接收； 一支持外部时钟作为u a r t 的运行时钟( u e x t c l k ) ； 一可编程的波特率； 一支持i r d a l o ； 一具有测试用的还回模式； d m a 控制器 一4 通道的d m a 控制器； 一支持存储器到存储器，i o 到存储器，存储器到i o 和i o 到i o 的传输 一采用猝发传输模式加快传输速率。 a d 转换和触摸屏接口 一8 通道多路复用a d c 一最大5 0 0 k s p s 1 0 位精度 t f t 彩色显示屏 一支持彩色t f t 的l ，2 ，4 或8 b b p ( 像素每位) 调色显示 一支持1 6 b b p 无调色真彩显示 一在2 4 b b p 模式下支持最大1 6 m 色t f t 1 0 一支持多种不同尺寸的液晶屏 一典型实屏尺寸：6 4 0 4 8 0 ，3 2 0 2 4 0 ，16 0 x16 0 及其他 一最大虚拟屏大小4 m 字节 一6 4 k 色彩模式下最大的虚拟屏尺寸为2 0 4 8 1 0 2 4 及其他 看门狗定时器 一16 位看门狗定时器 一在定时器溢出时发生中断请求或系统复位 i i c 总线接口 一l 通道多主i i c 总线 一可进行串行，8 位，双向数据传输，标准模式下数据传输速度可达1 0 0 k b i t s ，快 速模式下可达至0 4 0 0 k b i t u s b 主设备 一2 个u s b 主设备接口 一遵从o h c ir e v 1 0 标准 一兼容u s bv e r l 1 标准 u s b 从设备 一1 个u s b 从设备接口 一具备5 个e n d p o i n t 一兼容u s bv e r l 1 标准 工作电压 一内核：1 8 v 最高2 0 0 m h z ( s 3 c 2 4 10 a 2 0 ) 2 0 v 最高2 6 6 m h z ( $ 3 c 2 4 10 a 2 6 ) 一存储器和i o 口：3 3 v 操作频率 一最高达到2 6 6 m h z 封装 2 7 2 - f b g a 2 1 3a r m 外围设备 本系统为$ 3 c 2 4 10 外加了6 4 m 的s d r a m ，6 4 m 的n a n df l a s h ，网络接口 等等，为l i n u x 的系统移植创造条件。外接的帧存储器挂接在s 3 c 2 4 1 0 的片 选3 上，通过对$ 3 c 2 4 1 0 n 应存储控制器的正确配置，可以方便的读取帧存储器 中的数据。 2 1 4a r m 与l c d 的连接 s 3 c 2 4 1 0 的l c d 控制器用于传输视频数据和产生必要的控制信号，对于t f t 型 l c d ，其外部接口信号描述如下： v s y n c 为垂直同步信号，表明l c d 屏开始显示新的一帧数据； h s y n c 为水平同步信号，表明l c d 屏开始显示新的一行数据； v c l k 为像素时钟信号；v d e n 为像素数据使能信号； v d 2 3 ：0 】为l c d 像素数据总线，可支持最大2 4b p p ( b i tp e rpi x e l ) 的1 6 m 彩色显示： l e n d 为行结束信号；l c dp w r e n 为l c d 面板电源使能控制信号。 l c d 控制器由r e g b a n k 、l c d c d m a 、vi d p r c s 、t i m e g e n 和l p c 3 6 0 0 组成，如图2 3 所示。其中，r e g b a n k 有1 7 个可编程寄存器。 图2 - 38 3 c 2 4 1 0 的l c d 控制端口 l c d c d m a 是一个从帧存储器传输视频数据到l c d 驱动器的专用d m a ，通过 该d m a 视频数据无须c p u 干预就可以进行传输和显示：v i d p r c s 从l c d c d m a 接收视频数据并将其转换成适当的扫描显示格式后经数据总线v d 2 3 ：0 】送 至l c d 驱动器；t i m e 2 g e n 和l p c 3 6 0 0 产生不同l c d 驱动器所需的控制信号弘j 。 $ 3 c 2 4 1 0 与8 寸2 6 万色l q 0 8 0 v 3 d g 0 1 的l c d 连接为系统提供所需要的人机 界面。l q 0 8 0 v 3 d g 0 1 分辨率为6 4 0 x 4 8 0 ，主要的输入信号为v c l k ( 像素时钟信 号) ，v s y n c ( 垂直同步信号) ，h s y n c ( 水平同步信号) ，e n a b ( 数据有效信号) ，r g b 一共18 位信号| l 。背光所需要的高压由屏配套的高压包提供。 在信号连接时，l c d 的v c l k ，v s y n c ，h s y n c ，e n a b 信号分别与a r m 的l c d 控制器的对应信号相连。数据信号采取r g b 5 6 5 的模式向液晶输出信号。数据线 的连接方式如2 4 所示。具体电路图如图2 5 所示。 v dp i nc o n n e c t i o r ；a t1 昭p p ( 5 ：6 ：5 ) v d2 3趁2 12 01 91 81 71 61 61 4 31 2 11 09 s76 5 4 3 210 r e d 4 3210n cn cn c g r e e n54321o b l u e 4 32 1 0 图2 4a r m 与l c d 数据信号连接 1 2 越、al q ! 瑟哥鼍墨 h “= 0 1 、：2 吐 ：o t | f d 西 vz日、卫： ：竞、，j e =vbj 口o、卫j ：rv ：x ，：l 二 、j： j ：n ja o j ：l 口二 ：口0 ： 口：二、：冀； 、：1 0 t va o i w 2 1 5 图象传感器 图2 - 5a r m 与l c d 的连接的电路图 本系统选用o m n i v i s i o n 公司的o v 7 6 6 0 彩色c m o s 摄像头作为图像输入 单元，该摄像头集光学镜头与c m o s 图像传感器于一体，简化了系统的设计，它 能够通过s c c b 接口控制其工作状态、工作方式及图像输出格式等；芯片运用 专有的传感器技术，能够消除普通的光电干扰，输出清晰、稳定的彩色图像1 。 单个c m o s 摄像头同c p l d 和a r m 的接口电路如图2 - 6 所示，摄像头输 出场同步信号v s y n c 、行同步信号h r e f 、像素时钟p c l k 及r a w r g b 图像 数据，c p l d 根据行、场同步信号生成系统的时序，实现系统与c m o s 摄像头的 同步，并将图像数据写入帧存储器中l l 2 】l l3 1 。仿真的时序如图2 7 所示。同时，在 系统上电时，由a r m 控制g p i o 口模拟s c c b 总线，根据需要设置c m o s 摄 像头的工作参数。 c p l d 耍上委上蚕上 l a r m s j 0c。 c m o s 八 s r a m i s 1 0d。 c a m e r a r a w r g b ) u 图2 6c a 肛r a 的外围电路 i “5 二一t 坤3 t l 3 ，碍一一，3 i i 一一1 崎-