【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ARM 的選型 ARM 公 司 自 從 1990 年 在 英 國(guó) 劍 橋 成 立 以 來(lái) ， 在 32 位RISC(ReducedInstruction Set Computer)CPU 開(kāi)發(fā)領(lǐng)域中不斷取得突破，其結(jié)構(gòu)已經(jīng)從 V3 發(fā)展到 V6。目前非常流行的 ARM 芯核有 ARM7TDMI, StrongARM, ARM720T, ARM9TDMI, ARM922T,ARM940T, ARM946T, ARM966T, ARMIOTDMI 等。另外 ARM 芯片還獲得了許多實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) (Real Time Operating System)供應(yīng)商的支持，比較著名的有 Windows CE, Linux, pSOS、 VxWorks, Nucleus, EPOC, uC/OS、 Beos 等 [18]。 我們?cè)谶x擇 ARM 芯片時(shí)主要參考以下因素 : (1) ARM 芯核 如果希望使用嵌入式操作系統(tǒng)來(lái)減少軟件開(kāi)發(fā)時(shí)間，就需要選擇 ARM720T武漢工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ）說(shuō)明書(shū) 8 以上帶有 MMU ( Memory Management Unit )功能的 ARM 芯片。目前只有 uCLinux等少數(shù)幾種 Linux 不需要 MMU 的支持。 (2)功能 不同的系統(tǒng)需要各不相同，在選取就需要考慮處理器本身所能支持的功能，如 USB, DART、液晶顯示等。 (3)性能 主要是從處理器的功耗、運(yùn)算速度、穩(wěn)定可靠性等方面考慮。 (4)價(jià)格 一般來(lái)說(shuō)，在產(chǎn)品完成預(yù)定功能的情況下，都是希望成本越低越好。但在選取時(shí)需要考慮處理器的價(jià)格以及由處理器而衍生出的開(kāi)發(fā)價(jià)格，如開(kāi)發(fā)工具、外圍芯片等。 (5)熟悉程度和開(kāi)發(fā)資源 選擇一款自己熟悉的處理器可以大大減少開(kāi)發(fā)的難度和周期，并降低開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。在自己熟悉的處理器都無(wú)法滿足的情況下，則應(yīng)盡量選擇開(kāi)發(fā)資源較豐富的處理器。 (6)是否可升級(jí) 為了系統(tǒng)在以后的升級(jí)方便，應(yīng)盡量選取具有相同封裝的不同性能等級(jí)的處理器 ，并考慮系統(tǒng)未來(lái)可能會(huì)增加的功能。 (7)供貨穩(wěn)定性 供貨是否穩(wěn)定也是選取處理器時(shí)應(yīng)考慮的一個(gè)重要因素，應(yīng)盡量選取大廠家、通用性較好的芯片?；谝陨细鞣N因素，本課題選擇三星公司的 S3C2440作為嵌入式微處理器。 S3C2440 采用了 ARM920T 的內(nèi)核， 的 CMOS 標(biāo)準(zhǔn)宏單元和存儲(chǔ)器單元，芯片內(nèi)部集成了 16KB 的指令 Cache 和 16KB 的數(shù)據(jù) Cache，外部存儲(chǔ)控制器， LCD 控制器， 4通道 DMA 并有外部請(qǐng)求引腳， 3 通道 DART, 2通道 SPI, 1 通道 IICBUS 接口， AC97 解碼器接口， 2 端口 USB 主機(jī) //1 端口USB 設(shè)備， 4通道 P WM 定時(shí)器和 1通道內(nèi)部定時(shí)器，看門(mén)狗定時(shí)器， 8通道 10位 ADC 和觸摸屏接口等 [19]。 武漢工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ）說(shuō)明書(shū) 9 圖像采集模塊的選型 目 前 主 要 的 圖 像 傳 感 器 分 兩 類 :CCD(Charge Coupled Device) 和CMOS(Complementary Metallic Oxide Semiconductor)。 CCD 使用一種高感光度的半導(dǎo)體材料制成，能把光線轉(zhuǎn)變成電荷，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)壓縮以后由相機(jī)內(nèi)部的閃速存儲(chǔ)器或內(nèi)置硬盤(pán)卡保存，因而可以輕而易舉地把數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)，從而可以借助與計(jì)算機(jī)中豐富的軟硬件資源，根據(jù)需要對(duì)圖像進(jìn)行處理。 CCD 主要由一個(gè)類似馬賽克的網(wǎng) 格、聚光鏡片，以及墊于最底下的電子線路矩陣所組成。 CMOS 也是一種可記錄光線變化的半導(dǎo)體。 CMOS 的制造技術(shù)相比較與 CCD 來(lái)講簡(jiǎn)單的多，與一般計(jì)算機(jī)芯片沒(méi)有多大差別，主要是利用硅和鍺這兩種元素做成 ，使其在 CMOS 上共存著帶 N(帶負(fù)電 )和 P(帶正電 )級(jí)的半導(dǎo)體，這兩個(gè)互補(bǔ)效應(yīng)所產(chǎn)生的電流即可被處理芯片記錄和解讀成影像。在相同分辨率下， CMOS 的價(jià)格比 CCD 便宜的多，但是 CMOS器件產(chǎn)生的圖像質(zhì)量相比 CCD 來(lái)說(shuō)要低一些 [20]。目前市場(chǎng)上絕大多數(shù)高端數(shù)碼相機(jī)都使用 CCD作為感應(yīng)器 。CMOS感應(yīng)器則作為低端產(chǎn)品應(yīng)用于一些攝像頭上。與 CCD 相比較， CMOS 的優(yōu)勢(shì)之一在于電源消耗量比 CCD 低， CCD 為了提供高質(zhì)量的影像品質(zhì)，付出代價(jià)即較高的電源消耗量，為使電荷傳輸順暢，噪音降低，需由高壓差改善傳輸效果。但 CMOS 影像傳感器將每一像素的電荷轉(zhuǎn)換成電壓，讀取前便將其放大，利用 的電壓即可驅(qū)動(dòng)，電壓消耗量因此要比 CCD 低的多。 CMOS 的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是與周邊電路的整合性高，可將 ADC 與信號(hào)處理器整合在一起，使體積大幅縮小。與 PC環(huán)境下相比，嵌入式系統(tǒng)環(huán)境中資源十分有限，另外從成本、電路設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)度、電源消耗量等方面考慮，本課題選擇采用基于CMOS 圖像傳感器作為感光器件及中星微 301 微處理芯片的 USB 接口攝像頭作為系統(tǒng)的圖像采集模塊。中星微 301 系列 USB 接口攝像頭可以在 320240 和640480 及 800600 的 分辨率下輕松的達(dá)到 30fps/s 的速度， 30 萬(wàn)硬件像素，百萬(wàn)以上插值像素，完全可以實(shí)現(xiàn)視頻畫(huà)面或圖像的清晰、流暢。 GPRS 模塊的選型 目前無(wú)線通信品種較多，常見(jiàn)的無(wú)線模塊分成 GPRS, CDMA, GSM, EDGE 等模塊。這些無(wú)線模塊廣泛應(yīng)用于無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，電力 GPRS ( CDMA)通信系統(tǒng)、鐵武漢工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ）說(shuō)明書(shū) 10 路 GPRS ( CDMA)通信系統(tǒng)，無(wú)線監(jiān)控， GPRS 智能交通系統(tǒng)等無(wú)線遠(yuǎn)程監(jiān)控領(lǐng)域等行業(yè)。目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上常見(jiàn)的無(wú)線模塊品牌 主要有 :西門(mén)子、華為、摩托羅拉、飛圖、展迅、 Enfora、明基、 SIMCOM, Wave 等。本課題選用 Wave 公司的 GPRS 模塊 Q2406B，如圖 22 所示。 圖 22 Q2406 實(shí)物圖 GPRS 模塊 Q2406B 是一塊雙頻 GSM / GPRS 模塊，內(nèi)嵌協(xié)議棧，執(zhí)行 ETSIGSM Phase 2+的標(biāo)準(zhǔn)，類別 4 ( 2W@900MHz )，類別 1(1 W@ 1800/1900MHz )外部3V/SVSIM。由于 GPRS 模塊 Q2406 內(nèi)嵌了協(xié)議棧，所以進(jìn)行軟件編寫(xiě)時(shí)就可以省去協(xié)議棧的編寫(xiě)或移植，這樣就節(jié)省了大量的軟件開(kāi)發(fā)時(shí)間 [21]。 嵌入式操作系統(tǒng)的選型 選擇 linux 的原因有 ： (1)可應(yīng)用于多種硬件平臺(tái)。 Linux 已經(jīng)被移植到多種硬件平臺(tái)，這對(duì)受開(kāi)銷(xiāo)、時(shí)間限制的研究與開(kāi)發(fā)項(xiàng)目很有吸引力。原型可以在標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)上開(kāi)發(fā)然后移植到具體的硬件上，加快了軟件與硬件的開(kāi)發(fā)過(guò)程。 (2)Linux 可以隨意地配置，不需要任何的許可證或商家的合作關(guān)系。 (3)它是免費(fèi)的，源代碼可以得到。這是最吸引人的。毫無(wú)疑問(wèn)，節(jié)省大量的開(kāi)發(fā)費(fèi)用。 (4) Linux 它本身內(nèi)置網(wǎng)絡(luò)支持。 (5)Linux 的高度模塊化使添加部件非常容易。 (6)Linux在臺(tái)式機(jī)上的成功，使大家看到了 linux在嵌入式系統(tǒng)中的輝煌前景。武漢工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ）說(shuō)明書(shū) 11 本章小結(jié) 本章首先介紹了系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能，并詳細(xì)介紹了基于 ARM 的圖像采集與無(wú)線傳輸系統(tǒng)的組成，詳細(xì)分析了系統(tǒng)關(guān)鍵器件的選擇原則，選定了本系統(tǒng)所采用的嵌入式微處理器、圖像采 集模塊、 GPRS 模塊，最后介紹了本系統(tǒng)所采用的嵌入式 Linux，以及選擇嵌入式 Linux 作為系統(tǒng)的嵌入式操作系統(tǒng)的原因。 武漢工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ）說(shuō)明書(shū) 12 第 3 章 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 本系統(tǒng)以嵌入式微處理器 S3C2440 為系統(tǒng)控制中心，當(dāng) USB 接口攝像頭獲取圖像數(shù)據(jù)后，經(jīng)過(guò) S3C2440 的壓縮處理后，利用串口將圖像數(shù)據(jù)送至 GPRS 模塊 Q2406B 發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)器。系統(tǒng)的硬件框圖如圖 31 所示。 NAND FLASH 接口電路設(shè)計(jì) NAND FLASH 和 S3C2440 NAND FLASH 控制器分析 NAND FLASH 在嵌入式系統(tǒng)中的地位與 PC 上的硬盤(pán)類似，用來(lái)保存系統(tǒng)運(yùn)行所必須的操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序、用戶數(shù)據(jù)、運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的各類數(shù)據(jù)，并且在系統(tǒng)電源關(guān)閉后 NAND FLASH 中的數(shù)據(jù)可以在掉電狀態(tài)下永久保存。本課題選用的 NAND FLASH 芯片是三星公司生產(chǎn)的容量為 64MB 的 K9F1208UOM[22]。K9F1208UOM 的封裝及外部引腳如圖 32所示。武漢工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ）說(shuō)明書(shū) 13 圖 33K9F1208UOM 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 K9F1208UOM 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)分為 10 個(gè)功能部件 : (1)XBuffers Latcheamp。Decoders:用于行地址 （ 2） Y Buffers Latcheamp。Decoders:用于行地址。 （ 3） Command Register:用于命令字。 （ 4） Control Logic amp。 High Voltage Generator:控制邏輯及產(chǎn) 生 Flash 所需高壓。 (5)Nand Flash:存儲(chǔ)部件。 ( 6 ) Page Register amp。 S/A:頁(yè)寄存器，當(dāng)讀、寫(xiě)某頁(yè)時(shí)，會(huì)將數(shù)據(jù)先讀入 /寫(xiě)入此寄存器，大小為 528 字節(jié)。武漢工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ）說(shuō)明書(shū) 14 (7)Y Gating 。 (8)I/O Buffersamp。Latches 。 (9)Global Buffers 。 (10)Output Driver 。 K9F1208UOM 的容量為 64M X 8bit，分為 131072 行 (頁(yè) )、 528 列 。每一頁(yè)大小為 512 字節(jié)，外加 16 字節(jié)的額外空間。 K9F 1208UOM 的命令、地址、數(shù)據(jù)都通過(guò) 8個(gè) I/O 口輸入 /輸出，這種形式使得 K9F1208UOM 引腳得到減少，并易于擴(kuò)展系統(tǒng)容量。寫(xiě)入命令、地址或數(shù)據(jù)時(shí)，都需要將 WE, CE信號(hào)同時(shí)拉低。數(shù)據(jù)在 WE信號(hào)的上升沿被 NAND Flash 存 。命令鎖存信號(hào) CLE、地址鎖存信號(hào)ALE 用來(lái)分辨、鎖存命令或地址。 NAND Flash 時(shí)需要發(fā)送命令，然后發(fā)出地址序列，最后讀 /寫(xiě)數(shù)據(jù) 。需要使用各個(gè)使能信號(hào)來(lái)分辨是命令、地 址還是數(shù)據(jù) [23]。S3C2440的 NAND Flash控制器提供了 NFCONF, NFCONT, NFCMMD, NFADDR, NFDATA, NFSTA39。I，和其他與 ECC 有關(guān)的寄存器。 NAND Flash 的讀寫(xiě)操作順序如下 : (1)設(shè)置 NFCONF, NFCONT 寄存器，配置 NAND Flash。 (2)向 NFCMD 寄存器寫(xiě)入命令。 (3)向 NFADDR 寄存器吸入地址。 (4)讀 /寫(xiě)數(shù)據(jù) :寄存器寫(xiě)入地址。通過(guò)寄存器 NFSTAT檢測(cè) NAND Flash的狀態(tài)，在啟動(dòng)某個(gè)操作后，檢測(cè) R/nB 信號(hào)以確定該 操作是否完成、是否成功。 NAND FLASH 接口電路 S3C2440 與 K9F1208UOM 的接口電路如圖 34所示。武漢工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ）說(shuō)明書(shū) 15 圖 34K9F1208UOM 與 S3C2400 的連線圖 如圖 34 所示， K9F1208UOM 與 S3C2440 的連線有 :8 個(gè) v0 引腳 (voowo},S個(gè)使能信號(hào) ((nWE, ALE, CLE, nCE, nRE), 1 個(gè)狀態(tài)引腳 (RDY/B)，另外還有 1個(gè)寫(xiě)保護(hù)引腳 ((nWP)。地址、數(shù)據(jù)和命令都是在這些使能信號(hào)的配合下，通過(guò)8個(gè) I/O 引腳傳輸。 SDRAM 接口電路設(shè)計(jì) S3C2440 存儲(chǔ)控制器分析 S3C2440 的存儲(chǔ)控制器提供了訪問(wèn)外部設(shè)備所需的信號(hào)，它具有如下特性 :支持?jǐn)?shù)據(jù)的大端、小端存儲(chǔ)模式 (可以通過(guò)軟件設(shè)置 )。每個(gè) BANK 的地址空間為128MB，總共 1 GB(BBANKs)； 可編程控制的總線位寬 (8/16/32bit)，不過(guò) BANKO只能選擇兩種位寬 (8/16bit)； 共計(jì) 8 個(gè) BANK } BANKO～ BANKS 可以支持外接ROM, SRAM等， BANK6～ BANK7除可以支持 ROM, SRAM外，還支持 SDRAM等 ； BANKO～BANK6 共 7個(gè) BANK 的起始地址是固定的 ； BANK7 的起始地址可編程選擇 。BANK6, BANK 的地址空間大小是可編程控制的 ； 每個(gè) BANK 的訪問(wèn)周期均可編程控制 ；可以通過(guò)外部的“ wait”信號(hào)延長(zhǎng)總線的訪問(wèn)周期 。在外接 SDRAM 時(shí)，支持自刷新和省 電模式。 S3C2440 在系統(tǒng)復(fù)位后的存儲(chǔ)控制器的地址空間分布如圖 35所示武漢工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ）說(shuō)明書(shū) 16 SDRAM 的選擇及接口電路設(shè)計(jì) 目前 SDRAM 生產(chǎn)廠家眾多，所以選擇一款合適的 SDRAM 芯片對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的開(kāi) 發(fā) 也 是 十 分 重 要 的 。 選 用 的 是 兩 片 三