（电路与系统专业论文）基于arm的图像监控系统的设计与实现.pdf

摘要 随着经济的快速发展，人们生活节奏的提高，照顾家庭的时间越来越少。人们 越来越感觉时间的紧张，不但要周旋在繁杂的工作之中，同时也要兼顾自己的家。 而现有的嵌入式硬盘录像机虽然功能丰富，产品日益成熟，但在家用系统中应用成 本太高。因此本文设计了一款高性能、低成本的实时图像监控系统，能让人们在繁 忙的工作之余实时了解住所的安全情况。 本文首先提出了该图像监控系统的总体设计方案，并就系统硬件平台的设计进 行了详细的论述。硬件部分主要包括主控芯片s 3 c 2 4 1 0 与f l a s h 、s d r a m 存储器 接口电路，u s b 接口电路，以太网接口电路，u 虹汀串行接口电路，j t a g 接口电 路以及电源电路。 其次，本文研究了嵌入式l i n u ) 【移植的关键技术，包括交叉编译环境的建立、 b o o t l o a d e r 的设计、内核移植以及文件系统加载的方法，并通过裁剪l i n u ) 【内核将 标准l i n u x2 4 1 8 移植到目标平台。同时分析了现有文件系统的优、缺点，在目标 平台上移植了快速、高效的y a f f s 文件系统，增强了系统的健壮性和高效性。 再者，本文修改并移植了u s b 摄像头的驱动程序。研究了基于d e 0 4 l i i l _ u x 技 术的图像采集的数据结构和原理，详细地阐述了图像采集实现的过程和关键步骤， 利用d e 0 4 l i l l u xa p i 函数完成了图像采集程序的设计，使用内存映射方式实现了 图像的快速采集，并对图像数据进行了皿e g 压缩，提高了图像采集的效率。研究 了w 曲s e r v e r 和j a v aa p p l e t 技术，实现了远程图像监控。通过重新编译移植 w 曲c a ms e r v e r 应用程序实现了网络摄像机的功能。 最后，本文给出了系统的测试方法及运行结果，并总结了所做的工作和存在的 问题，提出了系统改进的意见。 本文设计的图像监控系统具有高性能、低成本、小体积等特点，采用开源的 l i n u ) 【作为软件平台，保证了系统的稳定性、安全性，具有较高的性价比和较强的 适用性。 关键词：图像监控系统；l i n u x 移植；u s b 摄像头：图像采集 硕士学位论文 m a s t e r st l e s i s a b s t r a c t w i mt h ef 瓠td e v e l o p m e n to ft i l ee c o n o m 弘p e o p l ea r ea l w a y si nah 邺，a i l dl l a v e l e s st i i n et ot a k ec a r eo ft h e i rh ( ) i n e p e o p l ef e e ls 0m u c hp r e s s u r ea b o u tt i m eb e c a u s e t 1 1 e ym u s t 、o r ka n dt 王l i s l e a v e st l l e ml e s st i m et om a k es u r em e i rh o m e 锄df a m i i ya r e s a f e t h ee x i s t i n ge m b e d d e dd 适i t a l d e or e c o r d e rh a sm a n yf i m c t i o n sa 1 1 di tt e n d st o w o r kw e l l ；h o w e v e r ，f o rt 1 1 ea v e 删g e 胁i l y ，i ti st o oe x p e n s i v e s o ，r e c o g n i z i n gt l l i s p r o b l e m ，让l ea u 伽o rd e v i s e dar e a l - t i i i l eh i l a g em o l l i t o r i n gs y s t e m 讹c hc a i lh e l pp e o p l e f e e ls e c u r ea b o u tt i l e i r 向n i l ye v e n 、) l ，k l e 、0 r k m g f i i s to fa l l ，t h i sp a p e rl a i do u tt h eg e n e r a l d e s i 母：l sf o r t h ei m a g em o m t o r i n gs y s t e m ， a i l dp r o v i d e da ( 1 吨垃l e dd e s i g no ft 1 1 eh a r d w a r ep l a t f o r m t h el l a i - d 、v a r ep l a t f o 咖c o n s i s t s o 龇m 硒t e r 出p ss 3 c 2 4 1 0 ，f l a s ha 1 1 ds d r a mm e m 0 巧i n t e r f a c ec i r c 咄u s b i i l t e r ec 沁血，e t l l e n l e tn e r f a c ec i r c u i t ，u 蝴s e r i a l 硫e f a c ec i r c u i t ，j t a gi n t e r f a c e c h c u i t ，a i l dp o 、e rc i r c u i t s e c o n d l y ，t h i sp a p e rh a sl e 锄e dn l ep r i m a 巧s h l l so fe m b e d d e dl i 舢i ) 【m i 铲a t i o n ， i n c l u d i n gm ee 妇b l i s 胁e n to ft l l e c r o s sc o m p i l i i l ge i i r o 珈n e n t ，t t l e d e s i 磬：l s o f b o o t l o a d e r ，t h em e t l l o d so ft h ec o r em i 舀a t i o na n df i i es y s t e ml o a d 访g ，锄di th a s 嘶g r a t e ds t a i l d 枷l 访u 】( 2 4 18t o 廿l et a r g e tp l a t f o 咖t 量o u g l lac u 钍i n go fm el i m k e m e l i ta l s oh a sa na _ l y z e dt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a i l _ t a g e so fm ee x i 妣培j c i l es y s t e m s t h e 缸ta 1 1 de 伍c i e n t 脚f s 丘l es y s t 锄仃a n s p l a n t e dt 0m e 魄e tp l a t f o m 王l a se i l l l 跹c e d t l ：l es y s t e m sr o b u s t i l e s sa r l da l l o w e di tt of 吼c t i o na tl l i g he m c i e n c y n i r d l y ，t h i sp 印e rh a sm o d i f i e da n di i l i g r a l i e dt h eu s bv i d e oc 锄e md r i v e rt 0t h e t 醒e tp l a t f o 皿nh 嬲r e s e a f c h e dt 1 1 e 讹s t m c 慨a n dp r i n c i p l eb a s e do nt 1 1 e d e 0 4 1 i n u ) 【t e c l l l l o l o g yi m a g ec o l l e c t i o n ，e l a b o r a t e do nt l l ei m a g ec o l l e c t i o np r o c e s sa i l d m ee s s e n t i a ls t e p si n 蓼e a td e t a j l ，c o i n p l e t e dt 1 1 ei m a g ec o l l e c t i o np r o c e d u r ed e s i g nu s i i 玛 t h e d e 0 4 l i i l _ u ) ( a p i 劬m i o l l ，a c l l i e v e dt 1 1 ef 瓠ti m a g ec 0 1 l e c t i o n u o u 曲l eu t i l i z 撕o n o ft l l em e m o 巧m 印p i n g ，c 枷e do nm ej p e gc o m p r e s s i o nt 0t l l eh a g ed a t aa i l d e n h a n c e dt h ep i c t u r eg a l e 咖ge 伍c i e n c y nh 嬲a l s or e s e a r c h e dw 曲s e r v e ra t l dj a v a a p p l e tt e 咖l o l o g 蜘r e a l i z i i l gr e m o t ei i i l a g em o i l i t o li th 嬲r e a l i z e dt l l en e 伯，o r kc 锄e r a f 眦1 c t i o nt h r o u g hc o m p i l i n ga i l dt r a n s p l 枷n gn l ew 色b c 锄s e r v e ra p p l i c a t i o n p r o c e d u r e a n df m a l l y ，t l l i s 磁l p e rh 嬲p r o d u c e d 也es y s t e m a t i ct e s t i n gm e 山o da 1 1 dt h er u m l i l l g r e s u l t s ，趾ds 蛐撕z e dm e 、0 r ka i l d l ee x i s t i i l gq u e s t i o n st l l u sl e a v i i l gr o o mf o r i r n p r o v e m e n t i i l 也i sp a p e r ，1 ei i l l a g em o l l i t o r i n gs y s t e ml l a sb e e nd e s i 黟l e dw i mal l i 曲e r 耐o 咖a 1 1 c e ，1 0 w e rc o s t ，a n ds m a l l e rs i z e 嬲w e na so t h e rc h a r a u c t e r i s t i c s t h r o u 曲m e u s eo fo p e n s o u r c el 血u ) 【a sas o f p l a t f o m l ，i th a se n s u r e dt 1 1 es t a b i l i 娥s e c 研瓴a i l d 硕士学位论文 m a s t e r st i 玎i s i s h i 曲a p p l i c a b i l 埘o ft h es y s t e mw 1 1 i c hp m v i d i n gac o s t e 能c t i v ea n das 仃o n ga d a p t i n g s u r v e i i i a i l c es y s t e m k e y w o r d s ：i m a g em o i l i t o r i n gs y s t e m ；l i n u ) 【p o r t i n g ；u s bc a m e r a ；i i i l a g eg r a b b i n g 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 华中师范大学学位文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究 工作所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 作者签名： 劳乡易 喘确年y 其争。 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权华中师范大学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。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文 全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：匀丞雩 日期：哪年厂月垆日 导师签 日期： 7 日 本人已经认真阅读“c a l i s 高校学位论文全文数据库发布章程 ，同意将本人的 学位论文提交“c a l i s 高校学位论文全文数据库 中全文发布，并可按“章程”中的 规定享受相关权益。园童诠塞握交卮溢卮；旦兰生；旦= 生；丝生蕉鱼! 作者签名：多2 l 易等 呐：硝年厂月7 日 导师签 日期： 日 石页士学位论文 m a s t e r st l l e s l s 第一章绪论 1 1 课题背景 近年来，随着国民经济快速的发展，人民生活质量的普遍提高，安全防范系统 的重要性显得越来越突出。其中，图像监控系统以其直观性强、信息内容丰富等特 点越来越受到人们的重视，使其成为安全防范系统的重要组成部分。 图像监控系统的主要作用是对目标景物实时监视和控制。其中监视设备的作用 是为了获取更准确、清晰的图像信息；通过对控制设备的操作，调整图像采集设备， 改善再现图像的质量。图像监控系统的另一个特点是可以把被监视场所的图像全部 或部分地记录下来，为日后对某些事情的处理提供方便条件和重要依据【n 。总之， 图像监控系统已成为安全防范系统中不可或缺的重要组成部分，目前已广泛应用于 交通、金融、商业、医院、工矿企业、住宅小区等。 现有的住宅小区图像监控系统【2 l 般只是针对整个小区环境，而不是针对单个 的用户，因为涉及保密等原因，监控设备不可能安装到用户的住宅室内，而且使用 的是闭路电视的有线监控方式，由保安实时查看采集到的图像。因此我们需要一种 可以让人们在办公室能够看到住宅室内实时图像的监控系统，这样用户就可以实时 掌握住所的安全情况。 在前面的应用背景下我们提出了一种基于删的图像监控系统。该系统利用 网眼v 2 0 0 0 摄像头，使用图像采集软件进行图像捕捉，并与网络技术相结合，传送 至i n t e m e t ，以便用户实时掌握现场的监控情况。 1 2 图像监控系统的发展概况 图像监控系统的发展1 3j 经历了三个主要阶段：模拟图像监控系统，基于p c 的 数字图像监控系统和嵌入式数字图像监控系统。目前国内还较多地使用模拟图像监 控系统，该系统主要由摄像机、视频矩阵、监视器和录像机组成，使用视频线、控 制线等电缆连接。虽然模拟图像监控系统能够保证采集得到的图像清晰、不失真， 但在许多方面都存在着明显的局限，如：传输距离短；系统的扩展能力差；无法利 用先进的数字图像处理技术进行后期处理，无法实现图像数据的大容量存储；必须 铺设专用线路，存在重复投资等问题。 2 0 世纪9 0 年代中期，随着视频压缩编码技术、多媒体技术、网络通讯技术的 发展，数字图像监控系统迅速崛起。基于p c 的数字图像监控系统主要由工控p c 机、视频采集卡、较可靠的操作平台和应用软件等组成。相对于模拟图像监控系统 来说，其主要优点如下【4 j ： ( 1 ) 系统结构简化，功能增强。p c 机综合了视频矩阵、图像分割器、录像机等 功能。 ( 2 ) 采用计算机网络技术，因此远程网络监控不受距离限制。 ( 3 ) 采用大容量磁盘阵列存储器，可以节省大量的磁带介质，同时有利于系统 实现多媒体信息查询。 但是这种图像监控系统采用p c 机以及w i n d o w s 操作系统作为工作平台， 晰n d o w s 操作系统为非实时操作系统，并且易受病毒攻击，影响了系统的可靠性和 稳定性，另外成本昂贵，因此在适用性上的表现并不如人意。 直到本世纪初，随着以t i 公司的t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列、p h i l i p s 公司的t r i i i l e d i a 、 e q u a r t o r 公司的b s p 1 5 等为代表的高性能d s p 的出现，嵌入式数字图像监控系统应 运而生【5 1 。嵌入式数字图像监控系统通过专用的嵌入式系统实现数据的采集、编码、 传输、控制等功能。图像信号首先进行数字化，然后由高效压缩芯片压缩，最后通 过内部总线送到内置的w r e b 服务器。网络用户可以通过浏览器观看w 曲服务器上 的图像，授权用户还可以直接连入局域网。相对基于p c 的图像监控系统，嵌入式 数字图像监控系统主要具有以下一些优点【6 】： 第一，这种系统的硬件是一个同处理器和操作系统捆绑较为紧密、功能专一、 专门设计的独立设备，不像插卡系统那样受通用计算机系统中其它软件硬件的影 响，因此性能上更稳定，易于实现系统的模块化设计； 第二，将w 曲服务器“植入 监控系统后接入i n t e m e t ，在世界上任何一个地 方即可通过网络浏览器从1 1 1 t e m e t 获取该w - e b 服务器发布的监控系统实时信息，从 而实现远程实时控制、调节与维护； 第三，这种系统使用标准化的w r e b 用户界面降低了为不同操作平台而定制人机 界面的开发费用、通信费用、人员培训费用和系统升级维护费用等； 第四，嵌入式系统体积小，功耗低，维护方便，特别适合于监控现场条件恶劣 的场合。 嵌入式数字图像监控系统配合嵌入式实时操作系统，以应用为中心，根据系统 功能、可靠性、稳定性、成本、体积等方面的综合要求，对软、硬件进行裁剪，完 全满足图像监控系统数字化和网络化的发展要求。近年来，随着删芯片技术的 不断发展，嵌入式图像监控系统的功能日益丰富、产品日趋成熟，加之固有的稳定 性和低成本，越来越被人们接受，尤其在家庭普及应用中。 2 硕士学位论文 m a s t e r st l e s i s 1 3 本文研究的主要内容 本文研究的内容主要包括以下几个方面： ( 1 ) 查阅图像监控系统的相关资料，了解现有图像监控系统存在的问题，确定 课题研究的方向，提出系统设计的总体方案。 ( 2 ) 以嵌入式处理器为核心，实现图像监控系统硬件平台的设计，包括主控模 块电路、u s b 接口电路、以太网接口电路、u 砧玎串行接口电路、电源电路等电路 的设计。 ( 3 ) 将删l i i l u ) 【系统移植到目标平台中，实现对系统硬件的可靠性及有效化 管理。完成系统的模块化软件设计与实现，包括u s b 摄像头驱动程序、图像采集 软件和网络监控软件，并通过重新编译移植w r e b c 锄s e r v e r 应用程序实现了网络摄 像机的功能。 ( 4 ) 对系统设计中需要解决的关键技术图像采集和监控技术进行研究，并 给出具体的实现方法，最后对整个系统的软、硬件进行调试，完成图像监控系统的 设计与实现。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 第二章系统硬件平台的设计 嵌入式图像监控系统可采用两种方案来实现：其一，可选择t i 的d m 6 4 2 或a d i 的b f 5 6 1 等d s p 芯片；其二，可选择删芯片来实现，如：f r e e s c a l e 的i m x l i m x 2 1 处理器或s 锄s u n g 的s 3 c 2 4 1 0 。本系统定位为家用系统，在器件的选择问题上，主 要考虑低成本，性能满足要求即可，因此本文采用了删芯片的方案。 a r m 是a d v a i l c e d 砌s cm a c l l i n e 的缩写，既可以认为是一个公司的名字，也可 以认为是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 年删公 司成立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权。 根据内核的不同，删微处理器分为删7 ，删9 ，删1 0 ，s e c w c o r e ， s 怕n g a r m ，x s c a l e 等系列，其中删9 系列处理器在高性能、低功耗特性等方面 提供了最佳的性能。a r m 9 采用五级整数流水线；提供1 1 m i p s m h z 的哈佛结构； 支持3 2 位的高速a m b a ( a d v a n c e dm i c r o c o n 仃o l l e rb u s 觚m t e c t u r e ) 总线接口；拥有 全性能的内存保护单元m p u ( m e m o 巧p r o t e c t i o nu m t ) ；支持w i n d o w sc e ，l i n u ) 【， p a l mo s 等多种主流嵌入式操作系统；支持数据c a c h e 和指令c a c h e ，具有更高的 数据和指令处理能力。删9 系列微处理器包含删9 2 0 t ，a r m 9 2 2 t 和删9 4 0 t 三种类型，以适用于不同的应用场合。a r m 9 2 0 t 由a i 己m 9 t d m i 微处理器核心、 虚拟内存的存储管理单元m 7 ( m 锄o r ym a n a g e 脒斌u i l i t ) 和高速缓存( 独立的 1 6 k b 地址高速c a c h e 和1 6 k b 数据高速c a c h e ) 三部分组成。a r m 9 2 0 t 有一个内部 协处理器c p i s 用于存储系统控制以及测试控制。同时拥有一个枷a 接口总线以 及一个e t m ( e m b e d d e dt r a c em a c r o c e l l ) 接口，e t m 这个接口可以允许开发人员进 行即时的微处理器流程追踪及除错。 目前删微处理器已广泛应用于工业控制、消费类电子、通信系统、网络系 统、无线系统等领域。基于删技术的微处理器约占据了3 2 位m s c 微处理器7 5 以上的市场份额【7 j 。 2 1 系统概述 本文采用删9 2 0 t 嵌入式微处理器s 3 c 2 4 1 0 作为核心器件，a r m 【，栅u ) 【作为 操作系统平台，网眼v 2 0 0 0 u s b 摄像头实现图像的采集工作。硬件平台由主控模块 s 3 c 2 4 1 0 、e m e m e t 控制器、r s 2 3 2 接口、j 1 a g 接口等部分组成。软件层面主要由 删l i i l u ) 【操作系统、各硬件驱动程序、图像采集软件等组成，主要负责整个系统 的管理、控制和实时图像监控。系统硬件原理框图如图2 1 所示。 4 硕士学位论文 m a s 丁e r st h e s i s 图2 1 系统硬件结构原理框图 2 2 主控模块电路的设计 2 2 1s 3 c 2 4 1 0 处理器 s 3 c 2 4 1 0 是s 锄s l l i l g 公司基于删9 2 0 t 设计的一款处理器，主频可达2 0 3 m h z ； 扩展总线最大频率1 0 0 m h z ；3 2 位数据线，2 7 位外部数据线；完全静态设计( 0 2 0 3 m ) ； 存储控制器( 八个存储体) ，四个带有p w m 的1 6 位定时器；多达5 5 个中断源的中 断控制器；r t c ；三个u 刖强s u p p o r t si r d a1 0 ；四个d m a 通道( 支持外设d m a ) ： 8 通道，5 0 0 k s p s ，1 0 b i 讼d c ；支持s t n 与t f tl c d 控制器；看门狗；i i s 音频接 口；两个u s b 口；i i c b u s 接口；两个串行外围接口电路( s p i ) ；s d 卡接口；功耗 控制模式：具有普通，慢速，空闲和掉电模式【8 】os 3 c 2 4 l o 结构框图如图2 2 所示。 2 2 2f l a s h 电路的设计 f 1 a s h 存储器是一种可以在系统上进行擦写，掉电后信息不丢失的存储器。它具 有低功耗，大容量，擦写速度快，可整片或分扇区在系统上烧写和擦除等特点。并 且可由内部嵌入的算法完成对芯片的操作，因而在各种嵌入式系统中得到了广泛的 应用。作为一种非易失性存储器，f l a s h 在系统中通常用于存放程序代码，常量表 以及一些在系统掉电后需要保存的用户数据等【7 1 。 f 1 a s h 主要有n 研f l a s h 和l df l a s h 两种。n o rf 1 a s h 是程序可以在芯片内执行， 这样应用程序可以直接在f l a s h 中运行，不必再把代码读到r a m 中；n 锄d 结构能 提供极高的单元密度，可以达到高存储密度，并且写入和擦除的速度都很快，应用 n a i l d 的困难在于f l a s h 的管理和需要特殊的系统接口。两者的特点是： ( 1 ) n o r 的读速度比n a l l d 稍快一些； 硕士学位论文 m a s t e r st f e s i s ( 2 ) n a i l d 的写入速度比n o r 快很多； ( 3 ) n 觚d 的4 m s 擦除速度远比n o r 的5 s 快； ( 4 ) 大多数写入操作需要先进行擦除操作； ( 5 ) n 趾d 的擦除单元更小，响应的擦除电路等少。 a r m 9 2 0 t 指令h 仆仉i c 1 3 指令c h c ( 1 6 k ) 外部协处理器 接口 一l ， 1 处理器核心l 写缓冲器 a m b a 总线 i f 数据c a c h e _ 叫写凹p a 标记ll ( 1 6 k )i r a m1 w 卯a 【3 l0 】 n a n d 控制器 b o o d o a d c r 悠叵围 总线控制器 中断控制器 电源管理 存储控制器 u a r t 0 ，l ，2 酹= = 令g 剖- 2 c i iu s b 设备l 爿j a g 二刮 - 2 s i is d i ，m l 忱k 爿j p e 剖硎o i b l 看门狗定时器i | t i m e r ，p w ml 图2 2s 3 c 2 4 1 0 结构框图 考虑到n a i l df l a s h 具有良好的性价比和系统接口，且s 3 c 2 4 1 0 支持n a i l dr o m 启动方式，所以本系统选用了三星公司的n a l l df 1 a s h ：k 9 f 1 2 0 8 。该f 1 a s h 是6 4 m 8 b i t 的c m o s 工艺制造的存储器，工作电压为2 7 3 6 v ，i o 口为数据线和地址线的复 用端口，既可接收和发送数据，也可接受地址信息和控制命令。在c l e 有效时，加 6 墨裂删 硕士擘位论文 m a s t e r st l e s i s 口锁存的是控制命令字；在a l e 有效时，i o 口锁存的是地址；豇丽有效时， i o 口锁存的是数据。通过对其内部的命令寄存器写入标准的命令序列，可以对其 进行编程、整片擦除、按扇区擦除以及其他操作例。n a i l df l a s h 接口电路原理图如 图2 3 所示。 v d d b 3 v 然；i l 。ov c c 1 2 祟黑；? 茜 娓三 3 7 黑黑；! ；菇 1 9r 1 夏o 熙鬻；j 菇叩 架桀；关；菽 l d a l a 5 4 2，= ：t r 8 1 8n f w e 燃箸鼙遴； ；拦 删、紫。 9n 陀e 1 3m o 骤m口黼“ j3 6 7r n b = 图2 3n a l l df l a s h 接口电路原理图 s 3 c 2 4 10 具有三种b 0 0 t 方式，由o m 1 ：o 】管脚控制，当o m 1 ：0 】管脚选择o o 时 处理器从n a i l df l a s h 启动；当o m 【l ：0 】选择0 1 时从1 6 位宽的r o m 启动；当o m 【l ：o 】 选择1 0 时从3 2 位宽r o m 启动。本文采用是3 2 位的n 趾d f l a s h ，因此o m 1 ：0 】引 脚设置成0 0 以第一种方式启动，用户将b o o t l o a d e r 代码和操作系统镜像放在外部的 n a n df l a s h ，当处理器上电复位时，通过内置的n a l l df 1 a s h 访问控制接口将b o o t l o a d e r 代码自动加载到内部的4 k bs 凡m ( 此时s r a m 的起始地址位于0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 ) ，利 用硬件纠错码e c c 对数据的正确性进行检验，然后开始执行启动代码，b o o t l o a d e r 程序将n a n df l 柚中的操作系统镜像加载到s d 洲中，拷贝完成后，操作系统就 在s d 融蝴中运行。 2 2 3s d 融w 电路的设计 s d 砒蝴具有容量大、存储速度快、成本低等特点，因此广泛应用于嵌入式系 统中。s d 洲在系统中主要用作程序的运行空间，数据及堆栈区。当系统启动时， m c u 首先从复位地址0 x o o o o o 0 0 0 处读取启动代码，完成系统初始化后，程序代码 调入s d r a m 中运行，以提高系统的运行速度。s d 删的存储单元可以理解为一 个电容，总是倾向于放电，为避免数据丢失，必须定时刷新。因此，要在系统中使 用s d r a m ，就要求m c u 具有刷新控制逻辑，或在系统中加入刷新控制逻辑电路。 s 3 c 2 4 l o 及其他的一些删芯片在片内具有独立的s d ra m 刷新控制逻辑，可以 方便的与s d 删接口。系统上电启动后，操作系统内核是常驻在内存中的，加上 应用程序的运行，需要占用较大的内存，同时本系统为图像采集系统，需要一定大 7 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 小的内存作为图像数据的缓存，应采用容量稍大的存储器【l o 】。 目前常用的s d 洲为8 位1 6 位的数据宽度，工作电压一般为3 3 v ，常见的 封装为t s o p 。根据目标系统的需求，本文采用两片h y l l i x 的h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 【j l j 并联 组成3 2 位、6 4 m 的s d r m 存储空间。h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 有1 3 根地址线a 【1 2 ：0 】，两 根存储块选择信号线b a 【l ：0 】，行列地址选通信号线r a s 和c a s ，片选信号线c s 等。 s 3 c 2 4 1 0 处理器内集成了s d 删控制器，它提供了访问外部存储器所需的存 储器控制信号，主要包括：行地址选通端n s r a s ，列地址选通端n s c a s ，片选通 端n s c s 1 ：0 】，数据掩码d q m 3 ：o 】，时钟使能s c k e ，时钟s c l k 1 ：o 】和写字节使 能n w e 。 、 u 2v d 蚴v u 3v 霸v 婆i 睡 l | - 0 c s 6 婆霪 l j ，0 ：s 6 【6 r a si j l s r a s l n s c a s l a s l u ) 饿 l d c r u 删l 哇，搬 h w b 日 募1 黜嚣i 董嚣； l n w b e 哪! 蹴器l 恭| 晕 h w b el n w b e l s c i ( e 瑟溢 蠹 ；薰嚣； l 9 c - c e ；躲蠹 ! 薰嚣i ； l s c l j 江i 熨u 0 辜遵囊| | 蕈蒸 型滋 囊| | 鬃； 一螂罱：i i 囊藁孽s 圭瀑辫i i 麟基砉i l 嚣誊；l 麟i 鼍f 翻$ 6 16 3 2 c 删 ： k 4 黛6 1 岱2 c 羽c 7 5 图2 4h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 接口电路原理图 如图2 4 所示，h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 与s 3 c 2 4 1 0 的接口电路原理图。图中s 3 c 2 4 1 0 的3 2 位数据线d a t a 1 5 ：o 】，d a = i a 【3 1 ：1 6 】分别直接连接两个h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 芯片的 数据总线d q 【1 5 ：0 】，因为两者的电源电压都是使用3 3 v ，因此不需要进行总线隔离 和电平转换。h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 的片选n s c s 由s 3 c 2 4 1 0 的n g c s 6 控制，使用b a n k 6 ， 映射地址范围为0 x 3 0 0 0 0 0 0 x 3 f f f f f f f 。d q m 主要用于屏蔽输入输出，具有相 当于o e 引脚( o u t p u te i 讪l e ) 的功能。因为删中要求字单元的地址是字对齐的， 要求地址线的低两位a d d r 【l ：0 】设置为低电平，图2 4 中s 3 c 2 4 1 0 的a d d i 也直接 与k 4 s 5 6 1 6 3 2 的a 0 相连。h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 的b a l 、b a 0 为b a i l k 地址输入信号，它 决定了激活哪个b a n k 进行读写或者预充电操作，由s 3 c 2 4 1 0 的地址线及兼作通用 8 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s i o 口的a d d i 匕4 和a d d r 2 5 提供。s c k e 提供存储器的c k e 时钟使能信号，s c l k 0 提供系统时钟给s d 洲，使两者以相同时钟同步工作。 2 3 外设接口电路的设计 2 3 1u s b 接口电路 u s b 全称u 1 1 i v e r s a ls e r i a lb u s ( 通用串行总线) ，是1 9 9 5 年m i c r o s o r 、c o m p a q 、 i b m 等公司联合制定的一种p c 串行通信协议，它是一种快速、灵活的总线接口。 u s b 是典型的主从( h o s t d e v i c e ) 结构的总线标准，在u s b 的网络协议中，每个u s b 的系统有且只有一个h o s t ，它负责u s bd e v i c e 的连接与删除、h o s t 与u s bd e v i c e 的通信、总路线的控制等等。h o s t 端有一个r 0 0 th u b ，可提供一个或多个u s b 下 行端口。每个端口可以连接一个u s bh u b 或一个u s bd e v i c e 。u s bh u b 可将一个 u s b 端口扩展为多个端口。 u s b 接口定义了低速( 1 5 m b p s ) 、全速( 1 2 m b p s ) 和高速( 4 8 0 m b p s ) 的数据传输。 其中前2 种传输速率被定义在u s b l 1 标准中，后1 种是u s b 2 o 引入的传输速率。 一个可同时支持高速和低速u s b 外设访问的接口，由一条4 芯电缆连接，其中2 条是正负电源，传送的是5 v 的电源，2 条是数据传输线，数据线是单工的。u s b 最大的好处在于能支持多达1 2 7 个外设，并且可以独立供电。普通的串、并口外设 都要额外的供电电源，而u s b 接口可以从主机上获得5 0 0 i n a 的电流，并且支持热 拔插，真正做到即插即用【l 2 。 v n f ，w 图2 5u s b 接口电路原理图 s 3 c 2 4 1 0 集成了u s b 主机控制器和设备控制器，在外部有2 个u s b 主机接口 和一个设备接口。u s b 设备控制器使用d m a ( d i r e c tm e m o d ，a c c e s s ) 接口提供一个 高性能完备的速率功能控制解决方案，它完全兼容u s b l 1 协议，支持挂起和远程 唤醒功能，允许使用b u l k 、i n t e 删p t 和c o n 仃o l 三种传输方式，接收和发送均有6 4 b 归 的f i f o 。s 3 c 2 4 1 0 引出u s b 连接口只需按照u s b l 1 标准协议连接即可，电路如 图2 5 所示。 2 3 2 以太月接口电路 9 网络传输功能是本系统的重要组成部分，本文采用c i 肌sl o g i c 公司的c s 8 9 0 0 a 芯片扩展网络接口。c s 8 9 0 0 a 是一款性价比非常高、符合i e e e 8 0 2 3 标准的以太网 控制器。支持标准的i s a 总线，内部集成4 k br a m ，1 0 b a s e - t 和1 0 b a s e 5 的以 太网收发器。具有完善的冲突检测和重传机制，对于传输帧而言，它提供了自动填 充和添加c r c ( 循环冗余码检测) 校验码的功能l l 引。 c s 8 9 0 0 a 有三种数据传输模式：i o 模式，m e m o r y ( 存储器) 模式和d m a ( 直 接存储器) 模式，本设计中采用i o 模式。s 3 c 2 4 1 0 与c s 8 9 0 0 的接口电路如图2 6 所示，s 3 c 2 4 1 0 的1 6 位数据总线d 朋f a 【1 5 ：0 】与c s 8 9 0 0 a 的数据总线s d 1 5 ：o 】直接 相连，地址线使用a 【2 4 ：0 】，片选信号用n g c s 3 ，即b a i l k 3 。由于本设计中采用i o 模式，要求i l i o r 和i l i o w 低电平有效，m c u 的n o e 和n w e 管脚在低电平的情况 下使其能进行读、写操作，a d d r 【2 4 】通过一个反相器后再分别与n o e 和n w e 信号 进行“或 操作，要求a d d r 2 4 】为高电平，所以系统中c s 8 9 0 0 a 的基地址是 0 x 19 0 0 0 0 0 0 。 图2 6 以太网接口电路原理图 本文的以太网接口采用了r j 4 5 连接器，连接简单、兼容性强，目标系统通过r j 4 5 接口即可直接接入i n t e m e t 。 2 3 3u 触玎串行接口电路 1 0 硕士学位论文 m a s t e r st 1 e s i s 串行通信是计算机系统中常用的通信机制之一。串口在嵌入式系统开发过程中 起着非常重要的作用。首先，在对嵌入式目标系统进行调试的时候，可以利用目标 系统的u 越汀串口通讯作为控制台( c o n s o l e ) ，建立与主机的通信，完成目标系统相 关信息的显示和控制；其次，很多外设可以直接以串口的形式接入到目标平台中， 如g p r s 模块可采用串口方式与目标系统进行通信；第三，s 3 c 2 4 1 0 的串口支持红 外通信，为以后的功能扩展预留资源1 1 4 】。 s 3 c 2 4 1 0 内部具有3 个独立的u 舢玎控制器，每个控制器都可以工作在 i n t e 肌p t ( 中断) 模式或d m a ( 直接内存访问) 模式，也就是说u 趟h 控制器可以使c p u 与其传送资料的时候产生中断或d m a 请求。并且每个u a r t 均具有1 6 字节的 f i f o ( 先入先出寄存器) ，支持的最高波特率可达2 3 0 4 k b p s 。 由于r s 2 3 2 c 标准所定义的高、低电平信号采用负逻辑方式，逻辑“1 对应 5 - 1 5 v 电平，逻辑“0 ”对应+ 5 + 1 5 v 电平。而s 3 c 2 4 1 0 的l v t t l 电路所定义的 高、低电平信号中逻辑“l 对应2 3 3 v 电平，逻辑“0 ”对应o o 4 v 电平。显然， 两者间要进行通信必须经过信号电平的转换，目前常用的有m a ) ( i m 公司的m ( 2 3 2 系列及其兼容的芯片。 m a x 2 3 2 可提供2 路输入、2 路输出的电平转换，最高速率可达2 5 0k b p s ；仅 需外接4 个0 1 心的独石电容给电荷泵使用即可；带有e d s 静电保护；2 7 5 v 宽 电压供电1 1 5 】。本文采用r s 2 3 2 c 的5 线通信方式，接口为d 型9 芯阳性插头，电 路原理如图2 7 所示。 v n m 3 v 图2 7i7 a r t 串行接口电路原理图 图中t x d l 为信息发送端，鼢l 为信息接收端，i 灯s 和n c t s 信号实现自动 流控，在自动流控c ) 模式下，r 栅s 取决于接收端的状态，而n c t s 控制了发送 端的操作。仅当n c t s 有效时( 接收方的f i f o 已经准备就绪) ，i ，a r t 才会将f i f o 中的资料发送出去。在接收数据之前，当接收f i f o 至少有2 b y t e 空余的时候，i l i 玎s 硕士学位论文 m a s t e r st l e s i s 就会被置为有效。 2 3 4 盯a g 接口电路 j 1 a g ( j o i n tt e s