0048、自来水厂全自动恒压供水监控系统论文资料
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0048、自来水厂全自动恒压供水监控系统论文资料,自来水厂,全自动,供水,监控,系统,论文,资料
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1摘要随着越来越多的场合正向自动化无人职守迈进，尤其在安全、监控等领域。为了进一步降低成本，减少人力的投资，以及更集中、更方便的掌握现场情况，许多场合都采用了电子监控设备，如办公室，发电站，机场，海关等等领域。而这些电子设备的设计无疑涉及到这些领域的安全性，这就对监控设备的成本，稳定性，以及性能三方面都提出了更高的要求。本系统的研究背景主要是根据现有视频监控系统的不足，旨在降低系统的成本和提高系统的性能。它采用了价格低廉的三星应用处理器 S3C2410，并使用软件音、视频编解码器，能实现以 250Kbps 和 350Kbps 的编码位流速进行网络传输，并以 160*128和 320*240 两种显示分辩率，可以进行良好的视频监控。同时，它的一个最大的特点是可以在终端上进行录像，而不需要通过 PC 机，这样既适合低功耗的场合，又可以减少的系统的复杂性。图像采集终端则采用性价比很高的 USB 型摄像头，在市场上很容易买到，同时，USB 型摄像头具有很好的通用性，驱动程序丰富，可以减少代码的编写。由于本系统使用标准的以太网进行传输，因此系统支持无限个终端进行级联，监控区域可以很轻易的进行扩大。综上所述，本系统采用 ARM处理器，USB 摄像头，标准以太网传输，实现了一个性能良好的视频监控系统。关键词：嵌入式；Linux；ARM；CODEC；视频监控 2AbstractAs more and more occasions no positive duty towards automation, especially in security, monitoring, and other fields. To further reduce costs and reduce manpower investment and more focused, more convenient to grasp the situation on many occasions used the electronic monitoring equipment, such as offices, power stations, airports, customs and so on the field. These electronic devices undoubtedly related to the design of these areas of security, which the monitoring equipment, the cost, stability and performance of all three areas a higher demand.The system of background are mainly based on existing video surveillance system inadequate, aimed at reducing the cost and improve system performance. It uses the low price of Samsungs application processor S3C2410, the use of software and audio and video codecs, to achieve 250 Kbps to 350 Kbps encoding and digital transmission network velocity, and 160 *128 and 320 * 240 two display resolution, Can be a good video surveillance. At the same time, one of its greatest feature is the terminal on the video, rather than through a PC, this is suitable for low power consumption of the occasion, can also reduce the complexity of the system.Image Collection Terminal is a high cost-effective use of the USB-based camera, in the market is readily available, at the same time, USB-based camera has a good GM, driver rich, can reduce the preparation of the code. Since this system uses standard Ethernet transmission, the system supports an unlimited number of terminal cascade, the region can easily monitor the conduct of expansion.In a word, this system uses ARM9 processor, USB camera, standard Ethernet transmission, to achieve a good performance of the video surveillance system.Keyword:Embedded;Linux;ARM;CODEC;Video Surveillance 3目 录引言 .62 绪论 .72.1 课题研究的目的和意义 .73 网络监控系统概述 .83.1 系统简介 .83.2 系统组成 .83.3 系统框图 .84 嵌入式系统简介 .104.1 主流嵌入式操作系统的比较 .104.1.1Windows CE .104.1.2Linux .104.1.3VxWorks .114.1.4C/OS.114.2 常用的嵌入式处理器 .114.2.1ARM.114.2.2MIPS .124.2.3PowerPC.125 ARM 处理器 .135.1 ARM 构架特点 .135.1.1ARM 的特点 .135.1.2ARM 的模式 .135.1.3ARM 的状态 .135.1.4ARM 寄存器映射 .135.1.5ARM 寻址方式 .145.2 现有主流 ARM 处理器 .155.2.1Samsung S3C2410 .155.2.2Atmel AT91RM9200 .165.2.3TI OMAP .175.2.4Intel Xscale.185.3 S3C2410 硬件设计要点 .195.3.1S3C2410 电源设计 .205.3.2S3C2410 USB 接口设计 .205.3.3S3C2410 网络接口电 路设计 .20 46 嵌入式 Linux 开发步骤 .226.1 GNU GCC 简介 .226.2 开发环境的搭建 .226.2.1 二进制文件的安装 .226.2.2 源码文件的安装 .236.3 Linux 内核配置编译 .236.3.1 内核配置 .236.4 Linux 内核构架详解 .256.4.1 进程和内核模式 .266.4.2 进程的实现 .276.4.3 内核同步机制和临界区 .286.5 Linux 设备驱动层 .286.5.1 设备驱动概述 .286.5.2 设备驱动的分类 .286.5.3 设备驱动重要的数据结构 .296.5.4Linux 驱动程序设备号 .336.5.5OV511 摄像头驱动 .336.5.6V4L 视频标准 .346.6 Linux 文件系统 .356.6.1cramfs.356.6.2JFFS/JFFS2 .356.6.3ext2/ext3.366.6.4ramdisk.366.7 摄像头应用程序的编写 .377 常用的视频编码格式 .407.1 常用视频格式 .407.1.1AVI 格式 .407.1.2ASF 格式 .407.1.3RM(Real Media)格式 .417.1.4MPEG 格式 .417.2 ASF 格式特点 .41 57.2.1 可扩展的媒体类型 .417.2.2 部件下载 .427.2.3 可伸缩的媒体类型 .427.2.4 多语言 .427.2.5 目录信息 .427.3 ASF 格式结构 .427.3.1ASF 对象定义 .427.3.2 高层文件结构 .437.3.3ASF 头对象 .447.3.4ASF 数据对象 .457.3.5ASF 索引对象 .458 ffmpeg 视频 CODEC 库 .468.1 ffmpeg 简介 .468.2 ffmpeg 移植要点 .468.3 fmpeg 常用命令 .469 ffserver 视频服务器 .519.1 ffserver 简介 .519.2 ffserver 移植要点 .519.3 ffserver 配置和使用详解 .5110 系统测试 .5210.1 ffmpeg 测试 .5210.1.1 查看支持的格式 .5210.1.2 从视频文件中截图 .5210.1.3 用摄像头录像 .5310.2 ffserver 测试 .5410.2.1 启动 ffserver .5410.2.2 载入摄像头视频流 .55 610.2.3 启动 Windows Media Player 进行远程监控 .5510.3 测试注意事项 .5611 总结 .58谢 辞 .59参考文献 .60 71 引言现在国内的视频监控设备多数采用高成本的 DSP 处理器+网络传输和专用处理器+模拟传输两种方案，就目前的这两种方案而言，前者不但硬件成本高，而且由于 DSP的特性，多数无法运行多任务操作系统，以致系统软件的设计也变得很复杂，通常情况下要重新编写任务管理调度程序，同时还要进行图像采集端程序的设计以及图像编解码程序的设计，无疑，仅此三大类软件设计，其成本便可见高下，除此以外，整个系统的升级尤其是软件的升级造成了很大的阻碍，原因在于没有良好操作系统的支持，应用程序没能与操作系统进行良好的交互。而后者同样也面临诸多问题，首先，专用处理器的优点是内置硬件编解码器，无疑，从性能方面来讲，这是一个优势，但同时也是它的劣势，因为内置硬件编解码器的专用处理器往往价格比普通应用处理器高出许出，虽然利用专用处理器能节省软件的开发周期，换而言之，也就降低了软件开发的成本，但高出的硬件投资，也就恰好抵消了软件的成本，最多也就实现用硬件来弥补软件的成本，而在软件升级方面则和方案一存在相同的问题，到最后，方案也未能比方案一有明显的优势。那么，如何选择视频监控系统的方案以填补现有监控系统的不足呢？这就是本课题的研究重点，本文就如何进行方案可行性的研究、选择以及验证进行介绍。 82 绪论2.1 课题研究的目的和意义近几年来，我国的安防系统的发展相当迅速，特别是近两年为筹备 2008 年北京奥运会的到来，国家更是投资了大批人力物力进行所有奥运会场的安全防御监控系统升级安装，从北京市的交通到奥运会场的监控，整个市区安装了高达百万个监控终端。这不仅说明监控设备在现在的社会安全领域起着不可或缺的作用，也说明了政府也越来越重视社会集中监控的优越性。从现代控制理论来看，集散型控制是比较突出的一种控制方式，所以，现在流行的监控系统也同样采用此方法。从系统的上下行模式来区别，监控系统主要有 Host-Client 模式，也就是主从模式，这种模式主要是采用以太网传输方式，通常情况下可以一个 Host 实现多个 Client 终端，因此，监控系统采用此模式可以有效的实现多终端监控，从而节省了资源。在我国现有的监控系统中，普遍采用的是前面所述的两种系统方案，根据前面的分析可以知道，这两种都不是最理想的方案，因此要真正的向高效化、低成本化发展监控系统，就必须重新设计新的监控系统方案。本课题主要从实际应用的角度出发，为了进一步解决现有监控系统中的不足，并利用价格上较有优势，软件上更易升级的思想对系统进行了设计，最终以应用处理器+嵌入式 Linux 操作系统+以太网传输作为整个系统的核心构架，这种方案有效的克服了前面所述的两种监控系统的缺点，极大程度上解决了硬件高成本，软件不易管理的问题。因此，本课题的研究意义在于通过重新设计监控系统，以改造现有监控系统的不足，主要突出在改变了传统监控方案：DSP 处理器+ 网络传输和专用处理器 +模拟传输两种方案，以全新的方案：应用处理器+嵌入式 Linux 操作系统+以太网传输，不仅具有良好的稳定性，而且从性价比等方面都有非常突出的优势。 93 网络监控系统概述3.1 系统简介随着社会的秩序问题日趋严重，为了加强区域的安全性，网络监控系统越来越得到重视，到现在已经广泛的应用于交通、海关、航空等领域。本系统以全新的思路设计，整合了目前嵌入式系统的新技术，从性能、成本，操作方面进行最大的优化，使得本系统能够应用到更多的场合。系统由前端的图像采集和图像压缩，通过以太网把图像数据传输到监控端，在监控端实现现场监控的作用。3.2 系统组成网络监控系统是以图像采集端、网络枢纽、宿主端三部分构成。图像采集端主要是由嵌入式主板组成，其硬件包含：嵌入式处理器、网络控制器、存储器、电源模块等，而软件则包括：嵌入式操作系统、TCP/IP 协议栈、存储器管理等。通常所构成的系统的主要功能是采集现场的情况，以某种图像格式进行编码压缩，再通过网络控制器把图像信息传送给宿主端，以达到监控目的。网络枢纽是指为了实现远程监控的功能，在网络传输过程中，需要多个网络中继站，即网络路由器，通过这种方式，可以进行网络级联，最后达到多点同时监控的目的。即节省了宿主端的数目，同时又简化了操作和管理，实现一主多从的集散型监控方式。宿主端即监控端，通常以 PC 主机和显示设备组成。宿主端把各采集点回传的数据进行解压显示，以多窗口的方式显示各个监控点的现场情况，即可达到非常及时的监控效果。3.3 系统框图系统框图见 10图 3.1 11图 3.1 系统框图 124 嵌入式系统简介4.1 主流嵌入式操作系统的比较嵌入式操作系统以其微小内核、可移植、可裁剪、源码开放的特性在嵌入式领域得到广泛的应用。对于不同的产品，不同的应用场合，可以选择合适的嵌入式操作系统。到目前为此，全世界范围内出现的嵌入式操作系统高达 200 多种，它们专为嵌入式应用而开发，使得嵌入式产品的开发越来越方便，价格也变得越来越低廉，在航空、通信、娱乐等领域已经得到了很好的应用。较为流行的嵌入式操作系统有：Linux，Windows CE ，VxWorks ，C/OS 等等4.1.1 Windows CEWindows CE 是微软公司的产品，它是以 Windows 操作系统核心作为基础，为有限资源的平台进行简化，并保留了多线程、优先权、多任务、可移植等特性。Windows CE 和 PC 机使用的 Windows 操作系统的最大区别是采用了模块化设计，从而使得Windows CE 可以安装到存储空间并不大的嵌入式设备，通常 Windows CE 的内核映像文件最小可以达到 200KB，对于现有嵌入式设备的存储空间有限的情况下， Windows CE 仍然可以得到非常好的应用。目前，全球范围内已经有上千家公司采用 Windows CE 进行各种各样的嵌入式产品开发。典型的新产品有手机、POS 终端、ATM 终端、工业控制系统等等。当然，Windows CE 属于商业产品，当使用 Windows CE 进行产品开发时，需要支付 3 美元20 美元的授权费。4.1.2 LinuxLinux 是嵌入式领域中发展最快、应用最广的一个操作系统。Linux 是在 GPL 下发行的操作系统，与其他现有的操作系统相比有以下特点：(1)完全源码开放(2)可以免费获得(3)支持数十种不同的处理器(4)可移植(5)可裁剪其中，“免费”和“开源”是 Linux 最有竞争力的特点。在全球范围内，已经有不计其数的个人、企业正在使用 Linux。随着 Linux 的进一步成熟，它以更小代码尺寸和更多不同平台的支持，大大的减少了新产品的成本和研发时间，吸引了越来越多的设备生产商，到现在，Linux 已经成为世界主流的嵌入式操作系统。 13根据 IDC 报告指出，Linux 已经成为世界第二大操作系统。并且每年以高于 25%的速度增长，再加上基于 Linux 的变种体，如实时性能较强的 RTLinux、RTAI，Kurt 和Linux/RK，能在没有 MMU 处理器上运行的 CLinux ，更是把 Linux 的应用领域扩展到了工业控制和军事工业以及航空工业。4.1.3 VxWorksVxWorks 是 WindRiver 公司专门为实时系统而设计的一款优秀的实时操作系统。VxWorks 以其超微小的内核提供了实时任务调度、中断管理、任务间通信等功能。由于 WindRiver 已经为 VxWorks 作了大量的优化工作，其优异的性能和稳定的特点使得程序员只要专心编写应用程序，根本不需要去关心系统内核的管理。除此之外，VxWorks 具备完善的网络通信，文件系统等模块，可以应用到各种不同的场合。下面罗列了 VxWorks 的一些主要特点：(1)任务间通信机制(2)网络协议(3)文件系统(4)I/O 管理(5)超微小内核(6)POSIX 标准实时扩展(7)支持 C+语言4.1.4 C/OSC/OS 是由美国的 Jean J.Labrosse 编写的一个小型实时操作系统。该系统从 1992年开始至今，已经发展到了第二个版本 C/OS II。C/OS 的特点是：公开源码，内核简洁，可移植性好，可裁剪，可固化，抢占式内核，可以管理 60 多个任务。该系统主要用于教育研究，和一些简单的控制系统应用。4.2 常用的嵌入式处理器4.2.1 ARMARM(Advanced RISC Machines)公司是英国一家 CPU 核设计商，它本身并不生产CPU，而是设计出 CPU 以 IP 核的方式授权给其他公司生产。ARM 处理器目前主要包括 ARM7，ARM9，ARM10，ARM11 以及 Cortex 和 SecurCore 系列。ARM 公司推出的嵌入式处理器几乎含盖了所有层次的处理器，主频也从 50MHz 到 1GHz 不等。到目前为此，ARM 处理器已经成为嵌入式领域的神话，其市场份额高达 80%以上，应用范围涉及手机，端终，控制，家电等等。 144.2.2 MIPSMIPS（Microprocessor whithout Interlocked Pipeline Stages）是一种处理器内核标准，它由 MIPS 技术公司开发拟定的。MIPS 技术公司是一家设计制造高性能、高档次的嵌入式 32 位和 64 位处理器开发商，在 RISC 处理器领域占有很重要的地位。 2000 年，MIPS 公司发布了针对 MIPS 32 4 Kc 的新版本以及未来 64 位 MIPS 64 20 Kc 处理器内核。MIPS 技术公司既开发 MIPS 处理器构架，又自己生产基于 MIPS 的 32/64 位处理器芯片。为了使用户更加方便地应用 MIPS 处理器，MIPS 公司推出了一套集成开发工具，称为 MIPS IDF（Integrated Development Framework）,大大的降低了开发的难度。4.2.3 PowerPC Power PC 构架的主要特点是可伸缩性好，方便灵活。Power PC 处理器品种很多，既有通用的处理器，又有嵌入式控制器和内核，应用范围非常广泛，从高端的工作站、服务器到个人 PC，从消费类电子产品到大型通信设备等各个方面。目前 Power PC 独立微处理器与嵌入式处理器的主频从 25MHz700MHz 之间，它们的功耗，尺寸，价格相差比较大，主要的产品模块有 Power PC 750 CX 和 750 CXe，以及 Power PC 440GP，用于嵌入式系统的有 Power PC405 和 Power PC 440。Power PC 的嵌入式处理器常用于通信，金融和其他终端设备。 155 ARM 处理器5.1 ARM 构架特点5.1.1 ARM 的特点ARM 主要特点：体积小、低功耗、低成本、高性能。支持 16 位 Thumb 和 32 位 ARM 指令，Thumb 指令可以减少大约 30%40%的代码大小，具有更高的代码密度，大量使用寄存器，指令运行速度更快，ARM 共有 37 个 32 位寄存器，被分为若干组，其中：-31 个通用寄存器，包括程序计数器（PC）-6 个状态寄存器，用以标志 CPU 的工作状态和运行状态等大多数的数据操作都在寄存器中完成，寻址方式灵活简单，执行效率高指令长度固定 Load/Store 加载/存储指令实批量数据传输，大大的提高了执行效率。5.1.2 ARM 的模式为了加强系统的安全性和对时间的响应，ARM 设计了 7 种系统模式，以适应于不同的场合。例如，在时间要求比较严格的时候，可以进入 fiq 模式对事件进行响应，可以减少响应时间。而在多任务操作系统下，可以使用用户模式和系统模式来加强系统的安全。ARM 七种模式如下：(1)用户模式（usr）(2)快速中断（fiq）(3)外部中断（irq）(4)管理模式（svc）(5)数据访问中止模式（obt）(6)系统模式（sys ）(7)未定义指令中止模式（und）5.1.3 ARM 的状态ARM 具有两种不同的工作状态：ARM 状态和 THUMB 状态，通常，ARM 在上电默认是 ARM 状态，如要切换到 THUMB 状态，常用的方法是使用 BX 跳转指令。特别注意的是，在所有的异常模式中，都必须是在 ARM 状态下实现的，这是 ARM 固有的特点，不需要用户的干涉。5.1.4 ARM 寄存器映射 16ARM 拥有多达 37 个寄存器，这些寄存器在不同的模式下不尽相同。对于一些时间要求比较严谨的场合，需要系统作出相当快的响应以确保安全，这时候，往往要立即执行紧急事件，通常的解决方法是使用 Fiq（快中断），以保证响应时间。怎么让事件更快速的响应呢？方法就是减少现场保护的时间，ARM 的 Fiq 设计不需要进行现场保护，因为在 Fiq 模式下，它拥有独立的寄存器，不会影响中断前的任何寄存器状态，从而大大的加快了响应速度。这也是 ARM 寄存器多的原因之一。同样的道理，在其他相应的模式下，它们对应的寄存数目也是有其特殊意义的。ARM 寄存器映射如图 5.1 ARM 寄存器映射所示： 17图 5.1 ARM 寄存器映射5.1.5 ARM 寻址方式为了提高代码的执行效率，ARM 提供了多种寻址方式，一方面，可以减少代码的编写量，另一方面提高了代码密度。尤其是 ARM 的多寄存器寻址和条件执行的特点，使得程序变得更加优化。ARM 支持的寻址方式如下：(1)立即数寻址(2)寄存器寻
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