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時(shí)間：2023-06-01 08:56:11
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中圖分類號(hào)：TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2012）12-0104-01
1、序言
本系統(tǒng)是設(shè)計(jì)一款基于ARM的嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái)，該嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái)是基于AT91SAM9263（基于ARM926EJ-S芯核）的嵌入式系統(tǒng)，可以在此系統(tǒng)上運(yùn)行嵌入式操作系統(tǒng)，并在上運(yùn)行嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)、人機(jī)窗口等應(yīng)用程序，此系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分，本文主要介紹硬件部分。
2、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)硬件由核心板和母板組成，核心板將系統(tǒng)擴(kuò)展可能用到的總線都引出來(lái)，與母板之間通過(guò)針形接插件連接，為以后產(chǎn)品開(kāi)發(fā)提供了穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)而又方便的平臺(tái)，此種設(shè)計(jì)的好處，其一把高速和低速分開(kāi)，降低了硬件之間的干擾，提高了穩(wěn)定性。其二是當(dāng)系統(tǒng)需要擴(kuò)展某些特殊接口時(shí)，則只需要對(duì)母板進(jìn)行修改，縮短了開(kāi)發(fā)周期。
其中核心板設(shè)計(jì)這部分是任何一個(gè)ARM系統(tǒng)要正常運(yùn)行所必備的電路，因此稱為核心板，這些基礎(chǔ)電路，包括存貯程序用的Flash存貯器，運(yùn)行程序和緩沖數(shù)據(jù)所必須的SDRAM、復(fù)位模塊、時(shí)鐘模塊、JTAG接口等。這部分電路集中在較小空間里，因此相對(duì)比較密集，而且這部分的信號(hào)是超高速信號(hào)，且電路的設(shè)計(jì)要求比較高，所以核心板采用購(gòu)買成熟的核心板。
系統(tǒng)母板設(shè)計(jì)了大部分的電路，因?yàn)槟０迳系男盘?hào)都是低速信號(hào)，所以從成本角度考慮，母板采用二層電路板設(shè)計(jì)，其主要電路包括了電源部分、USB接口部分、串口及10/100M以太網(wǎng)接口、LCD接口、CAN總線以及底板與核心板之間通過(guò)針形接插件相連的接口等，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。
下面將分模塊介紹電路原理。
2.1 串行接口電路設(shè)計(jì)
系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)RS-232、RS-485接口，方便與其他設(shè)備通信。具體的電路采用MAX3232作為電平轉(zhuǎn)換芯片，它本身提供兩組驅(qū)動(dòng)器和接收器，并接有數(shù)字隔離器ADuM1201，此芯片提供了兩個(gè)信道的通道，具體電路如圖2。
系統(tǒng)的RS-485串行接口，是由ADM2483來(lái)實(shí)現(xiàn)，ADM2483本身是帶有隔離的高速RS-485轉(zhuǎn)換器，不需要其它額外的電路。
2.2 以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì)
系統(tǒng)選用DM9161作為以太網(wǎng)的接口芯片，因?yàn)橄到y(tǒng)工作在100BASE-TX模式下，所以選擇RMII作為DM9161與AT91SAM9263的接口模式，具體電路如圖3所示。
2.3 CAN接口電路設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)的CAN總線接口的實(shí)現(xiàn)，是通過(guò)外接CAN收發(fā)器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，系統(tǒng)選用的是MCP2551作為系統(tǒng)的收發(fā)器，其特點(diǎn)是有差分發(fā)射和接收能力，自動(dòng)檢測(cè)TXD輸入端接地錯(cuò)誤及較強(qiáng)的抗噪聲特性。
3、結(jié)語(yǔ)
本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了基于ARM系統(tǒng)的嵌入式硬件平臺(tái)，在此之上可以提供各種實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，從而構(gòu)成一個(gè)完整的平臺(tái)，其硬件部分電路已經(jīng)進(jìn)行了信號(hào)完整性分析具有一定的可靠性。
參考文獻(xiàn)
關(guān)鍵詞：
公交清洗小車；嵌入式系統(tǒng)；超聲波測(cè)距；平臺(tái)升降控制
0引言
為解決公交車的高效便捷清洗問(wèn)題，青島理工大學(xué)韓旭東教授的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一款“垂直滾筒式公交清洗小車”[1]。但在該設(shè)計(jì)中，僅對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)與工作原理做了介紹，缺少相關(guān)的控制電路與控制程序的設(shè)計(jì)，給清洗小車的使用帶來(lái)了極大的不便。本文在原產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，針對(duì)小車與公交車之間距離的控制不準(zhǔn)確的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了超聲波測(cè)距系統(tǒng)；針對(duì)平臺(tái)升降控制不方便的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了手動(dòng)/自動(dòng)雙模平臺(tái)升降控制系統(tǒng)。有效地提高了該產(chǎn)品的實(shí)用性，完善了該產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。
1超聲波測(cè)距系統(tǒng)
1.1設(shè)計(jì)目的
清洗小車由人力推動(dòng)并控制方向，但由于路面不平，人力控制精度有限，會(huì)使小車與公交車車體間的距離發(fā)生改變，距離過(guò)近會(huì)使?jié)L筒擠壓車體表面，阻礙滾筒旋轉(zhuǎn)；距離過(guò)遠(yuǎn)，則會(huì)使?jié)L筒毛刷與車體表面間間隙過(guò)大，影響清洗效果。需要一套測(cè)距系統(tǒng)使小車與公交車車體間的距離始終保持在一個(gè)合理范圍之內(nèi)。
1.2測(cè)距方式的選擇
超聲波測(cè)距是利用機(jī)械波反射來(lái)測(cè)量距離，適用于短距離測(cè)距，原理簡(jiǎn)單，成本低，遠(yuǎn)距離測(cè)量精度較低。公交清洗小車的使用環(huán)境比較復(fù)雜，對(duì)測(cè)距系統(tǒng)的精度要求不高，測(cè)量的距離在1～2m，且要求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、性能穩(wěn)定。根據(jù)需要和集中測(cè)距方式的特點(diǎn)，本文選擇超聲波測(cè)距方式。
1.3超聲波測(cè)距原理
超聲波在均勻介質(zhì)中的傳輸速度為一恒定值，由發(fā)生器發(fā)射超聲波，在遇到測(cè)量目標(biāo)后反射回來(lái)，由接收器接收并記錄由發(fā)射到接收經(jīng)歷的時(shí)間，便可以計(jì)算出發(fā)生器與測(cè)量目標(biāo)之間的距離[2]。公式如下：L=12C•Δt。式中：L為測(cè)量距離；C為超聲波在當(dāng)前介質(zhì)中的傳輸速度（空氣中常溫下速度為340m/s）；Δt為從發(fā)射到接收經(jīng)歷的時(shí)間。
1.4設(shè)計(jì)內(nèi)容
本文利用AT89C51單片機(jī)、HC-SR04超聲波測(cè)距模塊、LED燈組成了一個(gè)超聲波測(cè)距警報(bào)系統(tǒng)。當(dāng)距離過(guò)近時(shí)，指示距離過(guò)近的紅燈點(diǎn)亮；距離適中時(shí)，指示距離適中的綠燈點(diǎn)亮；當(dāng)距離過(guò)遠(yuǎn)時(shí)，指示距離過(guò)遠(yuǎn)的紅燈點(diǎn)亮。工作人員可以根據(jù)燈光指示調(diào)整小車位置，使之與車體表面間的距離保持在一個(gè)合理范圍。1.4.1HC-SR04超聲波測(cè)距模塊工作原理本文所采用的HC-SR04超聲波測(cè)距模塊，具有成本低、體積小、精度高、使用簡(jiǎn)單方便等優(yōu)點(diǎn)，其基本工作原理為：1)采用I/O口TRIG觸發(fā)測(cè)距，提供至少10μs的高電平信號(hào);2)模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40kHz的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回；3)有信號(hào)返回，通過(guò)I/O口ECHO輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間[3]。1.4.2程序控制過(guò)程利用AT89C51單片機(jī)自帶的定時(shí)計(jì)數(shù)器資源，通過(guò)I/O口給超聲波模塊一個(gè)發(fā)射信號(hào)并開(kāi)始計(jì)時(shí)，當(dāng)收到超聲波模塊的反饋信號(hào)時(shí)，結(jié)束計(jì)時(shí)并計(jì)算距離。
2手動(dòng)/自動(dòng)雙模平臺(tái)升降控制系統(tǒng)
2.1設(shè)計(jì)目的
現(xiàn)行大多數(shù)公交車的高度在3m左右，為能夠確保清洗整個(gè)車體表面，原產(chǎn)品采用雙絲杠旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)平臺(tái)升降的設(shè)計(jì)，并利用直流電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生動(dòng)力。為方便用戶使用，能夠快捷高效操作平臺(tái)升降，提高清洗效率，本文設(shè)計(jì)了一套手動(dòng)/自動(dòng)雙模平臺(tái)升降控制系統(tǒng)。
2.2設(shè)計(jì)內(nèi)容
根據(jù)計(jì)算，清洗平臺(tái)需調(diào)整2次高度才可將車體表面清洗完畢，為了方便工作人員操作，本文設(shè)計(jì)了手動(dòng)/自動(dòng)雙?？刂葡到y(tǒng)。該系統(tǒng)采用AT89C51單片機(jī)，配合L289直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，通過(guò)控制電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的升降，設(shè)計(jì)原理圖見(jiàn)圖4[5]。操作過(guò)程為：?jiǎn)?dòng)系統(tǒng)后，在自動(dòng)模式下，按UP鍵，平臺(tái)會(huì)上升一個(gè)固定高度；按DOWN鍵，平臺(tái)會(huì)下降一個(gè)固定高度。該高度值是為實(shí)現(xiàn)最高清洗效率，以3m高的車身為標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)優(yōu)化計(jì)算得出的最適高度。因?yàn)楣卉嚨男吞?hào)差異，車身高度也各不相同，所以為滿足實(shí)際使用要求，我們又設(shè)計(jì)了手動(dòng)控制模式。在手動(dòng)模式下，按住UP鍵，平臺(tái)會(huì)上升，松開(kāi)立即停止；按住DOWN鍵，平臺(tái)會(huì)下降，松開(kāi)立即停止。為防止工作人員誤操作，本文增加了按鍵防抖動(dòng)延遲，防止工作人員誤觸按鍵；如果UP和DOWN鍵同時(shí)按下，則電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，直至其中一個(gè)按鍵松開(kāi)。
軟件的革命
近年行業(yè)中最大的變化是低成本微處理器的運(yùn)用。微處理器最初用于實(shí)現(xiàn)計(jì)算器，然后用于個(gè)人電腦。由于具有動(dòng)態(tài)重新配置特點(diǎn)，它們?nèi)〈嗽S多硬連接數(shù)字系統(tǒng)電路，將真實(shí)的“嵌入人工智能”帶入先前“笨拙”的器件中。
微處理器成功的關(guān)鍵不在于器件本身，而在于它讓工程師們將重要的設(shè)計(jì)難題從硬連接環(huán)境轉(zhuǎn)換為“軟”領(lǐng)域的能力。板級(jí)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)繼續(xù)使用熟悉的“硬連接、現(xiàn)用器件”模式，但是平臺(tái)中的產(chǎn)品特性或智能的開(kāi)發(fā)可以為“軟件”。使用這種基于平臺(tái)的方法，制造相同物理硬件的風(fēng)險(xiǎn)大大降低了，因?yàn)闃?gòu)建硬件后還可以修改其特性。
微處理器最初作為一種高效的可升級(jí)工具，現(xiàn)在最終改寫了電子器件的規(guī)則。它不再滿足于價(jià)格便宜、性能可靠、工作效率高，現(xiàn)在的電子器件需要“智能”。
將軟設(shè)計(jì)提升一個(gè)水平
FPGA本身是一個(gè)膠合邏輯應(yīng)用，要超出這一應(yīng)用需要更廣闊的視野，包括充分利用可編程器件，把盡可能多的硬件引入到軟領(lǐng)域之中。這包括引入處理器功能本身，目前FPGA內(nèi)的軟處理器越來(lái)越普通。
根本上說(shuō)，引入基于FPGA實(shí)現(xiàn)的軟處理器結(jié)構(gòu)靈活、板卡尺寸更小、更簡(jiǎn)單。但深層次的應(yīng)用會(huì)帶來(lái)更引人注目的優(yōu)點(diǎn)。嵌入式開(kāi)發(fā)人員利用了FPGA的可編程特性獲得處理器頂層的抽象級(jí)別。不僅能在軟件中實(shí)現(xiàn)抽象級(jí)設(shè)計(jì)，而且也在硬件中實(shí)現(xiàn)抽象級(jí)設(shè)計(jì)。
考慮這樣一個(gè)系統(tǒng)：處理器通過(guò)可配置的硬件(本質(zhì)上是一個(gè)硬件包)與其內(nèi)存和外設(shè)連接。這就抽象了處理器的接口。簡(jiǎn)單地對(duì)FPGA重新編程就改變了硬件包，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師可以輕易改變處理器內(nèi)核，甚至在硬的或軟的處理器間轉(zhuǎn)換，無(wú)需修改其他系統(tǒng)硬件。從系統(tǒng)角度來(lái)看所有處理器都是相似的，簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)流程。當(dāng)然，把這延伸到應(yīng)用軟件領(lǐng)域也需要可以在處理器之間提供C級(jí)別兼容性的編譯器。
這種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是不需要“事先”對(duì)處理器做出選擇。系統(tǒng)可能使用某種處理器開(kāi)發(fā)，如果在開(kāi)發(fā)階段發(fā)現(xiàn)需要更高的性能，則可再采用更快的器件。處理器可以是軟的、硬的甚至是FPGA內(nèi)部的硬件處理器內(nèi)核，而不會(huì)影像周圍的硬件。
在這個(gè)方案中，F(xiàn)PGA成為有效的系統(tǒng)互連結(jié)構(gòu)，可為嵌入式系統(tǒng)的所有部件提供通用的連接性。
最后，在處理器之上引入透明的包裹層會(huì)創(chuàng)建出基于FPGA的開(kāi)發(fā)環(huán)境，提供真正的處理器獨(dú)立性。軟件和硬件開(kāi)發(fā)速度都提高了，處理器選擇可放到設(shè)計(jì)后期進(jìn)行，有效的軟件／硬件協(xié)同設(shè)計(jì)成為可能。
傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的失敗
關(guān)鍵一點(diǎn)是它導(dǎo)致了設(shè)計(jì)流程復(fù)雜性和相互依賴程度的增加。隨著更多設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)入“軟”平臺(tái)，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域如硬件、軟件和FPGA間的界限越來(lái)越模糊。采用不同工具獨(dú)立處理這些設(shè)計(jì)元素變得越來(lái)越困難且效率低下。
在單個(gè)流程中轉(zhuǎn)入到更高抽象級(jí)別可處理特定的復(fù)雜度問(wèn)題。當(dāng)然，最終這些單個(gè)的設(shè)計(jì)元素必須集成在一起創(chuàng)建一個(gè)最終產(chǎn)品，但每個(gè)組件的專業(yè)化程度的增加導(dǎo)致最終產(chǎn)品更難裝配。這將消耗大量設(shè)計(jì)時(shí)間并最終妨礙產(chǎn)品創(chuàng)新。
在本質(zhì)上，與此相承的單點(diǎn)式工具電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法已是昨日黃花。產(chǎn)品開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)面臨保持市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的壓力，因此不斷尋求新途徑來(lái)更快速地將更高級(jí)智能的設(shè)計(jì)推向市場(chǎng)，同時(shí)處理整個(gè)設(shè)計(jì)流程中不斷增加的設(shè)計(jì)復(fù)雜性。
硬件設(shè)計(jì)軟件化
隨著最近FPGA技術(shù)的發(fā)展，分析專家認(rèn)為我們正處于電子設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)型中。FPGA剛一面世，就達(dá)到了這些器件的價(jià)格／容量曲線分水嶺。它們能提供ASIC的許多好處，而無(wú)需高昂的成本和長(zhǎng)期的開(kāi)發(fā)周期。
這些器件內(nèi)在的可重新編程特性大量削減了設(shè)計(jì)時(shí)間，帶來(lái)了現(xiàn)場(chǎng)硬件升級(jí)的可能性。然而，要充分利用可編程硬件的潛力，工程師需要能在更廣的設(shè)計(jì)流程中發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢(shì)的工具。
在對(duì)大型FPGA進(jìn)行板級(jí)布線時(shí)，智能的管腳輸出流程自動(dòng)化要求PCB設(shè)計(jì)編輯器十分了解目標(biāo)FPGA器件的物理特性和功能，及FPGA設(shè)計(jì)師施加的優(yōu)先約束條件，同時(shí)也需要FPGA和PCB設(shè)計(jì)環(huán)境間的緊密聯(lián)系，以便迅速重復(fù)FPGA和PCB級(jí)設(shè)計(jì)間的約束，達(dá)到優(yōu)化方案，平衡FPGA內(nèi)的時(shí)間需求和板卡可布線問(wèn)題。
一體化的設(shè)計(jì)環(huán)境
諸如FPGA這樣的可編程技術(shù)的真正潛力在于其不再區(qū)分硬件和軟件。隨著我們不斷利用該潛力，硬件、軟件和可編程硬件的設(shè)計(jì)就不斷融合。從設(shè)計(jì)工具角度來(lái)看，這一融合將驅(qū)動(dòng)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)工具邊界間的自動(dòng)流程需求。要成功做到這點(diǎn)需要的不僅是不同設(shè)計(jì)工具集表面的集成，而是要涉及到所有不同設(shè)計(jì)環(huán)境的完整統(tǒng)。
Altium在Altium Designer系統(tǒng)中體現(xiàn)了這一必然要求。AltiumDesigner提供單一、統(tǒng)一的環(huán)境，把PCB級(jí)的硬件設(shè)計(jì)、可編程邏輯設(shè)計(jì)和嵌入式軟件開(kāi)發(fā)集成在一起。這樣工程師、設(shè)計(jì)師和開(kāi)發(fā)人員就能充分利用可編程硬件的特點(diǎn)創(chuàng)造更加智能的電子產(chǎn)品，而不用考慮其FPGA水平如何。
統(tǒng)一的硬件設(shè)計(jì)框架
Altium Designer中實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)。它將硬件和軟件開(kāi)發(fā)統(tǒng)一在平臺(tái)內(nèi)，從而加快了軟件／硬件共同設(shè)計(jì)的進(jìn)程。Altium De-signer的根本需求是開(kāi)發(fā)人員能方便一致地操作分立和基于FPGA的“軟”硬件。這通過(guò)把傳統(tǒng)HDL方法轉(zhuǎn)為FPGA設(shè)計(jì)，并將現(xiàn)成易用的、基于組件的設(shè)計(jì)用于可編程器件來(lái)實(shí)現(xiàn)。在這種環(huán)境下，使用描述板級(jí)電路相同的方法和語(yǔ)言來(lái)描述FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)組件。
在開(kāi)發(fā)時(shí)使用預(yù)先合成的邏輯塊(元件)而不是基于HDL的源庫(kù)，具有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：首先，在硬件綜合時(shí)把塊視為“黑盒”，從而加快進(jìn)程的處理；第二，與板級(jí)的分立組件的使用一樣，在無(wú)需了解底層的代碼結(jié)構(gòu)的情況下，基于FPGA的組件塊即可被使用。盡管，組件背后的原理很復(fù)雜，但設(shè)計(jì)者只需要知道基本的功能即可。
開(kāi)發(fā)電子產(chǎn)品，提供當(dāng)今市場(chǎng)上真正的差異化產(chǎn)品，其根本在于利用可編程器件，以軟件和“軟”硬件的形式為嵌入智能提供一個(gè)可重構(gòu)的平臺(tái)。這需要有一個(gè)統(tǒng)一硬件、軟件和可編程硬件設(shè)計(jì)的系統(tǒng)和可重構(gòu)的平臺(tái)，支持軟設(shè)計(jì)模式帶來(lái)的開(kāi)發(fā)自由。
近年來(lái)，視頻監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)遍布人們生活的各個(gè)角落，廣泛應(yīng)用于交通、電力、銀行、商場(chǎng)等場(chǎng)所，在維護(hù)社會(huì)秩序方面起到了一定作用。然而，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，一種基于嵌入式技術(shù)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)逐漸取代傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的目的是強(qiáng)化其應(yīng)用性，適用范圍更廣，通過(guò)對(duì)視頻流進(jìn)行編碼、壓縮，可經(jīng)過(guò)互聯(lián)網(wǎng)在獲得授權(quán)的數(shù)字終端上觀看視頻。
1 嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)的框架
為達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的，設(shè)計(jì)人員將用于錄像的攝像頭放置于被監(jiān)控點(diǎn)附近，通過(guò)視頻線纜將圖象傳送至監(jiān)控室。因此，嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)包括服務(wù)器端與客戶端兩大部分，服務(wù)器端的組成有硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)、嵌入式計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)（以Linux為主）、應(yīng)用層軟件、視頻采集卡、無(wú)線傳輸模塊，客戶端則由計(jì)算機(jī)、操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件組成，嵌入式系統(tǒng)的框架如圖1所示。
服務(wù)器端是嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)的核心，其硬件核心是嵌入式微處理器，結(jié)合多種外設(shè)（攝像頭、無(wú)線網(wǎng)卡等），為客戶端提供圖像資源?？蛻舳藙t是將服務(wù)器端編碼、壓縮處理后的視頻進(jìn)行解碼，并通過(guò)顯示器播放視頻圖像。基于無(wú)線傳輸與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了視頻的遠(yuǎn)距離傳輸、控制，這解決了嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)在大面積假設(shè)過(guò)程中的布線問(wèn)題。
2 嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)
根據(jù)嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)的組成，在設(shè)計(jì)相關(guān)應(yīng)用軟件時(shí)，需要分別考慮服務(wù)端軟件與客戶端軟件的不同，通過(guò)軟件設(shè)計(jì)流程圖對(duì)比，不同組成部分的軟件設(shè)計(jì)思想存在明顯差異。
由此可以看出，服務(wù)器端應(yīng)用軟件與客戶端應(yīng)用軟件之間是相互關(guān)聯(lián)的，服務(wù)器端所采集到的視頻數(shù)據(jù)需要在客戶端應(yīng)用軟件發(fā)出請(qǐng)求后進(jìn)行傳輸。基于視頻處理方式的不同，服務(wù)器端應(yīng)用軟件主要實(shí)現(xiàn)的視頻信號(hào)的壓縮、編碼，而客戶端應(yīng)用軟件則是對(duì)受到的視頻信號(hào)進(jìn)行解壓、解碼，并在顯示器上進(jìn)行播放。
2.1 服務(wù)器端應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)思想
根據(jù)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)際需要，服務(wù)器端需具備多線程任務(wù)處理能力，其中有3個(gè)線程需要占用一定的系統(tǒng)資源，分別為主線程、視頻信號(hào)采集線程、視頻信號(hào)發(fā)送線程。其中，主線程的任務(wù)是對(duì)系統(tǒng)外設(shè)進(jìn)行初始化，保證參數(shù)設(shè)置的正確性。視頻信號(hào)采集線程則負(fù)責(zé)將攝像頭錄制的視頻信號(hào)采集至視頻信號(hào)緩存區(qū)，同時(shí)經(jīng)過(guò)視頻采集卡完成視頻的壓縮、編碼過(guò)程。視頻信號(hào)發(fā)送線程則將位于緩存區(qū)的視頻信號(hào)通過(guò)制定接口對(duì)外發(fā)送，這一過(guò)程的結(jié)束則意味著服務(wù)器端的主要任務(wù)完成。
2.2 客戶端應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)
與服務(wù)器端相類似，嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)的客戶端軟件依然需要同時(shí)運(yùn)行多個(gè)線程，其中主要包括主線程、視頻信號(hào)接收線程和視頻信號(hào)解碼顯示線程。在客戶端通電之后，客戶端程序開(kāi)始運(yùn)行，完成相關(guān)配置的初始化過(guò)程，主線程保證客戶端軟件的正常工作，避免大數(shù)據(jù)流下導(dǎo)致的軟件崩潰，當(dāng)主線程向服務(wù)器端發(fā)送視頻信號(hào)請(qǐng)求線程后，視頻信號(hào)接受線程開(kāi)始工作，將接收到的視頻信號(hào)交由視頻信號(hào)解碼顯示線程，最終將視頻信號(hào)投放在顯示器上。在此過(guò)程中，客戶端應(yīng)用軟件需要調(diào)用recvform（）不斷接受服務(wù)器端發(fā)送來(lái)的UDP數(shù)據(jù)包，此類數(shù)據(jù)包被存放于客戶端計(jì)算機(jī)的緩存區(qū)，并按照一定的順序進(jìn)行排列，以便于下一步的MJPEG解碼過(guò)程，解碼后的視頻通過(guò)調(diào)用SDL進(jìn)行播放。
3 嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)測(cè)試
為保證系統(tǒng)測(cè)試的準(zhǔn)確性，關(guān)于嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)的測(cè)試一般選擇有線傳輸和無(wú)線傳輸兩種模式，從使用的角度看，基于無(wú)線傳輸技術(shù)的嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)將成為未來(lái)發(fā)展的主流，所以，這里以無(wú)線傳輸模式下的嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)為例。
首先，在對(duì)嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試之前，需要記錄服務(wù)器端與客戶端的IP地址；其次，檢測(cè)檢查客戶端應(yīng)用軟件對(duì)攝像頭的控制命令；再次，在視頻監(jiān)控系統(tǒng)客戶端的控制矩陣上對(duì)顯示畫面進(jìn)行選擇性切換，檢查切換畫面是否正確；最后，將已經(jīng)保存的錄像進(jìn)行拷貝，檢查該錄像能否通過(guò)解碼在其它客戶端上播放。
檢查視頻錄像保存結(jié)果的主要原因在于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸環(huán)境的不穩(wěn)定性所帶來(lái)的數(shù)據(jù)包丟失問(wèn)題，視頻傳輸過(guò)程中的數(shù)據(jù)包丟失較為普遍，然而，如果出現(xiàn)連續(xù)性的數(shù)據(jù)包丟失，則會(huì)導(dǎo)致視頻播放錯(cuò)誤。以在無(wú)線傳輸環(huán)境下的視頻監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試為例，具體如表1所示。
由此可見(jiàn)，無(wú)線傳輸環(huán)境下的嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)的信號(hào)傳輸依然保持了較高的穩(wěn)定性，丟包率維持在較低水平，四次測(cè)試的丟包率分別為0.0932%、0%、0.15%和0.181%，平均丟包率為0.1065%。
在畫質(zhì)方面，由于無(wú)線傳輸模式通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，相比較有線傳輸模式，無(wú)線傳輸模式下的嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)畫質(zhì)較好。導(dǎo)致這種情況的主要原因是有線傳輸模式存在能量的衰減，在無(wú)信號(hào)放大器的情況下，隨著服務(wù)器端與客戶端的距離增加，圖像質(zhì)量將不斷下降。
總的來(lái)說(shuō)，嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性較以往有所提高，無(wú)線傳輸技術(shù)的使用，在降低嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本的同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了對(duì)嵌入式技術(shù)的有效利用，推動(dòng)了嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)在社會(huì)各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。
4 總結(jié)
嵌入式技術(shù)的廣泛使用，現(xiàn)了視頻監(jiān)控系統(tǒng)的小型化、節(jié)能化和低成本化，這對(duì)于視頻監(jiān)控系統(tǒng)的推廣應(yīng)用有著積極意義。通過(guò)不斷完善嵌入式視頻系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)具有多種功能的應(yīng)用軟件，使嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)同時(shí)具有便攜性與靈活性的特點(diǎn)，結(jié)合無(wú)線傳輸技術(shù)，使視頻監(jiān)控系統(tǒng)真正擺脫遠(yuǎn)距離傳輸信號(hào)質(zhì)量差、成本高等一系列問(wèn)題。
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作者簡(jiǎn)介
中圖分類號(hào)：TP311
嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，并且軟硬件可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有著本質(zhì)上的不同，嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在很多情況下需要考慮的是為其產(chǎn)品性能，生命周期和商業(yè)驅(qū)動(dòng)做優(yōu)化，而不是努力提高其最大計(jì)算吞吐量。對(duì)于一個(gè)有市場(chǎng)適應(yīng)能力的嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，產(chǎn)品的成功與否更重要的是其在性價(jià)比上的優(yōu)勢(shì)。
嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，并且軟硬件可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它一般由嵌入式微處理器、硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶的應(yīng)用程序等四個(gè)部分組成，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)其他設(shè)備的控制、監(jiān)視或管理等功能。嵌入式系統(tǒng)和具體應(yīng)用有機(jī)地結(jié)合在一起，它的升級(jí)換代也是和具體產(chǎn)品同步進(jìn)行，因此嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品一旦進(jìn)入市場(chǎng)，具有較長(zhǎng)的生命周期。
由于嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)自身功能和具體應(yīng)用環(huán)境的限制，其在設(shè)計(jì)技術(shù)上會(huì)面臨如下兩個(gè)方面的挑戰(zhàn)：
1 系統(tǒng)自身發(fā)展升級(jí)挑戰(zhàn)
應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大和用戶要求的逐漸提高推動(dòng)了嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)功能的升級(jí)，而在升級(jí)過(guò)程中，嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)作為系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的核心環(huán)節(jié)，無(wú)法避免的要面對(duì)來(lái)自整個(gè)系統(tǒng)的全面挑戰(zhàn)。
1.1 單片機(jī)向多模塊組合轉(zhuǎn)變
隨著用戶對(duì)備選方案數(shù)量要求的提高，嵌入式系統(tǒng)從過(guò)去單一的單片機(jī)應(yīng)用模式，轉(zhuǎn)變?yōu)槟軌蛱峁└嗖煌瑢哟畏桨傅亩鄻踊Ｊ?。通過(guò)重用和組合IP核構(gòu)件技術(shù)實(shí)現(xiàn)的片上SoC系統(tǒng)，是目前嵌入式系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)的最高形式。通過(guò)利用FPGA和IP模塊進(jìn)行功能組合PSoC/SOPC設(shè)計(jì)，徹底改變了過(guò)去單片機(jī)從底層全權(quán)包攬的單一設(shè)計(jì)局面。
1.2 對(duì)設(shè)計(jì)技術(shù)的要求更高
經(jīng)過(guò)幾年發(fā)展，目前高端嵌入式系統(tǒng)都是建立在RTOS基礎(chǔ)之上的，所以很多非計(jì)算機(jī)專業(yè)技術(shù)人員就要學(xué)習(xí)全新的RTOS技術(shù)。這無(wú)疑是一次設(shè)計(jì)技術(shù)的重頭再來(lái)，需要設(shè)計(jì)人員做到從觀念認(rèn)識(shí)到設(shè)計(jì)技術(shù)的一次徹底轉(zhuǎn)變。
1.3 運(yùn)用新開(kāi)發(fā)工具進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)
嵌入式設(shè)計(jì)從8/16位轉(zhuǎn)向功能更強(qiáng)大的32位MCU，升級(jí)之后，開(kāi)發(fā)工具的投入就成為了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中最大的障礙。升級(jí)之后的開(kāi)發(fā)環(huán)境不僅加大了系統(tǒng)投資數(shù)目，對(duì)其使用的技術(shù)有了更高要求，其開(kāi)發(fā)工具較之前也有了更復(fù)雜的變化。使用新系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)時(shí)，如何正確選擇處理器架構(gòu)、評(píng)估嵌入式操作系統(tǒng)，以及使用陌生的開(kāi)發(fā)工具，都是一個(gè)新的挑戰(zhàn)。
1.4 多種技術(shù)協(xié)同設(shè)計(jì)
嵌入式系統(tǒng)對(duì)軟硬件的協(xié)同配合有著超高的要求，所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中，軟硬件設(shè)計(jì)的同步與集成是主要問(wèn)題。由于技術(shù)細(xì)節(jié)處的不斷增加，控制軟硬件一致性與正確性需要消耗極大的時(shí)間。目前業(yè)界已經(jīng)開(kāi)發(fā)Polis、CosYma及Chinook等多種方法和工具來(lái)支持集成式軟硬件的協(xié)同設(shè)計(jì)。這使得系統(tǒng)可以跨越硬件和軟件平臺(tái)復(fù)用，并支持設(shè)計(jì)空間探索。是一種統(tǒng)一軟硬件的開(kāi)發(fā)方法。
2 應(yīng)對(duì)市場(chǎng)的重點(diǎn)性能挑戰(zhàn)
嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)在滿足用戶多樣性需求和自身不斷升級(jí)方面的提升與完善是信息技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，但是其最根本的基礎(chǔ)性能提高則是市場(chǎng)判定該系統(tǒng)是否卓越，亙古不變的標(biāo)準(zhǔn)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，基礎(chǔ)性能設(shè)計(jì)的重點(diǎn)如下：
2.1 操作實(shí)時(shí)響應(yīng)
嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)嵌入到對(duì)象系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，嵌入系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)不僅要求得到正確的結(jié)果，更要滿足時(shí)間交互過(guò)程的響應(yīng)要求。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，有時(shí)需要要求設(shè)計(jì)技術(shù)按照軟件運(yùn)行最壞情況下的時(shí)間進(jìn)行預(yù)留，因?yàn)檐浖\(yùn)行耗費(fèi)的時(shí)間會(huì)立刻增加系統(tǒng)響應(yīng)的時(shí)間，致使系統(tǒng)不能滿足嵌入對(duì)象系統(tǒng)提出的響應(yīng)時(shí)間?！靶盘?hào)處理系統(tǒng)”、“緊急任務(wù)處理系統(tǒng)”就是典型的實(shí)時(shí)性要求很強(qiáng)的系統(tǒng)。
2.2 嵌入系統(tǒng)安全性
嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通常應(yīng)用于安全性很高的情況下，這就要求設(shè)計(jì)技術(shù)能夠保證系統(tǒng)極高的安全性能和可靠性能。
（1）可靠性能。嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的可靠性是衡量其設(shè)計(jì)技術(shù)的重要標(biāo)準(zhǔn)，它要求設(shè)計(jì)技術(shù)滿足增長(zhǎng)系統(tǒng)生命周期，拓寬系統(tǒng)適用范圍，減少系統(tǒng)中的錯(cuò)誤，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，甚至要降低嵌入式系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)用。為滿足如上諸多要求，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)該從工作溫度，抗震動(dòng)，抗電磁干擾，抗輻射等方面著手進(jìn)行全面加強(qiáng)。
（2）可用性能。嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為達(dá)到提供預(yù)期的功能要求提高系統(tǒng)的可靠性，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，通常需要采用故障避免、故障檢測(cè)與故障容錯(cuò)等設(shè)計(jì)技術(shù)。
（3）安全性能。嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的安全性，要求系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)盡量使系統(tǒng)能夠無(wú)錯(cuò)誤的完成預(yù)期功能，同時(shí)降低系統(tǒng)的危害程度，安全完成運(yùn)行任務(wù)。
（4）保密性能。保密性能在網(wǎng)絡(luò)嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中尤為重要。通過(guò)現(xiàn)有的保密技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)安全措施基本可以保證數(shù)據(jù)的安全，但也無(wú)法做到完全保證。這就需要我們通過(guò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)加入入侵檢測(cè)模塊來(lái)提升嵌入系統(tǒng)的保密性。使入侵模塊成為整個(gè)系統(tǒng)的最后防線，在系統(tǒng)遭受威脅或被攻擊后，通過(guò)分析攻擊行為，有效保護(hù)系統(tǒng)免受同樣攻擊。
通常在設(shè)計(jì)時(shí)，都是利用技術(shù)通過(guò)提高嵌入系統(tǒng)的抗入侵能力來(lái)提高保密性，在遭到入侵時(shí)，嵌入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能夠進(jìn)行安全的現(xiàn)場(chǎng)重編程及提供重建保護(hù)等。
3 結(jié)語(yǔ)
互聯(lián)網(wǎng)在日常生活與工作中的作用越來(lái)越大，信息技術(shù)的發(fā)展日益迅速。嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)作為當(dāng)今信息技術(shù)的核心部分，對(duì)我國(guó)的各行各業(yè)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)，則是嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的核心環(huán)節(jié)。更高的應(yīng)用需求，對(duì)嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)提出了更高的要求。與此同時(shí)，嵌入式系統(tǒng)本身的升級(jí)，也使得嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)面臨更大的挑戰(zhàn)。本文通過(guò)以上對(duì)嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)的幾點(diǎn)分析，主要分析了嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)為更好的適應(yīng)和滿足市場(chǎng)，而需要面對(duì)的諸多挑戰(zhàn)?？梢钥闯?，嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在市場(chǎng)上的需求日益增大，用戶的要求也在向多樣化和高標(biāo)準(zhǔn)的趨勢(shì)發(fā)展。這就要求系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)，一方面要不斷與時(shí)俱進(jìn)熟練掌握新升級(jí)技術(shù)，來(lái)適應(yīng)市場(chǎng)滿足多樣化需求；另一方面要保證系統(tǒng)基本的實(shí)時(shí)性與安全性。只有這樣抓牢基礎(chǔ)，不斷提高才能在當(dāng)今的信息化社會(huì)中站穩(wěn)腳跟，不會(huì)被市場(chǎng)淘汰。
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中圖分類號(hào)：TP336 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。其主要由嵌入式處理器、 相關(guān)支撐硬件、嵌入式操作系統(tǒng)及應(yīng)用軟件系統(tǒng)等組成。使用嵌入式系統(tǒng)技術(shù)，不僅可以實(shí)現(xiàn)硬件和軟件的集成優(yōu)化，而且具有多任務(wù)和網(wǎng)絡(luò)化功能。
嵌入式系統(tǒng)是將計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、電子技術(shù)與各個(gè)行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合后的產(chǎn)物 ,是一種技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識(shí)集成系統(tǒng)。
1嵌入式系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)
嵌入式系統(tǒng)由構(gòu)成軟件基本運(yùn)行環(huán)境的硬件和操作系統(tǒng)兩部分組成。其運(yùn)行環(huán)境和應(yīng)用場(chǎng)合決定了嵌入式系統(tǒng)有別于其它系統(tǒng)。
1.1嵌入式處理器
嵌入式處理器可以分為三類：嵌入式微控制器MCU、嵌入式微處理器MPU、嵌入式數(shù)字信號(hào)處理器DSP 。
嵌入式微控制器又稱為單片機(jī)，它將CPU、存儲(chǔ)器 、I/O接口封裝于同一片集成電路，常用的是以8051為內(nèi)核的各種單片機(jī)。嵌入式微處理器就是和通用計(jì)算機(jī)的微處理器對(duì)應(yīng)的CPU，應(yīng)用中一般將微處理器裝配在專門設(shè)計(jì)的電路板上，在母板上保留與嵌入式有關(guān)的功能，以滿足嵌入式系統(tǒng)體積小和功耗低的要求。嵌入式DSP專門用來(lái)對(duì)離散時(shí)間信號(hào)進(jìn)行高速處理 ，多用于數(shù)字濾波、FFT、圖像處理等領(lǐng)域 。
1.2微內(nèi)核結(jié)構(gòu)
多數(shù)嵌入式操作系統(tǒng)采用了微內(nèi)核結(jié)構(gòu)，內(nèi)核只提供基本的功能，如：任務(wù)的調(diào)度、任務(wù)之間的通信與同步、內(nèi)存管理、時(shí)鐘管理等。其它的應(yīng)用組件，如：網(wǎng)絡(luò)功能、文件系統(tǒng)、GUI系統(tǒng)等均工作在用戶態(tài)，以系統(tǒng)進(jìn)程或函數(shù)調(diào)用的方式工作。因而系統(tǒng)都是可裁減的，用戶可以根據(jù)自己的需要選用相應(yīng)的組件。
1.3任務(wù)調(diào)度
大多數(shù)的嵌入式操作系統(tǒng)支持多任務(wù)，依靠CPU在多個(gè)任務(wù)之間切換、調(diào)度，每個(gè)任務(wù)都有其優(yōu)先級(jí)。 任務(wù)的調(diào)度有三種方式：可搶占式調(diào)度、不可搶占式調(diào)度和時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度。多數(shù)嵌入式操作系統(tǒng)對(duì)不同優(yōu)先級(jí)的任務(wù)采用基于優(yōu)先級(jí)的搶占式調(diào)度法，對(duì)相同優(yōu)先級(jí)的任務(wù)則采用時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度法。
1.4硬實(shí)時(shí)和軟實(shí)時(shí)
對(duì)時(shí)間要求較高的嵌入式系統(tǒng)，稱為實(shí)時(shí)系統(tǒng)。實(shí)時(shí)系統(tǒng)分為軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)和硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)。軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)并不要求限定某一任務(wù)必須在一定的時(shí)間內(nèi)完成，只要求各任務(wù)運(yùn)行得越快越好；硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間有嚴(yán)格要求，一旦系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間不能滿足，就可能引起系統(tǒng)崩潰或致命的錯(cuò)誤。工業(yè)控制多采用硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)。
1.5內(nèi)存管理
多數(shù)嵌入式系統(tǒng)針對(duì)沒(méi)有內(nèi)存管理單元MMU的處理器設(shè)計(jì)，故不能采用虛擬內(nèi)存管理技術(shù),而是實(shí)存儲(chǔ)器管理策略。對(duì)內(nèi)存的訪問(wèn)是直接的，對(duì)地址的訪問(wèn)不需要經(jīng)過(guò)MMU，而是直接發(fā)送至地址線輸出，所有程序中訪問(wèn)的地址都是實(shí)際的物理地址。多數(shù)嵌入式操作系統(tǒng)對(duì)內(nèi)存空間沒(méi)有保護(hù)，各個(gè)進(jìn)程共享一個(gè)運(yùn)行空間。一個(gè)進(jìn)程在執(zhí)行前系統(tǒng)必須為它分配足夠的連續(xù)地址空間，然后全部載入主存儲(chǔ)器的連續(xù)空間。
2嵌入式系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)思路
從圖1可知，嵌入式系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)分成三個(gè)階段：分析、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。
（1）分析階段：確定要解決的問(wèn)題及需要完成的目標(biāo)；
（2）設(shè)計(jì)階段：主要解決如何在給定的約束條件下完成用戶的要求；
（3）實(shí)現(xiàn)階段：主要解決如何在所選擇的硬件和軟件的基礎(chǔ)上進(jìn)行整個(gè)軟、硬件系統(tǒng)的協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)。
嵌入式系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)包括：處理器、硬件部件、操作系統(tǒng)、編程語(yǔ)言、軟件開(kāi)發(fā)工具、硬件調(diào)試工具、軟件組件等內(nèi)容。
2.1建立硬件平臺(tái)
2.1.1選擇處理器
嵌入式處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心部件。目前全世界嵌入式處理器的品種總量已超過(guò)一千種，流行系列有三十多個(gè)，僅32位的CPU就有100種以上嵌入式微處理器。鑒于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的差異性很大，故而選擇是多樣化的。Motorola、Intel、AMD、ARM、MIPS等公司均生產(chǎn)微處理器，其中ARM是近年來(lái)在嵌入式系統(tǒng)有影響力的微處理器制造商。
選擇處理器時(shí)要考慮的主要因素有：
（1）處理性能
處理器的性能取決于時(shí)鐘頻率、內(nèi)部寄存器、指令是否對(duì)等處理所有的寄存器等多個(gè)因素。要選取能夠完成作業(yè)的處理器和I/O子系統(tǒng)，不在于挑選速度最快的處理器。
（2）技術(shù)指標(biāo)
許多嵌入式處理器都集成了設(shè)備的功能，減少了芯片的數(shù)量，降低了整個(gè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)費(fèi)用。首先考慮的是，系統(tǒng)所要求的一些硬件能否無(wú)需過(guò)多的膠合邏輯(GL，Glue Logic)就可以連接到處理器上。其次是考慮該處理器的一些支持芯片，如DMA控制器、內(nèi)存管理器、中斷控制器、串行設(shè)備、時(shí)鐘等的配套。
（3）功耗
嵌入式微處理器最大并且增長(zhǎng)最快的市場(chǎng)是手持設(shè)備、電子記事本、PDA、手機(jī)、GPS導(dǎo)航器、智能家電等消費(fèi)類電子產(chǎn)品。這些產(chǎn)品中選購(gòu)的微處理器典型的特點(diǎn)是要求高性能、低功耗，使用普通電池供電即可。若用于工業(yè)控制領(lǐng)域，則可不考慮這方面因數(shù)。
（4）軟件支持工具
較好的軟件開(kāi)發(fā)工具是必不可少的。 比如，交叉編譯器。
（5）內(nèi)置調(diào)試工具
處理器如果內(nèi)置調(diào)試工具，可以大大縮小調(diào)試周期，降低調(diào)試的難度。
（6）軟件對(duì)硬件的依賴性
軟件是否可以在硬件沒(méi)有到位的時(shí)候并行設(shè)計(jì)或先行開(kāi)發(fā)。
2.1.2盡量選擇普通硬件
在 CPU 及架構(gòu)的選擇上，總原則為：只要有可替代的方案，盡量不要選擇 Linux 尚不支持的硬件平臺(tái)。
2.2建立軟件平臺(tái)
嵌入式的軟件開(kāi)發(fā)主要為：代碼編程、交叉編譯、交叉連接、下載到目標(biāo)板和及調(diào)試等步驟，因此軟件平臺(tái)的選擇也涉及到以下幾個(gè)方面：低端無(wú)MMU(Memory Management Unit，存儲(chǔ)器管理單元)的CPU，要使用uClinux 操作系統(tǒng)；相對(duì)高端的硬件，則可以用普通的嵌入式 Linux 操作系統(tǒng)。
選擇操作系統(tǒng)應(yīng)考慮的因素：
（1）操作系統(tǒng)提供的開(kāi)發(fā)工具
有些實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)只支持該系統(tǒng)供應(yīng)商的開(kāi)發(fā)工具，因此，還必須向操作系統(tǒng)供應(yīng)商獲取編譯器、調(diào)試器等；而有些操作系統(tǒng)使用廣泛，且有第三方工具可用。
（2）操作系統(tǒng)向硬件接口移植的難度
操作系統(tǒng)到硬件的移植是關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)能否完成的一個(gè)關(guān)鍵因素。因此,要選擇那些可移植性程度高的操作系統(tǒng)，避免操作系統(tǒng)難以向硬件移植而帶來(lái)的種種困難，加速系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)進(jìn)度。
（3）操作系統(tǒng)的內(nèi)存要求
考慮是否需要擴(kuò)充RAM或EEPROM來(lái)滿足操作系統(tǒng)對(duì)內(nèi)存的需求。
（4）對(duì)操作系統(tǒng)的熟悉程度
（5）操作系統(tǒng)是否提供硬件的驅(qū)動(dòng)程序
（6）操作系統(tǒng)的可剪裁性
有些操作系統(tǒng)具有較強(qiáng)的可剪裁性，如嵌入式Linux、Tornado/VxWorks。
（7）操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能
2.3選擇編程語(yǔ)言
編程語(yǔ)言的選擇主要考慮以下因素：
（1）通用性
匯編語(yǔ)言不通用；
高級(jí)語(yǔ)言與具體機(jī)器的硬件結(jié)構(gòu)聯(lián)系較少，通用性較好。
（2）可移植性
匯編語(yǔ)言與具體的微處理器密切相關(guān)，移植性差；
高級(jí)語(yǔ)言對(duì)所有微處理器都是通用的，可移植性較好。
（3）執(zhí)行效率
匯編語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)，編程復(fù)雜、開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)；
越高級(jí)的語(yǔ)言，其編譯器和開(kāi)銷就越大，應(yīng)用程序就越大、越慢。
因此，必須在開(kāi)發(fā)時(shí)間和運(yùn)行性能間進(jìn)行權(quán)衡、取舍。
（4）可維護(hù)性
匯編語(yǔ)言可維護(hù)性不高；
高級(jí)語(yǔ)言程序通常采用模塊化設(shè)計(jì)，各個(gè)模塊之間的接口是固定的，模塊化設(shè)計(jì)便于系統(tǒng)功能的擴(kuò)充和升級(jí)。
應(yīng)用較多的高級(jí)語(yǔ)言有：Ada、C/C++、Modula-2和Java等。C語(yǔ)言具有廣泛的庫(kù)程序支持，目前在嵌入式系統(tǒng)中是應(yīng)用最廣泛的編程語(yǔ)言。
2.4集成開(kāi)發(fā)環(huán)境的選擇
集成開(kāi)發(fā)環(huán)境IDE(Integrated Development Environment)主要考慮以下因素：
（1）系統(tǒng)調(diào)試器的功能
系統(tǒng)調(diào)試及遠(yuǎn)程調(diào)試。
（2）支持庫(kù)函數(shù)
庫(kù)函數(shù)和模板代碼。
（3）編譯器是否能持續(xù)升級(jí)
（4）連接程序是否支持所有的文件格式和符號(hào)格式。
2.5選擇硬件調(diào)試工具
好的硬件調(diào)試工具會(huì)有事半功倍之效。常用的硬件調(diào)試工具有：
（1）實(shí)時(shí)在線仿真器ICE (In-Circuit Emulator)
ICE是一個(gè)可被控制的MCU。ICE支持常規(guī)的調(diào)試操作，如單步運(yùn)行、斷點(diǎn)、反匯編、內(nèi)存檢查、源程序級(jí)的調(diào)試等。
（2）邏輯分析儀
邏輯分析儀常用于硬件調(diào)試，亦可用于軟件調(diào)試，主要用于監(jiān)視系統(tǒng)總線的事件。
（3）ROM仿真器
ROM仿真器用于仿真ROM芯片。將程序下載到ROM仿真器中，然后調(diào)試目標(biāo)程序。
（4）在線調(diào)試OCD(On-Chip Debugging)或在線仿真(on-chip emulator)
2.6軟件組件的選擇
免費(fèi)軟件可靠性稍差；
授權(quán)軟件費(fèi)用一般較高，但經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的測(cè)試，可靠性高，調(diào)試時(shí)間短。
3結(jié)語(yǔ)
嵌入式技術(shù)是計(jì)算機(jī)發(fā)展的一個(gè)重要分支，其設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、應(yīng)用是一個(gè)長(zhǎng)期的課題。以信息家電為代表的互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，嵌入式產(chǎn)品不僅為嵌入式市場(chǎng)展現(xiàn)了美好前景，注人了新的生命，同時(shí)也對(duì)嵌入式系統(tǒng)技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。隨著信息化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)也將獲得更廣闊的發(fā)展空間。
參考文獻(xiàn)
一、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)
嵌入式系統(tǒng)由軟件模塊以及硬件模塊組成，其中軟件模塊需要在硬件模塊中運(yùn)行才可以實(shí)現(xiàn)其功能。嵌入式系統(tǒng)中的硬件部分是嵌入式系統(tǒng)的基礎(chǔ)部分，主要提供嵌入式系統(tǒng)的I/O端口、外設(shè)接口等，而軟件是嵌入式系統(tǒng)的控制核心，通過(guò)運(yùn)行，給硬件提供指令，指示硬件進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作，也就是說(shuō)軟件必須在硬件部分上運(yùn)行，才可以起到很好的作用。
二、嵌入式系統(tǒng)趨向低功耗的必要性
1.節(jié)能的需求
嵌入式系統(tǒng)是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的系統(tǒng)，各個(gè)模塊工作時(shí)工作量是很大的，這就需要電源供應(yīng)正常，保證系統(tǒng)的正確運(yùn)行。而隨著系統(tǒng)的不斷擴(kuò)大，各個(gè)模塊會(huì)造成更大的功耗，因此，為了更有效的利用嵌入式系統(tǒng)，延長(zhǎng)嵌入式系統(tǒng)的工作時(shí)間，需要采取節(jié)能措施。
2.增強(qiáng)抵抗能力
在嵌入式系統(tǒng)工作的過(guò)程中，難免會(huì)受到外界的干擾，特別是嵌入式系統(tǒng)中敏感電子元器件，更應(yīng)該做好防磁的措施，如果處理不當(dāng)，不能很好的增強(qiáng)抵抗力，將嚴(yán)重影響系統(tǒng)的正常工作。嵌入式系統(tǒng)的功耗越高的話，電磁輻射能量就會(huì)越大，這樣嵌入式系統(tǒng)自身以及外設(shè)都會(huì)受到影響，造成精度的降低。
三、利用嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方法降低功耗
對(duì)于嵌入式系統(tǒng)而言，硬件功耗問(wèn)題是主要原因，對(duì)于嵌入式系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)的影響因素最大，處理好硬件低功耗設(shè)計(jì)，會(huì)對(duì)嵌入式系統(tǒng)低功耗做出重大貢獻(xiàn)。
1.優(yōu)先選擇低功耗芯片、元器件
在嵌入式系統(tǒng)工作的過(guò)程中，芯片元器件對(duì)電源的消耗非常的大，因此，在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)前，對(duì)于元器件的選擇，除了滿足設(shè)計(jì)性能指標(biāo)的需求，還需要滿足功耗問(wèn)題，盡量選擇低功耗芯片。現(xiàn)在比較成熟的工藝主要有兩種，一個(gè)是TTL工藝，另一種是CMOS工藝，其中CMOS工藝耗能很少，可以優(yōu)先選擇。對(duì)于芯片的設(shè)計(jì)或者焊接時(shí)，需要注意的是芯片引腳不要出現(xiàn)懸空端，懸空端容易引進(jìn)外界噪聲信號(hào)，對(duì)嵌入式系統(tǒng)的電源會(huì)產(chǎn)生很大的影響，造成高低電平的轉(zhuǎn)換。在默認(rèn)的情況下，如果高低電平轉(zhuǎn)換，功耗會(huì)很大，這個(gè)時(shí)候，最好選擇高電平輸出，確保耗能降到最低。
2.采用不同步供電技術(shù)
一個(gè)完整的嵌入式系統(tǒng)包含很多部分，比如說(shuō)包含AD采樣、DA轉(zhuǎn)換、UART異步串行通信等等，這些模塊在系統(tǒng)工作時(shí)不會(huì)同時(shí)工作，有可能在進(jìn)行完一個(gè)模塊后才進(jìn)行下個(gè)模塊，為了降低功耗，可以選擇不同步，即采取分時(shí)方法，當(dāng)某一模塊工作完后如果需要隔很長(zhǎng)時(shí)間才會(huì)再執(zhí)行操作，那就可以選擇執(zhí)行完后將此模塊設(shè)置為休眠狀態(tài)，從而降低功耗。
3.合理利用I/O端口資源
嵌入式系統(tǒng)工作時(shí)，需要頻繁的使用I/O口，I/O口在輸出的情況下可以輸出約為20mA的電流，對(duì)于次，可以采取有效的措施，很好的利用這一電流，對(duì)其他外設(shè)采取供電的辦法，當(dāng)然，外設(shè)對(duì)電流的需求需要小于20mA。采取這種辦法，可以很好的利用這一資源，得到充分的利用，更好的降低功耗。
4.加強(qiáng)智能電源設(shè)計(jì)工作
解決好嵌入式系統(tǒng)低功耗的問(wèn)題，需要注意的就是減少耗能問(wèn)題，而解決好耗能問(wèn)題，還可以從另一個(gè)角度解決，優(yōu)化電源設(shè)計(jì)，趨向于智能化方向發(fā)展。在智能電源中安裝自動(dòng)檢測(cè)芯片，這樣可以確保系統(tǒng)處于不同的情況下時(shí)，采取不同的策略，及時(shí)的做出處理，這樣就可以對(duì)CPU以及外設(shè)模塊采取不同的處理措施。比如說(shuō)，當(dāng)系統(tǒng)在外部正常供電時(shí)，這個(gè)時(shí)候電源供應(yīng)可以采取正常供電的方法，提供正常的工作頻率，保證電壓的正常使用；而如果電源模塊檢測(cè)到系統(tǒng)工作在外部電池狀態(tài)下，那這個(gè)時(shí)候，根據(jù)檢測(cè)的結(jié)果，可以降低系統(tǒng)主頻率，將電壓降低到最小運(yùn)行值，確保嵌入式系統(tǒng)工作在低功耗的狀態(tài)下。
四、利用嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方法降低功耗
1.減少編譯運(yùn)行時(shí)間
嵌入式系統(tǒng)的工作離不開(kāi)軟件的執(zhí)行，一個(gè)小模塊的正常運(yùn)行往往需要很多條代碼執(zhí)行編譯。嵌入式系統(tǒng)在運(yùn)行中需要幾個(gè)模塊先后都運(yùn)行，也就是說(shuō)，需要大量的代碼執(zhí)行編譯過(guò)程，這樣的話，就會(huì)直接造成功率極大消耗。針對(duì)于此，可以對(duì)程序進(jìn)行優(yōu)化，因?yàn)榇a有單周期、雙周期、四個(gè)周期之分，對(duì)代碼優(yōu)化，盡量選擇與底層密切、周期短的指令，這樣，程序代碼在編譯的過(guò)程中，會(huì)提高處理速度，降低功耗。一般來(lái)講，低級(jí)語(yǔ)言，比如說(shuō)匯編語(yǔ)言，相對(duì)高級(jí)語(yǔ)言，比如說(shuō)C語(yǔ)言、C++語(yǔ)言功耗要低很多。
2.鼓勵(lì)使用軟件代替硬件，硬件代替軟件的方法
嵌入式系統(tǒng)在執(zhí)行某個(gè)指令或者為了實(shí)現(xiàn)某個(gè)功能某塊時(shí)，可以既選擇硬件模塊實(shí)現(xiàn)，也可以用軟件方法實(shí)現(xiàn)，比如說(shuō)軟件程序FIR濾波與硬件設(shè)計(jì)模擬低通濾波，這兩種方法都可以實(shí)現(xiàn)濾掉高頻信號(hào)，確保低頻信號(hào)全部通過(guò)。這個(gè)時(shí)候，可以比較這兩種方法，哪一種最優(yōu)，最節(jié)省功耗。軟件中處理器需要時(shí)間，編譯消耗功率，而硬件中電路工作也會(huì)消耗功率，因此，通過(guò)比較，可以做出最佳選擇。
3.采用快速運(yùn)算處理的計(jì)算方法
嵌入式系統(tǒng)在處理接收到的數(shù)據(jù)時(shí)，往往需要大量的運(yùn)算，才會(huì)得到期望的結(jié)果。為了有效的降低功耗，提高處理速度，對(duì)一些算法可以進(jìn)行優(yōu)化。比如說(shuō)在進(jìn)行DFT傅立葉變換時(shí)，傳統(tǒng)的思想是利用DFT設(shè)計(jì)，求出結(jié)果，但是這種設(shè)計(jì)相對(duì)FFT快速傅立葉變換而言，運(yùn)算量大，時(shí)間也很長(zhǎng)，這個(gè)時(shí)候就可以采用FFT的方法。在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)各種算法都進(jìn)行充分比較，在需求的精度都滿足的情況下，優(yōu)先選擇算法處理快的。
4.軟件設(shè)計(jì)建議多采用中斷程序
嵌入式系統(tǒng)在工作時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)上電初始化時(shí)，主程序只會(huì)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的初始化，這其中包括各個(gè)模塊寄存器的初始化，外部設(shè)備的初始化。對(duì)于系統(tǒng)軟件降低功耗，還可以采取的辦法就是當(dāng)程序沒(méi)有動(dòng)作需要執(zhí)行的時(shí)候，可以將系統(tǒng)設(shè)置在低功耗狀態(tài)，而當(dāng)系統(tǒng)有動(dòng)作要發(fā)生時(shí)，這個(gè)時(shí)候，可以利用中斷程序，讓系統(tǒng)跳到要執(zhí)行動(dòng)作的程序中，也就是說(shuō)此時(shí)僅僅中斷程序會(huì)消耗功率，其他模塊不會(huì)。待中斷程序執(zhí)行完之后，系統(tǒng)繼續(xù)回到低功耗的狀態(tài)，節(jié)省電量的消耗。
五、結(jié)束語(yǔ)
隨著社會(huì)的發(fā)展，科技不斷進(jìn)步，嵌入式系統(tǒng)日益趨向于智能化、自動(dòng)化方向發(fā)展。在各行各業(yè)中，嵌入式系統(tǒng)都得到了很好的應(yīng)用。不過(guò)隨著功能的增強(qiáng)，應(yīng)用增多，電源供應(yīng)成了問(wèn)題，很多嵌入式系統(tǒng)的耗能都很嚴(yán)重?？紤]到嵌入式系統(tǒng)由軟件以及硬件兩大部分組成，因此，為了降低嵌入式系統(tǒng)的功耗，可以通過(guò)硬件措施以及軟件措施，實(shí)現(xiàn)目的。對(duì)硬件方法主要考慮到硬件的電源、芯片選擇以及I/O的有效利用；而對(duì)于軟件而言，主要就是對(duì)程序進(jìn)行很好的優(yōu)化，充分將軟件與硬件結(jié)合，只有這樣，才能更好的解決嵌入式系統(tǒng)的功耗問(wèn)題，促進(jìn)嵌入式系統(tǒng)更好的發(fā)展。
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中圖分類號(hào):TP391.41文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1009-3044(2010)08-1987-02
1 概述
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,更高速,更可靠,更低成本成為各種技術(shù)開(kāi)發(fā)的要求。因此,設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)視覺(jué)圖像采集、視覺(jué)圖像處理控制,使其結(jié)構(gòu)更緊湊,甚至完全不需要計(jì)算機(jī)的介入,提高處理速度,并能有效降低成本的專用機(jī)器視覺(jué)控制系統(tǒng),使得該系統(tǒng)具有安裝方便、配置靈活、便于攜帶等突出優(yōu)點(diǎn)。為此,本課題提出了基于嵌入式機(jī)器視覺(jué)測(cè)控系統(tǒng)的研究,在嵌入式系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)視覺(jué)圖像采集、視覺(jué)圖像處理及控制,構(gòu)成處理速度快,成本低,結(jié)構(gòu)緊湊,不需要計(jì)算機(jī)介入的專用嵌入式機(jī)器視覺(jué)測(cè)控系統(tǒng)。
2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
2.1 設(shè)計(jì)方案
目前,用于圖像采集處理系統(tǒng)的嵌入式核心器件一般有FPGA、DSP和ARM芯片,出于成本控制與測(cè)控系統(tǒng)性能要求的考慮,這里選用FPGA方案。
FPGA內(nèi)嵌的NiosII軟核處理器是32位的,主要包括CPU微處理器、I/O中斷、計(jì)時(shí)器、UART串口及大量通用寄存器。選用FPGA方案的優(yōu)點(diǎn)在于,在單個(gè)芯片上既可以完成圖像采集等復(fù)雜邏輯的控制,又可以用內(nèi)嵌的NiosII處理器完成對(duì)圖像的處理和識(shí)別,電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,成本低。
對(duì)于機(jī)器視覺(jué)測(cè)控系統(tǒng),在選用了嵌入式處理器實(shí)現(xiàn)圖像采集的功能之后,需要將視頻圖像進(jìn)行數(shù)字化處理,這里采用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)攝像機(jī)+視頻圖像數(shù)字化模塊的方法實(shí)現(xiàn)。標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)攝像機(jī)的輸出信號(hào)一般是PAL制式或NTSC制式的模擬信號(hào),信號(hào)在進(jìn)行數(shù)字圖像處理前必須經(jīng)過(guò)刀D轉(zhuǎn)換,即視頻采集。視頻采集是整個(gè)系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分,它是對(duì)模擬視頻信號(hào)實(shí)現(xiàn)數(shù)字圖像處理的第一個(gè)步驟。該方案具有通用性好、成本低的優(yōu)點(diǎn)。
2.2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1) 硬件設(shè)計(jì)
硬件設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)硬件電路的連接和FPGA內(nèi)部邏輯電路的設(shè)計(jì)。
FPGA內(nèi)部邏輯電路的設(shè)計(jì)是以QuartusII為開(kāi)發(fā)環(huán)境,用VHDL語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)圖像采集、SRAM總線切換等模塊的功能,用SOPC Builder配置、產(chǎn)生NiosII軟核處理器及必要的外設(shè)(用戶自定義外設(shè)用VHDL編程實(shí)現(xiàn)),然后一起編譯并下載到FPGA的配置芯片中,再由配置芯片完成對(duì)FPGA的上電配置,由此形成硬件邏輯電路的連接,實(shí)現(xiàn)圖像采集、處理、存儲(chǔ)、顯示、實(shí)時(shí)控制等功能模塊。
2) 軟件設(shè)計(jì)
用SOPC Builder生成NiosII處理器系統(tǒng)的同時(shí),也會(huì)生成相應(yīng)的SDK軟件開(kāi)發(fā)包。在這個(gè)軟件包的基礎(chǔ)上,開(kāi)發(fā)者可以利用NiosII IDE,移植嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μc/OS-II,編寫C或者C++程序來(lái)完成對(duì)圖像的二值化、區(qū)域分割、特征提取、模式識(shí)別等處理過(guò)程,最終實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)軌跡的跟蹤,實(shí)時(shí)控制機(jī)器人沿規(guī)定軌跡運(yùn)行。
3 關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題探討
3.1 圖像采集CCD模塊設(shè)計(jì)
圖像信息的獲取就是捕捉待處理目標(biāo)的圖像信息并將其轉(zhuǎn)換成適合一體機(jī)處理的數(shù)字信號(hào),這一過(guò)程主要包括圖像捕獲、光電轉(zhuǎn)換及數(shù)字化等幾個(gè)步驟。目前圖像信息獲取可以使用CCD、CMOS、CIS等傳感器,其中以CCD的應(yīng)用最為廣泛。
本設(shè)計(jì)模塊采用1/3寸逐行掃描型黑白面陣CCD圖像傳感器ICX424AL。ICX424AL有效光敏單元為659×494,靈敏度高、暗電流小,帶有電子快門。由三相垂直脈沖(V1、V2、V3)和兩相水平脈沖(H1、H2)驅(qū)動(dòng)工作,水平驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘頻率為24.154MHz,驅(qū)動(dòng)電壓5V。曝光之后,每一列成像勢(shì)阱中的電荷在脈沖的驅(qū)動(dòng)作用下被移至勢(shì)阱旁的垂直寄存器當(dāng)中,然后垂直驅(qū)動(dòng)脈沖發(fā)揮作用,每次脈沖驅(qū)動(dòng)垂直寄存器組中的像素電荷向下移一行,而此時(shí)最下面一行的像素電荷則被移動(dòng)到水平寄存器當(dāng)中。之后水平驅(qū)動(dòng)脈沖發(fā)揮作用,脈沖驅(qū)動(dòng)水平寄存器中的像素的電荷向輸出口移動(dòng)。被移出像素電荷,經(jīng)過(guò)放大器后形成電壓信號(hào)輸出。水平寄存器被移空后,剩余電荷再次向下移一行,在水平驅(qū)動(dòng)脈沖作用下,水平寄存器的電荷再次被依次移出。上述過(guò)程一直重復(fù)直至所有像素電荷被移出。
ICX424AL的驅(qū)動(dòng)時(shí)序由CCD信號(hào)處理器AD9929產(chǎn)生。AD9929有一個(gè)三線式串行接的串行通信接口,通過(guò)該接口可以對(duì)AD9929時(shí)序發(fā)生器的相位寄存器組進(jìn)行操作,發(fā)送配置信息或讀取AD9929的工作狀態(tài)。AD9929可直接與CCD傳感器相連接,CCD像素模擬電壓信號(hào)在AD9929驅(qū)動(dòng)脈沖的作用下,由CCD_IN引腳輸入到AD9929中,經(jīng)模擬前端采樣、放大和A/D轉(zhuǎn)換后,產(chǎn)生8位的數(shù)字信號(hào)由DOUT[0-11]引腳輸出,這些數(shù)字信號(hào)即為CCD圖像傳感器捕捉到的待測(cè)目標(biāo)的原始圖像信息。
3.2 圖像實(shí)時(shí)跟蹤算法設(shè)計(jì)
由CCD模塊負(fù)責(zé)采集圖像,那么嵌入式系統(tǒng)必須要有完善的圖像跟蹤算法,才能夠?qū)崿F(xiàn)智能機(jī)器人對(duì)目標(biāo)的跟蹤,傳統(tǒng)的圖像跟蹤算法由于運(yùn)算量較大而存在實(shí)時(shí)性較差的問(wèn)題,因此,有必要對(duì)圖像跟蹤算法進(jìn)行實(shí)時(shí)性優(yōu)化設(shè)計(jì)。
目標(biāo)圖像跟蹤是一個(gè)序列圖像處理、識(shí)別和測(cè)量過(guò)程。在跟蹤過(guò)程中,目標(biāo)可能出現(xiàn)大小、形狀、姿態(tài)等變化,加上實(shí)際環(huán)境中的各種干擾,以及圖像處理最小計(jì)量單位的精度問(wèn)題,相關(guān)跟蹤得不到絕對(duì)最佳的匹配位置,存在測(cè)量誤差。因此,為了保證跟蹤的穩(wěn)定性,需要對(duì)圖像跟蹤模板進(jìn)行自適應(yīng)更新。圖像跟蹤模板的更新是目標(biāo)跟蹤中要解決的重要問(wèn)題之一,圖像跟蹤模板更新過(guò)快或過(guò)慢,都有可能丟失所跟蹤的目標(biāo)。判斷圖像跟蹤模板是否需要更新要根據(jù)相關(guān)的置信度信號(hào),如果相關(guān)匹配的置信度高,就可以根據(jù)本幀圖像的匹配點(diǎn)處的坐標(biāo)來(lái)更新圖像跟蹤模板;如果置信度低,則說(shuō)明匹配不穩(wěn)定,要沿用以前的匹配圖像跟蹤模板對(duì)下一幀進(jìn)行相關(guān)匹配。
相關(guān)置信度信號(hào)是在分析相關(guān)匹配算法的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出來(lái)的,它是一個(gè)非常重要的參數(shù)。經(jīng)過(guò)分析可知:若匹配點(diǎn)處的峰值很大,且峰值與其它非匹配點(diǎn)的均值之差越大,則表明跟蹤越可靠。定義幀內(nèi)相關(guān)置信度為:
式中:C0是幀內(nèi)相關(guān)置信度;maxR是當(dāng)前幀匹配點(diǎn)處的誤差累加次數(shù);R是同一幀內(nèi)M個(gè)依次比maxR小的誤差累加次數(shù)的均值,如果maxR和R相差越大,則說(shuō)明該匹配點(diǎn)越可靠。本算法可根據(jù)計(jì)算速度的需要對(duì)M取值,一般可以取M等于20～100的任何值。若C0大于閾值T0,則認(rèn)為相關(guān)匹配值maxR符合幀內(nèi)置信度,更新圖像跟蹤模板;否則,相關(guān)匹配不可靠,不更新圖像跟蹤模板。閾值T0根據(jù)圖像的質(zhì)量和經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定,這里我們?nèi)0=0.6。
實(shí)踐證明,在序列圖像跟蹤過(guò)程中,若單純地利用當(dāng)前圖像的最佳匹配位置處的圖像跟蹤模板作為依據(jù)進(jìn)行下一幀圖像的匹配,則跟蹤結(jié)果很容易受某一幀發(fā)生突變的圖像的影響而偏離正確位置。因此,本系統(tǒng)采用基于置信度的加權(quán)自適應(yīng)模板修正算法:如果當(dāng)前幀匹配質(zhì)量很差,則該幀圖像數(shù)據(jù)不進(jìn)行修正;而若當(dāng)前幀匹配質(zhì)量很好,則該幀圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行修正,加權(quán)修正算法表示如下式:
上式中,T(i,j,t)為當(dāng)前幀使用的圖像跟蹤模板,O(i,j,t)為當(dāng)前幀最佳匹配位置的子圖像,T(i,j,t+1)為預(yù)測(cè)得到的下一幀圖像坐標(biāo),α為加權(quán)系數(shù)(0≤α≤1),該系數(shù)的大小根據(jù)幀內(nèi)相關(guān)置信度C0,按照下式計(jì)算:
4 結(jié)束語(yǔ)
本文在嵌入式系統(tǒng)與機(jī)器視覺(jué)控制系統(tǒng)的交叉點(diǎn)展開(kāi)研究,目的是將具有重要意義的機(jī)器視覺(jué)控制系統(tǒng)應(yīng)用到具有廣泛基礎(chǔ)的嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)上,拓展機(jī)器視覺(jué)的應(yīng)用范圍。通過(guò)對(duì)機(jī)器視覺(jué)控制系統(tǒng)及嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的選擇,并對(duì)基于嵌入式機(jī)器視覺(jué)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題展開(kāi)研究,以此為依據(jù),設(shè)計(jì)了相應(yīng)的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng),并將其應(yīng)用到智能機(jī)器人視覺(jué)的控制上。
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（四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣元 628017）
（Sichuan Information Technology College，Guangyuan 628017，China）
摘要：嵌入式技術(shù)是繼IT網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之后，又一個(gè)新的信息技術(shù)發(fā)展方向。嵌入式技術(shù)發(fā)展?jié)摿薮?很多院校都開(kāi)設(shè)嵌入式技術(shù)專業(yè)，但是由于專業(yè)門檻高，市場(chǎng)需求動(dòng)手能力強(qiáng)的畢業(yè)生。所以，在嵌入式專業(yè)的課程中實(shí)踐訓(xùn)練環(huán)節(jié)就必不可少。為此我們開(kāi)發(fā)了一套智能家居系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)來(lái)滿足師生及有關(guān)工程技術(shù)人員嵌入式項(xiàng)目開(kāi)發(fā)、嵌入式綜合實(shí)訓(xùn)、嵌入式競(jìng)賽等。
Abstract： Embedded technology is a new development direction of information technology following IT network technology. Embedded technology has a huge potential for development, and embedded technology major is opened in many colleges, however, because of high professional threshold, the market demands graduates with strong hands-on ability. So, practice training is indispensable in curriculum of embedded technology major. On this base, we developed a set of training platform of intelligent household system so as to meet the teachers and students as well as related engineering and technical personnel's embedded project development, comprehensive training, competition and so on.
關(guān)鍵詞：嵌入式技術(shù) 智能家居系統(tǒng) ARM開(kāi)發(fā)板 傳感器
Key words： embedded technology；intelligent household system；ARM development board；sensor
中圖分類號(hào)：TP39文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1006-4311（2011）20-0129-02
0引言
嵌入式系統(tǒng)是嵌入到對(duì)象體系中的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，以嵌入式計(jì)算機(jī)為核心的嵌入式系統(tǒng)是繼IT網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之后，又一個(gè)新的信息技術(shù)發(fā)展方向。目前，嵌入式設(shè)備已廣泛應(yīng)用于制造業(yè)、過(guò)程控制、通訊、儀器、儀表、汽車、船舶、航空、航天、軍事裝備、消費(fèi)電子等領(lǐng)域。巨大的嵌入式技術(shù)商業(yè)市場(chǎng)使許多高校看到了發(fā)展方向，紛紛開(kāi)設(shè)嵌入式技術(shù)課程。高職院校進(jìn)軍嵌入式領(lǐng)域已取得了不小成績(jī)，但目前高職院校在嵌入式人才培養(yǎng)方面，特別是綜合實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)的開(kāi)展上，還存在很多不足，影響了人才培養(yǎng)質(zhì)量。開(kāi)發(fā)一套完整的嵌入式綜合實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)以及配套的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，對(duì)開(kāi)展學(xué)生科學(xué)實(shí)踐活動(dòng)具有積極意義。
1系統(tǒng)分析
智能家居系統(tǒng)由ARM開(kāi)發(fā)板、系統(tǒng)擴(kuò)展板、GSM模塊、USB攝像頭、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)等接口設(shè)備組成，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。其中：①開(kāi)發(fā)板平臺(tái)基于ARM9的OK2440，主要完成視頻數(shù)據(jù)采集、無(wú)線視頻數(shù)據(jù)傳輸、對(duì)GSM收發(fā)的短消息進(jìn)行解析和處理、以及對(duì)系統(tǒng)擴(kuò)展板進(jìn)行控制；②擴(kuò)展板電路主要負(fù)責(zé)傳感器數(shù)據(jù)的采集、家用電器開(kāi)關(guān)的控制、接收和處理來(lái)自開(kāi)發(fā)平臺(tái)的控制信息以及將傳感器報(bào)警信息、家用電器開(kāi)關(guān)狀態(tài)信息反饋給平臺(tái)；③GSM模塊負(fù)責(zé)短消息的收發(fā)；④USB攝像頭負(fù)責(zé)視頻數(shù)據(jù)的采集；所有的監(jiān)視信息通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳輸?shù)叫^(qū)的服務(wù)器中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)危及人民生命和財(cái)產(chǎn)安全如火災(zāi)、煤氣泄漏、外人非法入侵等情況需要有效的監(jiān)視。下位機(jī)控制系統(tǒng)是STC89C52低功耗可在線編程單片機(jī)。ARM開(kāi)發(fā)板以S3C2440嵌入式微處理器為主控制器，結(jié)合了光電傳感器、煤氣傳感器、溫度傳感器等傳感器技術(shù)及通信技術(shù)。
該系統(tǒng)中融入家電智能控制，GSM通信，視頻監(jiān)控，傳感器監(jiān)測(cè)，internet網(wǎng)絡(luò)通訊，是一個(gè)適用于多種環(huán)境的集成系統(tǒng)。
本系統(tǒng)使用VMware+Red hat linux操作系統(tǒng)，軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)采用嵌入式Qt-2.3.7，用戶界面采用嵌入式Qtopia-1.7.0，視頻處理采用Intel開(kāi)源的OpenCV，GSM通信采用SMS的AT指令集。
2用戶界面設(shè)計(jì)
為了使系統(tǒng)更加方便使用，我們使用QT編寫圖形用戶界面。Qt/Embedded是一個(gè)多平臺(tái)的C++圖形用戶界面應(yīng)用程序框架，其對(duì)象容易擴(kuò)展，可移植性好，支持多個(gè)GUI平臺(tái)的交互開(kāi)發(fā)。Qtopia是Trolltech公司為采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)的消費(fèi)電子設(shè)備而開(kāi)發(fā)的綜合應(yīng)用平臺(tái)，它基于Qt/Embedded框架，所以在編譯Qtopia之前先要搭建好Qt/Embedded框架。
系統(tǒng)窗體界面包括：GSM窗體（設(shè)置接收手機(jī)號(hào)碼，短信服務(wù)中心號(hào)碼），傳感器狀態(tài)顯示窗體（包括紅外，煤氣，煙塵傳感器的狀態(tài)），攝像頭應(yīng)用程序窗體（顯示現(xiàn)場(chǎng)圖像），網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序client窗體（設(shè)置服務(wù)器IP）。
要使窗體控件響應(yīng)相應(yīng)的事件，必須給控件添加相應(yīng)的 “信號(hào)與槽函數(shù)”的映射。首先在類當(dāng)中添加槽函數(shù)然后在cpp文件當(dāng)中添加對(duì)應(yīng)成員函數(shù)，最后添加信號(hào)與槽映射函數(shù)，即通過(guò)調(diào)用QObject對(duì)象的connect函數(shù)來(lái)將某個(gè)對(duì)象的信號(hào)與另外一個(gè)對(duì)象的槽函數(shù)相關(guān)聯(lián)。
3軟件設(shè)計(jì)
3.1 單片機(jī)與ARM串口通信（圖2、圖3）
串口通信主要是采集串口數(shù)據(jù)，內(nèi)核通過(guò)提供read、write、select、open、close供應(yīng)用程序調(diào)用，在設(shè)計(jì)串口通信類，就是對(duì)這幾個(gè)函數(shù)的運(yùn)用。
3.2 網(wǎng)絡(luò)通信編程（圖4）Internet上的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)編程，必須用到Socket接口。Socket接口是TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的API，Qt Socket對(duì)Socket函數(shù)接口進(jìn)行一個(gè)很好地封裝，使得程序員可以通過(guò)Qtsocket提供的接口，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)編程。
3.3 視頻數(shù)據(jù)采集該功能模塊主要實(shí)現(xiàn)：數(shù)據(jù)的采集與顯示、視頻數(shù)據(jù)發(fā)送、發(fā)送視頻數(shù)據(jù)。采用OpenCV編程處理圖像，OpenCV是Intel資助的開(kāi)源計(jì)算機(jī)視覺(jué)庫(kù)。它由一系列C函數(shù)和少量C++類構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)了圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺(jué)方面的很多通用算法。構(gòu)建OpenCV開(kāi)發(fā)環(huán)境需要執(zhí)行make install命令安裝，安裝后OpenCV將編譯好的的庫(kù)文件保存在/usr/local/lib目錄下，頭文件被復(fù)制在/usr/local/include/opencv目錄中。
主要的庫(kù)文件：libhighgui.so.0.9.7、libhighgui.la、libcxcore.so.0.9.7、libcxcore.la、libcvaux.so.0.9.7、libcvaux.la、libcv.so.0.9.7、libcv.la及相應(yīng)的符號(hào)鏈接。攝像頭數(shù)據(jù)采集流程如圖5。
3.4 GSM 收發(fā)短信SMS協(xié)議規(guī)范：SMS（Short Messaging Service）是最早的短消息業(yè)務(wù)協(xié)議，而且也是現(xiàn)在普及率最高的一種短消息業(yè)務(wù)協(xié)議規(guī)范。目前，這種短消息的長(zhǎng)度被限定在140字節(jié)之內(nèi)，這些字節(jié)可以是文本的。
AT指令集是從終端設(shè)備（TE）或數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）向終端適配器（TA）或數(shù)據(jù)電路終端設(shè)備（DCE）發(fā)送的。通過(guò)TA，TE發(fā)送AT指令來(lái)控制移動(dòng)臺(tái)（MS）的功能，與GSM網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)進(jìn)行交互。用戶可以通過(guò)AT指令進(jìn)行呼叫、短信、電話本、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、傳真等方面的控制。對(duì)SMS的控制就是基于AT指令的PDUMode。GSM模塊與計(jì)算機(jī)之間的通信協(xié)議是一些AT指令集，AT指令是以AT作首，字符結(jié)束的字符串，AT指令的響應(yīng)數(shù)據(jù)包在中。
5結(jié)語(yǔ)
本文討論了嵌入式實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)方法及應(yīng)用的主要技術(shù)，主要使用飛凌嵌入式開(kāi)發(fā)板再加單片機(jī)擴(kuò)展板實(shí)現(xiàn)平臺(tái)監(jiān)控室內(nèi)的煤、氣、電、溫度、濕度等。由于僅僅滿足學(xué)生實(shí)訓(xùn)的要求，所以該平臺(tái)還存在自身電路的局限，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境干擾造成電路還不夠穩(wěn)定，系統(tǒng)功能還有待于完善。
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[2]OK2440 Linux實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)手冊(cè).保定飛凌嵌入式技術(shù)有限公司，2009.
【文章摘要】
本文在針對(duì)當(dāng)前嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展的基礎(chǔ)上，介紹了一種基于ARM 的嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)和嵌入式Linux 內(nèi)核的編譯與移植等問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)的分析和闡述。
【關(guān)鍵詞】
視頻監(jiān)控；嵌入式；ARM
當(dāng)前在我國(guó)的視頻監(jiān)控市場(chǎng)當(dāng)中主要包括兩種不同類型的監(jiān)控系統(tǒng)，一類為數(shù)字控制的模擬視頻監(jiān)控；另一類則為數(shù)字視頻監(jiān)控。這兩類監(jiān)控系統(tǒng)在技術(shù)方面都已經(jīng)非常的成熟，性能也變得非常的穩(wěn)定，并在實(shí)際的工程當(dāng)中被廣泛的應(yīng)用。而其中的數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)技術(shù)和圖像技術(shù)作為基礎(chǔ)，興起的一種新的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。該技術(shù)因?yàn)榭捎行У慕鉀Q模擬系統(tǒng)的部分弊端而被廣泛的推廣和發(fā)展。目前，我國(guó)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)則正處在數(shù)值模擬和數(shù)字系統(tǒng)混合應(yīng)用的轉(zhuǎn)變。
1 ARM 處理器
ARM 公司作為專門從事RISC 技術(shù)芯片設(shè)計(jì)的公司，主要為知識(shí)產(chǎn)品的提供商，并不直接從事對(duì)芯片的生產(chǎn)，而是將技術(shù)轉(zhuǎn)讓給許可的合作公司。各種不同的芯片被世界各大生產(chǎn)商購(gòu)買，并從ARM 購(gòu)買其設(shè)計(jì)的微處理器核，然后根據(jù)自己行業(yè)的特點(diǎn)，對(duì)外圍的電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而形成獨(dú)具特色的ARM 處理器芯片。ARM9 作為公司設(shè)計(jì)的一種類型的處理器，被廣泛的應(yīng)用，其主要的原因在于該芯片其具有以下的特點(diǎn)：1) 具有5 級(jí)整數(shù)流水線, 指令執(zhí)行效率高；2) 提供l.lMIPS/MHz 的哈弗結(jié)構(gòu)；3) 支持32 位ARM 指令集和16 位Thumb 指令集；4) 支持32 位的高速AMBA 總線接口；5) 全性能的MMU, 支持Windows CE、Linux 等多種主流嵌入式操作系統(tǒng)；6) 支持?jǐn)?shù)據(jù)cache 和指令cache, 具有更高的指令和數(shù)據(jù)處理能力。
2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)
結(jié)合視頻監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)際需求，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。包括S3C2440 處理器、Flash 閃存、USB 接口、LCD 顯示器等組成。
3 系統(tǒng)主控芯片簡(jiǎn)介
3.1 S3C2440 處理器
在該系統(tǒng)中選用三星公司生產(chǎn)的ARM9 內(nèi)核的S3C2440 處理器。該處理器其典型的優(yōu)點(diǎn)在于其最高的主頻可達(dá)到400MHz, 為同類ARM 處理器當(dāng)中最快的設(shè)備。該處理器其是基于ARM920T 內(nèi)核的16/32 位RISC 嵌入式微處理器, 主要面向遠(yuǎn)程監(jiān)控終端、面向手持設(shè)備的高性價(jià)比和低功耗的應(yīng)用。同時(shí)ARM920T 中， 其MMU 單元可以管理虛擬的內(nèi)存，并擁有高速緩存獨(dú)立的16KB 地址和16KB 的數(shù)據(jù)高速Cache。
3.2 寄存器
在該主控芯片中，其包含37 個(gè)寄存器，其指令的數(shù)量不多，字長(zhǎng)較大，并且其寄存器的數(shù)量也比較多。其中包括31 個(gè)32 為的通用的寄存器，6 個(gè)程序狀態(tài)的寄存器。
3.3 地址空間
在S3C2440 芯片的外部可以找到的存儲(chǔ)空間為1GB，其被分為8 個(gè)不同的存儲(chǔ)模塊，每個(gè)模塊的空間大小都為128MB，S3C2440 芯片其外部存儲(chǔ)空間主要存在著以下的特點(diǎn)：第一，其支持小端/ 大端的模式；第二，在系統(tǒng)的8 個(gè)外部存儲(chǔ)空間當(dāng)中，其中的6 個(gè)主要用于ROM 和SRAM 存儲(chǔ)，其余的2 個(gè)可用于ROM、SRAM 和SDRAM 的存儲(chǔ)；第三，在8 個(gè)存儲(chǔ)空間中，其中的7 個(gè)為包含著固定的起始地址，而最后的一個(gè)起始地可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，并且最后的2 個(gè)模塊空間的大小可編程；第四，所以存儲(chǔ)器塊的訪問(wèn)可編程；第五，在其中的SDRAM 當(dāng)中，其可以進(jìn)行自主的刷新。
3.4 存儲(chǔ)器
存儲(chǔ)器作為系統(tǒng)整個(gè)開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)，其大多的應(yīng)用程序等都放置在該存儲(chǔ)空間當(dāng)中。本文主控芯片所采用的NAND Flash 具有容量大、價(jià)格低的特點(diǎn)。其在啟動(dòng)的時(shí)候，存儲(chǔ)器上的前4KB 會(huì)被裝載到緩沖器當(dāng)中，并執(zhí)行對(duì)代碼的啟動(dòng)。在啟動(dòng)代碼后則將其復(fù)制到到SDRAM 中，組后主程序都全部在SDRAM 執(zhí)行。
4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
4.1 存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)
對(duì)存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)采用三星公司的K4S561632C，這是一款比較常用的SDRAM 存儲(chǔ)器，其時(shí)鐘的頻率則可以達(dá)到133MHz。其具體的電路圖設(shè)計(jì)如圖2 所示。
4.2 LCD 電路接口
S3C2440 芯片支持型號(hào)為TFT 型的LCD 的觸摸屏，其只需要在LCD 驅(qū)動(dòng)板上根據(jù)其固定的標(biāo)準(zhǔn)從CPU 引出LCD 控制信號(hào)即刻進(jìn)行使用。本文則主要采用的是LCD24 位，顯示時(shí)其RGB 則各位8 位。
4.3 網(wǎng)卡控制器
在本文中選擇DM9000 作為網(wǎng)卡，其主要原因在于該模塊為集成和符合成本效益的單芯片的快速以太網(wǎng)模塊。分別支持8 位,16 位和32 位接口訪問(wèn)內(nèi)部存儲(chǔ)器, 依次可以支持不同的處理器。同時(shí)， 在DM9000 網(wǎng)卡的物理協(xié)議層接口可支持10MBps 的3 類、4 類、5 類非屏蔽雙絞線和為100MBps 下的5 類非屏蔽雙絞線。
4.4 JTAG 接口
JTAG 技術(shù)作為嵌入式的一種調(diào)試技術(shù)，主要是在芯片的內(nèi)部封裝一個(gè)專門的測(cè)試電路，通過(guò)其專用的JTAG 的測(cè)試工具，從而對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行不同的測(cè)試。通過(guò)該JTAG 接口其可對(duì)芯片內(nèi)部的所有的部件進(jìn)行訪問(wèn)，因此使得該技術(shù)成為一種對(duì)系統(tǒng)調(diào)試的高效的手段。本系統(tǒng)對(duì)NOR FLASH 的燒寫選用JTAG 進(jìn)行, 對(duì)于NAND FLASH 的燒寫采用USB 進(jìn)行。
5 結(jié)語(yǔ)
本文通過(guò)對(duì)ARM 和S3C2440 微處理器相關(guān)性能的了解，最后對(duì)存儲(chǔ)器、LCD 接口、網(wǎng)關(guān)控制等電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)了視頻監(jiān)控系統(tǒng)。
【參考文獻(xiàn)】
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【作者簡(jiǎn)介】
物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的嵌入式系統(tǒng)對(duì)互聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放。本質(zhì)可靠的嵌入式系統(tǒng)有可能遭遇互聯(lián)網(wǎng)病毒或惡意入侵的攻擊事件而出現(xiàn)安全問(wèn)題，這是物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代嵌入式系統(tǒng)面臨的新挑戰(zhàn)。在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的安全架構(gòu)中，有一個(gè)明顯的非安全入侵界面，設(shè)立歸一化安全交互通道、實(shí)現(xiàn)交互通道界面的安全管理，是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中嵌入式系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)的重要原則。
1電子系統(tǒng)的智能化與集群化
我們從電子系統(tǒng)的時(shí)代變革中，可以明顯看出電子系統(tǒng)的智能化、集群化趨勢(shì)。傳統(tǒng)電子系統(tǒng)，是孤立的泛性產(chǎn)品系統(tǒng)（沒(méi)有歸一化內(nèi)核）；智能電子系統(tǒng)，是歸一化微控制器內(nèi)核基礎(chǔ)上智能產(chǎn)品系統(tǒng)，并從單個(gè)產(chǎn)品走向集群（分布式集群、總線集群、局域網(wǎng)集群）；物聯(lián)網(wǎng)電子時(shí)代的嵌入式系統(tǒng)，是普遍具有互聯(lián)網(wǎng)接入功能的智能電子系統(tǒng)，有緊耦合與松耦合接入兩種狀態(tài)。松耦合的智能電子系統(tǒng)是一個(gè)獨(dú)立的產(chǎn)品系統(tǒng)，通常在網(wǎng)下使用，需要時(shí)接入，如手機(jī)、桌面電腦、智能家電等；緊耦合的智能電子系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)，如市政交通管理系統(tǒng)、小區(qū)物業(yè)安全管理的實(shí)時(shí)監(jiān)視電子系統(tǒng)。目前，傳統(tǒng)電子系統(tǒng)基本被淘汰，智能電子系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)電子系統(tǒng)會(huì)長(zhǎng)期并存。與3個(gè)電子時(shí)代相對(duì)應(yīng)的開(kāi)發(fā)環(huán)境變遷，是產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的平臺(tái)化與可靠性設(shè)計(jì)內(nèi)容的變遷。傳統(tǒng)電子時(shí)代是電子工程師單打獨(dú)斗的時(shí)代，電子產(chǎn)品的功能性設(shè)計(jì)、低功耗設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)完全依靠電子工程師的聰明才智，由電子工程師獨(dú)立完成。智能電子時(shí)代，產(chǎn)品硬件體系設(shè)計(jì)是電子工程師在微控制器、大規(guī)模集成電路的功能模塊基礎(chǔ)上的配置設(shè)計(jì)；產(chǎn)品的軟件體系設(shè)計(jì)是集成開(kāi)發(fā)環(huán)境、操作系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)工程方法基礎(chǔ)上的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。微控制器、集成電路、集成開(kāi)發(fā)環(huán)境、操作系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)工程方法等，構(gòu)成了形形的知識(shí)平臺(tái)。這些平臺(tái)不只是簡(jiǎn)單的知識(shí)集成，而是具有人工智能、可以代替人類個(gè)體腦力勞動(dòng)的知識(shí)力量平臺(tái)。例如，原先設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時(shí)，電子工程師必須了解模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)的知識(shí)與技術(shù)，如今，有了A／D轉(zhuǎn)換芯片，便可省去電子工程師的這部分腦力勞動(dòng)。又如，沒(méi)有實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)時(shí)，電子工程師設(shè)計(jì)嵌入式程序時(shí)，必須認(rèn)真考慮多任務(wù)系統(tǒng)程序的實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)與管理，有了實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，所有這些任務(wù)的協(xié)調(diào)與管理都由操作系統(tǒng)依靠協(xié)議自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。因此，智能電子時(shí)代的電子產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計(jì)，進(jìn)入到人工智能的平臺(tái)化開(kāi)發(fā)時(shí)代。與智力替代的平臺(tái)開(kāi)發(fā)模式相對(duì)應(yīng)的是可靠性設(shè)計(jì)內(nèi)容的變遷。傳統(tǒng)電子系統(tǒng)的可靠性完全依靠電子工程師的精心設(shè)計(jì)。智能電子時(shí)代，電子系統(tǒng)的可靠性、安全性設(shè)計(jì)進(jìn)入到智能化、平臺(tái)化的設(shè)計(jì)時(shí)代，從而使智能電子系統(tǒng)的可靠性、安全性設(shè)計(jì)到達(dá)最高境界。物聯(lián)網(wǎng)電子時(shí)代，智能電子系統(tǒng)對(duì)互聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放，導(dǎo)致互聯(lián)網(wǎng)中各種不安全因素對(duì)智能電子系統(tǒng)的入侵。因此，物聯(lián)網(wǎng)電子系統(tǒng)安全性、可靠性設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方法是對(duì)入侵窗口的管理設(shè)計(jì)。
2物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的安全性架構(gòu)
物聯(lián)網(wǎng)安全體現(xiàn)在一個(gè)個(gè)具體的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)安全性設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分了解物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的安全性架構(gòu)。
（1）物聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)
通常，人們用應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、感知層來(lái)概括物聯(lián)網(wǎng)。應(yīng)用層描述了物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中形形的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)，人們通常論及的物聯(lián)網(wǎng)都是一個(gè)個(gè)具體的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。早期，人們用應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、感知層來(lái)描述物聯(lián)網(wǎng)，缺失了控制層，在許多物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，控制層是必不可少的內(nèi)容，我們可以用網(wǎng)絡(luò)層、感知層與控制層來(lái)構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)模型。
（2）物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)模型
圖1是一個(gè)由互聯(lián)網(wǎng)與嵌入式集群系統(tǒng)構(gòu)成的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)最簡(jiǎn)模型。嵌入式集群系統(tǒng)通常都是一個(gè)嵌入式系統(tǒng)的局域網(wǎng)，互聯(lián)網(wǎng)直接服務(wù)于物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層與管理層，每個(gè)局域網(wǎng)中的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)都有可能直接與互聯(lián)網(wǎng)相連。感知層、控制層由嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成，嵌入式局域網(wǎng)將它們聯(lián)接起來(lái)，形成嵌入式集群系統(tǒng)。當(dāng)這個(gè)嵌入式集群系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)相連后，便構(gòu)成一個(gè)具體的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。通常，嵌入式集群系統(tǒng)是一個(gè)安全、可靠的嵌入式系統(tǒng)局域網(wǎng)。接入互聯(lián)網(wǎng)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)新的可靠性、安全性問(wèn)題，即互聯(lián)網(wǎng)惡意入侵產(chǎn)生的安全性問(wèn)題。在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)模型中，它體現(xiàn)為一個(gè)非安全的入侵界面。
（3）物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的安全性架構(gòu)
從圖1的模型可以看出，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)是本質(zhì)可靠的嵌入式系統(tǒng)與本質(zhì)非可靠的互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成的交互系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)可以有多個(gè)渠道交互（因?yàn)榍度胧较到y(tǒng)都有獨(dú)立的互聯(lián)網(wǎng)接入功能），這些交互渠道都可能會(huì)帶來(lái)可靠性、安全性問(wèn)題。在嵌入式系統(tǒng)的高可靠性基礎(chǔ)上，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是入侵界面的管控與感知層、控制層的安全防護(hù)設(shè)計(jì)。
3物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的安全性設(shè)計(jì)原則
物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)中，許多安全性問(wèn)題最終都會(huì)反映在嵌入式系統(tǒng)的感知層與控制層上。嵌入式系統(tǒng)的安全性問(wèn)題是由互聯(lián)網(wǎng)的安全性因素引起的。因此，最大限度地減少互聯(lián)網(wǎng)對(duì)嵌入式系統(tǒng)的入侵渠道，是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)的重要原則。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的安全性設(shè)計(jì)模型如圖2所示。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的安全性設(shè)計(jì)目標(biāo)，是要建立一個(gè)歸一化的安全性管理界面。所有交互行為都通過(guò)歸一化界面進(jìn)行管理，可以大大減少互聯(lián)網(wǎng)的入侵渠道，有利于減少安全漏洞與實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全性的集中管理，防止出現(xiàn)安全患。實(shí)現(xiàn)界面安全的防入侵管理是入口的驗(yàn)證環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)。密碼驗(yàn)證是最常使用的一種方法，還有數(shù)符密碼與生物特征密碼（指紋、掌紋、人臉、虹膜等）。除此以外，在交互中實(shí)時(shí)使用的校驗(yàn)碼也是行之有效的方法。感知層、控制層的安全防護(hù)設(shè)計(jì)也是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)的重要一環(huán)。感知層能迅速感知系統(tǒng)的應(yīng)急狀態(tài)，并即時(shí)啟動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)急處理（關(guān)閉并進(jìn)入安全狀態(tài)）。2016年3．15晚會(huì)，恰逢谷歌“AlphaGo”掀起的人工智能熱潮，央視在會(huì)上演示了讓人驚心動(dòng)魄的智能電子系統(tǒng)的安全漏洞。畫面上演示了不法分子通過(guò)手中的設(shè)備侵入無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，接管了無(wú)人機(jī)，而無(wú)人機(jī)機(jī)主無(wú)能為力；一位黑客在一戶人家的外面成功入侵該住宅的Wi－Fi，并控制了該家庭的所有智能設(shè)備，包括智能洗衣機(jī)、烤箱和智能攝像頭，可以讓滾筒洗衣機(jī)空轉(zhuǎn)、讓烤箱的溫度飆升到危險(xiǎn)數(shù)值甚至引發(fā)火災(zāi)，讓智能攝像頭隨意轉(zhuǎn)動(dòng)拍攝，偷窺用戶的室內(nèi)活動(dòng)和隱私等。這些都是物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代嵌入式系統(tǒng)的安全隱患。嵌入式系統(tǒng)本身是安全可靠的，因?yàn)樗且粋€(gè)是封閉型的本質(zhì)安全系統(tǒng)。多年來(lái)，家庭中的洗衣機(jī)、電冰箱、烤箱、微波爐、電視機(jī)等智能設(shè)備從來(lái)沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)上述的安全事故。只有嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)放后，才會(huì)出現(xiàn)安全漏洞。上述安全事故是在智能設(shè)備接入Wi－Fi網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)后，形成的非安全的入侵渠道所致。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中智能硬件的安全漏洞在于對(duì)互聯(lián)網(wǎng)的開(kāi)放，這個(gè)安全漏洞是可控的。只要減少互聯(lián)網(wǎng)接入的通道數(shù)量，在這些接入通道中設(shè)立可靠的校驗(yàn)、準(zhǔn)入管理環(huán)節(jié)，就能保證系統(tǒng)安全。
