毕业设计（论文）-基于Cortex-A8的嵌入式工业监控系统设计.docx

华北科技学院毕业设计（论文）目 录设计总说明IIntroductionIII绪论11 嵌入式监控系统总体设计31.1 工业监控系统现状31.2 工业监控系统需求41.3 工业监控系统总体设计51.3.1 系统功能性能要求51.3.2 系统总体结构设计61.4 设计方案说明72 嵌入式监控系统硬件设计82.1 嵌入式处理器介绍82.1.1 常见微处理器介绍82.2.2 ARM微处理器介绍92.2 系统硬件设计102.2.1 系统硬件总体设计102.2.2 系统硬件平台选择112.2.3 TI AM335x处理器组成122.2.4 TI AM335x处理器资源132.3 硬件主要模块设计132.3.1 电源模块132.3.2 串口模块142.3.3 SD模块152.3.4 USB模块152.3.5 以太网模块162.4 采集设备选择172.4.1 摄像头选择172.4.2 传感器选择183 嵌入式系统开发环境构建193.1 嵌入式操作系统的选择193.2 交叉编译环境的搭建203.2.1 交叉编译环境的介绍203.2.2 交叉编译环境的构建213.2.3 交叉编译环境的安装243.3 目标板bootloader的移植253.3.1 bootloader的介绍253.3.2 bootloader的选择263.3.3 U-Boot的移植273.3.4 bootloader 启动过程283.4 嵌入式linux操作系统的移植293.4.1 嵌入式linux内核介绍293.4.2 嵌入式linux内核选择303.4.3 嵌入式linux内核构建313.5 嵌入式linux根文件系统内容333.5.1 嵌入式linux根文件系统介绍333.5.2 嵌入式linux根文件系统基本结构333.5.3 嵌入式linux根文件系统必要的组件343.6 嵌入式linux运行344 嵌入式监控系统应用软件设计354.1应用软件设计实现354.1.1 用户软件需求354.1.2 用户软件实现354.2 数据采集模块374.2.1 Linux USB驱动配置374.2.2 Linux 视频驱动配置384.2.4 Linux 图像采集实现394.2.5 Linux 设备采集实现424.3 数据显示模块464.3.1 嵌入式Qt介绍464.3.2 嵌入式Qt环境配置464.4.3 图像采集界面484.4.4 设备采集界面504.4.5 图像融合界面514.4 数据处理模块524.4.1 图像的融合524.4.2 图像的存储534.5 数据推送模块554.5.1 数据流媒体传输协议554.5.2 数据流媒体传输实现575 系统整机测试605.1 系统空载测试605.2 系统触摸屏测试605.3 系统图像采集测试615.4 系统图像融合测试625.5 系统性能测试63结论65参考文献66附录68致谢1013设计总说明目前，工业现场常采用基于PC的工控机组成复杂的监控系统，它具备了丰富的图形交互界面和网络功能。对于大型系统，这种方案是合理、实用的，但对于一些小型系统或复杂的小型设备，采用工控机这样的方案，其体积过大、成本高、对环境的要求过高的弱点就较为突出。部分厂商采用传统的单片系统来实现以上工作，然而单片系统较差的图形处理能力、人机交互能力以及网络通讯能力，使得其很难满足应用对象的需求，而且开发工作也会变得非常复杂、庞大。全套设计加扣 3012250582对于嵌入式监控系统来说，其嵌入式操作系统有良好的可移植性，能够运行于不同的微处理器上，而且嵌入式操作系统内核开销小、效率高、具有高度的模块性和扩展性，可以提供多任务、多进程、多线程处理，有多种设备支持、网络支持、图形窗口以及用户界面等功能，使应用软件开发工作变得规范和模块化；同时，嵌入式工业监控系统能够适应恶劣的工作环境，全面改善传统的人机交互界面，并具备强大的通信功能和多媒体功能，能够对工业现场进行实时监控；而且嵌入式监控系统的实现成本应该有着严格的控制，该系统既可用在一些价格昂贵的工业设备上，也可用在一些低廉的仪器仪表上，其应用的广泛程度直接取决于其实现成本。根据监控系统的需求分析，在满足通用的功能的情况下，本文提出了一种新型工业监控系统解决方案，该方案采用嵌入式结构，不仅实现了工业现场的视频监控，还实现了对工业现场设备环境的监控，并且将环境监控与视频监控进行图像融合。现场环境的监控是以不同传感器采集不同设备来实现的，同时，传感器模块采用USB通用接口进行数据传输，因此环境采集模块可由第三方进行第二次开发，大大增强了系统的扩展性和多功能性。最后将融合以后的监控画面通过以太网推送到服务器，使得远程客户端可以通过登录服务器实时了解工业现场情况。同时设计了SD卡模块用于存储缓冲数据，对系统掉电以后进行现场保护和历史数据查看。嵌入式监控系统的核心实现是由ARM微处理单元、嵌入式Linux操作系统、必要的通讯接口和人机交互设备组成。在硬件上，本文详细论述了硬件平台的选择和关键接口模块设计，系统硬件平台采I用了TI公司am335x系列基于Cortex-A8架构的微处理器，根据系统功能需要，重点设计了电源模块、UART模块、USB模块、SD卡模块、以太网模块等。在软件上，本文将系统分为平台层的操作系统定制和应用层的监控软件设计两部分进行描述，分析了目前嵌入式操作系统的特性，选择嵌入式Linux 作为系统的操作系统，并将嵌入式 Linux 的移植到嵌入式系统中；包括嵌入式Linux开发环境的构建，bootloader的选择和移植，内核分析与移植，以及根文件系统的制作等。在应用软件设计中，根据系统的功能性能要求，将系统以数据为对象分为数据采集、数据处理、数据显示、数据推送四个模块，数据采集模块分为USB摄像头的图像采集和基于传感器的设备环境采集；数据显示模块是由Qt库实现，具有良好的交互界面和流畅的操作体验；数据处理模块主要是对图像操作的算法采用开源库的方式，在系统后台进行处理；数据推送模块主要是通过网络，将图像融合后的数据实时的传输到服务器。同时，以模块化的设计有助于软件子系统的升级和维护。最后，本文对监控系统进行了模块测试，和整体功能性能测试。实践表明，本文所设计的嵌入式工业监控系统模式具有功能强大、人机界面友好、体积小、成本低、可靠性高、开发方便、系统可扩展等优点。【关键词】嵌入式；工业监控系统；Cortex-A8；Linux；Qt1IntroductionCurrently, the industrial site often used PC-based industrial computer composed of a complex monitoring system, it has a rich graphical interface and network functions. For large systems, this program is reasonable and practical, but for some small systems or complex small devices, the use of such programs IPC, its volume is too large, high-cost, high demands on the environment will be more prominent weakness . Some manufacturers using the traditional monolithic system to achieve the above work, however, monolithic system of poor graphics capabilities, human-computer interaction capabilities and network communication capabilities, making it difficult to meet the needs of the application object, and development work will become very complex, large.For embedded control systems, its embedded operating system with good portability, can run on different microprocessors, embedded operating system kernel and a small overhead, high efficiency, a high degree of modularity and scalability can provide multi-tasking, multi-process, multi-threaded processing, a variety of device support, network support, a graphical user interface features such as windows and make application development work becomes standardized and modular; while embedded industrial control systems capable of to adapt to the harsh working environment, an overall improvement in the traditional man-machine interface, capable of real-time monitoring of industrial site; and achieve cost embedded monitoring systems should have strict control, the system that available on some expensive industrial equipment, can also be used on some cheap instruments, their application is directly dependent on the extent of its implementation costs.Monitoring system based on the needs analysis, to meet the general function, the paper proposes a novel solution for industrial monitoring and control system, the program uses an embedded structure, not only the industrial site video surveillance, but also the realization of industrial site environmental monitoring equipment, and environmental monitoring and video surveillance image fusion. Environmental monitoring site is collected from different sensors to achieve different devices at the same time, the sensor module uses USB universal interface IIIfor data transfer, and therefore environmental acquisition module developed by a third party for a second, greatly enhancing system scalability and versatility sex. Finally, after the integration of the monitor screen Ethernet pushed through the server, so that remote clients can log on the server in real time to understand the industrial scene. Meanwhile SD card module is designed for data storage buffer on site after the system power-down protection and historical data view. Core embedded system implementation is monitored by a micro processing unit ARM embedded Linux operating system, the necessary communication interfaces and interactive devices.In hardware, this paper discusses the choice of hardware platforms and key interface module design, the system uses a hardware platform based on TIs Cortex-a8 am335x series microprocessor architecture, according to the system functional needs, focus of the design of the power module, UART modules , USB module, SD card module, Ethernet module.In software, the paper into the system to customize the operating system platform layer and application layer monitoring software designed to describe the two branches, analyzes the characteristics of embedded operating systems, select the embedded Linux as the operating system and embedded type of Linux ported to embedded systems. In the application software design, based on functional performance requirements of the system, the system is divided into data objects to data collection, data processing, data display, data push four modules, data display module is implemented by the Qt library, has a good interface and smooth operation experience; data processing module mainly for image manipulation algorithms using open source library of the way, in the background processing; data push module mainly through the network, real-time data transmission fused image to the server. Meanwhile, in a modular design helps to upgrade and maintain software subsystems.Finally, a module for monitoring system testing, and overall functional performance testing. Practice shows that the design of embedded industrial control system model has a powerful, friendly interface, small size, low cost, high reliability, system scalability and so on.Key words：Embedded; industrial control systems; Cortex-A8; Linux; Qt1绪论随着工业自动化水平的提高，监控系统在工业领域中的应用也越来越广泛。监控系统是安全防范系统的重要组成部分，是一种防范能力较强的综合系统，以其直观、方便、信息内容丰富而得到了广泛应用。 自从自动摄像机、闭路电视等出现后，模拟视频监控系统也随之出现，并经过较长时间的发展，已经非常成熟，在实际工程中得到了非常广泛的应用。模拟监控系统一般由前端设备、传输电缆、切换控制设备以及显示设备等几部分组成。在模拟监控系统中，各种设备供应商数目众多，设备种类琳琅满目，功能各异，基本可以满足用户的各种需求。然而随着人们生活水平提高，对监控的要求越来越严格，尤其是在网络化的当代，模拟监控系统的缺点和弊病暴露出来，并越来越难以适应技术和需求的发展。首先视频监控系统受到线路的限制，不能长距离布线，限制了其应用范围。其次可扩展能力差，模拟信号易受干扰，且监控图像质量不好。再次监控信息量大，受存储设备的制约，存储成本高1。 随着计算机的普及应用，网络通信技术及图像压缩处理技术的快速发展，数字化和网络化成为视频监控领域的一种趋势。上世纪末，基于 PC 的数字化网络视频监控系统迅速崛起，部分地取代了以视频矩阵图像分割器、录像机为核心，辅以其他设备的模拟视频监控系统。数字化的视频通信在图像质量、传输距离、抗干扰能力等方面都要优越于传统的模拟视频通信系统，并且数字图像处理更加方便。因此，基于计算机的数字化网络视频监控系统逐渐取代了传统的模拟视频监控系统。但是基于计算机的数字化网络视频监控系统也存在明显的缺陷，它必须选用专用的图像压缩与解压缩视频卡，使得视频采集设备过于复杂，系统稳定性和可靠性都不高，且成本较高。 进入21世纪，嵌入式技术、多媒体图像处理技术的进一步发展，为嵌入式监控系统的发展提供了技术条件。嵌入式系统是指以计算机技术为基础，以应用为中心，软件硬件可剪裁，适应系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。它以嵌入式微处理器和嵌入式操作系统为核心，主要由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户应用软件等部分组成2。嵌入式系统具有与一般计算机系统不同的特点和要求，是计算机技术、半导体技术及机械技术等和各个行业具体结合的产物，是一个技术密集、不断创新的高集成度的知识集成系统。它系统专用性强，软硬件结合紧密，系统资源有限，在体积、功耗和配置等方面有明显约束。嵌入式监控系统可以提供友好的用户接口，操作界面简单易用，现场交互性强，设备便携。嵌入式操作系统的应用，使得视频监控系统集成了网络传输功能，支持多种网络协议，用户在世界的任何地方都可以通过网络来监控前端现场。因此基于嵌入式监控系统逐渐代替传统模拟监控系统和基于 PC 的远程监控系统在工业监控领域得到广泛的应用。1 嵌入式监控系统总体设计1.1 工业监控系统现状在国内外市场上，主要推出的是数字控制的模拟视频监控和数字视频监控两类产品。前者技术发展已经非常成熟、性能稳定，并在实际工程应用中得到广泛应用，特别是在大、中型视频监控工程中的应用尤为广泛；后者是新近崛起的以计算机技术及图像视频压缩为核心的新型视频监控系统，该系统解决了模拟系统部分弊端而迅速崛起，但仍需进一步完善和发展3。（1）数字信号控制的模拟视频监控系统分为基于微处理器的视频切换控制加PC机的多媒体管理和基于PC机实现对矩阵主机的切换控制及对系统的多媒体管理两种类型， 随着微处理器、微机的功能、性能的增强和提高，多媒体技术的应用，系统在功能、性能、可靠性、结构方式等方面都发生了很大的变化，视频监控系统的构成更加方便灵活、与其它技术系统的接口趋于规范，人机交互界面更为友好。但由于视频监控系统中信息流的形态没有变，仍为模拟的视频信号，系统的网络结构主要是一种单功能、单向、集总方式的信息采集网络，介质专用的特点，因此系统尽管已发展到很高的水平，其局限性依然存在，要满足更高的要求，必须采用数字化。（2）数字视频监控系统90年代末，随着多媒体技术、视频压缩编码技术、网络通讯技术的发展、数字视频监控系统迅速崛起，现今市场上有两种数字视频监控系统类型，一种是以数字录像设备为核心的视频监控系统，另一种是以嵌入式视频Web服务器为核心的视频监控系统，嵌入式系统是以应用为中心，软硬件可裁减的，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积等综合性严格要求的专用计算机系统，亦即为监控系统量体裁衣的专用计算机系统。 嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软件系统等组成，它是集软硬件于一体的可独立工作的器件。嵌入式操作系统是一种实时的，支持嵌入式系统应用的操作系统软件，它是嵌入式系统极为重要的组成部分，通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器等，嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依靠性、软件固态化及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。嵌入式监控系统其优点如下：1）系统为专用系统，所以系统小，指令精简，处理速度快。2）系统数据置于ROM/FLASH MEMORY，调用速度快，不会被改变，稳定性好。3）系统处理实时性好，性能稳定。4）文件管理系统适合于大量的视频数据。1.2 工业监控系统需求工业监控系统是运行于工业现场，对工业过程进行实时控制的综合性系统。由于工业环境相当恶劣，而且要求连续工作，这样就对系统设计的可靠性、安全性、可维护性等方面提出了更高的要求，具体表现在以下几个方面：（1）高可靠性。要求监控系统可长时间不间断运行，无故障运行时间要长，且系统的维护快速简便。（2）高安全性。系统应能够提供多种安全保护措施，对异常状态进行分析、记录、及时报警，以便让管理人员能够尽快了解所发生的情况并及时处理。（3）较强的实时性。监控系统对信息的传输要及时，不能有过大的延时，否则难以及时跟踪被监控对象的当前状况。（4）易用性和易扩展性。监控系统应提供良好的人机界面，便于人机交互。同时，监控系统要有通用性和灵活性，即可以在对系统进行少量修改或扩充就可增加新的监控项目，扩充监测点数，以满足新的监控要求4。传统的工业监控系统为了方便现场的监控，通常采用网络摄像头采集数据，通过网络将视频监控画面实时的传输到服务器，工作人员登录到服务器后，能远程监控工业作业现场。但是，在工业现场某些环境中，工作人员不仅要查看监控画面，而且还需要了解工业现场的环境状况，同时需要将现场的监控画面与环境指数相融合，形成新的监控画面，这样工作人员既可以监控现场画面和了解现场环境，并同时根据环境的状况，决定是否进行继续作业，环境可以是空间中有毒气体，空间中放射性物质等。所以本工业监控系统，需要设计实现工业现场的视频监控画面，由传感器采集空间中设备环境的数据显示，和监控工业现场与环境融合以后的监控视频，并能实时的监控。1.3 工业监控系统总体设计1.3.1 系统功能性能要求为了满足市场中新型监控系统的需求，设计的监控系统需要满足以下功能性能要求。（1） 系统功能要求1） 画面监控，监控系统最基本的要求，能够实时的对工业现场实现画面监控。2） 环境监控，对于工业中某些作业现场，需要实时的检测环境数据，方便现场人员作业。3） 现场设备交互，在工业现场，良好的交互界面，使现场人员方便作业。4） 图像融合，将画面监控与环境监控画面相融合，并显示融合以后的监控画面，可选择的对采集的数据进行分析，以图表的方式显示在监控画面中。5） 数据推送，将环境和现场画面最终数据，通过工业以太网推送到服务器，方便远程工作人员了解现场环境和作业情况。（2） 系统性能要求1）现场人员与设备交互，由于被监控对象的种类较多,对于某些特殊对象需要现场人员进行及时处理，而良好的操作界面和流畅的交互接口，使得工业现场能更好的作业。2）实时性要求是监控系统的基本特征，如果监控系统的实时性得不到保障，现场监控就失去了实用价值。3）监控系统运行在恶劣的工业现场环境，为满足监控系统的高可靠性要求，应分别对硬件系统和软件系统进行抗干扰设计。4）系统紧急情况处理，当出现停电或者不能运行的紧急情况下，实现监控画面的现场保护，以便恢复正常后，能立即继续监控，同时并实现系统的自我保护。5）网络安全性，能对局域网内添加自己的防火墙，对登录服务器进行有效的验证机制，使流媒体数据能良好的传输。1.3.2 系统总体结构设计为了满足系统的功能性能要求，实现系统的网络化和数字化，采用了常用的工业监控解决方案，其结构如图1-1所示。系统结构主要分为现场和客户端两部分，设备在工现场接入Internet，现场操作人员与设备交互进行作业，系统将实时数据推送到服务器中，同时实现远程监控。（1）现场人员操作设备作业，现场的设备将摄像头采集的数据和其他传感器采集的数据处理，现场人员通过与设备交互操作，选择是否将数据推送到服务器里，使得本地客户和远程客户随时监控工业现场情况。（2）远程客户和本地客户监控设备作业，远程客户和本地客户通过登录服务器，然后实时的监控工业现场。图1-1 系统总体设计图1.4 设计方案说明设计方案中，监控系统的网络结构从逻辑上可分为三种层次：现场设备层、网络传输层、用户层。 现场设备层主要用于连接现场设备，现场人员与现场设备进行交互，完成监控画面的图像采集和现场环境采集，和相应的数据处理。网络传输层实现将现场处理过的的数据传送到网络节点，推送到服务器中，服务器将接收的数据在本地实现流程图显示、趋势曲线、历史数据保存、历史数据查询、参数调整和报表管理等功能，在用户层，服务器根据不同用户的需求，将服务器上的各种服务提供给用户，使用户能实时的监控现场。系统的核心是现场设备满足系统的功能性能要求，系统的实现分为软件子系统和硬件子系统。2 嵌入式监控系统硬件设计2.1 嵌入式处理器介绍2.1.1 常见微处理器介绍嵌入式处理器种类繁多，PowerPC处理器在网络和电信相关相关的嵌入式应用中具有传统优势，而MIPS类型的处理器在一些低端的消费类电子产品中占有一席之地，ARM处理器在移动电话，汽车电子、工业控制中广泛应用5。（1） ARMARM是ARM Holding公司所维护及推动的处理器系列，基于ARM处理器体系结构的产品占据着非常大的消费类电子市场份额。ARM处理器是采用精简指令集的处理器架构，具有体积小、低功耗、低成本、高性能的微处理器。（2） AVR32AVR32是Atmel公司生产的32位微处理器，也生产用于深度嵌入式的AVR8位微控制器。AVR32由数个子架构组成，提供了数种CPU操作模式，这些模式都支持定宽16位指令以及扩充的32位指令，支持DSP及JAVA加速指令。（3） IntelX86IntelX86是Intel公司从386开始的后续系列，在桌面市场x86架构广受欢迎，多数工作站和服务器都采用这种架构，所以在嵌入式方面的开发更方便移植。（4） MIPSMIPS是John Hennessey的研究成果，与ARM非常类似，由MIPS Technologies公司许可CPU内核给协力厂商制造，MIPS多见于工作站领域采用精简指令集，简化某些硬件设计。（5） PowerPCPowerPC架构师Apple、IBM和Motorola共同合作的结果，其实现范围广泛，包括高端服务器和嵌入式领域，其具有性能优异、能量损耗较低、散热量较低等优点，采用定长32位指令。2.2.2 ARM微处理器介绍ARM内核采用RISC体系结构，RISC是一种设计思想，其目的是设计出一套能在高时钟频率下单周期执行，简单而有效的指令集，指令处理过程被拆分成几个更小的、能够被流水线并行执行的单元。为降低功耗，ARM处理器已被特殊设计成较小的核，从而延长了电池的使用，处理器中还集成了硬件调试技术。ARM处理器采用load-store体系结构，对于数据的处理就只用两种类型的指令load指令和store指令，以及定长32位指令。ARM处理器系列表2-1所示，其中，ARM7、ARM9、ARM9E和ARM10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，SecurCore系列专门为安全要求较高的应用而设计，ARM公司在经典处理器ARM11以后的产品改用Cortex命名，并分成A、R和M三类，旨在为各种不同的市场提供服务。表2-1 ARM处理器系列表家族架构特色ARM1ARMv1ARM2ARMv2Architecture 2 加入了MUL（乘法）指令ARM2aARMv250无，MEMC1aARM3ARMv2a首次在ARM架构上使用处理器高速缓存ARM6ARMv3v3 架构首创支援寻址32位的内存（针对26位）ARM7TDMIARMv4T三级流水线ARM9TDMIARMv4T五级流水线ARM9EARMv5TE无振荡器处理器ARM10EARMv5TE(VFP)，六级流水线ARM11ARMv6可变动，MMUCortexARMv7Application profile, VFP, NEON, Jazelle RCT, Thumb-2, 13-stage pipelineARM Cortex-M 处理器系列是一系列可向上兼容的高能效、易于使用的处理器，这些处理器旨在帮助开发人员满足将来的嵌入式应用的需要。这些需要包括以更低的成本提供更多功能、不断增加连接、改善代码重用和提高能效。ARM Cortex-A 系列的应用型处理器可向托管丰富的操作系统平台的设备和用户应用提供全方位的解决方案，包括超低成本的手机、智能手机、移动计算平台、数字电视、机顶盒、企业网络、打印机和服务器解决方案。高性能的 Cortex-A15、可伸缩的 Cortex-A9、经过市场验证的 Cortex-A8 处理器和高效的 Cortex-A5 处理器均共享同一体系结构，因此具有完整的应用兼容性，支持传统的 ARM、Thumb指令集和新增的高性能紧凑型 Thumb-2 指令集。Cortex-R 实时系列处理器使用实时操作系统提供在硬实时限制下运行的高性能和深层嵌入式应用的必要功能。此功能集将 Cortex-R 与 Cortex-M 和 Cortex-A 系列处理器区别开来，Cortex-R 提供的性能比 Cortex-M 系列提供的性能高得多，而 Cortex-A 专用于具有复杂软件操作系统（使用虚拟内存管理）的面向用户的应用6。2.2 系统硬件设计2.2.1 系统硬件总体设计目前在嵌入式领域，ARM芯片被广泛应用，其技术成熟且资料丰富。典型的嵌入式控制器体系结构如图2-1所示，所有的这些设备都是一些软件和硬件部件的组合，每一个部件的选择都要考虑到效率，如果可行还要考虑到将来的扩展性和延伸性。图2-1 系统硬件结构图为了满足系统的功能，我们需要一下模块。（1） 以太网接口：使设备可以接入Internet，实现融合后的数据推送到服务器，以便远程客户端能实时查看数据。（2） JTAG接口：便于系统的bootloader的下载和某些硬件模块的软硬件调试。（3） RS232接口：嵌入式设备，没有专用的显示设备，提供一个调试串口，用于打印程序运行和调试过程中的信息。（4） USB接口：需要两个通用的USB接口，一个用于摄像头的连接，使系统完成图像采集，还有一个用于连接传感器，系统可以完成现场工业环境的采集。（5） LCD触摸屏：系统在现场运行的时候，通过触摸屏实现交互操作。（6） 电源、时钟电路：作为核心控制器运行的必备条件。（7） FALSH、SDRAM：用于存储嵌入式操作系统文件、配置和设备采集的图像数据以及环境数据。（8） SD卡，用于存储处理过后的数据，防止系统在断电的情况下，或者系统临时无法正常运行是，备份使用。2.2.2 系统硬件平台选择为了满足系统功能和性能的高可靠性，同时为了节省开发周期，设计选择了TI 的am335系列的硬件解决方案。AM335X是TI（德州仪器）基于ARM Cortex-A8内核的AM335X微处理器在图像、图形处理、外设和诸如 EtherCAT 和 PROFIBUS 的工业接口选项方面进行了增强。选择该硬件平台解决方案原因7：（1）该器件是最便宜的Cortex A8 处理芯片，对于产品来说，具有更大的市场。 （2）TI 史上公开资料最全的一个芯片。 （3）产品定位最清晰的一个，工业控制MCU。（4）唯一一个集成2个MAC的 MCU。（5）同时支持3个操作系统 Linux，Android，WinCE。另外支持第三方实时操作系统如QNX、VxWorks等系统。目前，经国内多家厂商的使用，已在工业控制、医疗电子、节能环保、智能交通、能源节能、电力系统、通讯系统、纺织行业、数控行业、汽车电子、工业触摸屏控制系统、机器人视觉、媒体处理无线应用、数字家电、车载设备、通信设备、网络终端等环境恶劣场合广泛应用。AM335X系列包括AM3352处理器、AM3354、AM3356、AM3357、AM3358、AM3359，它们最高都可工作在720Mhz的速度。为了使系统性能更加强大和网络的高速处理，设计采用了AM3359型号，同时如果是考虑成本的问题，也可以更换其他型号的芯片，因为AM3359系列是向下兼容的，只是外设根据不同行业支持的模块和处理器执行速度不一样而已。2.2.3 TI AM335x处理器组成TI AM335x硬件解决方案提供硬件设计和软件SDK的支持，能大大改善产品开发周期，AM335x 微处理器结构如图2-2所示，其子系统可分为：（1）基于ARM Cortex-A8 微处理器的微处理器单元 (MPU)。（2）POWERVR SGX 图形加速器子系统用于 3D 图形加速以支持显示和游戏效果。（3）可编程实时单元和工业用通信子系统 (PRU-ICSS) 从 ARM 内核分离，从而实现了针对更大效率和灵活性的独立运行和时钟控制。 PRU-ICSS 支持附加外设接口如以太网 POWERLINK，串行实时通信协议（Sercos）的实时协议，和其它协议8。图2-2 AM335x功能框图2.2.4 TI AM335x处理器资源（1）AM335X是ARM Cortex-A8、32位 RISC 微控制器。NEON SIMD 协处理器具有单错检测（奇偶校验）的32KB/32KB L1指令/数据高速缓存，具有错误纠正码（ECC）的 256KB L2 高速缓存。（2）支持移动双倍速率同步动态随机存储器（低功耗 DDR (LPDDR)）/DDR2/DDR3。（3）支持通用存储器（NAND，NOR，SRAM，等）支持高达16位ECC。（4）支持SGX530 2D/3D 图形引擎。（5）支持LCD 控制器。（6）可编程实时单元和工业用通信子系统（PRU-ICSS）。（7）实时时钟（RTC）。（8）最多2个具有集成物理层的USB 2.0高速OTG端口。（9）支持最多2个端口的10/100/1000M以太网交换机。（10）串行外设包括：2个控制器局域网端口（CAN）6个UART，2个McASPI，2个McSPI，和3个I2C 端口。（11）12位逐次逼近寄存器 (SAR) ADC。（12）3个32位增强型捕捉模块（eCAP）。（13）3个增强型高分辨率PWM模块（eHRPWM）。（14）支持加密硬件加速器（AES，SHA，PKA，RNG）8。2.3 硬件主要模块设计2.3.1 电源模块系统通过12v的电源模块进入调试板，调试板不同数字芯片和驱动蜂咛器等器件需要不同的电压，所以设计的电源模块提供了DC5V、DC3.3V、DC1.8V不同电压，同时设计了一个电源指示灯。具体如图2-3所示。图2-3 电源模块原理图2.3.2 串口模块串口模块为软件提供打印调试信息，内核输出信息等，是开发过程中比不可少的模块。设计中为了考虑串口的使用方便，同时设计了DB9头，和微型USB接口，主芯片串口收发模块通过ZT3232芯片转换成RS232协议的电平，具体如图2-4所示。图2-4 串口模块原理图2.3.3 SD模块SD模块用来保存一些处理后的数据，以防止突然断电和系统暂时无法运行。SD采用SDIO通信模式，其引脚直接连入微处理器芯片，AM335x芯片内核可以直接提供高速的数据访问，具体如图2-5所示。图2-5 SD模块原理图2.3.4 USB模块USB是一种外部总线标准，USB模块用来解决系统的摄像头采集数据和传感器采集工业现场环境的通信问题，由于USB是一种很成熟的接口，所以开发USB接口的输入采集设备具有很好的可靠性和通用性，并同时方便了第三方的二次开发。USB接口种类繁多，一般USB线上带母口，主机上带公口。USB2.0规范中规定一个USB的根集线器（root hub）最多只能提供500mA的电流，一方面减轻主机负担，另一方面是保护USB主控制器，同时用MIC2026电源开关来防止过电流，当外设超过500mA时，就需要采用自供电模式。设计中采用了USB-S，和USB-AB两种接口，硬件原理图如图2-4所示。图2-4 USB模块原理图2.3.5 以太网模块以太网模式，现在都是一个很成熟的模块，设计选择支持工业10/100/1000M自适应以太网适配芯片，AR8035提供一个低功耗低BOM成本的解决方案，嵌入式CDT技术芯片，允许测量电缆长度和检查电缆状态，还集成了一个电压调节器，同时减少了MAC接口上的震荡电路，具体如图4-5所示。图2-5 以太网模块原理图2.4 采集设备选择2.4.1 摄像头选择系统需要实现图像采集，需要选用摄像头，根据所传达的信号可分为模拟摄像头和数字摄像头两大类，模拟摄像头可以将视频采集设备产生的模拟视频信号转换成数字信号，进而将其储存在计算机里；模拟摄像头捕捉到的视频信号必须经过特定的视频捕捉卡将模拟信号转换成数字模式，并加以压缩后才可以转换到计算机上运用；数字摄像头可以直接捕捉影像，然后通过串，并口或者USB接口传到计算机里，现在电脑市场上的摄像头基本以数字摄像头为主，而数字摄像头中又以使用新型数据传输接口的USB数字摄像头为主。为了满足工业现场各种不同的环境，选择的摄像头选择了Logitech C310，其功能特点：（1）拍摄图像清晰度高，色彩还原性好，曝光时间、白平衡、对比度、亮度、饱和度及色度等多参数软件自动控制。（2）安装使用操作简单，通过USB2.0接口，不需要额外的采集设备，即插即用，即可获得实时的无压缩数码图象。（3）具有动态录像功能，其压缩格式极其方便存储9。2.4.2 传感器选择传感器的作用主要是用来检测工业现场的环境，比如放射性物质检测传感器、红外成像传感器、超声波传感器、有毒气体传感器等。系统通过不同的传感器，获得监控环境中不同的数据，数据通过USB接口与系统通信，系统将环境检测的数据与空间摄像头采集的图像融合，去掉冗余像素后，获得新的图像，然后显示在监控屏上。工业上对传感器工艺的处理比较严格，传感器的可以扩展为传感器模块，不仅仅是传感器探头还有一些数据的处理和控制，然后通过USB借口和相应的协议才能实现不阻塞的通信。根据不同的环境检测对象，传感器的选择主要从以下几个方面考虑：（1）根据测量对象与测量环境确定传感器的类型。（2）灵敏度的选择。（3）频率响应特性。（4）线性范围。（5）稳定性。（6）精度10。3 嵌入式系统开发环境构建3.1 嵌入式操作系统的选择近年来，随着嵌入式硬件处理器的性能增强，应用复杂性的增长，嵌入式操作系统的应用越来越重要，由于嵌入式操作系统可靠性强，开发周期短，多任务的设计和网络协议支持，使嵌入式操作系统取代了原来单任务循环系统而广泛运用，业界常用的嵌入式操作系统如下11：（1） uC/OS-IIuC/OS-II是一个简单高效的嵌入式实时操作系统内核，其内核源码公开，移植性强，支持8位、16位、32位以致64位等多种微处理器和微控制器，可裁剪、抢占性、实时性、稳定性和可靠性，在多任务环境中支持信号、信号量、消息、消息队列，但是，其文件系统模块、TCP/IP模块、GUI模块等都是需要商业授权，而且其在大型的多任务环境中调度