（控制理论与控制工程专业论文）嵌入式激光定位系统的设计与实现.pdf

人迮理l ：大学硕 ：学位论文 摘要 激光由于具有方向性、单色性、相干性好以及亮度高等特点而广泛应用于位置跟踪 系统的设计，特别是随着嵌入式技术的广泛应用及发展，利用嵌入式技术实现激光定位， 将会极大的扩展激光定位系统的应用范围及其对不同需求和环境的适应能力。激光定位 是一种基于激光光斑定位的技术，不仅可以对目标进行静态检测，而且能对目标进行动 态实时测量如位移、轨迹跟踪等。 本文以交互式多媒体为研究对象，针对传统多媒体远距离交互的局限，利用数字图 像处理技术，完成了嵌入式激光定位系统的设计，实现了激光远距离写字等基本操作。 该系统以c m o s 图像传感器作为光斑定位器件，采用嵌入式图像处理识别光斑位置，为 减少背景噪声、增加系统的实时性，采取了光学滤波。围绕图像采集与处理的基本功能 和特点，在比较多种嵌入式操作系统的基础上，选择了嵌入式l i n u x 2 6 操作系统作为图 像处理的平台，将其裁剪并移植到以a r m 9 2 0 t 为核心的微处理器上，构建了嵌入式 l i n u x 的交叉编译环境。针对l i n u x 下的设备驱动程序的特点，本文对l i n u x 下基于 v i d e o f o r l i n u xa p i 的图像采集、显示、存储以及图像处理进行了详细的介绍并给出了实 验效果。为验证该系统对光斑定位的准确性，设计了静态误差实验，并基于q t 和 f r a m e b u f f e r 进行了动态跟踪实验。 本文通过实验验证了激光束在投影幕布上轨迹定位的准确性。同时，分析了误差产 生的原因，并提出了改进的方法。通过对定位轨迹的实时显示，实现了远距离写字、绘 画等基本功能。实验数据表明，本文定位系统的设计原理上正确，技术上可行，对于交 互式多媒体产品的开发具有重要的借鉴意义。 关键词：嵌入式l i n u x ；图像处理；激光定位；坐标识别 嵌入式激光定位系统的没计j j 实现 d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fe m b e d d e dl a s e rp o s i t i o n i n gs y s t e m a b s t r a c t l a s e ri sw i d e l yu s e di nt h ed e s i g no fp o s i t i o nt r a c k i n gs y s t e mb e c a u s eo fi t sg o o dn a t u r e s u c ha sd i r e c t i o n a l i t y ，m o n o c h r o m a t i s m ，c o h e r e n c ea n dh i g hb r i g h t n e s s e s p e c i a l l y ，w i t ht h e e x t e n s i v ea p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n to fe m b e d d e dt e c h n o l o g y ，t h el a s e rl o c a t i o nw h i c hu s e s e m b e d d e dt e c h n o l o g yw i l lg r e a t l ye x p a n dt h es c o p eo fa p p l i c a t i o no fl a s e rp o s i t i o n i n gs y s t e m a n di t si m p a c to nd i f f e r e n tn e e d sa n de n v i r o n m e n t a la d a p t a b i l i t y l a s e rp o s i t i o n i n gi s a t e c h n o l o g yb a s e do nl a s e rs p o tp o s i t i o n i n g ，i tc a nn o to n l yd e t e c tt h es t a t i ct a r g e t ，b u ta l s od o t h er e a l t i m em e a s u r e m e n to f d y n a m i co b j e c t i v e s ，s u c ha sd i s p l a c e m e n t ，t r a j e c t o r yt r a c k i n g ，e t c t h i s p a p e rt a k i n g t h ei n t e r a c t i v em u l t i m e d i aa so b j e c t ，a g a i n s tl i m i t a t i o n s o f l o n g d i s t a n c ei n t e r a c t i o no nt r a d i t i o n a lm u l t i m e d i a ，u s e sd i 百t a li m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g y t oc o m p l e t et h ed e s i g no fe m b e d d e dl a s e rp o s i t i o n i n gs y s t e m ，a n di m p l e m e n t sb a s i co p e r a t i o n s s u c ha sl a s e rd i s t a n c ew r i t i n g t h es y s t e m ，t a k i n gc m o si m a g es e n s o r sa ss p o tp o s i t i o n i n g d e v i c e ，i d e n t i f i e st h es p o tp o s i t i o nu s i n ge m b e d d e di m a g ep r o c e s s i n g i no r d e rt o r e d u c e b a c k g r o u n dn o i s ea n di n c r e a s et h es y s t e m sr e a l t i m e i th a st a k e n t h eo p t i c a lf i l t e r f o rt h eb a s i c f u n c t i o n sa n df e a t u r e so fi m a g ea c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n g ，a f t e rh a v i n gc o m p a r e dav a r i e t yo f e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m t h i sp a p e rs e l e c t sl i n u x 2 6e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e ma st h e p l a t f o r mo fi m a g ep r o c e s s i n g , a n dp o r t si t t ot h em i c r o p r o c e s s o rw i t ha r m 9 2 0 tc o r ea f t e r c u t t i n gt h ek e r n e l t h e nb u i l d st h ec r o s s b u i l de n v i r o n m e n tf o re m b e d d e dl i n u x f o rt h e c h a r a c t e r i s f i c so ft h el i n u xd e v i c ed r i v e r , t h i sp a p e rd e s c r i p e si nd a t a i lt h ei m a g ea c q u i s i t i o n ， d i s p l a y , s t o r a g e ，a n di m a g ep r o c e s s i n gb a s e d o nv i d e 0 4 1 i n u xa p i ，a n dh a sg i v e nt h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t s t ov e r i f yt h ea c c u r a c y o fp o s i t i o n i n gs y s t e mf o rs p o t ，t h i sp a p e rd e s i g n sa e x p e r i m e n tf o rs t a t i ce r r o r , a n dt h e nc a r r i e so u tt h ed y n a m i ct r a c k i n ge x p e r i m e n tb a s e do nq t a n df r a m e b u f f e r t l _ l i sp a p e rv e r i f i e st h ea c c u r a c yo ft r a c k1 0 c a t i o nf o rl a s e rb e a mo nt h ep r o j e c t i o ns c r e e n t h r o u g he x p e r i m e n t s m e a n w h i l e ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h ec a u s e so fe r r o r s a n dp r o p o s e s m e t h o d so fi m p r o v e m e n tf o rt h es y s t e m a n di ti m p l e m e n t sl o n g - d i s t a n c ew r i t i n g , p a i n t i n g a n do t h e rb a s i cf u n c t i o n st h r o u g ht h er e a l t i m ed i s p l a yo fp o s i t i o n i n gt r a j e c t o r y e x p e r i m e n t a l d a t as h o w st h a ti t sc o r r e c tp r i n c i p l ea n dt e c h n i c a l l yf e a s i b l ec o u l dh a v ea l li m p o r t a n t s i g n i f i c a n c ea sr e f e r e n c ef o rt h ei n t e r a c t i v em u l t i m e d i ap r o d u c td e v e l o p m e n t k e yw o r d s ： e m b e d d e dl i n u x ；i m a g ep r o c e s s i n g ；l a s e rp o s i t i o n i n g ；c o o r d i n a t e i d e n t i f i c a t i o n i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目： 遨盘邀左宸焦丕统鲍遮i 土生塞理 作者签名：j 盏斟翅l 一日期：j 型早年j 三月早日 人连理ij 人学硕十学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 作者签名： 导师签名： 日期：型9 年j 三月0 日 日期：幽年上月4 日 人迮理i ：人。节硕十学位论文 1 绪论 1 1 论文的背景及现实意义 激光由于具有方向性好、亮度高、单色性好、相干性好等特点而广泛应用于位置跟 踪系统的设计。激光跟踪已经广泛应用于航空航天、汽车制造、电子工业、高能粒 子加速器工程及大尺寸计量等计量行业等多个领域。如飞机装配数字化激光定位 系统，大幅度减少定位型架数量和简化原有型架；针对大型工件的几何尺寸和形 状测量研发的激光跟踪测量系统，具有抗干扰能力强，跟踪速度快且测量精度高 等特点；激光跟踪在机器人系统的焊接，体育领域的跟踪测距瞳1 以及医学激光自动 跟踪口1 扫描都有着广泛的应用，其中最为典型的应用为美国a p i ( a u t o m a t e d p r e c i s i o i l ，i n c ) 公司生产的激光跟踪仪，广泛应用在汽车制造生产现场工装检 测以及白车身和冲压件的测量。 激光定位一般是基于光斑定位技术的，它将目标的位置信号转换成光斑在系 统定位器件上的位置，通过对光斑信号的处理计算出光斑的位置，进而达到对目 标位置信息的确定。激光定位不仅可以对静态目标进行检测，也能对动态目标进 行实时检测，如目标的速度、位移检测以及轨迹的跟踪等等。 目前应用比较广泛的激光定位系统是以c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e 电荷耦合器 件) h 1 图像传感器作为光斑器件来实现目标定位的，它主要由c c d 、图像采集卡和计算 机组成。由于c c d 的测量精度非常高，在遥测和非接触测量中应用广泛，但是c c d 需要 设计驱动电路和图像采集卡，使得系统体积和功耗都很大，而且c c d 价格昂贵，使得系 统成本很大。总之，这种传统的激光定位系统由于其功耗、体积、价格等原因一定程度 上限制了它的应用。 随着电子技术的发展，使得多媒体的功能也越来越复杂。其中广泛应用于多媒体的 交互式电子白板，实现了实时书写，无痕书写等功能。它融合了大屏幕投影、精确定位 测试等技术。而激光定位技术更是在交互式白板中得到了广泛的应用，如美国普利威逊 l t 交互式激光定位电子白板。它是根据激光跟踪原理，在白板基板上端两侧分别安装一 个激光发射器扫描基板表面，特制笔具有感应激光功能，激光接收器接收笔的反馈信息， 通过这些信息就可计算出笔的坐标。虽然它实现了人机交互，但是却没有实现远距离交 互操作。现在功能复杂的激光产品已经实现了上下翻页、简单电脑操作等功能，但是其 交互功能有限。如果能在此基础上，实现激光束在投影幕布或者在投影的墙面上写字， 这样在多媒体教学中，即能满足基本的电脑远距离操作，又可远距离在屏幕上标示或书 嵌入式激光定位系统的设计与实现 写，这对多媒体的交互性将是个很大的提高。因此，本论文以交互式多媒体为对象， 研究激光光斑在投影幕布上移动轨迹定位的嵌入式实现。 位置跟踪是实现这些功能的关键技术，我们知道，激光具有极强的抗干扰能力，并 且成功应用于很多领域，如a p i 激光跟踪仪，l t 激光交互白板等成功案例，使得对激光 定位技术的研究更加有必要性。而目前激光定位器一般体积较大，成本高，不利于小型 化，也不适于便携式应用。特别是在多媒体应用中，便携式更加实用。激光光斑的定位 是实现激光远距离书写的前提，考虑到采用光斑定位技术，以c m o s 图像传感器作为光 斑定位器件，结合高性能的微处理器和数字图像处理技术，也可实现激光光斑的定位， 而且在现今集成电路的发展水平下，实现微型化是完全可以的。因此本文主要对激光光 斑定位的嵌入式的设计与实现进行研究。 1 2 国内外研究的现状 目i j f ，平面位置检测应用比较广泛的技术主要有电阻式、电容式、电磁式、激光定 位式等多种方式，并且已是迅速地朝着多元化、复杂化的方向发展。其中激光定位多是 基于激光光斑的定位技术，而光斑定位技术又取决于光斑定位传感器，目前比较成熟的 光斑传感器有p s d 传感器、c c d 图像传感器、c o m s 图像传感器等多种方式。 p s d ( p o s i t i o ns e n s i t i v ed e t e c t o r ) 光斑定位技术是基于p s d 图像传感器踊1 ，根据p s d 电极电流的幅度来确定光斑的位置。p s d 是一种基于横向光电效应的光位置敏感器件。 随着人们对遥测和非接触式位置测量的旺盛需求促进了p s d 光斑技术的发展，p s d 光斑定 位技术如今已经广泛应用于多个领域，例如集成电路生产中的步长控制仪，针织绣花的 图案生成器，三维跟踪，激光准直及图像识别等等涉及国防、航天、医疗、体育机械加 工诸多领域。由于p s d 依据电极电流的幅度来确定光斑的位置，当受到杂散光等的干扰 时，轻者带来测量的较大误差，重者会使测量无法进行，在1 9 9 4 年之前的半个多世纪里， 人们一直从不同角度研究p s d 的幅度法定位问题，直至n a r a y a n a n 等人提出了相位法定 位的设想呻一3 ，开创了p s d 位置信号处理这一全新思路。 c c d 光斑定位技术是基于c c d 图像传感器哺1 来实现光斑定位的。c c d ( 电荷耦合器件) 是七十年代初发展起来的新型半导体器，由于具有固定像元结构，高灵敏度，小尺寸， 可靠性好，信号处理方便，易与计算机配接等优点，使它成为精密动态跟踪测试应用中 的很有竞争能力的器件。如彩色c c d 摄像机，微光c c d ，随着新型器件结构和c c d 拼接技 术的发展使得c c d 对军事、天文，光谱分析特别有用，经过几十年的发展，其应用领域 涉及航空航天，天文遥感，医疗仪器，广播摄像等等。但是采用c c d 需要设计驱动电路 人连理i ：人学硕十学位论文 和图像采集卡，这不仅会增加系统设计的复杂性，而且使得系统的体积和功耗都会大大 增加，特别是市场上高灵敏度c c d 的价格昂贵，也会增加系统的成本，一定程度限制了 它的推广。 视频便携式摄像机、掌上电脑、p d a 和保安设备的巨大需求推动了c m o s 图像传感器 的广泛应用。过去工艺中各种不易解决的技术问题现在都能找到相应的解决办法，图像 质量得到大大改善，像素规模已由最初的几万像素发展到现在的几百万、上千万像素。 技术彩色滤波器阵列技术，数字信号处理( d s p ) 技术，噪声抑制技术不断有新突破， 目前c m o s 单元面积上的像素数已与c c d 相当，可基本达到c c d 器件的高分辨率。目前 c m o s 图像传感器主要朝着高分辨率、高动态范围、高灵敏度、超微型化、数字化、多功 能化的方向发展。随着c m o s 图像传感器技术的完善和发展，它的低功耗、低成本、高 速度将使其应用范围不断拓宽。 近年来，在嵌入式图像处理特别是实时图像处理方面，随着微处理器技术的飞速发 展，以往必须由d s p 或f p g a 才能完成的数字图像处理中大量的高速运算，现在高性能 的微处理器也可以胜任，特别是扩展了d s p 模块的a r m 系列的微处理器，使得基于嵌入 式操作系统的图像处理平台的设计和应用都更加方便。因此在此基础上，可以考虑采用 高清c m o s 图像传感器结合数字图像处理的方式实现特定平面激光定位系统的设计。 1 3 本文主要研究内容 本文以嵌入式图像处理技术为基础，以交互式多媒体为对象研究激光光斑定位的嵌 入式实现方式，在此基础上，验证光斑定位的准确性。本文主要对嵌入式l i n u x 内核裁 剪和移植，光斑坐标定位，图像处理等在嵌入式平台上的实现进行研究，并进行了测试 实验，验证光斑定位算法的实际效果。 本文主要研究内容如下： 第一章绪论部分，简单介绍了论文的研究背景及现实意义，概括图像采集传感器应 用的现状，最后给出本文的内容安排；第二章系统总体结构设计，介绍了嵌入式硬件平 台，嵌入式操作系统和应用软件的解决方案；第三章嵌入式l i n u x 系统的构建和移植， 介绍了l i n u x 系统的移植的过程，以及开发环境的建立；第四章系统应用程序设计，详 细介绍了基于v i d e 0 4 l i n u x 的u s b 摄像头的图像采集，基于q t 的图像显示及图像的存 储。同时介绍了图像算法的设计，阐述了边界和光斑坐标的定位实现；第五章系统测试 分析，通过采集的多帧图像进行分析，验证光斑定位的准确度，分析误差产生的原因， 并通过动态实验观察定位的效果。 最后对论文进行了总结，给出本文的不足及改进的想法。 嵌入式激光定位系统的设计! j 实现 2 系统总体设计 2 1系统设计要求 由于该系统的设计是在主机上开发调试的，然后移植到目标板。而在主机环境下要 求满足系统的测试以及实验验证，相对于直接移植到开发板的目标文件要复杂很多，在 移植前，为了减小目标文件，可删除用于测试的模块。根据陔定位系统的功能和特点， 系统应实现如下功能。 ( 1 ) 图像数据的实时采集是定位的前提，它要求摄像头具有较高的采集速率和传 输速率。 ( 2 ) 图形采集的质量关系到后期的图像处理，因此摄像头的分辨率有一定的要求， 而分辨率大小又影响传输的速度，所以要做一定的折中。 ( 3 ) 实时显示所采集的图像，这样就可以直观查看图像采集的效果。 ( 4 ) 图像数据可以根据需要保存为b m p 格式，主要目的是为图像处理效果进行分 析验证。 ( 5 ) 因为光斑的定位是基于图像处理技术来实现的，图像处理使得对微处理器的 要求很高，要求微处理器能到达一定的处理速度。 ( 6 ) 在目标文件移植到嵌入式平台前，在满足目标功能的前提下，去除调试验证 模块，以减少运算时间，提高系统的实时性。 2 2 系统结构设计 本文嵌入式激光定位系统设计主要由三部分组成：嵌入式硬件平台，嵌入式操作系 统以及应用程序设计部分，如图2 1 所示。 2 2 1 嵌入式硬件平台 本系统采用s 3 c 2 4 1 0 微处理器为核心的开发板，并扩展有6 4 m 容量的f l a s h 存储器 和6 4 m 的s d r a m 存储器，完全能满足嵌入式处理的容量需求，且s 3 c 2 4 1 0 微处理的主频 高达2 0 0 m h z ，且支持u s b 接口，并配有串口和网口，方便调试，图像采集采用u s b 接口 c m o s 摄像头。 2 2 2 嵌入式操作系统 开源的l i n u x 内核提供大量的底层的硬件驱动，并提供了内存管理，应用软件管理 等，这就减轻了程序开发的任务量，利用已有的功能，达到自己应用的要求。在硬件平 人迕理i ：人学硕f ：学化论文 台上，完成引导程序、内核及文件系统的移植，建屯起嵌入式的操作系统，在此基础上， 设计应用程序，完成图像设别光斑坐标的目的。 2 2 3 应用程序设计 应用程序部分依赖硬件完成光斑坐标的定位，主要完成： ( 1 ) 图像实时采集，将内核空问的图像数据映射到用户空问。 ( 2 ) 处理缓存中的图像数据，识别光斑的像素坐标。 ( 3 ) 图像以b m p 格式进行实时显示、存储以及实验效果验证等。 应川程序设计 膨用软件部分 | l l 七 文件系统 i 嵌入式l i n u x 内核l 嵌入式操作系统 弋 硬件驱动程序 彳 7 愁l s h ml 、 # du s b 摄像头 微处理器 r s 2 3 2 串口b 。 s 3 c 2 4 l o 刊j 队g 接口 zi 弋7 z 甭肿- 2 = 面钼d 1 1 1 c i 。r 土雪爿i 丹) ( i l c d 显示屏 图2 1 系统基本结构 f 适2 1s y s t e mb a s i cs t r u c t u r e 嵌入式激光定位系统的设计与实现 2 3 嵌入式系统硬件平台 图像处理系统是实现光斑定位的核心，尽管图像处理技术应用广泛，图像处理系统 种类很多，但基本上包括：图像输入设备，图像数据处理单元，存储或输出设备等。本 系统设计中的硬件部分主要有u s b 接口的c m o s 摄像头，s 3 c 2 4 1 0 微处理器，l c d 显示设 备，其基本结构如图2 2 。 图2 2 系统硬件结构 f i g 2 2s y s t e mh a r d w a r es t r u c t u r e 2 3 1 基于a r m 9 2 0 t 内核的$ 3 c 2 4 1 0 本系统采用三星公司的$ 3 c 2 4 1 0 ，它是s a m s u n g 公司基于a r m 公司的a r m 9 2 0 t 处 理器3 2 位微控制器。a r m 9 2 0 t 核由a r m 9 t d m i 、存储管理单元m m u 和高速缓存三部 分组成。$ 3 c 2 4 1 0 x 集成了s d r a m 控制器、3 个通道的u a b t 、4 个通道的d m a 、4 个 具有p w m 功能的计时器和一个内部时钟、8 通道的1 0 位a d c 。s 3 c 2 4 1 0 还有很多丰 富的外部接口，例如触摸屏接口、i i c 总线接口、i i s 总线接口、两个u s b 主机接 口、一个u s b 设备接口、一个l c d 控制器( 支持s t n 和t f t 带有触摸屏的液晶显示 屏) 、两个s p i 接口、s d 接口和m m c 卡接口。在时钟方面$ 3 c 2 4 1 0 x 也有突出的特 点，该芯片集成了一个具有日历功能的r t c 和具有p l l ( m p l l 和u p l l ) 的芯片时钟 发生器。m p l l 产生主时钟，能够使处理器工作频率最高达到2 0 3 m h z 。可以满足处 理器轻松运行w i n c e 、l i n u x 等嵌入式操作系统以及进行较为复杂的信息处理。u p l l 产生实现主从u s b 功能的时钟阳1 。 人连理ii 人学硕十学f 讧论文 2 3 2 存储单元 $ 3 c 2 4 1 0 集成了一个4 k b 的内部s r a m 缓冲器，当系统启动时，n a n df l a s h 存储器 前4 k b 字节自动被加载到s r a m 中，般这4 k b 代码把n a n df l a s h 中的程序拷贝到s d r a m 中，在引导程序执行完后挑传到s d r a m 中，这就解决了从f l a s h 引导系统的问题。 该系统中，选用型号k 9 f 1 2 0 8 的f l a s h 作为固态存储单元，数据宽度为3 2 位，寻 址映射到$ 3 c 2 4 1 0 的r o mb a n k o 区，6 4 m 容量，可满足存储b o o t l o a d e r 、嵌入式l i n u x 内核、文件系统压缩镜像、以及应用程序等目标文件。 动态存储选择s d r a m 存储器，由两片1 6 数据宽度的h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 型号的芯片组成。地 址映射至g s 3 c 2 4 1 0 的b a n k 6 b a n k 7 区，起始地址为o x 3 0 0 0 0 0 0 0 。容量为6 4 m 完全能满足系 统对内存的要求。 2 3 4l c d 显示模块 从$ 3 c 2 4 1 0 的l c d 控制器出来的信号线包括2 4 根数据线和若干控制线，它支持每 像素2 位( 四级灰度) 、4 位( 1 6 级灰度) 的黑白屏，也支持每像素8 位( 2 5 6 色) 和 每像素1 2 位( 4 0 9 6 色) 的彩色l c d ，并且也支持每像素1 6 和每像素2 4 的真彩显示。 常用液晶显示器件种类繁多，目前主流液晶屏有超扭转式向列型( s t n ) 和薄膜式晶 体管型( t f t ) ，也是嵌入式应用系统使用最为广泛、技术比较成熟的显示器件。s t n 型 液晶显示器使用场电压驱动方式，结构简单功耗少，对比度和亮度差，可视角度小，最 多只能支持( 1 2 位) 4 k 色，但是价格很低廉，相对于s t n ，t f t 反应速度快，可视角度 大，色彩丰富，分辨率高，对比度和亮度高，但是价格功耗高。 本系统选用三星公司一款3 5 寸t f t 真彩l c d 屏，分辨率为3 2 0 2 4 0 。 2 。3 。5 图像输入模块 $ 3 c 2 4 1 0 微处理器内部集成一个u s bh o s t 设备以及一个d e v i c e 设备，符合u s b l 1 协议。利用h o s t 口可直接连接u 盘等移动存储设备，同时可作为主控制器操作各种u s b 设备。本系统在设计时利用其h o s t 端口连接u s b 摄像头，实现系统的实时图像采集， 利用u s b 获得视频信息，经过处理后在显示设备上进行动态验证。 摄像头是由感光器材，主控芯片，镜头以及附加电路软件驱动组合而成n 引。 感光器件是摄像头主要的技术核心，目前市场上主要有c c d 和c m o s 两种。c c d 是集 成在半导体单晶材料上，而c m o s 是集成在被称做金属氧化物的半导体材料上，工作原 理没有本质的区别。c c d 只有少数几个厂商例如索尼、松下等掌握这种技术。而且c c d 制造工艺较复杂，采用c c d 的摄像头价格都会相对比较贵。事实上经过技术改造，目前 c c d 和c m o s 的实际效果的差距已经减小了不少。而且c m o s 的制造成本和功耗都要低于 嵌入式激光定位系统的改计与实现 c c d 不少，所以很多摄像头生产厂商采用的c m o s 感光元件。成像方面：在相同像素下 c c d 的成像通透性、明锐度都很好，色彩还原、曝光可以保证基本准确。而c m o s 的产品 往往通透性一般，对实物的色彩还原能力偏弱，曝光也都不太好，由于自身物理特性的 原因，c m o s 的成像质量和c c d 还是有一定距离的。但由于低廉的价格以及高度的整合性， 因此在摄像头领域还是得到了广泛的应用。 目前，市场销售的数码摄像头以c m o s 感光器件的为主。通过采用影像光源自动增 益补强技术，自动亮度、白平衡控制技术，色饱和度、对比度、边缘增强以及伽马矫正 等先进的影像控制技术，完全可以达到与c c d 摄像头相媲美的效果。 d s p ( 主控芯片) ：目前用于摄像头的d s p 主要有中国中星微公司的z c 0 3 0 x p l h 和美 国o m n i v i s i o n 公司的o v 5 1l 系列芯片。镜头按材料分一般有三种，玻璃镜片，塑胶镜 片和化合物的，其中玻璃的透光性比较好，一般采用多层玻璃，以满足光线的通透效果。 在1 i n u x 下使用摄像头，必须首先解决摄像头驱动问题，1 i n u x 对摄像头的驱动支 持不是很完善，一般厂家并不提供l i n u x 下的摄像头驱动，目前l i n u x 内核对摄像头驱 动支持比较好的主要是o v 5 11 系列的芯片如网眼3 0 0 0 2 0 0 0 ，另一系列即中星微系列的 芯片，市场占有率达到6 0 以上。开源项目s p c a f i x x 提供了多数摄像头的1 i n u x 驱动， 其中就包括中星微0 3 0 1 和0 3 0 2 系列微控芯片的驱动。本系统选用以中星微系列的 0 3 0 1 p h 为解决方案的u s b 摄像头，基本参数如下： 图像传感器：高品质c m o s 传感器 元件像素：3 0 万 捕获画面：3 2 0 * 2 4 06 4 0 * 4 8 08 0 0 * 6 0 0 帧速率：最高3 0 f p s s ( 3 2 0 * 2 4 0 ) 接口：u s b l 1 输出格式：4 2 0 控制芯片：中星微0 3 0 1 p h 2 。4 嵌入式操作系统 嵌入式操作系统n 是一种应用广泛的系统软件，负责嵌入式系统的全部软件、硬件 资源的分配、调度工作，控制协调整个系统的运行，它具有操作系统的基本功能，能够 通过卸载某些模块来达到系统所要求的功能。与通用操作系统相比较，嵌入式操作系统 在硬件的依赖性、软件的固态化、应用的专一性以及系统实时高效性等方面具有明显的 大连理i ：人学硕+ 学位论文 特点，嵌入式操作系统的出现，大大提高了嵌入式系统开发的效率，广泛应用于工业控 制、消费电子等多个领域。 目自仃嵌入式操作系统发展已相当成熟，其中以w i n d o w sc e 、v x w o r k s 、p a l m o s 和嵌 入式l i n u x 等操作系统1 应用最为广泛。 w i n d o w sc e 是微软公司嵌入式、移动平台的基础，目前最新版本为6 5 ，已经开放 其内核源代码，但是并没有丌放其g u i 代码。它具有模块化、结构化、基于w i n 3 2 应用 程序接口，不仅继承了w i n d o w s 的图形界面，并且在w i n d o w sc e 上可以使用同样的函 数、同样的界面风格，使绝大多数应用软件只需要简单的修改就可以应用在w i n d o w sc e 平台上。但是它不是免费的，价格较高、运行速度慢。 v x w o r k s 是目前嵌入式系统领域中使用最广泛市场占有率最高的系统，特别是在军 事领域。其核心是一个高效的微内核，支持各种实时功能包括快速多任务处理、中断支 持、抢占式和轮转式调度。它也是商业性系统，价格不菲。 p a l mo s 是3 c o m 公司的，在p d a 市场上占有很大的份额，a p i 丌发商可以在其开放 的操作系统应用程序接口上根据需要开发应用程序，也可以灵活裁剪的，最小配置几十 k b 内存就可运行。 嵌入式l i n u x 内核小巧灵活，易于裁剪功能强大稳定，能够支持多种硬件平台，目 前己成功移植到十几种硬件平台，支持几乎主流的c p u 。它是源代码丌放的系统软件， 任何人都可以修改或者用于商业产品，且是完全免费的。在l i n u x 上开发嵌入式应用软 件一般不用从头开发，而是选择类似的自由软件原型进行二次开发。另外，嵌入式l i n u x 提供了一套完整的开发工具链，使用交叉编译工具链能够很方便的实现应用软件的移植 和调试。如今它已被广泛应用于消费电子，工业控制等多个领域。 l i n u x 对s 3 c 2 4 1 0 处理器支持的非常好，操作系统内核和应用程序都是开放源码的， 因此，l i n u x 可以完全按照自己的需要裁减配置操作系统，使得尺寸更小，而且l i n u x 的操作系统性能比w i n d o w s 操作系统性能更优越，还可以避免支付w i n d o w s 产品的版税。 本文系统的设计主要基于嵌入式图像处理技术的，在完成图像处理的基础上，还要 完成各种硬件的管理，资源的分配以及和主机的通信。而且l i n u x 内核针对视频设备提 供了v i d e o f o r l i n u xa p i 接口函数，使得图像采集实现非常简单。 使用s 3 c 2 4 1 0 微处理器，高达6 4 m 的f l a s h 和s d r a m 完全可以满足嵌入式操作系统 的对硬件的要求；嵌入式应用的开发都是在主机开发后移植到开发板上的，基于操作系 统的应用程序几乎不依赖硬件平台，移植更加方便。考虑到应用的扩展，利用操作系统 更加方便硬件资源和软件的管理。 嵌入式激光定位系统的设计j 实现 目前l i n u x 有多个版本，但是从内核源码的角度看，有两类内核：一种是经过定制 后的l i n u x 内核，如针对没有m m u 单元处理的u c li n u x ，实时内核的r t l i n u x ，但该内 核是商业版本，不是免费的；另一种就是没有裁剪过的内核，需要自己根据需要定制各 种模块，裁剪后编译移植到硬件平台。考虑到应用程序丌发及移植方便，选用没有修改 过的的内核源码，自己定制l i n u x 的操作系统。 人连理i ：人学硕+ 。? 位论文 3 嵌入式系统的构建与移植 3 1 定制交叉编译环境 在嵌入式环境下，存储空问通常小于2 5 6 m ，甚至小于6 4 m ，这样的空i 、日j 是无法容纳 一个寻常的c 编译器，以及相关工具和所需要的c 库，就史不用说在上面运行了。而交叉 编译器能够生成目标平台的机器代码，这就为我们在主机上开发目标应用程序提供了方 便。 通常嵌入式系统开发采用交叉编译调试的方式，在主机上使用交叉编译器生成目标 板上可执行的二进制代码，然后通过下载线下载到目标机上进行运行。现在的开发板支 持多种下载方式，女i u s b 、串口下载等等。本系统使用交叉网线下载，串口进行调试。 3 1 1制作交叉编译工具 $ 3 c 2 4 1 0 芯片不支持硬件浮点数( h a r d f l o a t ) ，采用支持软浮点( s o f t f l o a t ) 的 编译器可以解决浮点运算的问题。因为本系统的应用程序在图像处理中部分用到浮点运 算，因此本文选用了支持软浮点的交叉编译器。而目前网站上提供的都是不支持软浮点 的交叉编译工具，网上一个开源项目提供了一个制作交叉编译器的脚本工具c r o s s t o o l ， 目前最新版本为c r o o t o o l 一0 4 3 ，下载相应的源码g l i b c l i n u x t h r e a d s 、g c c 、g l i b c 、 b i n u t il s 以及1i n u x 内核，制作步骤简介如下： ( 1 ) 将相互兼容的源码放在同一个目录下，默认可为任意非r o o t 用户的根目录下 的d o w n l o a d 目录，当然也可以改变配置文件，把源文件放在配置文件对应的目录。 ( 2 ) 解压c r o s s t o o l 完毕后，进入c r o s s t o o l 一0 4 3 目录：c dc r o s s t o o l 一0 4 3 编辑# v id e m o a r m s o f t f l o a t s h ，部分源码如下： 1 t a r b a l l sd i r = $ h o m e d o w n l o a d s 源文件所在目录 2 r e s u l tt o p = o p t c r o s s t 0 0 1 目标生成文件所在目录 3 e v a l c a ta r m - s o f t f l o a t d a tg c c 一3 4 1 一g l i b c 一2 3 3 d a t s ha 1 1 s h n o t e s t 可修改为相应的版本如本文选用g c c 一3 4 1 ，g li b c 一2 3 3 完成修改保存，再修改脚本文件a r m s o f t f l o a t d a t ，修改目标名称t a r g e t 为 a r m - l i n u x ，也可以修改为任意的目标格式。然后执行d e m o a r m - s o f t f l o a t s h 。成 功编译就会生成支持软浮点的交叉编译器，本文制作的a r m - l i n u x g c c 版本为3 4 1 。 ( 3 ) 把生成的目标文件名字改为3 4 1 拷贝到u s r l o c a l a 姗目录下，修改配置 文件e t c p r o f il e ，添力i p a t h m u n g e u s r l o c a l a r m 3 4 1 b i n ，至此交叉编译器就配置 完成了。 嵌入式激光定位系统的设计与实现 3 1 2 配置系统通信方式 嵌入式操作系统丌发中，开发机与宿主机问数据通信常用的通信协议有：r s 2 3 2 串 行通信协议和t f t p 网络通信协议。 目f i j i j p c 机与外设串行通信中最常用的标准实际为r s 2 3 2 c 协议标准。本文中使用的操 作系统为r e d h a te n t e r p r i s el i n u xa s 4 版本内核为1i n u x 一2 6 9 ，串口终端使用 m i n i c o m 通过一些简单的配置就可以和开发板通信了。 终端中输入命令m i n i c o m s 进入文本配置界面 设置s e r i a lp o r ts e t u p 选项为d e v t t y s 0 波特率设置为：11 5 2 0 0 和8 一n l 将硬件控制流设置为：n o 保存设置为s a v es e t u pa sd f l 选项 t f t p 网络通信是基于u d p 协议的，相对r s 2 3 2 串行通信具有传输速度快、传递距离远 的优点，使用该协议传送文件时没有数据校验、密码验证，非常适合小型文件的传输。 操作系统默认是不开启t f t p h 艮务的，需要修改配置文件： 修改# v i e t c x i n e t d d t f t p 将“d i s a b l e = y e s ”选项改为“d i s a b l e = n o 保存退出，通过命令启动t f t p h 艮务：# e t c i n i t d x i n e t dr e s t a r t 3 1 3 网络文件系统n f s n f s 是n e tf i l es y s t e m 的简写，即网络文件系统。n f s 允许一个系统在网络上与他人 共享目录和文件。提供n f s 服务的一方是n f ss e r v e r ( 如p c 主机) ，使用n f s 服务的一方是 n f s