完整版基于ARM9的智能监测系统的设计毕业设计40设计41.docx
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完整版基于ARM9的智能监测系统的设计毕业设计40设计41
本科生毕业论文（设计）
基于ARM9的智能监测系统的设计
院系：
信息工程学院
专业：
电子信息工程
提交日期：
2012年4月20日
目录
中文摘要2
英文摘要3
1．绪论4
1.1视频监测系统现状4
1.2课题研究意义5
1.3视频监测系统的发展方向5
2．监测系统整体方案设计7
2.1测系统整体方案选择7
2.2监测系统硬件整体方案设计7
2.3监测系统软件整体方案设计8
3．监测系统的硬件设计9
3.1嵌入式系统9
3.1.1嵌入式系统定义9
3.1.2嵌入式系统特点9
3.1.3嵌入式系统的组成10
3.2系统主要硬件介绍12
3.2.1嵌入式处理器12
3.2.2摄像头13
3.2.3存储硬盘接口14
3.2.4SDRAM15
3.2.5其他硬件15
4．监测系统的软件设计17
4.1软件开发平台及开发工具17
4.2构建嵌入式系统软件平台18
4.3视频服务器的启动19
4.4网络视频监测流程20
5．结论21
参考文献22
致谢23
附录24
基于ARM9的智能监测系统的设计
*******
指导老师：
******
（黄山学院信息工程学院，黄山，安徽，245041）
摘要：
智能监测系统是当今信息技术领域的一个热门研究方向。
因其方便的智能监控能力和良好的网络性能，在信息领域中倍受青睐，得到了广泛的应用与发展。
设计中介绍了基于ARM9的嵌入式远程监测系统的软、硬件设计。
硬件设计方面，通过采用ARM9芯片为嵌入式核心微处理器以及配合摄像头，网络监控终端来组成系统的基本硬件部分。
在软件设计方面，服务器端操作系统主要是以Linux操作系统为核心组成系统的嵌入式软件平台。
设计中在嵌入式系统的基础上，描述了基于ARM9的智能监测系统的硬件结构与软件流程的基本设计。
随着社会科技的进步，智能监测在各领域开始快速的发展，研究智能监测系统的新方法、新应用逐渐具有着重要的理论意义和实用价值。
关键词：
智能监测；ARM；嵌入式
DesignofInligentMonitoringSystemBasedonARM9
******
Director：
*******
（CollegeofInformationEngineering,HuangshanUniversity,Huangshan,China,245041）
Abstract：
Inligentmonitoringsystemisthefieldofinformationtechnologyofapopularresearchdirection.Becauseofitsconvenientinligentmonitoringabilityandgoodnetworkperformance,intheinformationfielditisextremelypopular,andofARM9inthedesign.Intermsof,byusingofembeddedchipsfornuclearARM9processorandcooperatewithacamera,andnetworkmonitorterminal,itconstitutethesystemofbasicthesoftwaredesign,theserveroperatingsystemarebasedontheLinuxoperatingsystemasthecorecomponentofembeddedsystemsoftwareplatform.Indesignofembeddedsystems,anditdescribedoftheinligentmonitoringsystemonthebasisofARM9.
Withthesocialprogressoftechnologyandinligentmonitoringineachfieldbeginningtodevelopmentfast,theinligentmonitoringsystemofthenewmethod,thenewapplicationofequipment,machineryorplants）。
这是从应用上加以定义的，而目前国内普遍被认同的定义是：
以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁减适合应用系统对功能、可靠性、成本、体积、以及功耗等严格要求的专用计算机系统。
它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。
对于这个定义，可以从如下几个方面来解读：
（1）嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的（特别是面向行业的应用），必须与具体的行业应用背景相结合，必须具有很强的专用性，而且必须可以根据实际需要合理裁减、利用。
（2）嵌入式系统是将先进的计算机技术、微电子技术以及各个行业的具体应用相结合的产物。
（3）嵌入式系统要求对软硬件可以裁减，以适合各种需求。
特别是对于软件系统，其核心是往往是一个几KB到几十KB的微内核，可以对其进行功能扩展和裁减。
其实，嵌入式系统是一个外延极其广泛的名词，但凡与产品相结合的，具有嵌入式特点的系统都可以看作嵌入式系统，如一个手持MP3，一个微型工业控制计算机都可以称作嵌入式系统。
现在讲的嵌入式系统主要指近年来比较热的具有操作系统的嵌入式系统，设计中也将沿用这一观点[9]。
3.1.2嵌入式系统特点
嵌入式系统和一般的PC机上的应用系统不同，它有自己的特点：
（1）嵌入式系统通常是面向特定应用的。
嵌入式CPU与通用型的最大不同就是嵌入式CPU大多工作在为特定用户设计的系统中，它通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点，能够把在通用型计算机系统中许多由板卡完成的功能集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强。
（2）嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合后的产物。
这一点就决定了它必然是一个技术密集、不断创新的知识密集型系统。
（3）嵌入式系统的硬、软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，针对具体需求，对系统进行合理配置，达到理想性能。
（4）为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片中，而不是存贮于磁盘等载体中。
由于大部分嵌入式系统必须具有较高的实时性，因此对程序的质量，特别是可靠性，有着较高的要求。
（5）嵌入式系统本身并不具备在其上进行开发的能力，都是通过交叉编译开发完成的，即采用宿主机和目标机的开发模式，在PC上开发完，编译成功后下载到目标机运行的模式[10]。
3.1.3嵌入式系统的组成
一般而言，一个完整的嵌入式系统由四部分组成:
嵌入式微处理器、嵌入式外围设备、嵌入式操作系统和嵌入式应用软件。
系统结构如图3-1所示。
嵌入式外围设备主要包括以太网RJ-45接口，串行口，USB接口，SD卡存储接口，摄像头接口，电源接口等等。
嵌入式应用软件种类繁多，不甚枚举，下面介绍常见的嵌入式微处理器和嵌入式操作系统[11]。
图3-1嵌入式系统结构图
1.常见嵌入式处理器
（1）嵌入式微控制器（MCU）：
其典型代表是单片机：
将ROMEPPROM,RAM,总线、定时计数器、IO,PWM,AD,DA等必要的功能和外设集成于芯片内部，实现单片化，体积大大减小，功耗、成本大为降低，可靠性也有很大提高，代表产
（2）嵌入式微处理器（MPU）：
由通用计算机CPU演变而来，其主要特征是具有32位或64位，而其性能可堪比PC机CPU，具有功耗低、体积小、可靠性高等优点，其主要类型有ARMStrongARM系列、PowerPC,MIPS系列。
（3）嵌入式DSP处理器（DSP）：
一种类似于微处理器的的设备，DSP常常支持复杂指令集去非常快地完成通用的信号处理计算，其代表产品TI的TMS320C2000C6000等。
（4）嵌入式片上系统（SOC）：
其最大的特点是实现了软硬件的无缝结合，直接在处理器内嵌入操作系统的代码，整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯片中去，应用系统电路板将变得很简洁，对于减小体积和功耗、提高可靠性非常有利。
其性能优于以传统工艺设计的应用系统。
2.常见嵌入式操作系统
（1）WindowsCE
WinCE是由微软公司推出的，为有限资源平台设计的多任务、多优先级、有完整优先权的实时嵌入式操作系统，现己发展到WinMobile。
其最大特点是应用开发简单、界面优美。
该操作系统的基本内核需要至少200KB内存空间。
它的最大缺点是实时性不好，只能用于对实时性要求不高的场合，并且需要一定的版权费。
（2）Vxworks
Vxworks是目前嵌入式系统领域中使用最广泛、市场占有率最高的系统。
它支持多种处理器，如x86,ARM,MIPS,PowerPC等。
Vxworks被广泛应用于通信、军事、航空航天等高精尖技术领域以及实时性要求极高的领域中，具有高性能的内核和友好的用户开发环境，开发便利。
（3）pSOS
现在pSOS属于WindRiver公司的产品。
这个系统是一个模块化、高性能的实时操作系统，专为嵌入式微处理器设计，提供一个完全多任务环境，在定制的或是商业化的硬件上可达到高性能和高可靠性。
（4）Linux
经过几年的发展，Linux技术和产品日趋成熟，有越来越多的公司了解了Linux的优点而选用Linux作为主要的平台。
Linux以其独特的特性，在数字视频监测领域己经有了一段时间的应用，其可针对不同硬件设备与数字影像监测应用需求而量身订制，可有效减少对硬件资源的需求;为了有效降低数字视频监测、安全管理系统的整体运作成本，LinuxOS应是最适当的选择。
采用Linux进行嵌入式系统开发具有以下优点：
源代码开放，软件资源丰富；成本低，优秀的开发工具；广泛的硬件支持，良好的可移植性；强大的网络支持功能；系统安全可靠[12]。
3.2系统主要硬件介绍
3.2.1嵌入式处理器
设计中选择ARM作为系统核心处理器，ARM架构是第一款RSIC微处理器，是一种可扩展、可移植、可集成的处理器。
其代表处理器ARM9实物图如图3-2所示。
采用RSIC架构的ARM微处理器一般有如表3-1所示的特点[13]：
表3-1ARMCPU特点
序号
特点
1
体积小，低功耗，低成本、高性能
2
支持ThumbARM双指令集，能很好的兼容816位操作
3
大量使用寄存器，大多数数据操作都在寄存器中完成，指令执行速度更快
4
寻址方式灵活简单，执行效率高
5
指令长度更长
基于以上的一些优点，随着更多应用在嵌入式系统中的实现，作为32位结构体系中的翘楚，ARM在各种应用领域里得了极其广泛的应用。
目前在市场上常用的ARM处理器有ARM7系列、ARMS系列。
但ARM9代表了ARM公司主流的处理器，得到了更多的应用。
ARM9相对于ARM7来说有了更多的优点，主要表现在如下：
（1）ARM9主频更高。
ARM9采用5级流水线而ARM7为3级流水线。
每一级流水都对应CPU的一个时钟周期，如果一级流水中的逻辑过于复杂，使得执行时间居高不下，必然导致所需的时钟周期变长，造成CPU的主频不能提升。
所以流水线的拉长，有利于CPU主频的提高。
在常用的芯片生产工艺下，ARM7一般运行在100MHz左右，而ARM9则至少在200MHz以上。
（2）ARM9带有MMU,CACHE等。
MMU则是用来支持存储器管理的硬件单元，满足现代平台操作系统内存管理的需要，它主要包括两个功能：
一是支持虚拟物理地址映射，二是提供不同存储器地址空间的保护机制。
Cache以及MMU等硬件单元的引入，给系统程序员的编程模型带来了许多全新的变化。
例如，系统实时性和系统软件优化上的考虑。
（3）性能和效率的提升。
由于ARM9内核采用的是哈佛架构，拥有独立的指令和数据总线，而ARM7为传统的冯诺依曼结构；ARM9的5级流水线设计把存储器访问和寄存器写回放在不同的流水上面。
运行同一段程序，ARM9的处理器可以比ARM7节省大约30%左右的时钟周期。
通过上面比较，结合项目需要，为了实现监测系统功能，需要在嵌入式平台实现视频采集、编码、网络传输等，因此在监测系统中采用ARM9作为微处理器，而三星的ARM产品价格便宜，性能稳定，开发资料丰富等优势，因此选用的是三星的ARM9S3C2440X作为微处理器。
S3C2440是三星公司针对工业级和民用级等多种应用场合设计的一款性价比比较高的32位RISC嵌入式微处理器，它是1632位RISC嵌入式微处理器，它采用了ARM920T核、5级流水线，内部带有全性能的MMU（能支持WinCE,嵌入式Linux等多种嵌入式OS），运行速度高达203MHz，支持USB1.1的USB接口，而且拥有丰富的其他接口以备方便扩展功能[14]。
代表产品S3C2440的芯片引脚图如图3-2所示。
图3-2S3C2440的芯片引脚图
3.2.2摄像头
当前摄像头主要可以分为两大类：
CCD类和CMOS类，两种传感器都可以将光转化为电荷，进而处理成电信号,但两种传感器各有特点。
CCD（ChargeCoupledDevice），即“电荷祸合器件”，CMOS（ComplementaryMetalOxideSemiconductor）即“互补金属氧化物半导体”。
CCD电荷祸合器制作技术起步早，技术成熟，成像质量相对CMOS光电传感器有一定优势。
由于CMOS光电传感器集成度高，各光电传感元件、电路之间距离很近，相互之间的光、电、磁干扰较严重，噪声对图像质量影响很大，使CMOS光电传感器很长一段时间无法进入实用。
近年，随着CMOS电路消噪技术的不断发展，为生产高密度优质的CMOS图像传感器提供了良好的条件，产品质量明显有了很大的提高，能够满足绝大部分的场合的用途，在传真机、扫描仪、数字摄像机、安全侦测系统等方面得到广泛应用。
本着够用、成本预算以及在集成方面的考虑，USB接口的CMOS摄像头有着良好的性能、低廉的价格、灵活方便易于集成到嵌入式系统的特性，系统中使用这种芯片的特点是内含数字摄像IC接口，DRAM接口、实时图像压缩引擎、USB接口、FIFO等功能，这款芯片的压缩比大于5:
1，经过DSP处理后出来的是JPEG格式的图像；这款摄像头采用的是新一代的CMOS感光芯片，并采用影像光源自动增益补强技术，自动亮度、白平衡控制技术，对比度、边缘增强以及伽马矫正等先进的影像控制的开发技术，色彩表现力极佳，分辨率高达130万像素，动态视频分辨率最高为640*480像素，输出帧速度最高为30帧s，输出的图像为数字格式不用转换了，完全可以满足后面系统图像识别报警处理以及实时监测的需要，而且采用该芯片的摄像头在国内市场占有比例超过70%，方便购买和以后维护使用[15]。
3.2.3存储硬盘接口
硬盘接口是硬盘与主机系统间的连接部件，作用是在硬盘缓存和主机内存之间传输数据。
不同的硬盘接口决定着硬盘与计算机之间的连接速度，在整个系统中，硬盘接口的优劣直接影响着程序运行快慢和系统性能好坏。
从整体的角度上，硬盘接口分为SCSI,USB,IDE,SATA和光纤通道五种。
USB接口硬盘价格低廉，连接简单快捷，兼容性强，具有很好的扩展性，多用于家用产品中；IDE接口硬盘多也多用于家用产品中，价格低廉、兼容性非常好，但是IDE接口只能内置使用，在嵌入式系统集成不太方便；SCSI接口的硬盘则主要应用于服务器市场，价格昂贵；光纤通道只在高端服务器上，价格昂贵；SATA是种新生的硬盘接口类型，而且不是很普及，在其他系统中不容易集成。
系统需要用硬盘来存储经过MJPEG编码的视频信号，于是制定其存储方案的首要问题是要选择一种能够达到系统数据传输速度要求、性能价格比较好的硬盘接口。
根据上面硬盘接口分析比较可知USB接口具有灵活性强、支持热插拔等许多优点，而且传输速度也能满足要求，而其他的接口硬盘要么不够方便要么不容易集成或者价格太贵等原因没有在考虑之列，所以在综合考虑了成本和性能的基础上，决定采用现在性能较好的、价格便宜的USB硬盘作为外存储器。
3.2.4SDRAM
SDRAM是SynchronousDynamicRandomAccessMemory（同步动态随机存储器）的简称，SDRAM采用3.3v工作电压，带宽64位，SDRAM将CPU与RAM通过一个相同的时钟锁在一起，使RAM和CPU能够共享一个时钟周期，以相同的速度同步工作，与EDO内存相比速度能提高50％。
SDRAM基于双存储体结构，内含两个交错的存储阵列，当CPU从一个存储体或阵列访问数据时，另一个就已为读写数据做好了准备，通过这两个存储阵列的紧密切换，读取效率就能得到成倍的提高。
SDRAM不仅可用作主存，在显示卡上的显存方面也有广泛应用。
其实物图如图3-3所示。
图3-3SDRAM引脚图
3.2.5其他硬件
（1）flash存储器
FLASH闪存闪存的英文名称是"FlashMemory"，一般简称为"Flash"，它属于内存器件的一种，是一种不挥发性（Non-Volatile）内存。
闪存的物理特性与常见的内存有根本性的差异：
目前各类DDR、SDRAM或者RDRAM都属于挥发性内存，只要停止电流供应内存中的数据便无法保持，因此每次电脑开机都需要把数据重新载入内存；闪存在没有电流供应的条件下也能够长久地保持数据，其存储特性相当于硬盘，这项特性正是闪存得以成为各类便携型数字设备的存储介质的基础。
（2）监控终端
一般为个人PC或者是移动设备，通过联网来获取监测视频和信息。
（3）网络交换机
网络交换机（又称“网络交换器”），是一个扩大网络的器材，能为子网络中提供更多的连接端口，以便连接更多的计算机。
它具有性能价格比高、高度灵活、相对简单、易于实现等特点。
所以，以太网技术已成为当今最重要的一种局域网组网技术，网络交换机也就成为了最普及的交换机。
其实物图如图3-4所示。
图3-4网络交换机实物图
4监测系统的软件设计
4.1软件开发平台及开发工具
对整个网络视频监测系统来说，软件设计工作是最耗时也是最主要的，在它直接关系产品质量的好坏以及用户对产品印象的好坏。
它要完成功能多而复杂，面对比较庞大的软件工程，采用正确而且有效的软件设计方法，对整个软件结构规划是系统成功实现的关键。
对监测系统的软件开发来说选择一种友好的图形用户界面，且操作简单、稳定、可靠、安全性较高的操作系统是所有软件设计中最重要的一项。
从20世纪80年代起，国际上就开始进行一些嵌入式操作系统的研究和开发。
到现在己呈百花齐放的局面，各种嵌入式操作系统都有其自身的特点及应用领域[13]。
目前常用的嵌入式os有：
嵌入式Linux以及专用的WindowsCE,VXworks等，他们常用的优缺点如表4-1所示：
表4-1Linux与专用嵌入式操作系统之比较
专用嵌入式操作系统
嵌入式Linux操作系统
版权费
每件产品都需要费用
完全免费
软件移植
系统为封闭系统，非常难
代码开放、容易，资源丰富
实时性
强
差，有待改进
稳定性
好
好
网络功能
需要一定费用
免费，很强
开发难度
相对较容易调试
较难，不易调试
内核
内核较大，不容易裁剪
内核小，效率高，容易裁剪
技术支持
只能依赖于销售商
整个Linux和Unix社区
就操作系统本身来讲没有绝对的谁优谁劣，在选择某一个操作系统作为开发平台时，主要考虑以下几个因素：
对处理器的支持以及移植性、企业的经济能力、软件资源丰富程度、操作系统的功能、操作系统执行性能和可靠性以及开发人员的技术背景等，因此经过比较选择LinuxOS作为软件开发平台。
虽然Linux的最初设计并不是针对嵌入式系统，因此其在实时性方面表现得不够优越。
但其内核稳定、资源丰富、功能强大、工具完备、完全免费的特性，足以弥补其在实时性上的不足。
设计的系统对实时性上并无太高的要求，因此完全可以使用嵌入式Linux作为开发平台，也完全能满足项目开发需求。
通常在嵌入式系统中选择C作为开发语言。
4.2构建嵌入式系统软件平台
嵌入式系统软件平台的构建主要工作有：
（1）嵌入式操作系统内核的裁剪与移植；
（2）BOOTLOADER的移植；
（3）驱动的安装。
在文件系统上，首先采用针对嵌人式系统设计的YAFFS2文件系统;根文件系统选择了CRAMFS文件系统；简单地说，BOOTLOADER就是在操作系统内核运行前运行地一段小程序。
通过这段小程序可以初始化必要的硬件设备，创建内核需要的一些信息并将这些信息通过相关机制传递给内核，从而将系统的软硬件环境带到一个合适的状态，最终调用操作系统内核，起到引导和加载内核的作用。
系统中BOOTLOADER选用的是韩国MIZI公司的VIVI。
设备驱动在系统中的重要地位是无需多件说明的，计算机最基本的三个物质就是CPU、内存以及输入输出设备。
严格的说，没有输入输出操作，计算机本身也就失去了意义。
来源于Unix的Linux，和Unix一样，将所有的设备看作具体的文件，通过文件系统层对设备进行访问。
这就意味着：
（1）每一项设备都至少由文件系统中的一个代表，因而都有一个“文件名”。
每个这样的“设备文件”都唯一的确定了系统中的一项设备。
应用程序通过设备的文件名访问具体的设备，而设备则像普通文件一样受到文件系统访问权限控制机制的保护。
（2）应用程序通常可以通过系统调用open“打开”设备文件，建立起与目标设备的连接。
代表着该设备的文件节点中记载着建立这种连接所需的信息。
对于执行该应用程序的进程而言，建立起的连接就表现为一个己打开的文件。
（3）打开了代表着目标设备的文件，即建立起与设备的连接以后，就可以通过read,write（）,ioctl（）等常规的文件操作对目标设备进行操作。
从应用程序的角度看，设备文件逻辑上的空间是个线性空间。
从这个逻辑空间到具体设备的物理空间的映射则由内核提供，并划分成文件操作与设备驱动两个层次。
在视频监测系统设计的主要有USB摄像头和硬盘等外围设备；在驱动移植方面主要移植USB接口、网卡以及摄像头的驱动。
在Linux下，设备驱动程序可以看成Linux内核与外部设备之间的接口。
设备驱动程序向应用程序屏蔽了硬件实现了的细节，使得应用程序可以像操作普通文件一样来操作外部设备，可以使用和操作文件中相同的、标准的系统调用接口函数来完成对硬件设备的打开、关闭、读写和IO控制操作，而驱动程序的主要任务也就是要实现这些系统调用函数。
系统平台使用的嵌入式Arm-Linux系统在内核主要功能上与LinuxOS没本质区别，驱动程序要实现的任务也一样，只是编译时使用的编译器、部分头文件和库文件等需要涉及到具体处理器体系结构。
在Linux下，对驱动程序的编译添加通常有两种方式：
（1）静
升级会员 