（电子科学与技术专业论文）基于嵌入式系统的目标光电数据采集与处理技术研究.pdf

困防科技人学研究生豌学位论文 a b s t r a c t t h eb a c k g r o u n do ft h i sp a p e ri st h ec a r r i e rp h o t o e l e c t r i c i t yd e t e c t i n gs y s t e mo f 8 x x ” d e t e c t i v ev e s s e l t h et e c h n i q u eo f t a r g e tp h o t o e l e c t r i cd a t ac o l l e c t i o na n dp r o c e s s i n gb a s e do n t h ee m b e d d e ds y s t e mi sr e s e a r c h e d t h eh a r d w a r ef l a to f t h es y s t e mo f t h el o n gw a v ei n f r a r e d r a d i a t i o nt r a c k i n g - m e a s u r ea n dd a t ac o l l e c t i o n - m e m o yi nc a r r i e rs y s t e mi se m p o l d e r e dw i t h t h er e s e a r c h ：t h ec o l l e c t i o na n dm e m o r yc a r df o ri ri m a g eb a s e d eo np c ib u sa n dt h e e m b e d d e dd i s p l a ya n dc o n t r o li m p o l d e r e db o a r db a s e d eo na r m 9 m a k i n gu s eo ft w of l a t s ，t h e d y n a m i ci ri m a g ec a p t u r e db yi rp i c k u pc a m e r ac a nb ed i s p l a y e da n dd e p o s i t e dt op r o c e s s b e h i n da n dt h ew o r k i n gs t a t eo fs y s t e mc a nb ed i s p l a y e da n dc o n t r o l l e db ym e a n so fe m b e d d e d t e c h n i q u e t h ec o l l e c t i o na n dm e m o r yc a r df o ri ri m a g ec a nt r a n s m i th i g h s p e e di m a g ed a t aw i t h d m am o d eo ff i f oi nt h ep c ib u sc o n t r o l l e r t h i sw a ya s s u r et h er e a l t i m eq u a l i t ya n dt h e v e r a c i t ya n ds a t i s f yt h es t o r a g en e e do f ag r e a to fd a t aq u a n t i t yf o rt h es y s t e m t h ec o l l e c t i o n c i r c u i th a sg o o ds t a b i l i z a t i o na n dc r e d i b i l i t y u s i n gt h i sc a r dt oc o l l e c tr e a ld a t ah a so b t a i n e dt h e n i c eo r i g i n a li m a g e t h ee m b e d d e dd i s p l a ya n dc o n t r o li m p o l d e r e db o a r db a s e d eo na r m 9a d o p tt h ec h i p w i t ha r m 9c o r ea sm c ua n du s em u l t i - p e r i p h e r a li n t e r f a c ea n di n d e p e n d e n tt h ed i s p l a y m o d u l e t h i sb o a r dc a nr e a l i z et h ee x c h a n g ea n dd i s p l a yf o ri n f o r m a t i o na n d m u l t i c o m m u n i c a t i o nm e a n sa n dh a v ef a v o r a b l ee x p a n s i b i l i t ya n dt r a n s p l a n t a b i l i t y k e yw o r d s ：p c ib u s ，d m a ( d i r e c tm e m o r ya c c e s s ) ，a r m ，e m b e d d e ds y s t e m ，i n t e r f a c e i i 国防科技大学研究生疏学位论文 图表目录 图2 一l光电信息与处理系统框图 3 图2 2 数据采集系统框图 4 嗣2 - 3嵌入式丌发板系统榧 5 图3 1p c i 总线系统结构图 7 图1 ，7 斯榀耍焦卡曲能艋圆1 n nj _ 一o v 图3 - 3 与系统通信流程 1 1 鞫3 4f p g a 设计流稗图13 图3 5 本文研制的数据采集板实物图 1 4 图3 - 6 应用程序界面 1 5 图3 7 长波红外相机所采图像 15 图4 1a r m 9 2 0 t 功能框图 1 8 图4 - 2a r m 9 设计流程图1 9 图4 - 3s 3 e 2 4 1 0 功能框图 2 0 图4 - 4 开发板功能框图? 2 罔4 - 5 时钟模块图 2 3 图4 - 6k 9 f 2 8 0 8 操作流程图2 6 图4 7u a r t 模块框图 2 7 图4 - 8c s 8 9 0 0 a 的功能框图 9 图4 - 9t f tl c d 行列扫描的时序图 3 1 图4 一l o 本文所研制的开发板实物图 3 2 图4 1ic o d ew a r r i o ri d l z 3 4 圈4 1 2a x d3 4 图4 1 3 基本调试平台示意图 1 6 图4 1 4 超级终端与u a r t 通信 3 7 图4 1 5 图形用户界面的基本元素4 0 表1 2 4 表7 - 9 s 表3 7 6 表d 3 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导卿指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机 构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目： ：基士蛊式歪缝盟旦盘光电熬握苤篡堑矬垄挂盛盈筮 学位论文作者签名：! 亟 日期： 。年 jj 月炜日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档， 允许论文被查阅和借阅；可以将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汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文题目：基王送盘丞纽鲍垦拯迸垫熬堡墨塞复处墼技苤婴盔 学位论文作者签名：苎! ! 整 日期：。，年川月一，日 作者指导教师签名：一醢：篮日期：) ，4 年f ia t y 日 国防科技入学研究生院学位论义 第一章绪论 1 1 课题背景及意义 f 垃界进入信息化时代，场新的世界军事革命正走向深入，各国武装部队及武器装 备的技术水平有了质的飞跃：近年来，现代光电子技术的迅速发展，极大地促进了军事 光电技术的同趋成熟和完善。目前，飞机、舰船、坦克等现代军事作战平台，普遍人量 装备了可见光、红外制导导弹等光电精确制导武器以及各种可见光、前视红外系统、红 外热像仪、激光测距、微光夜视等光电侦测设备。 我军最新装备的“x ) c ) ( ”侦察船舰载光电侦察系统包括可见光侦察系统与红外侦察系 统两部分，主要用途是在舰载导航雷达的导引下，红外热像仪与可见光摄像机构成全天 候的光电侦察系统，对海上目标、岛屿及岸上目标进行昼夜侦察，获取实时性更好、内 容更丰富的图像情报资料。同时，可对海上重要战略目标如航母等进行跟踪测量，j j ：取 目标的红外、可见光辐射信息。由于目前精确制导的发展方向是基于传感器探测的复合 制导，而复合制导又以雷达、红外以及可见光复合为主，因为这种复合制导具有很强的 抗干扰的能力，而且能使装备了这种技术的精确制导武器能在各种复杂环境下探测、捕 获、识别和正确命中目标，因此获取目标的红外、可见光辐射信息是我国发展复合精确 制导武器的重要前提。“十五”期间，我国许多制导武器会越来越多采用复合精确制导 体制。因此，“x x x ”侦察船舰载光电侦察系统的建立，不仅对提高我军的海上侦察能力 具有重要的意义，而且对于推动我国精确制导技术的发展，目标与环境特性的研究、战 场侦察、低空飞行器( 如巡航弹) 的探测及空对地侦察等领域的研究具有重要的实用意 义，同样地将推动这些学科的发展。 长波红外数据采集、存储与实时处理工作站是长波红外传感器数据的采集、仔储与 实时处理的硬件平台，又可以分为以下几个子系统： 1 ) 数据采集子系统，实现采集、存储红外长波波段的图像信息； 2 ) 信息处理子系统，校正红外图像信息、实时输出目标偏移量，实现目标的实时跟 踪： 3 ) 显示和控制子系统，显示目标信息，实时录取侦查过程视频录像。 1 2 本文的主要内容与结构 本课题围绕基于嵌入式系统的目标光电数据采集与处理技术展开研究，构建了长波 红外辐射跟踪测量及数据采集存储系统，设计和开发了基于p c i 总线的数据采集系统和 基于嵌入式的显示和控制系统。本文着重介绍两个子系统的硬件设计开发和调试情况。 最后予系统分别应用于实践，达到了总体系统要求，验证了设计的合理性和有效性。 全文分矗章对上述内容作了详细阐述。 第一章绪论，简要介绍了本课题的背景和意义，提出了光电信息与处理系统的总体 田防科技人学研究生院学位论文 结构。 第二章介绍了长波红外辐射跟踪测量及数掘采集存储系统总体的设计思路。同时分 别介纠了两个r 系统基于p c i 总线的数据采集系统和基于嵌入式的显示控制系统的设 计。 第三章介绍了基于p c i 总线的数据采集系统的硬件设计和开发。首先介绍了p c i 总 线及总线协议和接口芯片的应用，然后详细的说明了数据采集卡的各个功能模块的硬件 设计与实现，最后简单介绍了采集卡的驱动程序与应用程序设计。 第四章介绍了基于a r m 9 的嵌入式通信、显示系统的设计和月：发。首先介绍了嵌入 式系统的概念和a r m 系列处理器尤其是a r m 9 的特点和结构，然后详细说明了嵌入式 丌发板的硬件设计与实现，接着介绍了针对硬件的调试工具和调试方法，最后介绍了嵌 入式操作系统和图形界面的丌发。 第血章结束语。回顾了课题进展情况及作者所做的工作，同时分析了课题研究过程 中存在的缺点和不足。 困防科技人学研究生院学位论文 第二章光电信息与处理系统设计思想和方法 2 1总体设计 长波红外传感器数据的采集、存储与实时处理系统如图2 1 主要由三个子系统组成： 数掘采集子系统，信息处理子系统，显示和控制子系统。它们共同组成了一个独立的分 系统即可和其它系统一起构成复合侦察系统，又可单独的拿出来做红外光电侦察系统。 红外摄像机拍摄的目标未经压缩的图像经数据采集卡采集后，直接把缓冲区中的数 锯写入硬盘，保存原始数据。同时通过高速互连数据通路传输到妇标检测与跟踪处理板。 信息处理扳对数掘做进一步处理，完成红外图像信息校f 、目标检测、e f 标实时跟踪等 工作，并把目标的红外特征、偏移量等信息输出到显示与控制予系统，再由显示设备实 时显示。在采集、处理过程中，可以通过人机交互向子系统传达命令，实行各种预定控 制，并可通过显示与控制子系统中丰富的接口同其它系统通信。 图2 - 1光电信息与处理系统框图 本文中的主要工作是围绕高速数据采集部分和显示控制部分的设计实现展丌的。 k 波红外传感器的实时的数据量是很大的，而侦察中获得的原始的数掘是十分宝贵 的。为此，战场侦察过程中的数据必须实时、有效、安全、无损失的存储下来，以便于 后期的数掘处理和情报分析等等。系统工作过程中需要存储的数据是未经压缩的重要目 标的 i 夕 辐射图像，数据量庞大。为了达到保证数据的实时存储，我们采用p c i 接口来 传输数据。p c i 局部总线是一种高性能、3 2 位或6 4 位地址数据线复用的总线，实现了 3 3 m t z 或6 6 m h z 的同步总线操作，峰值传输速率可达1 3 2 m b s ( 3 2 位数据线，3 3 m h z 时钭t ) 采用猝发传输机制提高数掘访问速率，在成块数据传输时可以大大提高数据传输率。本 旧防科技大学研究生院学位论义 文中采用基于p c i 总线设计的红外数据采集和存储子系统，完全可以满足高速图像数掘 传输的实时性和大数据量的存储要求。 在系统工作过程中，要求可以按需要随时对系统发布命令，灵活方便的控制各于系 统的工作状态，同时还要求留有充分的外部接口可以和其它系统快速通信来构成复合的 侦察系统，这就需要系统具备良好的人机交互能力和与外部的通信能力。嵌入式系统是 将先进的计算机技术、半导体技术、电子技术和各个行业的具体应用相结合后的产物， 足近年来f q 渐普及的l 乜子技术。嵌入式产品以其体积小、功耗低、处理能力强等诸多优 点，在许多领域发挥着重要的作用。本文中采用基于a r m 的嵌入式显示和控制系统， 通过串口、网口等与其它系统进行通信，并通过液晶屏显示出系统的工作状态。人机交 互采用触摸屏和键盘，控制更加方便快捷。 2 2红外数据采集部分设计 众所周知，在大气中存在若二干二个弱吸收的光谱区，被称之为大气窗口 1 9 1 。其中，8 1 4um 与3 5 l ai t i 两个波段是红外热成像所常用的两个主要窗口。红外目标检测、跟踪 。j 识别系统中一般都采用这两种波长的红外摄像机。 在长波红外辐射跟踪测量及数据采集存储分系统中采用的是长波红外摄像机。这种 摄像机的外部数据接口有数字接口赢接输出并行差分的图像信号。红外目标检测、跟踪 与识别系统需要实时采集全部的图像数据，同时考虑到系统的兼容性，设计了一种基于 p c i 总线的图像数据采集卡，来完成红外图像的实时采集。 图2 - 2 数据采集系统框图 采集系统框图如图2 2 所示，整个系统由接口电路模块、存储模块、与主机通信模 块、控制模块组成。接口电路模块将红外数据进行电平转换后送到存储模块，在控制模 块的控制f 经由通信模块送入主机，同时主机的交互控制命令由此传给控制模块完成指 国防科技夫学研究生院学位论文 定控制。 2 3信息控制与显示部分设计 嵌入式技术已经成为新的技术热点在嵌入式应用领域内蓬勃发展，市场迅猛扩大， 应用深入到了生产和生活的每个角落。采取基于a r m 的嵌入式技术柬设计信息控制和 显示系统，不仅可以实现设计要求，而且还具有高度的灵活性、可靠性和a ，移植性。 图2 3 为嵌入式丌发板的系统框图，整个系统可以分为三大模块。最小系统由时钟、 电源、j t a g 调试口和带有a r m 9 2 0 t 核的微处理器s 3 c 2 4 1 0 等组成，可以完成基本的运 行乎台；在最小系统基础上添加外围接口模块，包括串口、网络接口、u s b 口等，实现 和其它系统的通信；显示模块则通过晟小系统控制，可以直接显示控制命令和处理结果， 还可以通过触摸屏、键盘等工具输入控伟8 指令，实现了良好的人桃互动。 图2 - 3 嵌入式开发板系统框 国防科技大学研究生院学位论文 第三章基于p c i 总线的数据采集 3 1p c i 总线及p c i 协议接口芯片$ 5 9 3 3 简介 总线足连接计算机各部件之问的一束公共信息线，是计算机中传送信息代码的公共途 径。至今为止，有多种微机系统总线存在，其中p c i 局部总线是一种高性能、3 2 位或6 4 位地址数据线复用的总线。主要用途是在高度集成的外设控制器件、扩展卡和处理器僖 储器之间提供一种内部的连接机构。根据采集系统的要求及技术可行性，设计时采用了 p c i 局部总线。 3 i ip c i 总线特点： p c i 是“p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t ”的缩写，也就是“外围部件互连” 的局部总线，它是一种高性能的局部总线，同时可支持多组外围设备。p c i 总线独立于处 理器，具有很高的数据传输速率，采用高度综合优化的总线结构，保证系统各部件之间 的运作可靠，并与现有总线完全兼容。概括地讲，p c i 总线具有如下特点： 高性能。p c i 总线实现了3 3 m h z 或6 6 m h z 的同步总线操作，峰值传输速率可达 13 2 m b s ( 3 2 位数据线，3 3 m h z 时钟) ，2 6 4m b s ( 6 4 位数据线，3 3 m h z 时钟) ，5 2 8m b s ( 6 4 位数据线6 6 m h z 时钟) ；实现了低延迟随机存取( 从“主设备( m a s t e r ) ”至“从设备 ( s l e ) ”寄存器存取可做到6 0 n s 或3 0 n s ) ；支持突发( b u r s t ) 传输方式；可进行隐 式集中仲裁：实现了与处理器存储器子系统的完全并行工作。 低成本。p c i 局部总线采用最优化的内部结构，电气驰动总负载与频率规范符合 a s i c 标准工艺和其他电器工艺流程：采用多路复用结构减少了管脚个数，减小了p c l 部 件尺寸。采用上述措施，大大降低了成本。 可操作性好、可靠性高。p c i 总线能上下兼容3 2 位与6 4 位扩展卡或相应的部件； 减少r 缓冲与粘合逻辑；部件级满足负载与频率要求，提高了扩展卡的可靠性乖i 可操作 性；采用了可靠的微通道风格插座；进行了2 0 0 0 多小时的s p i c e 模拟测试；具有数据与 地址的奇偶校验，可实现完善的客户端平台，适度保证了数据的完整性。 兼容性好。在软件上，p c i 部件完全与现有的驱动程序和应用程序兼容。设各驱 动程序可被移植到各类平台上去。在硬件上，与i s a 、e i s a 及m c a 总线完全兼容，由一 个共享槽可接纳i s a ，e i s a ，m c 或p c i 扩展卡：提供比较完善的多个主控设备的能力， 允许p c i 主设备实现对任一目标设备的点到点对等存取。 可扩展性好、生命周期长。在p c i 设备中的寄存器内，包含有关配置所需信息， i , i x , p c i 扩展卡和部件提供全自动配置支持。p c i 总线元件和插件接口足独立于处理机 的，i 目而它可以有效地沿用到将来的新一代( 甚至几代) 高速微处理机上去【1 1 i 。 s 3 1 1p c i 总线的系统结构 在一个p c i 总线系统中可以做到高速外设与低速外设共存、p c i 总线与i s a e s i a 总 线并存。典型的总线系统结构如图3 一l 所示。 固防科技人学1 i j f 究生院学位论文 山图川见p c i 总线通过一种称之为桥( b r i d g e ) 的接口与系统各部件十l = | 连。桥的主要 功能是在2 种不同的信号环境问进行转换，并向系统中所有的主控设备提供一致的地址 映射。按照功能桥大致可分为4 类： ( 1 ) 主桥( h o s tt op c ib r i d g e ) ：连接处理器子系统( 包括主处理器、高速缓存 和仃储器) 和主p c i 总线，使p c i 总线独立于处理器。 ( 2 ) 标准总线桥( p c it os t a n d a r db u sb r i d g e ) ：连接p c i 和标准t o 总线，如 【s a 、i it s a 或m c a ，在两种总线之间进行转换。 ( 3 ) c i 桥( p c it op c ib r i d g e ) ：将主p c i 总线连接到次级p c i 总线，突破p c l 总线的负载限制，实现总线扩展。 口圈 卜回一 两蛔网甲甲匝鄹 犁翌羔 图3 - 1p c i 总线系统结构图 ( 4 ) i o 控制器( i oc o n t r o l l e r ) ：在p c i 和i o 协议间进行转换。图中的图像 卡、s c s i 、局域网和调制解调器的i o 控制器均属这一类i l “。 3 1 2p c i 总线协议 l 、p c i 总线基本传输机制 p c i 总线基本传输机制是猝发成组传输，一个分组出一个地址节拍和一个或更多的数 据节拍组成。p c i 在存储器和1 7 0 地址空间中都支持猝发传输。因为p c i 总线的地址j 数 据线是复用的，而所有数据都是从源地址到目标地址的传输，地址吏新的速度也会影响 到存储器访问的速度。为提高传输速率，p c i 总线每一组传输只包括一个地址节拍和一 个或多个数据节拍，即只需提供首地址，其内部的地址寄存器就会随节拍自动递增改变 地址，最新的高速存储器如s d r a m 、s b r a m 都采用这种猝发传输机制来提高数据访问 速：车，在成块数据传输时这种机制可以大大提高数据传输率。所有基本的p c i 数据传输 都足由三个信号控制，即： 闺防科技人学研究生院学位论文 f r a m e # ：由主设备驱动，指明传输开始和结束 i r d y # ：由主设备驱动，允许强迫等待周期 t r d y # ：由从设备驱动，允许强迫等待周期 2 、p c i 物理地址空间 p c i 定义了三个物理地址空间：存储器地址空间、1 1 0 地址空阳j 、配置地址空间。存 储器和1 1 0 地址空间为3 2 位。p c i 总线的地址译码是分却式的，这利，设计的实质是：每 个设备都对它自己的地址译码负责，排除了中，t l , 逻辑需要在配置之外使用设备选择信号 的必要性。 3 、p c i 总线管理规则 主要管理规则如下： f r a m e # 和它的相应的i d r y # 定义了忙闲的总线状念，当有一个有效时，总线是 忙的，当两个都无效时，总线处于闲黄状态。 一旦f r a m e # 无效，在同一作业处理期间它不能被重新设置。 除非设置i d r y # 有效，否则f r a m e # 不能无效。 4 、p c i 总线仲裁 为了使访问延时最小，p c i 总线仲裁基于访问而不是基于时间。也就是漉，总线管 理必须为在总线上执行的每一个访问操作进行仲裁。c i 使用一种中心仲裁机制，王设备 单元有单独的请求( r e q # ) 和允许( g n t # ) 信号。请求允许信号是获得对总线的访问， 仲裁是“隐藏”的，由中央仲裁器对各设备的申请进行仲裁，决定由谁占用总线。 5 、p c i 总线的配簧空间 l ，c i 总线定义了3 种物理地址空间：存储器地址空r u j 、r 0 地址空间和配簧地址空划， 的两个是通常总线都有的，而配置空 日j 是p c i 总线所特有的一种空间，所有的p c l 设备 郜必须提供配置空间，多功能设备则必须为每一个功能提供一个配置空f n j 。定义p c i 配 胃空l 铷的目的在于：提供一套适当的配置措施，使之满足现行的和可预见的系统配置。 配置空白j 是一长度为2 5 6 字节并且有特定记录结构或模型的地址空间，该空l 口j 义分 为头标区和设备有关区两部分。设备在每个区中只须实现必要的和与之相关的寄存器。 一个设备的配置空间可以在系统自举时访问，也可在其他时间访问。 头标区的长度为6 4 字节，每个设备都必须支持该区的寄存器分配，这个区包括设备 进行识别的唯一的标示码，和允许对设备进行控制的若干区域。设备有关区的1 9 2 字符 因设备而异。配置空间的头区又分为两部分，前1 6 个字节的定义在各种类型的设备中都 是一样的，而其余4 8 个字节可以根据设备支持的基本功能进行不同的配置。所有的p c i 设备都必须支持供应商识别、设备识别、命令和状态字段。其他寄存器的配置是可选的。 如果一个设备支持的功能是某个寄存器所管辖的，则它必须配置此寄存器，并且符合规 定的位置和功能。 随着p c i 总线的广泛应用，其接口的开发设计显得尤为重要，但由于p c i 总线规范 t 分复杂，电气规范非常苛刻每个p c i 设备必须支持配簧空间等等，传统实现方法非 圆防科技大学研究生院学位论文 常刖难，采用p c i 专用接口芯片来完成设计是个很好的选择。为了缩短开发周期、减小 为理解p c i 总线规范的每一个细节要求所带来的工作量，本次设计将用a m c c 公司的p c i 总线控制器$ 5 9 3 3 来实现接口丌发。 3 1 3 $ 5 9 3 3 简介 a m c c 公司生产的$ 5 9 3 3 是一种功能强大，使用灵活的p c i 总线控制器专用芯片， 该芯片符合p c i 局部总线规范2 1 版，可作为p c i 总线目标设备( s l a v e ) ，实现基本的 传送要求，也可作为p c i 总线主控设备( m a s t e r ) ，访问其他p c i 总线设备。s 5 9 3 3 的峰值 传送速率为1 3 2 m b s ( 3 2 位p c i 数据线) 。 它提供了三种物理总线接口：p c i 总线接口、a d d o n 总线接口及外 | j 只读存储器 ( n v r a m ) 接口，其中p c i 总线接口完全符合p c i 总线规范，用户只需设计与a d d o n 总线接1 3 的逻辑控制电路，以及设计用于配置的外部只读存储器，而不必考虑p c i 总线接 口的设计，从而大大的简化了设计的复杂度【15 1 。数据传输可以在p c i 总线与a d d o n 总 线之间或p c i 总线与外部只读存储器之间进行，p c i 总线与a d d o n 总线之间的传输可 以使用三种通道：信箱寄存器通道、f i f o 通道和p a s s t h r u 通道。数据的传输是通过 各种寄存器实现的。 3 2 数据采集功能设计与实现 _ i 芏本套采集卡方案中，每帧图像先存储在采集卡上，然后整帧打包经由p c i 发给系 统。由于数据量大且传输速度快，于是在s 5 9 3 3 中采用f i f o 通道的d m a 方式直接写 入内存。而从系统传柬的命令则通过p a s s t h r u 通道发送。 3 2 1 采集板结构与设计 数据采集卡电路由接口电路部分、与系统交互通信部分和外同步接口部分组成。其 巾接口电路部分又包括电平转换电路、存储、控制等几个功能模块，数据采集卡电路通 过数字接口与摄像机相连，实现了对摄像机数据的采集和存储；与系统交互通信部分则 实现了同主机的通信及数据交换；而外同步接口则可以给摄像机提供外部帧同步，方便 对其的控制及扩展使用。 3 2 2 各功能模块设计 1 、接口电路部分 如图3 2 所示，数字接口部分分为电平转换电路、存储、控制等几个功能模块，具 体实现功能如下： 接口电路模块。实现电平转换。由红外摄像机传出的数字信号，包括1 4 位的图像数 据、时钟线、帧同步线、场同步线，是以4 2 2 标准的差分信号模式传送。所以收到信号 后，茸先进行电平转换，将差分信号转换为单端的t t l 电平信号，以供后续模块传输、 处理。，在实际中，采用e x a r 的s t 2 6 c 3 2 作为差分转换芯片。s t 2 6 c 3 2 为含有4 个c m o s 闽防科投人学研究生院学位论文 的高速差分线性接收芯片，它满足标准的r s 4 2 2 、r s 4 2 3 要求，提供标准的l ”l 、1 电平。侮 片s t 2 6 c 3 2 可将4 对差分信号转为4 个单端信号，实际电路中用了5 片来完成相机差分 信号的转换。 图3 2 数据采集卡功能框图 存储模块。此模块将红外数据配合其时钟线及帧同步线、场同步线一帧一帧的存储。 当信号经过电平转换电路后并接收到系统的采集命令后，利用存储器件将其按固有格式 和顺序存储，在需要输出时通过控制电路控制按系统要求的时序输出。考虑到一帧的数 据量( 3 2 0 * 2 4 0 * 1 6 b i t s ) ，所以采用一个1 2 8 k * 1 8 b i t s 的f i f o 来存储。信号经转换后先 由f p g a 锁存，然后存进f i f o ，等待一帧存满就向系统发送。在进出f i f o 前后，各加 级锁存电路来使数据和时钟沿对齐，这部分功能由f p g a 分配其资源完成，就不用另加锁 存器了。 控制模块。对其它各个模块进行统一协调的控制。按预先的设计，控制各模块中电 路的使能来决定其工作否；采取一定的时序规则来控制命令和数据的传输、存储、输入 输出；通过一些标志位来实时动态显示工作状态：与其它各模块通信以达到交互控制。 在采集电路中采用x i l i n x 的3 0 万门f p g ax c s 3 0 x l 来实现。 2 、与系统的交互通信 采集卡通过p c i 槽和系统进行交互通信。红外的图像数据、申请中断通过此模块山 卡传入系统，系统的控制命令由此传入采集卡。图3 3 为采集卡和系统通信的工作流稃。 具体的工作流程如下： 困防科技人学研究生院学位论义 图3 - 3 与系统通信流程 1 、p c i 关中断d i s a b l e ( ) 。 2 、检测p c i 接口：板卡的存在f i n d p c i 0 及板卡入口地址的获得g e t b a s e a d d r e s s 0 。 3 、建立中断向量s e t u p。_ i n tv e c t 0 4 、向f p g a 发帧同步参数，即从端口一传递参数。 5 、p c i 中断使能开e n a b l e ( ) 。 6 、配置s 5 9 3 3 m a i l b o x 4 3 中断。重置m a i l b o x 标志，将m c s r 寄存器的第2 7 位置为1 ： 清除m c s r 的r e s e t 位，将m c s r 寄存器的第2 7 位置为0 。 7 、系统向p c i 发开始标志，通过端口一发送。打开s 5 9 3 3 m a i l b o x 4 3 中断使能，将i n t c s r 寄存器的第8 1 2 位置l 。 8 、等待中断。 9 、中断响应时，定义d m a 中断方式，将i n t c s r 的第1 4 位和第1 5 位置o ；重置f i f o 标志，将m c s r 的第2 6 位和第2 5 位置l ；定义f i f o 的管理表，将m c s r 的第9 位和 第1 3 位置0 ；定义f i f o 的优先表，将m c s r 的第8 位和第1 2 位置1 ：打丌a d d o n 到p c i 的使能，将m c s r 的第1 0 位罱1 ；将给从$ 5 9 3 3 的f i f o 读帧数据的首地址赋 给m w a r 寄存器：将一帧数据的大小赋给m w t c 寄存器。即可进行写文件操作或强示。 传送数据完成后，关闭a d d o n 到p c i 的使能，将m c s r 的第l o 位置0 。 1 0 、循环等 寺中断。 1 1 、程序结束，关闭中断使能，通过端口一发送。将i n t c s r 寄存器的第8 一1 2 位簧0 ， 闺聃科技人学研究生院学位论史 并向p c i 发结束标志。恢复中断向量。 数据是通过$ 5 9 3 3 的f i f o 通道的d m a ( 直接内存存取) 方式传输的。f i f o 通道在 p c i 总线和a d d - - o n 总线之间提供双向数据传输通道，每个方向的f i f o 都是3 2 b i t 宽 8 个双字深。f i f o 操作支持$ 5 9 3 3 作为p c i 总线主设备。每个方向都有一个相关的地址 寄存器和计数寄存器。f i f o 通道还可以进行字节调整，因此可方便地与不同字节结构的 外设进行接口。其中的d m a 方式只使用r d f i f o 掰口w r f i f o # 两个控制信写就可以实现 传输简化了控制逻辑，并且能达到p c i 的最高传输速率3 3 m * 3 2 b i t s ，满足了大块数掘 的传输要求。 控制命令是通过p a s st h r o u g h 通道传输的。p a s s t h r u 通道是$ 5 9 3 3 与p c i 连接的 简单通道，使用相应的握手协议和附加逻辑，p c i 总线可直接访问a d d o n 上的资源。 p a s s t h r u 操作需要一个外加的n v ( 非易失) 存储器在系统引导时定义和配置$ 5 9 3 3 的p a s s t h r u 地址范围。 $ 5 9 3 3 提供4 个用户可配置的p a s s t h r u 地址范围，每个范围与配置寄存器中的基 地址寄存器相对应。每个区域表示一块地址空间，用户可通过n v - r a m 定义该空间为存 储器卒问或i ( 3 空间，数据宽度可定义为8 b i t 、1 6 b i t 或3 2 b i t 。$ 5 9 3 3 工作于p a s s t h r u 方式只能作为e 标设备，并支持单数据传输和突发传输。 3 、外同步接口 系统发出帧同步命令并给定帧同步参数( 帧频和脉宽) ，然后在f p g a 中按要求生 成一串帧同步信号，经由驱动门电路输出给摄像机。平时红外摄像机按内部产生的帧同 步信号发送数据，当接收到此信号后，立即按外帧同步来配合发送图像数据。这样可以 根据需要灵活的控制帧频。 3 2 3 实现与调试 采集板的调试工作主要集中在f p g a 控制逻辑和$ 5 9 3 3 与系统通信的调试上。与系 统通信上小节已叙述过，本节着重介绍f p g a 的设计与调试。 通过上一小节对各模块功能的描述可以看出，f p g a 不仅起到了锁存器的作用，而 且整个采集板各功能单元的协调工作都少不了它的逻辑控制。 f p g a 设计流程 本次设计使用x i l i n xi s e 4 1 设计工具完成的，基本上按照一个完整的f p g a 设计流 程进行j 。一个完整的f p g a 设计流程包括：电路设计与输入、功能仿真、综合、综合后 仿真、实现、粕线后仿真和下板调试等步骤，如图3 - 4 所示。 困防科技人学研究生院学位论文 图3 - 4f p g a 设计流程图 其中电路设计与输入采用影响广泛的v e r i l o gh d l 设计输入法。其特点是利于模块 的划分和复用，可移植性好。功能仿真采用m o d e lt e c h 公司的m o d e l s i m ，综合优化采 用i s e 集成的工具x s t 。 利用f p g a 的消抖技术 列f 数字电路来说，诸如时钟一类的多驱动信号线，希望其边沿陡峭，但在保持时 间内要平稳。此类信号【b 于经常翻转变化，容易在保持时问内发生抖动，而较大的抖动 会引起对信号沿的误判。特别是对边沿触发的信号模式来说，将会产生时序混乱，造成 读写数据错误。 在采集卡中，这类信号有时钟线和帧同步线，利用它们的沿来驱动数据和一些控制 位。对时钟来况，通过两级锁存，在其上升( 下降) 沿锁住数据，使数据和它的沿严格 对齐，削弱了走线、传输等产生的较大延迟。而对于帧同步信号，山于其脉宽较宽( 1 0 ps ) ，中白j 产生抖动可能性更大。在实际调试中，就碰到了帧同步信号抖动引起误判的 情况。 为解决这个问题，采用了在f p g a 内加消抖电路来稳定帧同步信号的方法。具体做 法如卜- ：当捕捉到其作用沿时，利用接入f p g a 的快时钟，对其做若干( 可设定) 周期 记数，然后在f p g a 中产生一个满足脉宽要求的“帧同步信号”。这样做相当于把作用 沿作了固定的延迟，但同时可以去除保持时间小于设定延迟时f b j 的抖动。 。般抖动表现 国防科技大学研究生院学位论文 为一些毛刺或尖锐脉冲，保持时间很短所以只要设定较少的延迟周期就可以完全去除。 丈践- p 采川此法确实消除了抖动，平稳了帧同步信号，保证了时序的准确性。 根掘上面的设计，制作出了采集卡并成功地和红外相机对接。使用的长波红外摄像 机一帧的数据量为3 2 0 2 4 0 1 6 b i t s ，帧率可调。在帧率为5 0 帧秒( 一般情况下的最大 速率) 的情况下，数据率为7 6 8 m b y t e s ，而采用p c i 总线在w i n d o w s2 0 0 0 系统下实测 的往硬盛读写速度可达到1 8 m b y t e s ，完全可以达到实际要求。从实际采集数掘情况看来， 完全满足了最初对设计的要求，能够实时、准确地存储图像，在最快帧率( 5 0 帧秒) 下也 符合要求。图3 5 为数据采集板的实物图。 图3 5 本文研制的数据采集板实物图 3 3驱动程序与应用程序设计 实现功能的硬件设计后，考虑到现实中系统工作在w i n d o w s 操作系统下，需要设汁 配套的驱动程序和应用程序。 3 3 1w i n d o w2 0 0 0 下驱动程序开发 在w i n d o w s2 0 0 0 中包括了许多内核模式组件，它们被精心定义为功能相互独立的组 件。设备驱动程序就是操作系统内核和机器硬件之间的接口1 1 6 1 。驱动程序为应用程序屏 蔽了硬件的细节，这样在应用程序看来，硬件设备只是个设备文件，应用程序可以蒙操 作普通文件一样对硬件设备进行操作7 i 。 采集板在w i n d o w2 0 0 0 下驱动程序丌发采用w d m 开发模式。w d m ( w i n d o w sd r i v e r m o d e l ) 是微软公司全新的驱动程序模式，支持即插即用、电源管理和w m i ( w i n d o w s m a n a g e m e n ti n s t r u m e n t a t i o n ) 技术，它的运行平台是w i n d o w s9 8 2 0 0 0 x p 操作系统f 1 8 l 。 采集板的驱动程序主要涉及硬件访问、中断处理和d m a 传输的三个方l 酊的问题。 国防科技大学研究生院学位论文 3 3 2 应用程序设计 完成上面的设计后，结合相机的控制程序又开发了显示图像的应用程序。在w i n d o w s 2 0 0 0 下，通过这个程序可以在显示图像的同时还可以显示一些辅助信息，同时可以对图 像进行初步处理和操作，如反向、回放、加亮、加伪彩等。图3 6 和3 7 分别是应用程序 界面和应用采集卡所采的数据。 图3 6 席_ l j 科序界面幽3 7 k 波红外相机所采嘲像 国防科技大学研究生院学位论文 第四章基于a r m 9 的嵌入式设计开发 4 1基于a r m 9 的嵌入式设计思想和方法 嵌入式系统一般指非p c 系统，它包括硬件和软件两部分。硬件包括处理器微处理 器、存储器及外设器件和i o 端口、图形控制器等。软件部分包括操作系统软件和应用 程序编程【”。下面就基于a r m 9 的嵌入式设计做简单的说明。 本文中的设计是采用三星公司的a r m 9 内核的s 3 c 2 4 1 0 芯片来开发完成的。 4 1 1 嵌入式简介 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁减，适合于应用系 统对功能、可靠性、成本、体积、功耗方面要求严格的计算机系统。嵌入式计算机在应 用数量上远远超过了其他通用计算机，一台通用计算机的外部设备中就包含5 个1 0 个 嵌入式微处理器，键盘、鼠标、软驱、硬盘、显示卡、显示器、网卡、调制解凋器、声 卡、t 3 - e p 机、扫描仪、数字相机、u s b 集线器等均是由嵌入式处理器控制的。在工、止制 造、过程控制、通信、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、航天、军事装备、消费类产品 等方面均是嵌入式计算机的应用领域。 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术、电子技术和各个行业的其体应用 相结合后的产物，这一特点决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断 创新的知识集成系统睇j 。 嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器根据其现状，可以分为嵌入式 微处理器、嵌入式微控制器、嵌入式d s p 处理器、嵌入式片上系统等。本文设计中采用 的a r m 处理器属于微处理器类。 下面简单介绍一下a r m 微处理器的一些基本概念、应用领域及特点。 a r m a d v a n c e dr i s cm a c h i l i e s a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) ，既可以认为是一个公刮的名字，也可以认为足 对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。 1 9 9 1 年a r m 公司成立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权。目村，采用a r m 技术知识产权( i p ) 核的微处理器，即我们通常所说的a r m 微处理器，已遍及工业控制、 消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场，基于a r m 技术的 微处理器应用约占据了3 2 位r i s c 微处理器7 5 以上的市场份额，a r m 技术l 卜在逐步 渗入到我们