电气电子毕业设计96多路复合视频信号的采集与传输设计
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电气电子毕业设计96多路复合视频信号的采集与传输设计,毕业设计论文
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信息学院 毕业设计中期检查表 设计题目 多路复合视频信号的采集与传输 指导老师 孙杰 学生姓名 王波 学号 2003373645 班 级 电信 0302 应完成的任务： (1) 确定设计所采用的最终方案； (2) 完成方案的部分功能， USB驱动的部分功能或网络传输的部分功能。 已完成的任务 (1) 已经基本确定了设计方案：采用 ISP1161A1芯片作为 USB接口芯片， ENC28J60芯片作为以太网接口芯片 ,LPC2138作微处理器； (2) 已经初步完成了 ENC28J60 芯片驱动程序的编写； (3) 已经初步完成了 ENC28J60网卡接口芯片与 IP 协议栈的接口函数编写。 尚未完成的任务 (1) 编写完成的 ENC28J60驱动程序尚未经过调试； (2) 尚未完成 USB接口芯片 ISP1161A1的驱动编写； (3) 尚未完成 USB总线驱动程序及 USB摄像头驱动的编写； 与原计划差距及情况说明 完成了网卡芯片 ENC28J60驱动的编写，尚未完成 ISP1161A1芯片驱动程序的编写。造成差距的原因是由于在网络传输部分的方案主要经历了： RS-485 总线传输的选择与设计，485总线传输速度较慢，连接路数有限，放弃该方案；基于 PCI协议的以太网卡传输的 选择与设计，但由于 PCI 协议难度非常大，不是短期能完成的，放弃该方案；最终，才确定采用 ENC28J60以太网卡芯片作为网络接口芯片。 下一步完成计划 (1) 完成 USB接口芯片 ISP1161A1驱动程序的编写，并调试通过； (2) 完成 USB总线协议驱动程序的编写与调试； (3) 尽可能完成 USB摄像头驱动程序的编写。 指导老师意见 指导教师签名： 年 月 日 检查组意见 检查组负责人签名： 年 月 日 nts毕业设计方案 学院 信息学院 专业 电子信息科学与技术 姓名 王波 学号 2003373645 设计题目： 多路复合视频信号的采集与传输 一、设计方案内容： 1、国内外研究现状、水平及存在的问题： 传统的监控系统正在多媒体化社会经济的发展需要各种高性能的监控系统，而多媒体化有助于提高监控系统的性能。现有的消防、保安以及工业控制等系统常常缺乏一个直观的现场场景监视， 而将多媒体通信终端技术与之相结合可构成新型的采集型智能多媒体系统。 国内相关产品主要通过将带有 USB 接口的摄像头连接到 PC 机上，通过相关的应用软件将读取并显示视频图像，该技术比较成熟，在 PC 机上安装一个驱动程序便可以正常运行， USB 接口的数据传输速度较快，视频图像的大小一般仅有几百 kbit。 但是，将 USB 接口摄像头连接到一个下位机的情况较少，采用下位机进行 USB 摄像头驱动，需要自己进行 USB HOST 驱动、摄像头驱动的编写，相关资料较少，具有一定的学习研究意义 。 当前国内外图像采集传输技术已逐渐应用到生活当中 ，但大部分图像采集与以太网传输的结合却应用的不广泛，因此很有必要在此领域开展研究。 2、选题的目的、意义： 视频信号的采集与传输是安全监控、生产线控制、信息监测等视频信息处理领域的技术基础。本设计主要实现教室监控系统的下位机终端多路视频采集与传输控制部分，将视频数据传输到上位机由上位机进行分析处理，然后上位机将控制信息发回下位机，由下位机控制教室的照明灯，实现节能的目的。它主要有 图像 采集方式、视频压缩算法、网络传输技术等多方面的内容。需要综合考虑视频信号采集数量和质量及传输环境等多种因素。由于复杂的算法处理 交给上位机进行，因此大大节省了下位机的负担，充分利用了上位机的强大的计算处理功能，重要的是极大地降低了生产成本。 3、实施方案及主要研究手段： 本设计主要采用 USB 摄像头采集图像信息，并通过 USB 总线传输至下位机ARM，实现图像数据的初步处理并通过以太网卡接入以太网，便于与 PC 机进行通信。 nts 1 4、选题的创新之处： 本题首次采用了在 uCOS-II操作系统上编写 USB摄像头驱动与以太网卡芯片ENC28J60 驱动方案，实现了下位机的视频数据采集与以太网传输的有机结合，具有较高的利用或系统移植价值。 5、预 期研究成果或结论： 预期在设计时间内完成实现 USB 接口芯片 ISP1161 的驱动， USB 总线接口驱动， ENC28J60 网卡芯片的驱动，基本实现摄像头驱动。本系统基本完成以后可以外加扩展功能，能够具有一定的价值。 6、参考文献： 1靳明 ,姚剑敏 ,宋建中 .基于 USB2.0 块传输方式的实时视频图像传输 M.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所图像处理室 .吉林 .长春 .130033 2王博 ,马宏绪 ,李迅 .一种 MPEG4 视频压缩和传输系统 .国防科技大学机电工程与了自动化学院机器人研究室 .湖南 .长沙 .410073 3赖娟 ,洪艳伟 ,景晓军 .基于 Linux的 USB 摄像头驱动程序设计 .成都教育学院学报 (自然科学版 )J,2006.(8):37-42 4MicroChip.ENC28J60 数据手册带 SPI 接口的独立以太网控制器 .Microchip Technology Inc.2006.5 5Philips Semiconductors,ISP1161A1 Universal Serial Bus single-chip host and device controller Product data.Rev.03 23 December 2004 nts 2 二、设计方案： 本方案采用带 USB 接口的摄像头进行视频数据采集、 以 ARM 作为终端核心处理器将采集的视频数据进行压缩编码、向上位机传输供上位机进行图像分析处理，并且接收上位机的命令进行相关控制操作。 1、摄像头的选择： 摄像头为整个系统的数据传输、分析、处理提供原始视频数据，因此摄像头的选择关系到之后对视频数据分析处理的好坏程度，极为重要；同时又考虑到本系统设计的目的是为教室照明灯的自动控制提供前端处理、传输以及最终 控制，技术要求仅限于对图像的分析控制，而非图像的精确识别，因此对视频图像清晰度的要求不是非常严格，只需做到区域模糊识别的程度；同时，降低成本也是必须考虑的因素之一，如果采用带有数据采集卡的摄像头，不仅成本高，而且对视频精度的应用也是一种浪费；综上，本系统采用带有 USB 接口的摄像头进行视频数据的采集。 2、压缩算法： 采用 MPEG4 算法，该算法的优点有： 具有很好的兼容性； MPEG-4 比其他算法提供更好的压缩比，最高达 200： 1； MPEG-4 在提供高压缩比的同时，对数据的损失很小。所以， MPEG-4 的应用能大幅 度的降低录像存储容量，获得较高的录像清晰度，特别适用于长时间实时录像的需求，同时具备在低带宽上优良的网络传输能力。 3、通信接口： 本设计用到的通信接口有 USB 总线通信接口和以太网通信接口，而 USB 通信一般情况都需要采用 USB 接口芯片，常用的 USB 接口芯片主要有： EZ-USB、ISP1161 系列等，本设计中采用飞利浦的 USB 接口芯片 ISP1161A1；以太网通信接口部分，通用的以太网卡主要有基于 PCI 协议的 RTL8019、 RTL8139、 RTL8239等，但是，基于 PCI 协议的以太网卡开发难度过大，因此本设 计采用了一种新的基于 SPI 总线协议的以太网接口芯片 ENC28J60，该芯片最高传输速率为10Mbps,SPI 协议开发难度小，具有半双工、全双工两种工作方式，作为TCP/UDP/IP 协议的底层硬件传输易实现。 4、通信协议： 本设计由于是基于 USB 摄像头进行视频采集的，基于以太网卡进行数据的网络传输。因此，设计中需要用到的通信协议主要有 USB 总线接口协议，以及网络传输协议，主要采用 TCP/UDP/IP 协议，由于 IP 协议栈较为庞大，不是一个人在短期内可以实现的 ，所以，设计中决定采用免费的 IP 协议栈 lwip,该协议栈实现了主要的 IP 传输协议，并且具有体积小的优点，被广泛的应用在嵌入式系统的移植上。 nts 3 5、差错控制： 基于 USB 总线协议的通信，主要通过握手包来报告数据事务的状态，能表示数据成功接收、命令的接收或拒绝、流控制和中止条件。 USB 握手包主要有三种类型： （ 1） ACK 表示数据包没有填充错和数据字段上的 CRC 错，且正确收到数据 PID。 （ 2） NAK 表示外设不会从主机接收数据（对于输出事务），或外设不能传输数据到主机。 NAK 仅由外设在输入事务的数据阶段返回，或输出事务的握手阶 段返回。 （ 3） STALL 既可作为输入标记的回应，也可在输出事务的数据阶段之后由外设返回。表示外设不能传输或接收数据，或不支持一个控制管道请求。任何条件下，只能由外设返回 STALL。 用于传输数据的错误检查和错误纠正，以保证数据传输的准确性。 其中，用于 USB 设备枚举等的控制传输部分，需要进行 USB 握手，而当进行视频数据采集时，由于视频信号是通过同步传输进行的，而音视频信号实时性要求较高，对差错不太敏感，因此不需要握手包进行差错控制。 基于 ENC28J60 的以太网通信，采用 IP 协议，由于视频数据的实时性要求较高， 因此当下位机与上位机主机服务器建立连接之后，视频数据流的传输部分不需要进行差错重传，因此对于差错的控制部分要求不高，此时可以采用 UDP 协议进行数据传输。 nts 4 三、指导教师评语： 指导教师签名： 年 月 日 四、学院审查意见： 学院领导签章： 年 月 日 nts 5 nts信息学院 电信 0302 王波 2003373645 毕业设计 第 1 页 共 59 页 济南大学毕业设计用纸 目 录 摘 要 . 3 ABSTRACT . 4 1 选题背景 . 5 1.1 课题的来源 . 5 1.2 题目的理论目的意义 . 5 1.3 方案选择与论证 . 5 1.4 指导思想 . 10 2 嵌入式操作系统的移植 . 11 2.1 嵌入式操作系统的发展 . 11 2.2 嵌入式操作 系统及其特点 . 11 2.3 常用的嵌入式操作系统 . 12 2.3.1 WINDOWS CE .NET . 12 2.3.2 嵌入式 Linux . 12 2.3.3 VxWorks . 13 2.3.4 T-Kernel . 14 2.3.5 uC/OS-II . 14 2.4 UC/OS-II 移植原理 . 15 2.4.1 编译器的选择 . 16 2.4.2 移植 uC/OS-II . 16 2.4.3 编写 OS_CPU.H . 17 2.4.4 编写 Os_cpu_c.c 文件 . 18 2.4.5 编写 Os_cpu_a.s 文件 . 20 2.4.6 中断与时钟节拍 . 21 3 基于 ISP1161A1 的 USB HOST 驱动 . 23 3.1 USB 总线传输协议 . 23 3.1.1 包的格式 . 23 3.1.2 USB 总线数据传输类型 . 24 3.2 ISP1161A1 介绍 . 25 3.2.1 ISP1161X 芯片介绍 . 25 3.2.2 ISP1161x 软件模块 . 26 3.2.3 ISP1161x 硬件模块 . 27 3.2.4 ISP1161x 软件系统结构 . 28 3.2.5 主机堆栈系统结构 . 28 3.2.6 编程 ISP1161x 的主机控制器 . 29 3.3 USB 驱动的软件实现 . 37 4 以太网连接 . 43 4.1 以太网控制器 ENC28J60 . 43 4.2 ENC28J60 驱动的软件实现 . 46 nts信息学院 电信 0302 王波 2003373645 毕业设计 第 2 页 共 59 页 济南大学毕业设计用纸 4.3 基于 ENC28J60 以太网卡的以太网传输的架构 . 48 5 实验电路与结果 . 50 5.1 系统设计的电路实物图 . 50 5.2 部分实验结果 . 51 6 总 结 . 54 6.1 毕业设计中遇到的困难及解决办法 . 54 6.1.1 操作系统移植部分 . 54 6.1.2 USB 接口芯片 ISP1161 的驱动开发调试部分 . 54 6.2 收获与展望 . 56 致 谢 . 58 参考文献 . 59 nts信息学院 电信 0302 王波 2003373645 毕业设计 第 3 页 共 59 页 济南大学毕业设计用纸 摘 要 本文 提出一种 多路复合视频信号的采集与传输 的 设计方案。 该 方案 在 LPC2138 微处理器 上 移植 uCOS-II 操作系统 ， 采用 USB 接口芯片 ISP1161A1 的 HOST 方式 连接 USB 摄像头 进行视频数据的采集， 然后， 通过以太网接口芯片 ENC28J60 接入以太网，进行多路复合视频信号的 网络 传输 。 本方案包括 USB HOST 驱动的开发、 USB 驱动层 USBD 的开发、以太网接口芯片 ENC28J60 的介绍以及底层硬件驱动的开发、 TCP/UDP/IP 协议的应用，对整个系统的设计进行了比较全面的论述。针对目前的情况，对一些难点技术进行深入学习，主要讨论以下几个方面的问题 : 如何将一个 uCOS-II 操作系统移植到微处理器上；如何编写 USB 接口芯片的 HC 驱动程序；怎样设计 USBD 层； 以及 以太网传输的构建。 关键字： uCOS-II 操作系统 ， USB HOST，以太网传输， IP 协议栈 nts信息学院 电信 0302 王波 2003373645 毕业设计 第 4 页 共 59 页 济南大学毕业设计用纸 Abstract This paper presents a multi-channel composite video signal acquisition and transmission design. The program transplants uCOS-II operating system on the LPC2138 microprocessor, using the HOST ISP1161A1 as USB interface chip connected USB camera for video data acquisition, and then through the Ethernet interface chip ENC28J60 access to Ethernet, for multi-channel composite video signal transmission network. The program includes a USB HOST-driven development, USB driver layer USBD development, ENC28J60 Ethernet interface chip on the bottom and hardware-driven development, TCP / UDP / IP protocol to the applicat -ion of the whole system design of a more comprehensive exposition. In view of the current situation, through some technical depth study, discuss on the following areas : How would one transplanted uCOS-II operating system to the microprocessor; how to prepare the USB interface chip HC Driver; how to design USBD layer; Ethernet transmission and Construction. Keywords: uCOS-II operating system, USB HOST, Ethernet Transfer, IP Protocol Stack nts信息学院 电信 0302 王波 2003373645 毕业设计 第 5 页 共 59 页 济南大学毕业设计用纸 1 选题背景 1.1 课题的来源 USB(Universal Serial Bus ,通用串行总线 ) 是最近几年逐步在 PC 领域广为应用的新型接口技术。作为计算机外围设备的一种标准接口 ,他以支持热插拔、接口通用性好、实时性强、传输方式多样、较高的传输速率、成本低、易于扩展且便于使用这些优点而受到许多硬件厂商的青睐 ,各种类型的 USB 设备产品 ,包括摄像头、键盘、鼠标、扫描仪、打印机以及存储设备大量涌入市场 ,应用如火如荼。但是要使这些设备像在 Windows 中一样 ,运行在嵌入式系统中 ,就需要编写相应操作系 统下的驱动程序 ,也叫 BSP(板级支持包 ) 。 在许多的应用中 ,多媒体相关的应用更是倍受人们关注 ,尤其是视频的相关技术。一般情况下可以采用摄像头或视频采集卡来完成视频的采集工作 ,由于使 USB 接口的摄像头在PC 上的应用已经很广泛 ,而且成本低廉 ,所以在嵌入式 uCOS-II 系统中 开发 使用 USB 摄像头来采集视频是很好的选择 。 为了能够进行 基于下位机的视频采集与传输 的设计学习与研究 ， 增进本人对电子信息科学专业 相关的较为常见的产品开发设计 的兴趣与了解， 促进对 嵌入式 操作系统移植的学习， 尤其是 为了 增加对 USB摄像头的驱 动、以太网络传输等 技术开发流程的了解与熟悉 ，故选择 了 本设计题目 。 1.2 题目的理论目的意义 视频信号的采集与传输是安全监控、生产线控制、信息监测等视频信息处理领域的技术基础。本设计主要 是配合 实现教室监控系统的下位机终端多路视频采集与传输控制部分，将视频数据传输到上位机由上位机进行分析处理，然后上位机将控制信息发回下位机，由下位机控制教室的照明灯，实现节能的目的。 它主要有驱动 USB 摄像头进行视频图像采集 、 数据与处理、 网络传输技术等多方面的内容。需要综合考虑视频信号采集 、传输及控制等实现情况 。 本设计主要集中在 USB 协议的软件编写， USB 摄像头驱动的软件编写和以太网传输的开发 部分 ，工作量 和开发难度 大，能够真正锻炼自己的水平，将自己四年所学提高到一个新的台阶 。 1.3 方案选择与论证 多路视频信号的采集与传输有很多应用场合，并且基于 USB 摄像头的视频采集理论研究己经取得了一定的成果。系统主要有两大难题，第一是 USB 接口芯片应当选择具有Host 主机模式的芯片，而大部分接口芯片多用作从机模式， USB 主机模式的驱动编程要比nts信息学院 电信 0302 王波 2003373645 毕业设计 第 6 页 共 59 页 济南大学毕业设计用纸 从机模式复杂的多；第二是 USB 摄像头驱动开发难度大，因为大部分摄像头厂商因为商业原因，摄像头驱动开发 需要的内部资料都保密；第三是多路信号的网络传输问题，因为视频信号实时性较强并且数据量较大，所以，既要实现多路信号的传输实现，又要实现实时性网络传输。因此，关于多路复合视频信号采集与传输系统的研究仍在不断进行，其可行方案也多种多样。 在选择设计方案时，我的认识是一个逐步提高的过程，但也走了很多弯路，在 USB接口芯片选择方面主要可选方案有 PDIUSBD12、 CYPRESS 公司的 EZ-USB 系列芯片、LPC214x 集成 USB 功能的 ARM 芯片以 ISP1161 芯片等；在网络传输的方案选择上依次经历了：采用 485 总线协 议进行传输、采用常用的 RTL8239 系列基于 PCI 协议的网卡传输以及现在采用的基于 SPI 总线协议 ENC28J60 以太网卡接口芯片方案。 方案一 ： 本方案采用 USB 摄像头进行视频数据采集、 以单片机作为终端核心处理器将采集的视频数据向上位机传输，供上位机进行图像分析处理，并且接收上位机的命令进行相关控制操作。 (1) 摄像头的选择： 摄像头为整个系统的数据传输、分析、处理提供原始视频数据，因此摄像头的选择关系到之后对视频数据分析处理的好坏程度，极为重要；同时又考虑到本系统设计的目的是为教室照明灯的自动控制提供 前端处理、传输以及最终控制，技术要求仅限于对图像的分析控制，而非图像的精确识别，因此对视频图像清晰度的要求不是非常严格，只需做到区域模糊识别的程度；同时，降低成本也是必须考虑的因素之一，如果采用带有数据采集卡的摄像头，不仅成本高，而且对视频精度的应用也是一种浪费；综上，本系统采用带有 USB接口的摄像头进行视频数据的采集 。 (2) 通信接口： 采用 RS-485， RS-485是一个多引出线串行通信接口，该接口可以最多负载 128个驱动器和接收器，可以实现一台上位机与多台下位机之间的串行通信，最长传输距离可达 1200m，适合于远距离传输。 PC机与 RS-485总线之间的接口可以采用 S2-485标准转换芯片实现；单片机与 485总线的接口可以采用 MAX48x/49x系列收发器组成差分平衡系统，抗干扰能力强，适合于远距离传输。系统总体示意图见图 1。 (3) 通信协议设计： 帧格式：包括呼叫帧、应答帧和数据帧。 呼叫帧由上位机发出。格式为起始字符、下位机、地址和校验位。上位机通过呼叫帧来轮询各台下位机的状态或者关闭轮询，同一时间内只与一台下位机进行通信。二者之间通过数据帧进行一对一的数据通信。 应答帧：只能由下位机发出。当下位 机收到呼叫帧后，便将本机地址以及当前状态发nts信息学院 电信 0302 王波 2003373645 毕业设计 第 7 页 共 59 页 济南大学毕业设计用纸 送给上位机。 数据帧：上下位机都可以发送数据，数据帧是上下位机间进行大量数据传输的基本格式，在发数据帧之前上下位机之间已经建立的一对一的连接，为了通信的可靠性，进行数据传输时，仍然保留下位机的地址，因此数据帧的格式可以定义见表 1。 表 1-1 数据帧格式 类 型 起始字符 下位机地址 命令字段 数据序列 异或校验 占用位数 /bit 8 8 8 8*8 8 (4) 通信模式： 用标准异步串行通信模式，格式为 1位起始位、 8位数据位、 1位停止位。 图 1-1 485总线通信模式 图 (5)差错控制： 用于传输数据的错误检查和错误纠正，以保证数据传输的准确性。 呼叫阶段：当上位机发送呼叫帧后，如果在规定时间内没有收到下位机的应答帧，则上位机认为帧丢失并重发呼叫帧；如果连发送三次仍没有收到应答帧，则系统认为该下位机处于关机状态，上位机便开始执行其他任务。 数据传输阶段：差错控制采用应答方式，即接收方向发 送方回发特殊的控制命令码，作为正确与错误的确认标志；发送方接收到确认信息后就可以确定数据是否已经正确发送，是否需要重新发送。特别情况下，当数据传输过程中帧完全丢失，则发送方会无休止的等待接收方的确认信息，为了解决这一问题，可以采用看门狗定时器，当发送方发送数据后超过一定时间没有收到确认信息，就认为是数据丢失，自动重发数据。同时，最大重发次数设定为 3 次，超过 3 次就认为是串行通信线路出现故障，上位机进行故障报警。 本方案采用 485 总线传输数据，最多可以达到 128 路数据，但是数据传输速率较慢，RS-485 总线R1R2S2- 485PC 机MAX48x/49x 终端 1MAX48x/49x 终端 2MAX48x/49x 终端 nnts信息学院 电信 0302 王波 2003373645 毕业设计 第 8 页 共 59 页 济南大学毕业设计用纸 不能很好地满足视频数 据的实时性传输的要求，因此本方案没被采用。 方案二 ： 本方案与方案一的不同之处主要在于网络传输部分，本方案决定采用以太网进行数据传输，网络传输协议主要采用 TCP/UDP/IP 协议，网卡主要采用基于 PCI 协议的 RTL8239网卡。 本架构的优点是可以采用通用 PCI 接口网卡，成本低，维护简单，如果网卡出现问题，可以轻易的更换网卡；更重要的是较之方案一，实现了通用的以太网传输功能， 传输 路数 多 ， 借助交换机、路由器等 工具 传输距离 远， 可以与主机进行实时通信，并且 由于以太网的飞速发展，传输速率正不断提高，可扩展的空间较大，单就目前的速率来看，传输速率已经很快了。但是也存在着开发的不足之处， 该网卡是基于 PCI 总线协议的网卡，而 PCI 总线驱动在所有总线驱动之中开发难度是最大的，在毕业设计这有限的时间里，很难做好。鉴于以上原因， 本方案也未被采用。 方案三： 本方案与方案二唯一的不同之处就是， 采用 Microchip 公司新生产的 10 BASE-T 的ENC28J60 以太网卡接口芯片，该芯片集成 MAC 地址， 采用最高速度可达 10 Mb/s 的 SPI 接口设计，与方案二相比， SPI 接口驱动的开发难度小，开发周期短 ，而且成本低 。 因此，本设计决定采用该方案。 uCOS-II 操作 系统 RTL8239 以太网卡 IP 层 TCP/UDP 层 RTL8239 网卡驱动 以太网传输管理层 以太网 图 1-3 以太网传输的架构图 nts信息学院 电信 0302 王波 2003373645 毕业设计 第 9 页 共 59 页 济南大学毕业设计用纸 图 1-4 ENC28J60 与 LPC2138 接口 图 本方案的总体硬件结构如图 1-5： 系统硬件结构： 图 1-5 系统硬件结构 图 系统软件 实现 结构： 图 1-6 系统软件实现 图 ENC28J60 LPC2138 CS MISO MOSI SCK INT2 TX/RX缓冲器 MAC PHY 以太网变 压器 RJ45 USB 摄像头 ISP1161 USB 接口芯片 微处理器 LPC2138 ENC28J60 以太网卡 以太网 ISP1161 硬件 ENC28J60 硬件 uCOS-II 操作系统 ISP1161 驱动 ENC28J60 驱动 USB 协议栈 摄像头驱动 视频采集管理 TCP/UDP/IP 协议栈 网络传输管理 nts信息学院 电信 0302 王波 2003373645 毕业设计 第 10 页 共 59 页 济南大学毕业设计用纸 1.4 指导思想 综上所述系统的实现应该在移植 uCOS-II 操作系统前提下，以 USB2.0 协议为指导，继承现有以太网传输协议 IP 协议栈技术基础上，从硬件芯片设备的选取， USB 接口芯片驱动开发， USB 驱动开发，摄像头驱动开发，网卡驱动开发等五个主要方面进行。由于是结合硬件设备的来设计的。着重解决以下问题 : 1)基于 ISP1161A1 USB 接口芯片的驱动开发，对异步传输的 PTD 头以及 ATL 缓冲区的编程实现，尤其是对同步传输的 PTD 头以及 ITL 缓冲区的软件编程实现。从而实现ISP1161 驱动与 USB 协议的融合。 2)摄像头驱动程序的开发，是本设计中的重点与难 点，工作量大，关键是各个摄像头生产厂商对摄像头资料保密，驱动开发难度大 ，应通过大量实验解决 。 3)基于 ENC28J60 芯片的网卡驱动程序编写是网络传输的基础，只有实现了底层 驱动才能实现多路复合数据的网络传输功能 ，着重开发、调试底层网卡驱动 。 nts信息学院 电信 0302 王波 2003373645 毕业设计 第 11 页 共 59 页 济南大学毕业设计用纸 2 嵌入式操作系统的移植 2.1 嵌入式操作系统的发展 嵌入式系统的出现至今已经有 30 多年的历史。纵观嵌入式技术的发展过程，大致经历了四个阶段。 （ 1） 无操作系统的嵌入式算法阶段 这一阶段的嵌入式系统是以单芯片为核心的系统，具有与一些监测、伺服、 指示设备相配合的功能。一般没有明显的操作系统支持，而是通过汇编语言编程对系统进行直接控制。主要特点是系统结构和功能都相对单一，针对性强，无操作系统支持，几乎没有用户接口。 （ 2）简单监控式的实时操作系统阶段 这一阶段的嵌入式系统主要以嵌入式式器为基础、以简单监控式操作系统为核心。系统的特点是：处理器种类繁多，通用性比较弱；开销小，效率高；一般配备系统仿真器，具有一定的兼容性和扩展性；用户界面不够友好，主要用来控制系统负载以及监控应用程序运行。 （ 3）通用的嵌入式实时操作系统阶段 以通用型嵌入式实时操作系统为 标志的嵌入式系统，如 VxWorks、 pSos、 Windows CE就是这一阶段的典型代表。这一阶段嵌入式系统的特点是：能运行在各种不同的微处理器上；具有强大的能用型操作系统的功能，如具备了文件和目录管理、多任务、设备驱动支持、网络支持、图形窗口以及用户界面等功能；具有丰富的 API 和嵌入式应用软件。 （ 4）以 Internet 为标志的嵌入式系统 伴随着通用型嵌入式实时操作系统的发展，面向 Internet 网络和特定应用的嵌入式操作系统正日益引起人们的重视，成为重要的发展方向。嵌入式系统与 Internet 的真正结合 、嵌入式操作系统与应用设备的无缝结合代表着嵌入式操作系统发展的未来。 2.2 嵌入式操作系统及其特点 嵌入式系统是以嵌入式计算机为技术核心，面向用户、面向产品、面向应用，软硬件可裁减的，适用于对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性能有严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统通常具有可裁剪性，实时性，可靠性等特点。即嵌人式系统具有高可靠性；在恶劣的环境或突然断电的情况下，系统仍然能够正常工作；许多嵌人式应用要求实时性，这就要求嵌入式操作系统具有实时处理能力；嵌入式系统和具体应用有机地结台在一起，它的升级换代也是 和具体产品同步进行；嵌入式系统中的软件代码要求高质量、高可靠性；一般都固化在只读存储器中或间存中，也就是说软件要求固态化存储，而不是存储在磁盘等载体中。 nts信息学院 电信 0302 王波 2003373645 毕业设计 第 12 页 共 59 页 济南大学毕业设计用纸 2.3 常用的嵌入式操作系统 2.3.1 WINDOWS CE .NET WINDOWS CE .NET 是一个功能强大的实时嵌入式操作系统，也是微软第一个能够全面支持中文的 WINDOWS CE 操作系统，适用于快速构建新一代内存少体积小的智能设备，例如手持式设备、智能电话、机顶盒、零售点设备和显示器等。不仅如此， WINDOWS CE .NET 也为构建智能移动 设备的开发人员提供了新一代的功能强大嵌入式系统平台，它允许开发人员优化操作系统的内存占用，最小可以降至 200K 左右。为了使开发人员能构建功能最丰富的移动设备， WINDOWS CE .NET 提供了对最新无线技术的支持，例如蓝牙技术和零配置的 802.11，而且它还通过 MICROSOFT INTERNET EXPLORER 5.5、WINDOWS MEDIA (TM) 8 和 DIRECTX 8 提供了全面的多媒体和 WEB 浏览体验。WINDOWS CE .NET 支持各种处理器产品家族，包括 X86、 XSCALE、 ARM、 MIPS 和 SH系列，因此它允许开发人员为他们自己的项目选择最理想的硬件。 2.3.2 嵌入式 Linux 随着微处理器的产生，价格低廉、结构小巧的 CPU 和外设连接提供了稳定可靠的硬件架构，那么限制嵌入式系统发展的瓶颈就突出表现在了软件方面。尽管从八十年代末开始，陆续出现了一些嵌入式操作系统，比较著名的有 Vxwork、 pSOS、 Neculeus 和 Windows CE。但这些专用操作系统都是商业化产品，其高昂的价格使许多低端产品的小公司望而却步；而且，源代码封闭性也大大限制了开发者的积极性。另外，结合国内实情， 当前国家对自主操作系统的大力支持，也为源码开放的 LINUX 的推广提供的广阔的发展前景。还有，对上层应用开发者而言，嵌入式系统需要的是一套高度简练、界面友善、质量可靠、应用广泛、易开发、多任务，并且价格低廉的操作系统。在不久的将来，从冰箱到收音机都会内置处理器。因为 Linux 的开放性，许多人认为 Linux 非常适合多数 Internet 设备。他们认为 Linux 可以支持不同的设备，支持不同的配置。 Linux 对厂商不偏不倚而且成本极低，能够很快成为用于各种设备的操作系统。如今，业界已经达成共识：即嵌入式 Linux是大 势所趋，其巨大的市场潜力与酝酿的无限商机必然会吸引众多的厂商进入这一领域。 嵌入式操作系统主要有 Palm OS， Windows CE， EPOC, LinuxCE, QNX, ECOS,LYNX，高端嵌入式系统要求许多高级的功能，如图形用户界面和网络支持 。很多高端 RTOS 供应商已经提供了这些功能，但其价格也很高端，一般人难以接受。微软的 Windows CE 也有此类功能，却不具备大多数嵌入式系统要求的实时性能，而且难以移植，也曾经有人想以 DOS 为基础用单独的第三方工具拼凑一个系统，但这种努力将是白费。现在需 要的是一个便宜、成熟并且提供高端嵌入式系统所必须特性的操作系统，嵌入式 Linux 操作系统以价格低廉、功能强大又易于移植而正在被广泛采用，成为新兴的力量，所以，众多商家nts信息学院 电信 0302 王波 2003373645 毕业设计 第 13 页 共 59 页 济南大学毕业设计用纸 纷纷转向了嵌入式 Linux。 Linux 为嵌入操作系统提供了一个极有吸引力的选择，它是个和 Unix 相似、以核心为基础的、完全内存保护、多任务多进程的操作系统。支持广泛的计算机硬件 ,包括X86,Alpha,Sparc,MIPS,PPC,ARM,NEC,MOTOROLA 等现有的大部分蕊片。程式源码全部公开，任何人可以修改并在 GNU 通用公共许可证 (GNU General Public License)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 MS windows 操作系统中 后门 的威胁。同时由于有 GPL 的控制 ,大家开发的东西大都相互兼容，不会走向分裂之路。 Linux用户遇到问题时可以通过 Internet 向网上成千上万的 Linux 开发者请教 ,这使最困难的问题也有办法解决。 Linux 带有 Unix 用户熟悉的完善的开发工具，几乎所有的 Unix 系统的应用软件都已移植到了 Linux 上。 Linux 还提供了强大的网络功能，有多种可选择窗口管理器（ X windows）。其强大的语言编译器 gcc、 g+等也可以很容易得到。不但成熟完善、而且使用方便。 2.3.3 VxWorks VxWorks 是专门为实时嵌入式系统设计开发的操作系统内核，为程序员提供了高效的实时多任务调度、中断管理，实时的系统资源以及实时的任务间通信。在各种 CPU 平台上提供了统一的编程接口和一致的运行特性，尽可能的屏蔽了不同 CPU 之间的底层差异。应用程序员可以将尽可能多的精力放在应用程序本身，而不必再去关心系统资源的管理。基于 VxWorks 操作系统的应用程序可以在不同 CPU 平台上轻松移植 。 VxWorks 是美国 Wind River System 公司（ 以下简称风河公司 ，即 WRS 公司）推出的一个实时操作系统。 WRS 公司组建于 1981 年，是一个专门从事实时操作系统开发与生产的软件公司，该公司在实时操作系统领域被世界公认为是最具有领导作用的公司。 VxWorks 是一个运行在目标机上的高性能、可裁减的嵌入式实时操作系统。它以其良好的可靠性和卓越的实时性被广泛地应用在通信、军事、航空、航天等高精尖技术及实时性要求极高的领域中，如卫星通讯、军事演习、弹道制导、飞机导航等。在美国的 F-16、FA-18 战斗机、 B-2 隐形轰炸机和爱国者导弹上， 1997 年 4 月在火星表面登陆的火星探路者上也使用了 VxWorks。 VxWorks 是一种功能强大而且比较复杂的操作系统，包括了进程管理、存储管理、设备管理、文件系统管理、网络协议及系统应用等几个部分。 VxWorks 只占用了很小的存储空间，并可高度裁减，保证了系统能以较高的效率运行。所以，仅仅依靠人工编程调试，很难发挥它的功能并设计出可靠、高效的嵌入式系统，必须要有与之相适应的开发工具。TornadoII 就是为开发 VxWorks 应用系统提供的集成开发 环境， TornadoII 中包含的工程管理软件，可以将用户自己的代码与 VxWorks 的核心有效的组合起来，可以按用户的需要裁剪配置 VxWorks 内核； vxSim 原型仿真器可以让程序员不用目标机的情况下，直接开发系统原型，作出系统评估；功能强大的 CrossWind 调试器可以提供任务级和系统级的调试模nts信息学院 电信 0302 王波 2003373645 毕业设计 第 14 页 共 59 页 济南大学毕业设计用纸 式，可以进行多目标机的联调；优化分析工具可以帮助程序员从多种方式真正地观察、跟踪系统的运行，排除错误，优化性能。 2.3.4 T-Kernel T-Kernel源自于日本东京大学坂村健博士于 1984年提出的计算机操作 系统规范 TRON（ The Real-time Operating System Nucleus）。 IRON 的目的是想构筑一种理想的计算机结构，实现新的计算体系 “泛在计算环境 ”（ Ubiquitous Computing）。即将微型计算机嵌入到日常生活中的所有机器、设备、工具中，通过网络相互通信，协调运行，以实现高度计算机化的社会环境。 通过 20 年的发展，全球微处理器操作系统系统市场上大约 60%的份额被 TRON 占据。为了实现更为理想的实时操作系统的嵌入式计算结构， TRON 项目启动了 T-Engine 项目计划。 “T-Engine”是为在短时间内高效开发实时嵌入式系统而设计的，由标准化硬件结构（ T-Engine）与标准开源实时操作系统核心（ T-Kernel）组成的嵌入式系统的开放式标准平台。 在 T-Engine 开发过程中，搭载的 CPU 为可变的，而规定了其硬件结构规范、操作系统核心界面规范、对象数据格式规范等要素，使 TRON 在标准化的基础结构上，具备充分的外围资源及开发环境。从而将 CPU 从基础结构中独立出来，在 T-Kernel 上开发的中间件可不依存于 CPU
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