（通信与信息系统专业论文）穿戴式网络中的软硬件设计.pdf

声明 得的研究成果。尽我所 或撰写过的研究成果， 我一同工作的同志对本 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相 一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或 部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：生6 | ! 么垒导师签名：日期：砂y ? z 摘要 摘要 随着个人通信需求的增长。穿戴式网络也越来越受到人们的关注，它以个人通信为中心。将无 线电子设备组成一个移动网络，为设备之间提供方便、快速的数据传输。 穿戴式网络是一个集计算机技术、通信技术和数字视频技术于一体的综合系统。针对不同的应用， 系统设计选择的协议与软硬件都不相同。 根据项目要求，需要设计这样一个穿戴式网络系统：它具有一个中心节点，以及多个从节点。 一个从节点负责高清视频的采集处理传输，其他从节点采集周围环境中的音频、温度、湿度、距离 以及g p s 等信息。中心节点负责处理所有从节点发送来的数据，发送到信息显示节点显示上述信息， 并且根据要求对从节点实现控制。 首先论文给出了穿戴式网络的概念、特点、应用，针对项目的特定要求分析比较了符合穿戴式 网络要求的几种具体的协议，最终选择了u w b 和蓝牙协议。u w b 主要用于视频等高速数据的传输。 蓝牙协议主要用于较低速率数据的传输。 然后论文探讨穿戴式网络的总体设计方案，给出了硬件框架，接着从硬件角度出发，结合其要 实现的功能，完成了下列硬件设计：主节点采用u m p c ，视频采集节点是基于$ 3 c 2 4 4 0 处理器的平 台与摄像头及u w b 通信模块结合的实现方案。并针对该平台的主要部分作详细讨论，根据系统要 求进行芯片的选择，分析其具体电路的设计方法。对温湿度采集节点与g p s 信息采集节点同样完成 了芯片选择，电路设计。硬件设计最终制成了硬件电路板并对其进行硬件调试。然后分析研究了两 个节点的软件结构和软件设计，完成了必要通信程序的设计。 软件上给出了软件框架，完成了系统中视频采集节点的软件设计，视频采集节点的软件设计部 分主要包括嵌入式l i n u x 平台下驱动程序和应用程序的开发。在嵌入式l i n u x 平台下完成了摄像头 驱动开发。对l i n u x 下的视频采集技术进行了详细的分析，介绍了v i d e 0 4 l i n u x 编程接口a p l 的使 用方法，给出了l i n u x 下视频采集的主要流程以及核心代码。最后对视频压缩算法进行了研究，移 植成功了x v l d 的开发包，并对压缩的主要原理流程进行了研究。 关键字：穿戴式网络，硬件设计，驱动，视频采集，超宽带，蓝牙 丝! ! 坠竺! a b s t r a c t w i t ht h eq u i c kg r o w t hi nd e m a n df o rp e r s o n a lc o m m u n i c a t i o n ，w e a r a b l en e t w o r kh a sr e c e i v e dm o r e a n dm o r ea t t e n t i o n i ti sc o m p o s e do f w i r e l e s sd e v i c e sw h i c hf o r mam o b i l en e t w o r k ，p r o v i d i n gr e l i a b l e a n df a s td a t at r a n s m i s s i o n w e a r a b l en e t w o r ki sa ni n t e g r a t e dt e c h n o l o g y , i n c l u d i n g c o m p u t e r , c o m m u n i c a t i o na n dd i g i t a lv i d e ot e c h n o l o g y f o rd i f f e r e n ta p p l i c a t i o n s ，s y s t e m sh a v ed i f f e r e n th a r d w a r e a n ds o f t w a r e a c c o r d i n gt ot h ep r o j e c tr e q u i r e m e n t ，s u c haw e a r a b l en e t w o r ks y s t e mi sd e s i g n e d ：i th a sac e n t r a l n o d e ，a n dm u l t i p l es l a v en o d e s o n es l a v en o d ei sr e s p o n s i b l ef o rc o l l e c t i o na n dp r o c e s s i n go fh i g h s p e e d v i d e od a t at r a n s m i s s i o n an u m b e ro fo t h e rn o d e sc o l l e c ti n f o r m a t i o ns u c ha st e m p e r a t u r e ，h u m i d i t y , d i s t a n c ea n dg p si n f o r m a t i o nf r o mt h ee n v i r o n m e n t c e n t r a ln o d ei sr e s p o n s i b l ef o rh a n d l i n ga l lt h ed a t a w h i c hi ss e n tf r o mt h es l a v en o d e s a tf i r s t ，t h ep a p e rg i v e st h ec o n c e p ta n dt h ec h a r a c t e ro ft h ew e a r a b l en e t w o r k f o rt h es p e c i a l a p p l i c a t i o nw ea n a l y s ea n dc o m p a r es e v e r a lp r o t o c o l sa g r e e i n gw i t ht h es p e c i a lr e q u i r e m e n t so ft h e w e a r a b l en e t w o r k a tl a s tt h eu w ba n db l u e t o o t hp r o t o c o l sa r ec h o s e d u w bi sm a i n l yu s e df o rv i d e oa n d o t h e rh i g h s p e e dd a t at r a n s m i s s i o n b l u e t o o t hi sm a i n l yu s e df o rl o w - s p e e dd a t at r a n s m i s s i o n t h e nt h r o u g ht h es t u d yo ft h ep r o t o c o la n dt h er e q u i r e m e n to ft h ew e a r a b l en e t w o r k ，t h eh a r d w a r e s y s t e mb a s e do nt h ep r o t o c o la n ds y s t e mr e q u i r e m e n ti sp u t t e df o r w a r df r o mt h ea n g l eo f h a r d w a r ed e s i g n t h em a i nn o d eu s e su m p c v i d e oc o l l e c t i o nn o d ei sa p l a t f o r mb a s e do n $ 3 c 2 4 4 0p r o c e s s o rc o m b i n e d w i t ht h ec a m e r aa n dt h eu w bm o d u l e f o rt h em a i np l a t f o r mad e t a i l e dd i s c u s s i o ni sm a d e f o r e x a m p l e 。 t h ec h i ps e l e c t i o na n dc i r c u i td e s i g ni sa n a l y s e d f o rt h et e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yc o l l e c t i o nn o d ea n dt h e g p si n f o r m a t i o nc o l l e c t i o nn o d et h es a m ew o r ki sc o m p l e t e d a tl a s tt h eh a r d w a r ed e s i g ni sf i n i s h e da n d e v e n t u a l l yh a r d w a r eb o a r di sd e b u g g e d a n dt h es o f t w a r ea r c h i t e c t u r ea n dd e s i g no f t h et w on o d e s ，a r e a n a l y s e d t h en e c e s s a r yc o m m u n i c a t i o np r o g r a md e s i g ni sc o m p l e t e d f o rs o f t w a r ed e s i g nt h ep a p e rg i v e st h es o f t w a r ef r a m e w o r ka n dc o m p l e t es o f t w a r ed e s i g no ft h e v i d e oc a p t u r en o d e i ti n c l u d et h ec a m e r ad r i v e rf o re m b e d d e dl i n u xp l a t f o r ma n dv e d i oc a p t u r e a p p l i c a t i o ns o f t w a r e b yad e t a i l e da n a l y s i so f v i d e 0 4 l i n u x ，t h ep a p e rg i v e st h ep r o c e s so f t h ev i d e o c a p t u r es o f t w a r ea n dt h ec o r ec o d e f i n a l l y , t h ev i d e oc o m p r e s s i o na l g o r i t h mh a sb e e ns t u d i e d ，a n dt h e x v i dp a c k a g ei ss u c c e s s f u l l yt r a n s f o r m e d t h em a i np r i n c i p l e so f c o m p r e s s i o np r o c e s s e sa r es t u d i e d k e yw o r d s ：w e a r a b l en e t w o r k ，h a r d w a r ed e s i g n ，d r i v e r , v i d e oc a p t u r e ，u l t r a - w i d e b a n d ，b l u e t o o t h i l i 目录 目录 2 2 几种短距离通信协议对比5 2 3 穿戴式网络整体方案8 2 4 穿戴式网络硬件节点系统硬件平台设计。8 2 5 本章小节9 第3 章视频采集节点硬件设计1 l 3 1 视频采集节点平台主要芯片1 l 3 2 视频采集节点与视频显示节点电路1 3 3 2 1 处理器电路设计1 3 3 2 2 存储器电路设计1 4 3 2 3 通信接口电路设计：1 5 3 2 4 功能性接口电路设计1 7 3 3p c b 版图设计流程1 9 3 4p c b 版图设计效果2 l 3 5 硬件电路调试2 2 3 6 本章小结2 4 第4 章温度采集节点与g p s 采集节点的硬件与软件设计实现2 5 v - m n j o o 1o 0 一 一 一 一一 一 络 一 - - - - - r l u 的 特 排设 与 东南大学硕士学位论文 4 1 温度采集节点与g p s 采集节点硬件设计2 5 4 1 1 温度采集节点与g p s 采集节点开发方案与硬件开发平台2 5 4 1 2 温度采集节点与g p s 采集节点主要芯片2 7 4 1 3 温度采集节点与g p s 采集节点电路原理图3 2 4 1 4 温度采集节点与g p s 采集节点p c b 设计。：3 4 4 2 温度采集节点与g p s 采集节点软件设计：3 4 4 2 1 软件结构与软件设计平台j “3 4 4 2 2 温度采集节点1 2 c 通信程序设计“3 8 4 2 3g p s 采集节点通信协议。4 l ” 4 3 本章小结- 4 3 第5 章视频采集的软件设计：4 5 5 1 视频采集的软件实现流程4 5 5 2 驱动程序的开发4 6 5 2 1 驱动程序的工作原理2 4 6 5 2 2 驱动程序的软件实现4 7 5 3 视频采集上层软件开发5 0 5 3 1v i d e 0 4 l i n u x 的介绍5 0 5 3 2 上层软件的实现5 3 5 4m p e g 4 编解码的实现6 0 5 4 1m p e g 4 编解码简介6 0 5 4 2m p e g 4 x v i d 的移植6 l 5 4 3 基于x v i d 编码算法的实现6 2 第6 章结束语。6 7 6 1 论文工作总结6 7 6 2 下一步工作方向6 7 参考文献6 9 研究生学习期间发表的论文和参加的项目。7 1 v i v i l 成一个网络。各种穿戴设备，如传感器， 而形成穿戴式网络【1 】1 2 l1 3 】o 穿戴式信息 通信及信息处理技术，将人体穿戴的各 基本的可穿戴式网络主要包括微型计算 、话筒、无线通讯、手写输入板、电池 如下图： 图1 1 穿戴式网络示意图 穿戴式信息网络以穿戴式计算机为中- t l , ，将人体携带的耳机，话筒，通讯电台，手写输入板， 微型摄像头，头戴显示器，定位器，传感器等设备用网络连接起来。视频设备摄像头摄取图像，话 筒和手写板录入语音和文字，定位器、传感器获取环境信息，这些信息都被传输到穿戴式计算机进 行处理，然后再传输到终端显示或播放出来。穿戴式信息网络能使人方便地使用在人身上的各种设 备，扩大人的感知范围，分析处理人周围较大范围的信息。 1 2 穿戴式网络的应用 穿戴式网络是为数据、语音、图像的传输提供可靠且有效的网络连接。穿戴式网络的应用主要 分为以下几类：医疗护理领域、军事领域和娱乐领域。 l 东南大学硕士学位论文 随着全世界人口的老龄化，对于疾病的预防相比疾病的治疗而言，显得越来越重要，尤其在日 常生活中对可移动性医疗护理的需求日益显著。此外在军事领域中，单兵是最基本的军事行动单元， 在现代化战争条件下，单兵的通信和计算能力对信息的及时发送、接收和共享至关重要，决定着网 络中心战延伸的范围和程度。伴随传感器、微处理器以及通信技术的发展，使得这种能够检测和控 制个人网络系统成为可能。 在医疗护理领圳m l 【i ，穿戴式网络够用于提供自动医疗诊断以及重要生理信号的监视。例如自 动医疗和诊断的过程，首先建立一个闭环控制系统，分为三个步骤。第一步，通过人体内部和表面 的传感器采集各种重要的生理信号；第二步，控制单元根据采集到的信号以及判决准则得出相应的 控制指令：第三步，网络相关节点接收控制单元的控制指令做出相应的反馈，如某项生理指标过高 则通知紧急呼叫急救中心等。这三步即是一个循环，伴随传感器刷新数据进入一个新的周期，从而 为病人提供持续不断的医疗监测。 图1 2w b a n 在医疗护理中的应用 在军事领域，现代化战争对信息的获取数量和速度都有很高的要求，穿戴式网络能够提供给作 战士兵即时的个人信息和作战信息，比如战场环境参数、士兵所处位置、个人即时身体状况，这些 都可以通过分布在士兵体表或体内的传感器等设备获取，利用无线电技术、计算机技术、传感器技 术等进一步增强了单兵作战系统的威力，能够为祖国军事现代化事业做出巨大贡献。 从全世界范围来看，各地的大学正在积极研究该类通信系统，比如麻省理工学院的m i t h r i l 和 哈佛大学的c o d e b i u e ，但是都是以有线的方式连接分布在人体周围的较小的设备。这种以人体为中 心的计算机网络称之为穿戴式网络，网络中包含有微处理器和传感器等设备，设备和人之间会发生 不停的信息交互，同时人体各部位并不是静止不动而是随时移动的，所以对便携性以及低功耗有很 高的要求。随着无线通信技术的发展，速率不断提高、功耗不断降低，相比较而言无线通信方式比 有线方式更具便携性，同时能够满足不同类型应用的需求。因此出现了穿戴式网络。 1 3 穿戴式网络特点 绪论 网络规模较小，一般在1 - 2 米之内 采用电池供电，对网络节点的功耗要求高 围绕人体形成网络，需要关注人体健康问题 网络业务呈现多样性，不同的节点有不同的q o s 要求 伴随身体移动而来的动态网络拓扑结构 因此需要针对穿戴式网络的特点选择协议与硬件、软件实现，满足上述特点。 本文内容安排 本文的主要任务是研究穿戴式网络的软硬件实现。穿戴式网络由于应用的复杂性环境，又要结 单以便于硬件的实现。本文以s 3 c 2 4 4 0 处理器为基础，结合自身系统的要求做了适当的改动， 完成硬件上的实现。软件上完成了对视频处理节点的视频采集处理传输的设计。 第一章绪论简要介绍穿戴式网络概念及其应用领域，穿戴式网络相比其他无线技术的特点 第二章详细分析比较了穿戴式网络中能用到的协议。首先介绍穿戴式网络与w p a n 的关系，然 后针对常见的w p a n 协议进行详细的讨论。最终选定了两种协议作为穿戴式网络中协议。根据协议 给出系统的框架，并对每个节点的构成进行了探讨。 第三章对穿戴式网络中的视频采集节点进行细致的研究。首先对视频采集节点主平台所用的芯 片做了简要介绍，而后根据芯片特点进行了详细的电路设计。电路设计完成后，制版，硬件调试最 终完成了硬件设计。然后对两个节点的软件结构和软件设计进行了研究与实现。 第四章对穿戴式网络中的温度与g p s 信息采集节点进行细致的研究。首先对所用的芯片做了简 要介绍，而后根据芯片特点进行了详细的电路设计。电路设计完成后，最终完成了制版，硬件调试。 第五章对穿戴式网络中的视频采集节点的软件实现进行了细致的研究。首先软件的结构做了简 要介绍，而后根据软件的结构完成了视频采集节点的软件设计。主要包括包括驱动程序、视频采集 视频编码、最终完成了软件设计。 第六章对本论文的工作进行了总结，并展望下一步的研究工作。 图2 - 1i e e e8 0 2 1 5w p a n 系列简介 由w p a n 的定义知道穿戴式网络符合w p a n 的标准，所以穿戴式网络可以使用的通信协议符合w p a n 的标准。 2 2 几种短距离通信协议对比 目前可以实现穿戴式网络的主要技术有：i e e e 8 0 2 1 l b 【7 l ( w i f i ) 、h o m ef u f 、蓝牙【6 1 ( b l u e t o o t h ) 以及u w b 1 2 lu 3 1 1 4 1 等。它们都有各自的特点或基于传输速率、距离、耗电量的特殊要求或着眼于功 能的扩充性。 i r d a ( i n f r a r e dd a t a a s s o c i a t i o n ) 是一种利用红外线进行点对点通信的技术，由红外线数据标准协 会制订的，它是第一个实现无线个人局域网( w p a n ) 的技术。红外线数据协会成立于1 9 9 3 年，是致 力于建立红外线无线连接的非营利组织。i r d a 的特点是无需申请专门的频率使用执照，体积小、功 5 东南大学硕士学位论文 率低，最大传输速率为4 m b p s 。目前。i r d a 的软硬件技术都很成熟，在小型移动设备，如p d a ， 手机上广泛使用。其l m 内通信速率已达到1 6 m b p s ，适合于传输容量大的数据文件和多媒体数据流。 另外，由于红外线发射角小，因此在物理传输上具有一定的安全性。可应用于工业测控网络的互连， 为工业移动测试和传输提供优良的手段。其最大的不足在于传输距离短，受视距限制：要求通信设 备的位置固定；点对点的传输，无法灵活地组成网络。 蓝牙技术l s 】是爱立信、i b m 等5 家公司在1 9 9 8 年联合推出的一面向无线数据与语音通信的开放 型技术规范，它主要面向低成本、低功耗、近距离的无线通信领域。蓝牙技术使用2 4 g h z 频段， 采用跳频扩频技术，着重于近距离低端服务的实现，数据传输带宽大约为1 m b p s ，通信距离一般在 1 0 m 以内。蓝牙技术曾得到w p a n 7 】的全面支持，i e e e 于2 0 0 2 年制定的8 0 2 1 5 1 标准就是基于蓝 牙的w p a n 标准。由于蓝牙技术具有跳频快。数据包短，功耗低，相关技术成熟，联结方式自由的 特点，故其通信更加稳定，抗干扰能力更强，辐射更小。在小区域的范围，比如一幢大楼之内，蓝 牙设备可以任意漫游，随时随地的接入当地的蓝牙微微网，或者注销在当前微微网的注册。但是， 第2 章穿戴式网络整体设计方案 几种技术的比较： 表2 1 几种无线技术比较 技术名称 u l r bb l u e t o o t h z i g b e e w i f ii r d a 工作频段3 1 g h z 12 4 g h z 2 4 88 6 8 m h z ，2 4 g h z8 5 0 n m ，9 0 0 n m 的 o 6 g h zg h z ? 9 0 2 m h z 9 2 8 m h z 2 4 红外频谱 g h z 2 4 8 g h z 最大工作范 1 0 m1 0 m1 0 0 m1 0 0 m3 m 围 n l o s 是否可传可传可传 可传 不可传 可传 最大传输速 1 g b p s3 m b p s2 0 k b p s ，1 1 m b p s1 6 m b p s 塞 4 0 k b p s 2 5 0 k b p s 是否高速是否否否否 总的看来，协议分成三种类型，它们的主要区别在于通信速率、q o s 能力等。8 0 2 1 5 3 是高速率 f 拘w p a n 标准，适合于多媒体应用，有较高的q o s 保证。8 0 2 1 5 1 即蓝牙技术1 9 1 ，具有中等速率，适合 于从蜂窝电话到p d a 的通信，其o o s 机制适合于话音业务。8 0 2 1 5 4 也就是z i g b e e 技术，目标市场 是工业、家庭以及医学等需要低功耗、低成本无线通信的应用，对数据速率乖f l q o s 的要求不高。所 以对于高速的视频传输我们采用u w b 传输协议，对于温度g p s 信息我们采用蓝牙协议传输。 7 东南大学硕士学位论文 2 3 穿戴式网络整体方案 根据上文穿戴式网络的分析，我们已充分的认识到其功能以及采用的关键技术。根据功能的不 同我们穿戴式网络各个节点的功能及整体结构如图： 图2 - 2 穿戴式网络系统框图 2 4 穿戴式网络硬件节点系统硬件平台设计 经过穿戴式网络系统以及通信协议的的分析，对于视频采集节点因为视频处理功能的实现以及 与主节点的通信比较复杂所以决定采用$ 3 c 2 4 4 0 作为处理器附加必要的内存、电源、复位电路、硬 件接口，作为本节点主要的数据处理处理部分的实现平台，由摄像头采集视频信息传送到处理平台 中经过必要的处理，该信号可以通过u s b 接口连接u w b 发送模块，接收端与发送端类似，整个 系统硬件平台如下图所示： tt ，、1 、j tr - 1tt nt _ 、地r 1 i u w b 通信模块 u 3 廿：质i - - i 主控制平台 u 3 廿便i - i l 摄像头 i 基于$ 3 c 2 4 4 0 图2 - 3 视频采集节点组成 从上图可以看出，该平台物理层主要通过基于$ 3 c 2 4 4 0 的芯片实现数据处理控制功能，并通过 相应u s b 接口与物理层交互。节点的工作流程如下：首先平台打开摄像头完成初始化控制摄像头采 集图像通过u s b 接口传输到平台进行数据处理，在平台内部对该视频数据进行处理例如，加密， 压缩等，最后通过u s b 接口连接的u w b 模块发送数据发送到主节点。对于视频与其他信息显示节 点与视频采集节点的平台一直。但在接口方面需要增加一个l c d 显示器与平台的接口。 经过穿戴式网络系统以及通信协议的的分析，对于温度与g p s 采集节点因为功能的实现以及与 主节点的通信比较简单，所以采用蓝牙模块与g p s 模块组合，以及蓝牙模块与传感器节点组合即可， 8 第2 章穿戴式网络整体设计方案 蓝牙模块与g p s 模块之间的接口为1 2 c 接口，蓝牙与传感器之间的接口为串口。 蓝牙模块 1 2 c 温度传感器 u a i 玎 蓝牙模块 g p s 模块 图2 - 4 温度采集与g p s 信息采集组成 2 5 本章小节 本章对穿戴式网络中的协议做了较为详细的讨论。首先，介绍穿戴式网络的常用协议： i e e e 8 0 2 1 l b ( w i f i ) 、h o m er f 、蓝牙( b l u e t o o t h ) 以及u w b 。然后分析比较了几种协议的优缺点。 最终确定了网络使用的协议然后根据协议确定了硬件的基本方案。下步将对节点的所使用的芯片以 及电路设计做具体分析。 9 通道d m a ，4 通道具备p w m 功能的定时器，i 0 1 ：3 ，r t c ( 实时时钟) ，8 通道i ob j t 精度a d c 和触 摸屏控制器，1 2 c 总线接口，1 2 s 数字音频总线接口，u s b 主机，u s b 设备，s d m m c 卡控制器，2 通道s p i 和p l l 数字锁相环组成。$ 3 c 2 4 4 0 a 提供了一套比较完整的通用系统的外围设备，并且使得整 个系统功耗最小，片上集成的功能主要包括如下几个方面： ( 1 ) a r m 内核，1 8 v 2 。5 v 3 o v 3 。3 v 存储器3 3 v 外部i 0 。具有1 6 k b 指令缓存1 6 k b 数据 缓存和删u ： ( 2 ) 外部存储控制器( s d r a m 控制和片选逻辑) ； ( 3 ) l c d 控制器，l 通道l c d 专用d h a ； ( 4 ) 具有外部请求引脚的4 通道d m a ： ( 5 ) 2 通道s p i ，3 通道u a r t ： ( 6 ) 1 通道1 2 c 总线控制器，l 通道1 2 s 总线控制器； ( 7 ) 兼容s d 主机协议1 o 版和删c 卡协议2 1 1 兼容版： ( 8 ) 2 + u s b 主机，t + u s b 设备( u s b l 1 ) ( 9 ) 4 通道p w m 计时器，1 通道内部计时器： ( 1 0 ) 看门狗电路： ( 1 1 ) 1 3 0 个通用i o q ，2 4 通道外部中断源： l l 东南大学硕士学位论文 ( 1 2 ) 电源控制：普通、缓慢、空闲和断电模式； ( 1 3 ) 8 通道1 0 位a d c 和触摸屏接口： ( 1 4 ) 具有日历功能的实时时钟r t c = ( 1 5 ) 具有p l l 片上时钟发生器； ( 1 6 ) 相机接口 m a x 8 1 1 1 2 2 】为4 引脚微处理器电压监视器，具有精密电源监控和低功耗的特点。能监视3 v 、3 3 v 和5 v 的电源电压，m a x 8 11 的工作电压为1 0 v 一5 5 v 。m a x 8 1 1 为低电平有效复位。m a x 8 1 1 具 有手动复位功能，电源电流6 1 l a ，复位阈值电压有4 6 3 v 、4 3 8 v 、3 0 8 v 、2 9 3 v 和2 6 3 v 五种， 上电复位的脉冲宽度最小为1 4 0 r i m 。m a x 8 1 l 的工作原理简介当微处理器的电压v c c 低于m a x 8 1 1 的门限电压时，内部定时器复位到0 ，并保持复位输出端为低电平，当v c c 高于阈门限电压时，内 部定时器开始计数，计数到给定值( 定时器的溢出周期) 时。输出端变为高电平。手动复位输入端m r 为低电平时，内部定时器复位到0 ，并保持复位输出端有效，当m r 变为高电平时，内部定时器开 始计数，计数到给定值( 定时器的溢出周期) 时，复位输出端变为高电平。手动复位输入端内部有一 个2 0 k 上拉电阻，所以此端可以开路。手动复位输入端也可以由个i l 或c m o s 电平驱动，或集电 极开路输出驱动。若m r 端接一个手动按钮，则不需要再连接其它器件。若m r 端接一个长电缆或 工作在有噪音的环境，则需要在脚r 端和地之间接一个0 i u f 的去耦电容。 d m 9 0 0 0 1 2 1 为d a v i c o m 研发的三合一以太网控制芯片，有下列特点： i 封装采用l q f p l 0 0 管脚封装，占用面积和高度小。 2 使用电压为3 3 v ，最大耗用电流为1 0 0 m a ，十分省电。 3 和m c u 连接模式有i s a 8 b i t i s a1 6 b i t u p8 b i t u p16 b i t u p3 2 b i t 6 8 k 模式， 并且支持3 3 v 和5 v 的i o 控制。可方便和不同电压和界面的m c u 连接。 4 内置1 0 1 0 0 mp h y ，支持多种接模式；电端口支持1 0 m h a l f i o m f u l l 1 0 0 mh a l f lo o mf u l l a u t o ( n w a y ) = 另提供光端1 0 0 mh a l f 1 0 0 m f u l l 。 5 支持m i i 和r e v e r s e sm i i 模式。可以应用在不同的应用面上。! i i i m i i 可连接d m 9 8 0 1 制成 h o m e p n a 产品，r e v e r s e sm i i 可连接d m 8 6 0 5 制成s o h o r o u t e r 。 6 支持e e p r o m ( 9 3 c 4 6 ) ，可供存放系统所需信息。 7 支持g p i o 可供开发人员创意使用。 l m l l l 7 2 0 1 输出电压可调从1 2 5 v 至u 1 3 8 v ，并且提供三个固定输出电压4 2 v ，5 v ，1 2 v ，只需再 调节到核心电压1 2 v ，就可直接从低压2 2 0 v 上获得整个电路所需要的4 2 v ，5 v ，1 2 v - - - 个等级的电 压。 1 2 第3 章视频采集节点硬件设计 k 9 f 1 2 0 8 t 1 9 l 是三星公司生产的6 4 m 8b i t n a n df | a s h 存储器，工作电压为2 7 - - 3 6v ，内部存储 结构为5 2 8 字节x 3 2 页4 0 9 6 块，可实现页的读取、写入、擦除等操作。k 9 f 1 2 0 8 由存储阵列、输入 输出缓冲及锁存、命令寄存器( 保存外部设备对存储器操作的类型) 、地址锁存与译码( 保存被访问的 地址并产生相应的译码选通信号) 、控制逻辑及高电压发生器等五部分组成，外部电路通过8 位i 0 端口分时访问k 9 f 1 2 0 8 的命令寄存器、地址寄存器和数据寄存器，完成对芯片内部存储体的访问 k 9 f 1 2 0 8 采用4 8p i nt s o p 封装形式，但有效引脚只有1 7 个，重要引脚功能如下：c l e ：命令允许( 锁 存) ，平时为低电平。当c l e 为高电平时，在w e 的上升沿将i o 端口上的命令信息输入并锁存到命 令寄存器。 3 2 视频采集节点与视频显示节点电路 3 2 1 处理器电路设计 平台电路主要包括：$ 3 c 2 4 4 0 与存储器的连接电路，可以与电脑连接进行程序下载的接1 2 1 电路： j t a g 下载电路、网口电路、通信接口电路、串口电路、u s b 接口电路、电源电路、复位电路等 $ 3 c 2 4 4 0 实现视频处理，对通信模块的控制等。与平台主要芯片的连接的原理图如下： 图3 1 $ 3 c 2 4 4 0 及其外围电路 东南大学硕士学位论文 3 2 2 存储器电路设计 平台使用了两片外接的3 2 mb y t e s 总共6 4 mb y t e s 的s d r a m 芯片( 型号为：h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 f t p ) ， 一般称之为内存，它们并接在一起形成3 2 b i t 的总线数据宽度，这样可以增加访问的速度；因为是 并接，故它们都使用7 n g c s 6 作为片选，根据s 3 c 2 4 4 0 的设置文档的介绍可知，这就决定了它们的 物理起始地址为0 x 3 0 0 0 0 0 0 0 ，的s d r a m 部分原理图。 l t ，2 嚣城黑 心 嘲 3 ，00， md o n 竹 ， ” 嘲 9d 。9 舢o d q i o l id o l i ld 。1 1 o o i “1 柏 t s a r 4 口doi， u 捌t t l c $ ud c 格 性僦 x “ ，0 排 _ s p d 讲 v $ v 2 v m v d 哪 v 3 a 哪 1 rv 蛳- v t ：o q 2 v 鼬2v 踯 2 v s ， l 日1 l 嚣 孵 嚣 帕， |邸 呼 ， d 。 ，7 口1 ， m ” 时 i o j o l id i a | i n u 日” d q 4 b 柏 j 3 a ii ， 憎蕾i j 扯q m w 州- n u k n3 ， i 虻 s 啪啪 执 ” ，咖 孤一v s s o ，l 嚣ld 口， 】l 一v 黜 l 轴 t ? ，s s t d d q i 1 广 v s 吣，d ( y j 2 v s s 蕾t d d 址 3 9 图3 2 r a m 电路示意图 本方案中同步设计使得在每一个时钟周期中使用系统时钟对存储器进行精确的时钟控制变成 可能。此设计中是将两个h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 存储器芯片并联，将数据线扩展为3 2 位。数据线分为高1 6 位和低1 6 位。2 片h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 的c l k 端口接在$ 3 c 2 4 4 0 的s c l k 0 和s c l k i 端：2 片 h y 5 7 v 5 6 16 2 0 的c k e 端口接在$ 3 c 2 4 4 0 a 的s c k e 端；2 片h y 5 7 v 5 6 16 2 0 的r a s 、c a s 、w e 端分别接至1 j s 3 c 2 4 1 0 a 的n s d r a s 端、n s d c a s 端、n d w e 端。2 片h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 使用的相同的 地址线，故c p u 同时选中两个芯片。平台具备两种f l a s h ，一种是n o r f l a s h ，型号为s s t 3 9 v f l 6 0 1 ， 大小为2 m b y t e ；另一种是n a n df l a s h ，型号为k 9 f 1 2 0 8 ，大d x 为6 4 m b y t e 。$ 3 c 2 4 4 0 支持这两种f l a s h 启动系统，通过拨动开关，你可以选择从n o r 还是从n a n d 启动系统。n a n df l a s h 不具有地址线， 它有专门的控制接口与c p u 相连，数据总线为8 b i t ，但这并不意味着n a n df l a s h 读写数据会很慢。 大部分的优盘或者s d 卡等都是n a n df l a s h 制成的设备。从下面的原理图可以看出，n o rf l a s h 采用 t a i a 2 2 总共2 2 条地址总线和1 6 条数据总线与c p u 连接，请注意地址是从a l 开始的，这意味 着它每次最小的读写单位是2 b y t e ，因此根据原理图，该设计总共可以兼容支持最大8 m b y t e 的n o r f l a s h ，实际我们只用了a 1 a 2 0 条地址线，因为与a 2 1 、a 2 2 相连的s s t 3 9 v 1 6 0 1 的相应引脚是悬 空的。 1 4 第3 章视频采集节点硬件设计 n a n df l a s hrf l a s h 电路设计 詹瑚 柏科 柚 矾 村阱 一 对m 一珥 一伸 n 0口 封i啊i n tm 1 3鼬3 n m m ，d 廿 m t 柚 向 霉 碍 群 矗 i r m m m m 图3 3f l a s h 芯片电路图 程序烧写接口：当开发板从贴片厂下线，里面是没有任何程序的，这时我们一般通过j t a g 接 口烧写第一个程序，就是s u p e r v i v i ，借助s u p e r v i v i 可以使用u s b1 2 ：1 下载更加复杂的系统程序等。 除此之外，j t a g 接口在开发中最常见的用途是单步调试，不管是市面上常见的j l i n k 还是u l i n k 。 ， 以及其他的仿真调试器，最终都是通过j t a g 接口连接的。标准的j t a g 接口是4 线：t m s 、t c k 、 t d i 、t d o ，分别为模式选择、时钟、数据输入和数据输出线，加上电源和地，一般总共6 条线就 够了；为了方便调试，大部分仿真器还提供了一个复位信号。因此，标准的j t a g 接e l 是指是否具 有上面所说的j t a g 信号线，并不：是2 0 p i n 或者1 0 p i n 等这些形式上的定义表现。这就如同u s b 接 口，可以是方的，也可以扁的，还可以是其他形式的，只要这些接口中包含了完整的j t a g 信号线， 都可以称为标准的j t a g 接口。t a g 对那些不采用操作系统，或者采用简易操作系统( 例如u c o s 2 等)