【正文】 ............................... 2 本章小結(jié) ...................................................................................................... 2 第 5 章 總結(jié)與展望 ............................................................................ 1 總結(jié) .............................................................................................................. 1 展望 .............................................................................................................. 1 致謝 ..................................................................................................... 1 參考文獻(xiàn) ............................................................................................. 1 武漢工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 （ 論文 ）說明書 1 第 1 章 緒論 選題背景和意義 圖像在人們生活生產(chǎn)中無處不見，它在人類獲取的外部信息中占據(jù)著十分重要的角色。“百聞不如一見”，在許多場合中，圖像所傳遞的信息要比其他任何形式更加豐富和真切。在工作和生活中我們常見的各類圖片都屬于圖像，它們是采用各種設(shè)備獲取并存儲起來的一種實體。 近年來嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的飛速發(fā)展更為圖像采集與處理系統(tǒng)的發(fā)展提供了無限的動力。 ARM (Advanced RISC Machines )是嵌入式系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的一個標(biāo)志性產(chǎn)物。本系統(tǒng)采用的就是三星公司生產(chǎn)的基于 ARM920T 芯核的一款嵌入式微處理器 S3C2440。另外，各種嵌入式操作系統(tǒng)的涌現(xiàn)也極大的促進(jìn)了嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展 [4]，使用嵌 入式操作系統(tǒng)可以大大減小系統(tǒng)的開發(fā)周期，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。特別是無線通信技術(shù)的發(fā)展，使人們的信息溝通實現(xiàn)了“隨時隨地”，同時也希望能夠隨時隨地了解目標(biāo)場所的狀況 [6]。 在這種背景下，設(shè)計一種輕便小巧、低生產(chǎn)成本、低功耗的圖像采集系統(tǒng)來采集、存儲、傳輸并顯示所需的圖像就顯得十分必要。它是以嵌入式武漢工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 （ 論文 ）說明書 2 技術(shù)為核心，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無線通信技術(shù)，迎合了目前市場的需求，可以滿足目前人們對生產(chǎn)、生活中對目標(biāo)場地的隨時監(jiān)控的要求。在未來的安保、智能交通管理、產(chǎn)品檢測、海關(guān)檢測、環(huán)境監(jiān)督、家庭防護(hù)等各個方面都有著廣闊的應(yīng) 用前景。本文主要從這個兩個方面進(jìn)行分析和設(shè)計。這種方式的優(yōu)點是 :充分利用了 PC 機豐富的軟硬件資源、易于開發(fā)等特點，它的缺點是 :整個系統(tǒng)硬件連接復(fù)雜，不利于小型化，而且對人力、成本等要求較高 [8][9]。本課題采用圖像傳感器與微處理器的方式 來完成圖像的采集模塊的設(shè)計，并在系統(tǒng)中采用嵌入式操作系統(tǒng)，不僅實現(xiàn)了圖像數(shù)據(jù)的高速采集，而且降低了系統(tǒng)成本，系統(tǒng)功能易于擴充，為系統(tǒng)再次功能擴充留下了空間 [10][11]。 (1)紅外線無線技術(shù) 紅外線是波長在 750nm～ 1mm 之間的電磁波，它的頻率高于微波而低于可見光，是一種人用肉眼看不到的光。目前使用的家電遙控器幾乎都是采用紅外線傳輸技術(shù) 。隨著紅外線技術(shù)的日益成熟，武漢工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 （ 論文 ）說明書 3 標(biāo)準(zhǔn)的日益規(guī)范，紅外線在通訊上的應(yīng)用也就日益增多 [14]。藍(lán)牙是一種低功耗、短距離無線通信技術(shù)，其實質(zhì)內(nèi)容是建立全球通用的短距離無線電空中接口以及控制軟件的公開標(biāo)準(zhǔn) 。 (3)GSM GSM(Global System for Mobile munications)，即全球移動通信系統(tǒng)，是世界上采用最多的數(shù)字移動通信制式，我國最大的移動通信運營商一中國移動通信業(yè)采用的也是 GSM。頻帶寬度為 25MHz(對 900MHz 頻段而言 )。雙工通信時收、發(fā)頻率間隔 45MHz。每幀為一個載波，分為 8 個時隙 ，全速率信道 8 個，半速率信道 16個 ； 調(diào)制方式為高斯低通最小頻移鍵控 (GMSK)，調(diào)制指數(shù)為 ；采用數(shù)字話音，其編碼方式為規(guī)則脈沖激勵長線性預(yù)測編碼 (RPELTP)，速率為13kb/s； 每時隙信道比特率為 ，信道總速率為 ； 數(shù)據(jù)速率為 。 (4)CDMA 在上個世紀(jì)八十年代，即第二代移動通信迅速發(fā)展時期，提出了兩個重要的移動通信體制，一種是 TDMA 體制，另一種就是 CDMA。在信號的發(fā)送端使用一個自相關(guān)性較強而互相關(guān)較小的高速偽隨機碼作為地址碼，與要傳輸?shù)挠脩粜畔?shù)據(jù)相乘。 (5)GPRS武漢工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 （ 論文 ）說明書 4 GPRS(General Packet Radio Service)即通用分組無線業(yè)務(wù)，由英國 BT Cell 公司最早在 1993 年提出，是 GSM Phase2+規(guī)范定義實現(xiàn)的內(nèi)容之一。 GPRS 沒有取代目前 GSM 網(wǎng)絡(luò)支持的 CSD(電路交換數(shù)據(jù) )和 SMS(短消息 )等業(yè)務(wù)，而是對目前 GSM 網(wǎng)絡(luò)的補充。GPRS 分組業(yè)務(wù)信道采用了與 GSM 不同的 CS＿ I～ CS＿ 4等編碼方式 (其數(shù)據(jù)速率分別為 , , , )。但實際數(shù)據(jù)傳輸速率受網(wǎng)絡(luò)編碼方式和終端支持的因素影響， CS＿ 3, CS＿ 4 的接收參考靈敏度較低，這兩種編碼方式只有在距離基站較近且信號較好的地區(qū)才能夠真正使用 。 本課題的研究內(nèi)容 本課題針對目前國內(nèi)外圖像監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀提出了一種基于 ARM 的圖像采集與無線傳輸系統(tǒng)的設(shè)計方案，通過研究嵌入式系統(tǒng)技術(shù)，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無線通信技術(shù)，以及具體的市場需求情況，研究一種適用于圖像監(jiān)控、安全保障的圖像采集與無線傳輸系統(tǒng)。 (2)進(jìn)行系統(tǒng)的總體設(shè)計，并對系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的功能模塊劃分，選擇關(guān)鍵模塊器件的型號。武漢工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 （ 論文 ）說明書 5 (4)構(gòu)建基于 Eclipse 的嵌入式集成開發(fā)環(huán)境。 (6)進(jìn)行圖像采集程序的編寫。 (8)進(jìn)行服務(wù)器端接收及控制程序設(shè)計。 武漢工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 （ 論文 ）說明書 6 第 2 章 系統(tǒng)總體設(shè)計 系統(tǒng)功能描述 本課題設(shè)計的基于 ARM 的圖像采集與無線傳輸系統(tǒng)，主要是為了彌補傳統(tǒng)圖像采集系統(tǒng)中存在的成本較高、功耗較高、不易布設(shè)等缺點。在完成圖像采集與無線傳輸?shù)耐瑫r，系統(tǒng)還必須滿足低成本、低功耗的要求。本系統(tǒng)以嵌入式微處理器 ARM 為控制核心，以圖像傳感器為圖像數(shù)據(jù)的獲取設(shè)備，以 GPRS 模塊為圖像數(shù)據(jù)的發(fā)送設(shè)備。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 21 所示。系統(tǒng)在嵌入式微處理器的控制下從圖像傳感器采集圖像數(shù)據(jù)，采用 DMA 方式將圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)絻?nèi)存緩沖區(qū)中，由軟件將圖像數(shù)據(jù)讀出并對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行 JPEG 壓縮和打包處理 后存入 Flash 中，最后通過 GPRS 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到遠(yuǎn)程接收端服務(wù)器。系統(tǒng)采用的嵌入式處理器 ARM 必須具備較強的處理能力，以便于完成圖像數(shù)據(jù)的實時處理的需求，并要求系統(tǒng)的成本比傳統(tǒng)的圖像采集系統(tǒng)低 。目前非常流行的 ARM 芯核有 ARM7TDMI, StrongARM, ARM720T, ARM9TDMI, ARM922T,ARM940T, ARM946T, ARM966T, ARMIOTDMI 等。 我們在選擇 ARM 芯片時主要參考以下因素 : (1) ARM 芯核 如果希望使用嵌入式操作系統(tǒng)來減少軟件開發(fā)時間，就需要選擇 ARM720T武漢工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 （ 論文 ）說明書 8 以上帶有 MMU ( Memory Management Unit )功能的 ARM 芯片。 (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。 (4)價格 一般來說，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。 (5)熟悉程度和開發(fā)資源 選擇一款自己熟悉的處理器可以大大減少開發(fā)的難度和周期，并降低開發(fā)風(fēng)險。 (6)是否可升級 為了系統(tǒng)在以后的升級方便，應(yīng)盡量選取具有相同封裝的不同性能等級的處理器 ，并考慮系統(tǒng)未來可能會增加的功能。基于以上各種因素，本課題選擇三星公司的 S3C2440作為嵌入式微處理器。 武漢工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 （ 論文 ）說明書 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)。數(shù)字信號經(jīng)過壓縮以后由相機內(nèi)部的閃速存儲器或內(nèi)置硬盤卡保存，因而可以輕而易舉地把數(shù)據(jù)傳輸給計算機，從而可以借助與計算機中豐富的軟硬件資源，根據(jù)需要對圖像進(jìn)行處理。 CMOS 也是一種可記錄光線變化的半導(dǎo)體。在相同分辨率下， CMOS 的價格比 CCD 便宜的多，但是 CMOS器件產(chǎn)生的圖像質(zhì)量相比 CCD 來說要低一些 [20]。CMOS感應(yīng)器則作為低端產(chǎn)品應(yīng)用于一些攝像頭上。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，電壓消耗量因此要比 CCD 低的多。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。 GPRS 模塊的選型 目前無線通信品種較多，常見的無線模塊分成 GPRS, CDMA, GSM, EDGE 等模塊。目前國內(nèi)市場上常見的無線模塊品牌 主要有 :西門子、華為、摩托羅拉、飛圖、展迅、 Enfora、明基、 SIMCOM, Wave 等。 圖 22 Q2406 實物圖 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 ( 2W900MHz )，類別 1(1 W 1800/1900MHz )外部3V/SVSIM。 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。原型可以在標(biāo)準(zhǔn)平臺上開發(fā)然后移植到具體的硬件上，加快了軟件與硬件的開發(fā)過程。 (3)它是免費的，源代碼可以得到。毫無疑問，節(jié)省大量的開發(fā)費用。 (5)Linux 的高度模塊化使添加部件非常容易。武漢工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 （ 論文 ）說明書 11 本章小結(jié) 本章首先介紹了系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能，并詳細(xì)介紹了基于 ARM 的圖像采集與無線傳輸系統(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。系統(tǒng)的硬件框圖如圖 31 所示。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]。武漢工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 （ 論文 ）說明書 13 圖 33K9F1208UOM 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 K9F1208UOM 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)分為 10 個功能部件 : (1)XBuffers Latcheamp。Decoders:用于行地址。 （ 4） Control Logic amp。 (5)Nand Flash:存儲部件。 S/A:頁寄存器，當(dāng)讀、寫某頁時，會將數(shù)據(jù)先讀入 /寫入此寄存器，大小為 528 字節(jié)。 (8)I/O Buffersamp。 (9)Global Buffers 。 K9F1208UOM 的容量為 64M X 8bit，分為 131072 行 (頁 )、 528 列 。 K9F 1208UOM 的命令、地址、數(shù)據(jù)都通過 8個 I/O 口輸入 /輸出，這種形式使得 K9F1208UOM 引腳得到減少，并易于擴展系統(tǒng)容量。數(shù)據(jù)在 WE信號的上升沿被 NAND Flash 存 。 NAND Flash 時需要發(fā)送命令，然后發(fā)出地址序列，最后讀 /寫數(shù)據(jù) 。S3C2440的 NAND Flash控制器提供了 NFCONF, NFCONT, NFCMMD, NFADDR, NFDATA, NFSTA39。 NAND Flash 的讀寫操作順序如下 : (1)設(shè)置 NFCONF, NFCONT 寄存器，配置 NAND Flash。 (3)向 NFADDR 寄存器吸入地址。通過寄存器 NFSTAT檢測 NAND Flash的狀態(tài)，在啟動某個操作后，檢測 R/nB 信號以確定該 操作是否完成、是否成功。武漢工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 （ 論文 ）說明書 15 圖 3