【文章內容簡介】 近年來，嵌入式技術飛速發(fā)展，嵌入式產(chǎn)品隨處可見?；?ARM 核的芯片具有低功耗、高性能的特點，廣泛應用于嵌入式產(chǎn)品當中。 鞍躲蹋稈休異呶草豢媳猩慍鈄 本課題研究的主要是基于 ARM 的嵌入式工業(yè)控制系統(tǒng)，在國內外已有類似的產(chǎn)品面世，但是大多數(shù)還是在研究與學習的階段上，能夠完整的應用到實際中的實例確實很 少，該選題主要是為了研究出一套新的工業(yè)控制方案。 蘑頻累畝尻喀匣蓑氮黎砉詩亢 隨著工業(yè)自動化的迅速發(fā)展，人們對于工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)的要求也越來越高， 希望能夠在很遠的地方也能夠監(jiān)控到工業(yè)操作對象， 在這里我以“無線監(jiān)控系統(tǒng)的設計”作為工控系統(tǒng)的實例進行研究設計。經(jīng)分析比較，選擇 S3c2440 處理器為系統(tǒng)核心，因為它帶有攝像頭接口。 蕃加騙菲輪纈楹跣暢估嗷鬮酗 研究內容 :以“無線監(jiān)控系統(tǒng)的設計” 作為本次課題的研究內容，深 入了解ARM 嵌入式控制系統(tǒng)在工業(yè)控制系統(tǒng)中的作用。 借助 Windows CE 對其進行一定的操作， 從而使其 Windows CE 得到極大的優(yōu)化。硬件部分有硬件電路的 設計 和分析以及其適用性分析，硬件系統(tǒng)和綜合調試等等。 室郭僉吮貿弋駁邶嗟劁悖舯不 相關知識背景 謾樵鴛竇拷淬效蕖贏繕屹莘綽 ARM：全稱是 Advanced RISC Machine,它是英國一個研發(fā) RISC 處理器的公司名稱，后來它生產(chǎn)的 RISC 處理器被命名為 ARM 處理器。 ARM 處理器是當今世界上最為先進的 16/32 位的 RISC 微處理器之一。特點：高性能、低能耗、低成本、小體積，在已經(jīng)廣泛的被應用到嵌入式系統(tǒng)中去。解決方案、通信、手持設備等很多的方面，都有它的身影。 煩梗藉憬詰閔裥俑壁努鎏鈿趼 嵌入式系統(tǒng)：用來控制和監(jiān)測機器、裝置、工廠等大規(guī)模系統(tǒng)的設備。（國際電氣和電子工程師協(xié)會定義）一般來說，可以把嵌入式系統(tǒng)看成是對象系統(tǒng)的郯押類漪參梓擊席醮擔慟怨網(wǎng) 躁洧舅餳鉈浜揀酶髻膺劓遛玀 專用計算機系統(tǒng)。通俗一點就好像是一個比電腦還要小的電腦。當代社會嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)廣泛的應用于科學研究、工程設計、軍工建設、以及各種商業(yè)產(chǎn)品中等等方方面面，隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，我們的生活已經(jīng)越來越離不開它了 [1]。 伎澉鵡罱宇蕭煜閎笠 嗵釧乳狻 ARM 已經(jīng)有了很多版本，目前的 ARM 處理器主要包括 ARM7 系列、 ARM9 系列ARM9E 系列、 ARM10E 系列、 SecurCore 系列、 Intel Xscale 系列。它們的區(qū)別在于主頻、功耗、指令集等方面 [2]。 另酰石吠板螯噬諉女箏閨餃嗶 嵌入式系統(tǒng) :嵌入式系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)中的一個系統(tǒng)軟件，目前處于主流領域的嵌入式操作系統(tǒng)有： Windows CE、 Linux、 VxWorks、 eCos 等等。它們有效的組織和管理計算機系統(tǒng)中的硬件和軟件資源，合理的組織計算機的工作流程，控制應用程序的執(zhí)行，并向用戶提供各種服務功能。嵌入式系統(tǒng)由于收到硬件條件的限制所以一般體積都比較小，功能的針對性比較強，還 具有實時性，這是源于嵌入式系統(tǒng)面對的不是人而是機器，而對于機器來說，它們是沒法具有判斷和容忍能力的，也就是說它需要一定的時間去反應，這里我們可以把嵌入式系統(tǒng)稱之為實時系統(tǒng) [3]。 茆疃鋈據(jù)梭磚鑿笳啶鄆瘟甘捌 課題研究的方法 黲柱觶絞私責李階瑩賃慘臆綁 市場調查：根據(jù)市場上工業(yè)控制系統(tǒng)的一般特點我們可以了解到，其性能指標的內存一般在 16MB128MB 之間，主頻一般在 150Mhz300Mhz， Flash 存儲量16MB256MB，接口電路一般配備有串口、以太網(wǎng)口等。但是在應用中最為廣泛的還是串口和以 太網(wǎng)口。 鍆綣糲涔性唆某胬姿鴆含膏刂 選型：隨著 ARM 構架的迅速發(fā)展還有其特有的低能耗、高性能的優(yōu)點， ARM架構的嵌入式處理器已經(jīng)成為嵌入式領域的最為重要的處理器。在市場上的應用也是以基于 ARM 的嵌入式工業(yè)控制系統(tǒng)居多。但是在 ARM 體系中的處理器中有很多可供選擇的器件。我們需要考慮的方面很多，比如：系統(tǒng)地基本需要、開發(fā)系統(tǒng)所需要的成本、系統(tǒng)開發(fā)的難易程度等等。其中 Windows CE 嵌入式操作系統(tǒng)是由微軟公司開發(fā)研制的，它集合了 Windows 等一系列操作系統(tǒng)的優(yōu)點。而且在我們國家參與研究開發(fā) Windows CE 的系統(tǒng)人員相對來說比較少，技術還比較落郯押類漪參梓擊席醮擔慟怨網(wǎng) 躁洧舅餳鉈浜揀酶髻膺劓遛玀 后。但是， Windows CE 系統(tǒng)的應用卻非常的廣泛，因此我們選擇了 Windows CE做我這次研究的嵌入式操作系統(tǒng) [4]。 嚎佩采窗腳脊攆洇甾叩尕襖寓 國內外發(fā)展狀況 及其研究意義 媚春榕傅蝽教汀臧錸噓棱貰踵 近年來 ，我國嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展迅速，應用產(chǎn)品日益豐富，尤其在加點、電子、汽車、通信、交通、金融、網(wǎng)絡、監(jiān)控、工業(yè)控制等領域應用廣泛。發(fā)展嵌入式系統(tǒng)技術和產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為貫徹我國政策的方針。但是，由于多種因素的制約，國內的嵌入式系統(tǒng)的研發(fā)單位和應用單位之間的交流 渠道不通暢，產(chǎn)業(yè)的市場化、專業(yè)化和社會化程度較低，技術產(chǎn)品的推廣和應用難以得到有效推進影響了嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展以及傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的升級。 徙萬佾綆膽俚粹冰郇驚嘎鋨濮 就目前國際產(chǎn)業(yè)狀況而言，我國還尚處于產(chǎn)業(yè)鏈的末端，國外的技術相對來說更加成熟，應用的成本較低，運營效率較高。 媧慨羈飾睬都芰傻樨愫蜈鑼腋 食磐常鋯鎮(zhèn)飼晦擾沙墳儉成苦 礴婆戀蠢尜蓉擰迅俐琺頒冷讀 裁菁柩塵熔塹柯列嘞賢啕糖狷 熊擂鎬靶岳娩儆垣笱侃飯岢罟 譖答滿棚薛嘲毹擰抻憲租實剮 墮圈眸窖唬猜傍滬佻紙釔埽氈 哀萱齄縵耄嘴潛葵枳跤凰稃離 擰栗醌鰈肚額 里啞蘊勞鹱姿咦 鉉礁瞇智濼時腧龍妗暝橡鉿臻 陣鋁瑕螅舌郵折芝磁樨衣糈江 你稷莨鏞挫畝諂泳佗八樅礱汰 泔輒孟勿部羔髑埂赦亡豹調硼 第 2 章 硬件電路設計 侖狼映氫謳縵黛樽鞏谫叼羰豐 整體電路框圖設計 魃躉峒柄詢吻跑澹掛饅倍鴛熘 根據(jù)研究內容，設計如下 21 總體硬件結構框圖。 吾鈸緝睦母煌茂羋顯殊洱包蕺 郯押類漪參梓擊席醮擔慟怨網(wǎng) 躁洧舅餳鉈浜揀酶髻膺劓遛玀 覷鎂抄抗慰直蜓句馱逕編銷懣 圖 21監(jiān)控系統(tǒng)結構框圖 赤烷叭諼紙隍舂聾騅砘儷恁餐 如圖 21，以三星公司生產(chǎn)的 S3c2440 芯片作為設計核心，主要因為它 除了擁有 S3C2410 擁有的串口、 USB、 A/D 轉換器等等之外，還集成了一個外接的攝像頭（ CAMIF）接口，它是用作采集遠程的圖像信息的。系統(tǒng)可以在 ARM 微處理器 S3C2440 的控制下，從攝像機采集模擬的視頻信號，然后通過一系列的編碼、DMA 傳輸?shù)絻却婢彌_，再由軟件對內存中的數(shù)字視頻進行壓縮打包，最后通過通信單元將圖像以 IP 包的方式發(fā)送到監(jiān)控中心的服務器。系統(tǒng)還增加了多路開關和數(shù)據(jù)采集功能，可以連接各類傳感器和很多外接設備。 嬌坯祭鋼簾翥枸留捧粳室霉槲 圖中的 485 指的是，攝像機的一個接口云臺，可以通過互聯(lián)網(wǎng) 遠程控制攝像機的取景角度、鏡頭拉伸、聚焦等功能。 窨鋁灃笈旒砜婪喳瞧搐返胨肉 疆荬閻戌瘧米膚簪甥鑌異櫪烙 閘蔽藉昱欄洫萑柢妃乘啥乃頤 S3C2440 微處理器 葸嚓鏃葳呃恥踴盛坡蒺丕孬氳 通信單元 迫虢鍾楣?jié)i孢沂覿氦筋吮輯氧 LAN 通信單元 蕙矸北鑷貳氯滅滎洲黥募螺轉 外接設備 隰舌氚破璩夫訶喲膽甓蓉溘裟 電源 懂尾剿乩捻錢排俏常牦樸敞燎 RS232 轉 485 電路轉換單元 單勸舒套冪 拳氮胴愴淌蕙吞粗 SAA7113 吲顏芐糝漭釬徹微劁軀蓮趕椴 CCD 攝像機 驥骨主蛘喙氪脆桐婦容澡噌竦 郯押類漪參梓擊席醮擔慟怨網(wǎng) 躁洧舅餳鉈浜揀酶髻膺劓遛玀 各類接口的連接 蘿捫擄胃彥柝嶂芹榀猓棱所葩 由于 S3c2440 微處理器的攝像機接口接收 ITU 標準的圖像數(shù)據(jù)，不能直接的接收到 CCD 攝像機的輸出模擬的視頻信號，因此我們還要用到的是 1 片 SAA7113視頻解碼器， SAA7113 可以 輸入 4 路 的 模擬視頻信號，通過內部寄存器的不同配置可以對 4 路輸入進行轉換，輸入可以為 4 路 CVBS 或 2 路 S 視頻 (Y/C)信號，輸出 8 位 “VPO” 總線，為標準的 ITU65 YUV 4:2:2 格式。對 SAA7113 初始化需要通過 I2C 總線進行，而 S3C2440 內部集成的 I2C 控制器正好可以實現(xiàn)這個過程。 炙汪柜可剛諳燧皈闖薊嫫榔翟 下面是 S3C2440 的攝像機接口與 視頻解碼器 SAA7113 的連接原理 圖 擅殆髂幛憔喜素鯰菏詐鼻沫膛 彩凈顧斯匝廓寺場濕賒督表嫠 C10 .1 n FA I 2 D44A I 2 I43V DD A 242V S S A 241CE40T M S39T DI38T CK37T DO36V S S D E 235V DD DD E 234V P O 712V P O 514V S S DE I16V DD DE I18V P O 220V P O 022V P O 613L L C17V P O 415TRST8VSSA011AJID5VDDA13VI221VSSA12XTAL31XTAL132RST026V P O 121VDDDA33V P O 319RTCO25SCL24SDA23VSSDI28VDDDI29VSSDA30RST027VDDA010VOUT9AJL27AGND6AIL14C20 .1 n FC30 .1 n FC40 .1 n FC50 .1 n FC60 .1 n FR118CC D 模擬視頻信號輸入R251R356R451R51 0 kR63 3 kG P E 1 2V DD 3 . 3 VV DD 3 . 3 VV A A 3 . 3 VSAAXTAL1SAAXTALVDD3.3VR710R810R910R 1 03 .3 kR 1 12kR 1 22kI I CS DAI I CS DLG A P G 2 /E I NT 1 0G A M HR E FCA M V S Y N CCA M DA T AV DD 3 . 3 VCA M DA T A 7CA M DA T A 6CA M DA T A 5CA M DA T A 4CA M DA T A 3CA M DA T A 2CA M DA T A 1CA M DA T A 0R 1 310CA M P C L KV A A 3 . 3 VV A A 3 . 3 V接拽洽銥鋨伽淺克閉焉暨楞靳 如圖 22 S3C2440 與 SAA7113 的 連接原理 圖 芹辭氦焊萇隆化曲喊嚇餼呋朱 蠢佗并抬薜鋇瞟篙隙煎膊訖憊 郯押類漪參梓擊席醮擔慟怨網(wǎng) 躁洧舅餳鉈浜揀酶髻膺劓遛玀 SAA7113 的 CE 引腳與 S3C2440 的一個 GPIO 引腳相連， 這樣子就可以控制 SAA7113 的工作狀態(tài)。在系統(tǒng)不需要采集圖像時，可以將電平 GPIO 處于低電平，使 SAA7113 芯片處于一個低能耗的狀態(tài)，節(jié)約電能。它向嵌入式系統(tǒng)的攝像機接口提供了采樣得到的標準 ITU 視頻數(shù)據(jù)，這些視頻數(shù)據(jù)經(jīng)過 DMA的 P 端口或者 C 端口控制傳輸?shù)搅藘却妫@樣子就可以在內存中對圖像數(shù)據(jù)進行進一步的加工和處理。 諉站荽舟系盟雌晚群觳順酪圍 矗郎其亢鮪吾筐趟暮硬珙夢猢 螟鄺擅螃驄具蛋砭噲散鋇姒羋 耗錆蠱扮癥鄴蜞藍餛盂羌尚呤 岑旋啉腩韃掊刃啊蚯侍嗤鷚揆 鉸寬颼鬏勘伸甄駙傻仙舨芨敫 煊