【正文】 本科畢業(yè)設計題 目嵌入式聲光數(shù)據(jù)采集平臺設計杭州電子科技大學本科畢業(yè)設計誠 信 承 諾我謹在此承諾：本人所寫的畢業(yè)論文《嵌入式聲光數(shù)據(jù)采集平臺設計》均系本人獨立完成，沒有抄襲行為，凡涉及其他作者的觀點和材料，均作了注釋，若有不實，后果由本人承擔。 承諾人（簽名）： 2012年6月3日摘 要 隨著網絡技術和無線通信技術的發(fā)展，人們就開始不斷將這些新的技術應用到實際的生產和生活中，無線傳感網絡就是一個很好的應用實例。它主要由前臺系統(tǒng)和后臺系統(tǒng)組成。前臺系統(tǒng)就是由一些小型的嵌入式系統(tǒng)構成，而這些嵌入式系統(tǒng)又包括各種傳感器、控制和無線通信模塊，它們分布在一定的區(qū)域范圍內完成信號采集、數(shù)據(jù)存儲和信息轉發(fā)功能，相互之間也可以交換信息。后臺系統(tǒng)的任務主要是分析判斷從前臺系統(tǒng)接收的信息，達到實時監(jiān)測前臺區(qū)域各種參數(shù)的目的，無線傳感網絡一般應用于監(jiān)測生物棲息環(huán)境和工業(yè)生產控制過程中的溫度、濕度、噪音和各種化學成分濃度等參數(shù)。 本文主要是研究無線傳感網絡中前臺嵌入式系統(tǒng)的實現(xiàn)，簡單介紹了無線通信模塊的相關內容，詳細論述了信號采集和信息處理的具體實現(xiàn)，其中包括硬件部分和軟件部分。硬件部分主要有各種傳感器，如微音監(jiān)聽器、USB攝像頭，TQ2440 開發(fā)板，軟件部分是研究的重點，包括引導程序uboot，Linux內核和文件系統(tǒng)移植以及整個基于Qtopia的交叉開發(fā)環(huán)境的搭建，最重要的是基于Qtopia的應用程序和Linux驅動程序的開發(fā)，簡單介紹了USB協(xié)議的一些內容。關鍵詞：無線傳感網絡；USB協(xié)議； Qtopia；交叉開發(fā)；Linux設備驅動；Linux應用程序ABSTRACT With the development of the network and wireless munication technology, people had started to constantly apply them to practical production and life, the Wireless Sensor Network is one of the good application examples. It mainly consists of the front desk system and background system. The front desk system is just like a embedded system, which contains a lot of sensors, control and wireless munication module, they are distributed in certain areas to acquire signal ,store data and forward information ,also they can municate with each other. The main task of the background system is the analysis and judgement of the information received from the front desk system, to achieve the purpose of realtime monitoring the area parameters, the Wireless Sensor Network generally used in monitoring the temperature, humidity, noise and various chemical position concentration parameters of biological habitats and industrial production process. This paper is mainly research the realization of the front embedded system in the Wireless Sensor Network and simply introduced the relevant contents of the wireless munication module, also specially discussed the implementation of signal acquisition and information process. It mainly included hardware and software ponents. Hardware has all kinds of sensors, such as the sound listener, USB cameras and TQ2440 development board, software is the key point which includes boot loader, Linux kernel, the file system and the whole cross development environment based on Qtopia, the most important is the development of application with Qtopia and Linux drivers, also introduced some contents of the USB protocol. Keyword: Wireless sensor network。 USB protocol。 Qtopia。 Cross Development。 Linux Device Driver。 Linux Application Program 杭州電子科技大學本科畢業(yè)設計目 錄1 無線傳感網絡簡介 1 無線傳感網絡的概念 1 無線傳感網絡的發(fā)展歷史 1 無線傳感網絡的特征 1 無線傳感網絡的主要用途 22 嵌入式系統(tǒng)概述 3 嵌入式系統(tǒng)介紹 3 嵌入式系統(tǒng)的組成 3 硬件部分 3 軟件部分 4 嵌入式系統(tǒng)的應用 43 USB協(xié)議實現(xiàn) 6 USB協(xié)議的發(fā)展 6 USB協(xié)議系統(tǒng)架構 6 USB協(xié)議拓撲結構 6 USB的數(shù)據(jù)流傳輸 7 USB的應用 8 虛擬儀器 8 USB KEY 9 有機磷農藥檢測系統(tǒng) 9 USB事務中繼技術 9 無線USB 10 家庭醫(yī)療 10 USB驅動 10 USB主機 10 USB設備 114 Qt/Embedded開發(fā) 12 Qt/Embedded簡介 12 Qt/Embedded常用類 12 控件屬性類 12 常用控件類 12 Qt/Embedded 應用程序開發(fā) 135 硬件系統(tǒng)設計 15 信號采集模塊 15 微音監(jiān)聽器 15 USB攝像頭 15 主控模塊 16 TQ2440開發(fā)板 16 通訊模塊 16 無線通信技術簡介 166 軟件系統(tǒng)設計 17 編譯開發(fā)板鏡像 17 UBOOT移植 17 內核移植 18 根文件系統(tǒng)制作 18 交叉開發(fā)環(huán)境搭建 18 交叉編譯工具 19 交叉調試工具 19 Qtopia開發(fā)環(huán)境 19 應用程序開發(fā) 19 多通道A/D采樣及波形顯示 19 視頻采集及顯示 20 驅動程序開發(fā) 21 A/D驅動設計 21 USB設備驅動分析 217 系統(tǒng)實現(xiàn)及改進 22致謝 24參考文獻 25附錄 26杭州電子科技大學本科畢業(yè)設計1 無線傳感網絡簡介 無線傳感網絡的概念 無線傳感網絡[1]（Wireless Sensor Network）簡稱WSN，它是由大量靜止或者移動的傳感器節(jié)點有組織的分布在一定區(qū)域而構成的無線網絡，其目的是協(xié)作感知、采集、處理和傳輸網絡所覆蓋區(qū)域內對象的監(jiān)測信息，并報告給用戶。網絡中的節(jié)點一般由一個小型的嵌入式系統(tǒng)組成，負責完成傳感器信號的采集，數(shù)據(jù)的存儲以及信息的傳輸?shù)裙δ埽诤狭藗鞲衅骷夹g、計算機技術以及通信技術這三大信息技術，實現(xiàn)了真正意義上的網絡化、信息化和智能化。 無線傳感網絡的發(fā)展歷史 無線傳感網絡的發(fā)展最早可以追溯到20世紀70年代越戰(zhàn)期間，美國為了切斷越南軍隊輸送物資的秘密通道，就通過飛機投放了許多的“熱帶樹”，它實際上是由震動和聲響傳感器組成的系統(tǒng)，落地后插入泥土中，只露出偽裝成樹枝的無線電天線，只要有車隊經過，傳感器探測出目標產生的震動和聲響信息，自動發(fā)送到指揮中心，這是無線傳感網絡的雛形；接著就是20世紀80年代至90年代之間，美軍研制的分布式傳感器網絡系統(tǒng)、海軍協(xié)同交戰(zhàn)能力系統(tǒng)、遠程戰(zhàn)場傳感器系統(tǒng)等，這種現(xiàn)代微型化的傳感器具備感知能力、計算能力和通信能力，因此商業(yè)周刊將它列為21世紀最具影響力的21項技術之一；最后就是現(xiàn)在的傳感器網絡技術，其特點主要是網絡傳輸自組織、節(jié)點設計低功耗，由于無線傳感網絡在國際上被認為是繼互聯(lián)網之后的第二大網絡，美國的《技術評論》雜志評出對人類未來生活產生深遠影響的十大新興技術，傳感器網絡被列為第一。 無線傳感網絡的特征 一、大規(guī)模網絡：大規(guī)模主要體現(xiàn)在兩方面。一方面是傳感器節(jié)點分布在很大的地理區(qū)域內，如在原始森林采用傳感器網絡進行森林防火和環(huán)境監(jiān)測，需要部署大量的傳感器節(jié)點；另一方面，傳感器節(jié)點部署很密集，在一個面積不是很大的空間內，密集部署了大量的傳感器節(jié)點。 二、自組織網絡。在應用中傳感器節(jié)點被放置在沒有基礎結構的地方，傳感器節(jié)點的位置不能預先精確設定，所以這就要求傳感器節(jié)點具有自組織的能力，能夠自動進行配置和管理，通過拓撲控制機制和網絡協(xié)議自動形成轉發(fā)監(jiān)測數(shù)據(jù)的多跳無線網絡系統(tǒng)。 三、動態(tài)性網絡。傳感器網絡的拓撲結構可能會因為一些因素而改變，如環(huán)境因素或電能耗盡造成的傳感器節(jié)點出現(xiàn)故障或失效，傳感器、感知對象和觀察者都可能具有移動性等。 四、可靠的網絡。傳感器網絡特別適合部署在惡劣環(huán)境或人類不宜到達的區(qū)域，傳感器節(jié)點可能工作在露天環(huán)境中，遭受太陽的暴曬或風吹雨打，甚至遭到破壞，這些都要求傳感器節(jié)點非常堅固，不易損壞，適應各種惡劣條件。 無線傳感網絡的主要用途 目前，無線傳感網絡的應用主要集中在以下一個領域：首先就是環(huán)境的檢測和保護，它可以跟蹤候鳥和昆蟲的遷移，研究環(huán)境變化對農作物的影響，監(jiān)測海洋、大氣和土壤成分等；然后就是應用于醫(yī)療護理，通過在鞋、家具以及家用電器中嵌入式傳感器，幫助老齡及殘障人士的家庭生活，利用無線通信將傳感器聯(lián)網可高效傳遞必要的信息從而方便的進行護理；接著就是軍事領域，由于無線傳感器網絡具有密集型、隨機分布的特點，使其非常適合應用于惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境中，包括偵察敵情、監(jiān)控兵力、裝備和物資，判斷生物化學攻擊等多方面用途；最后無線傳感網絡還被應用于其他的一些領域，比如一些危險的工業(yè)環(huán)境如井礦、核電廠等，工作人員可以通過它實施安全檢測，也可以用在交通領域作為車輛監(jiān)控的有力工具。相信隨著相關技術的發(fā)展和推進，無線傳感網絡將會用于更多的領域。2 嵌入式系統(tǒng)概述 嵌入式系統(tǒng)介紹 根據(jù)IEEE(電氣與電子工程師協(xié)會)的定義，嵌入式系統(tǒng)[3]是“控制、監(jiān)視或者輔助裝置、機器和設備的裝置”。從中可以看出嵌入式系統(tǒng)是軟件和硬件的綜合體，還可以涵蓋機械等附屬裝置。目前國內一個普遍被認可的定義是：以應用為中心、以計算機技術為基礎、軟硬件可裁剪、適應于系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。正是由于它的體積小，成本低，可靠性高，能夠完成特定的功能，所以在一些特定的場合非常適用 嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn)最初是基于單片機的。70年代單片機的出現(xiàn)，使得汽車、家電、工業(yè)機器、通信裝置以及成千上萬種產品可以通過內嵌電子裝置來獲得更佳的使用性能，這些裝置已經初步具備了嵌入式的應用特點，但是還談不上系統(tǒng)的概念，但是隨著程序員開始用基于操作系統(tǒng)編寫嵌入式應用軟件，這使得可以獲得更短的開發(fā)周期，更低的開發(fā)資金和更高的開發(fā)效率，真正意義上的“嵌入式系統(tǒng)”出現(xiàn)了。 我們可以從以下幾方面來理解嵌入式系統(tǒng)。首先，嵌入式系統(tǒng)必須與具體應用相結合才會具有生命力、才更具有優(yōu)勢。其次，嵌入式系統(tǒng)是將先進的計算機技術、半導體技術以及電子技術和各行業(yè)的具體應用技術相結合的產物，這就決定了它必然是一個技術密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識集成系統(tǒng)。最后，嵌入式系統(tǒng)必須根據(jù)應用需求對軟硬件進行裁剪，滿足應用系統(tǒng)的功能、可靠性、成本、體積等要求。綜上，凡是與產品結合在一起的具有嵌入式特點的控制系統(tǒng)都可以叫嵌入式系統(tǒng)。 嵌入式系統(tǒng)的組成 嵌入式系統(tǒng)一般由嵌入式硬件和嵌入式軟件組成。硬件是系統(tǒng)正常工作的基礎，而軟件是系統(tǒng)實現(xiàn)的靈魂。 硬件部分 嵌入式硬件主要包括嵌入式處理器以及外圍設備構成的電路。其核心部件就是嵌入式處理器，包括基于ASIC（專用集成電路）的嵌入式微處理器，DSP系統(tǒng)，SOC系統(tǒng)以及基于現(xiàn)場可編程邏輯器件FPGA。在嵌入式系統(tǒng)中常用的CPU體系有ARM, PowerPC, MIPS, ColdFire, Intel8051, Atmel AVR等，其中ARM是目前用途最廣，產品出貨量最大的，PowerPC和MIPS主要用于網絡協(xié)議處理和某些工業(yè)控制場合，Intel8051和Atmel AVR都屬于功能相對簡單的單片機產品，但它們在一些低端的領域應用還是十分廣泛的。外圍相關的硬件電路主要有內存SDRAM， NAND FLASH, SD卡，觸摸屏，顯示器，USB接口，網卡，串口等接口電路，這些設備和普通PC機上的不同，因為它們需要適應于特定場合環(huán)境。 軟件部分