基于ARM9的智能监测系统的设计.docx

基于ARM9的智能监测系统的设计.docx

《基于ARM9的智能监测系统的设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于ARM9的智能监测系统的设计.docx（19页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

基于ARM9的智能监测系统的设计

本科生毕业论文（设计）

基于ARM9的智能监测系统的设计

姓名：

******

指导教师：

******

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

DesignofIntelligentMonitoringSystemBasedonARM9

******

Director：

*******

（CollegeofInformationEngineering,HuangshanUniversity,Huangshan,China,245041）

Abstract：

Intelligentmonitoringsystemisthefieldofinformationtechnologyofapopularresearchdirection.Becauseofitsconvenientintelligentmonitoringabilityandgoodnetworkperformance,intheinformationfielditisextremelypopular,andhasawiderangeofapplicationsanddevelopment.

ItintroducestheembeddedremotemonitoringthedesignofhardwareandsoftwareofthesystembasedonARM9inthedesign.Intermsofhardwaredesign,byusingofembeddedchipsfornuclearARM9processorandcooperatewithacamera,andnetworkmonitorterminal,itconstitutethesystemofbasichardwareparts.Inthesoftwaredesign,theserveroperatingsystemarebasedontheLinuxoperatingsystemasthecorecomponentofembeddedsystemsoftwareplatform.Indesignofembeddedsystems,anditdescribedhardwarestructureandsoftwarebasicflowofdesignoftheintelligentmonitoringsystemonthebasisofARM9.

Withthesocialprogressoftechnologyandintelligentmonitoringineachfieldbeginningtodevelopmentfast,theintelligentmonitoringsystemofthenewmethod,thenewapplicationhasgraduallytheimportanttheoreticalsignificanceandpracticalvalue.

KeyWords:

Intelligentmonitoring;ARM;Embeddedsystem

1绪论

随着科学技术的不断发展，人们对嵌入式自动智能监测的需求越来越强，摆脱人工监测的束缚始终是大家关心的问题，当今嵌入式控制的研究越来越热，应用非常广泛，使人们的生活更加方便快捷，更具有市场发展前景。

1.1视频监测系统现状

视频监测系统发展了短短二十几年的时间，从最早的模拟监测到前些年的数字监测，再到现在方兴未艾的网络视频监测，发生了翻天覆地的变化。

从技术角度出发视频监测系统的发展划分为三代：

（1）传统的模拟信号视频监测

这类系统主要是以模拟设备为主的闭路电视监测系统，图像信息以模拟信号在视频电缆中传输，一般传输距离不能太远。

本地模拟信号监测系统主要由摄像机、视频矩阵、监视器、卡带式录像机（VCR）等组成，利用视频传输线将来自摄像机的视频连接到监视器上，利用视频矩阵主机，采用键盘进行切换和控制，录像采用使用磁带的长时间录像机。

这种方式传输距离有限，无法入网、监测方式单一以及存储信号耗费大量存储介质等缺点。

（2）基于PC的多媒体监测

20世纪90年代中期，基于PC的多媒体监测随着数字视频压缩编码技术的发展而产生，PC机的普及也推动了此类技术的发展。

系统在远端有若干个摄像机、各种视频采集设备，获取图像信息，经过视频压缩卡处理，通过通信网络将这些信息传到监测中心。

这类监测系统功能较强，便于现场操作，但稳定性不够好，结构复杂，视频前端较为复杂，可靠性不高，功耗高，费用高；需要有多人值守；同时，软件的开放性也不好，传输距离明显受限。

（3）基于嵌入式的网络视频监测

视频监测系统越来越多的应用于各个领域，对于视频监测系统的要求也是越来越高：

实时性好、可靠性高、操作简单、可以接入网络。

这样的数字化、网络化、低成本的视频监测系统的开发与设计正受到重视。

嵌入式网络视频监测系统与其它监测系统相比较，具有如下优点：

（1）嵌入式网络视频监测系统实际上是基于TCP/IP网络技术开发出来的，直接连入网络，即插即看，扩大了布控地域，而且增加设备只是IP地址的扩充，方便使用、节省成本。

（2）嵌入式视频监测系统采用嵌入式实时多任务操作系统，系统的实时性、稳定性、可靠性大大提高，也无需专人管理，非常适合于无人值守的环境。

（3）基于网络的特性可以使得监测更为灵活，随时随地得到现场的情况，通过联网可以使得摄像机具备了强大的功能，成为许多场合的监测手段。

由于网络的双向传输特性，还可以通过控制与摄像机相连的云台来实现摄像机的全方位监测，通过网络对现场进行控制，还可以通过适当的图形分析辨识方法，实现对监测现场异常情况的实时监测报普，以及对目标的追踪等[1]。

1.2课题研究意义

嵌入式是当今最为热门的概念之一，嵌入式系统是指以应用为核心，以计算机技术为基础，软硬件可剪裁，对功能、可靠性、成本、体积和功耗有严格要求的专用计算机系统。

其应用已经渗透到各个领域，无论是在工业控制、交通管理、信息家电、安防，还是个人手持设备，都有着非常广泛的应用。

而且，随着智能化、信息化和网络化发展，“后PC时代”己经来临，这预示着嵌入式系统技术将会获得更为广阔的发展空间。

视频监测是安全防范系统的重要组成部分，它是一种防范能力较强的综合系统。

视频监测以其直观、准确、及时和信息内容丰富而广泛应用于许多场合。

近年来，随着计算机网络以及图像处理、传输技术的飞速发展，视频监测技术也有了长足的进步。

正是由于数字视频监测具有传统模拟监测无法比拟的优点，而且符合当前信息社会中数字化、网络化和智能化的发展趋势，所以数字视频监测正在逐步取代模拟监测，广泛应用于各行各业[2]。

对于本课题的研究，即对结合了嵌入式、网络、图像处理和传输与数字视频技术于一体的嵌入式网络视频图像监测系统的研究，意义是明显的。

不但有助于解决传统监测系统的缺点，提高监测系统功能，而且更是有实际意义，例如国内城镇化与城市建设、安全事故频发地区，家居防盗和病人监测等，这些方面都需要有新一代的监测系统保证。

而且相对于其他IT业务，视频监测业务显得比较年轻正处于蓬勃发展期，仍有很大的发展空间，因此视频监测市场将会是一个很有发展潜力的市场。

1.3视频监测系统的发展方向

视频监测正从以前的模拟监测到现在的数字监测；从现场监测到远程监测；从有人值守监测到现在的无人值守监测，视频监测正朝着数字化、网络化、集成化的嵌入式视频监测方向蓬勃发展。

数字化是网络化的前提，网络化又是系统集成化的基础，所以，视频监测发展的最大两个特点就是数字化和网络化。

数字化是21世纪的特征，是以信息技术为核心的电子技术发展的必然。

系统的网络化在某种程度上打破了布控区域和设备扩展的地域和数量界限。

系统网络化将使整个网络系统硬件和软件资源的共享以及任务和负载的共享，这也是系统集成的一个重要概念[3]。

在嵌入式视频监测系统设计方面一般是考虑系统的整体结构和功能，例如小型网络摄像机，系统由图像传感器、嵌入式处理器、图像处理器、网络接口组成，通过压缩优化算法和背景差分算法可以使摄像机实现实时的图像压缩、传输，并能跟踪目标，该系统的主要特点是实时性的提高；在嵌入式操作系统方面，一

般集中于嵌入式操作系统在视频监测系统中的应用研究，例如在嵌入式Linux下对视频采集设备驱动程序的研究等；在对视频图像网络传输的研究中，例如，有在IP组播方式下的网络视频传输方案，可以大大的节约网络带宽，提高视频的播放效率或者采用流媒体的格式传送视频图像数据，可以更好的实现视频的传输及播放等[4]；在视频监测领域关于视频图像处理的研究一般是通过一定的图形分析算法，实现目标识别，目标跟踪，以及报警等功能。

例如利用背景差分算法在图像处理中，控制运动模块使摄像机可以跟踪信息库中的目标网等[5]。

现阶段，嵌入式网络视频监测系统的解决方案主要有以下几种：

（1）视频采集芯片+DSP处理器。

该方案中由视频采集芯片完成图像的预处理，由DSP完成图像的编码：

基于MPEG-4，H.263或MJPEG标准的压缩，经以太网网络传输。

方案的主要缺点是控制不够灵活，不适合作系统控制，因为DSP通常没有强大的操作系统。

（2）DSP处理器+嵌入式处理器。

该方案采用由DSP完成基于MPEG-4,H.263或MJPEG标准的图像压缩，在嵌入式处理器上运行嵌入式OS（如嵌入式LinuxOS）进行系统控制和网络传输。

方案的主要缺点是：

由于有两个主要的芯片，设计、调试、使用较难，系统成本偏高。

（3）图像采集芯片+嵌入式处理器。

该方案中，在嵌入式处理器上运行嵌入式OS（如嵌入式LinuxOS）进行系统控制和网络传输。

方案的主要缺点是:

缺乏强大的图像处理能力，很难满足高实时性要求。

（4）其他方案。

DSP中央处理器完成图像图像压缩编码、编码数据网络传输和本地存储，采用CPLD完成图像采集的控制逻辑的脱机远程视频监测方案[6]。

2监测系统整体方案设计

2.1监测系统整体方案选择

人们对嵌入式网络视频监测系统方案进行了多方面的研究，提出了各种不同解决方案，但是到目前为止，还没有一个比较完善的方案能解决所有的问题，需要用户根据实际需要构造满足自己要求的方案。

目前常见的方案优缺点如表2-1所示：

表2-1常见监测系统方案优缺点

方案

优点

缺点

视频采集芯片+DSP

运算速度快，图像处理能力强。

没有操作系统和网络协议栈，功能扩展比较难。

DSP+ARM

运算速度快，图像处理能力强，有完备的操作系统功能。

具有两块芯片，设计、调试、实现较难，系统成本偏高。

视频采集芯片+ARM

具有完整操作系统功能，拥有完备的网络协议栈和文件系统，功耗低，开发容易，成本较低。

缺少强大的运算能力，很难满足高实时性的场合。

根据上面的方案比较，对于网络视频监测系统来说，方案1由于没有强大的操作系统和网络协议栈，因此不太适合做网络视频监测系统；方案2是不错的选择，但是该方案采用了两个处理器，不但提高了成本，在设计、调试上更是带来困难，需要较长的开发周期；方案3主要问题是缺乏强大的图像处理能力，不能满足高实时性要求。

设计的系统主要用于局域网内的视频监测系统，因此采用的方案时只用ARM作为核心处理器的方案3[7]。

2.2监测系统硬件整体方案设计

智能监测系统硬件总体主要有嵌入式微处理器，Flash存储器，SDRAM，网卡，监控终端以及USB接口摄像头，其整体硬件方案图如图2-1所示：

图2-1智能监测系统总体图

2.3监测系统软件整体方案设计

智能监测系统的总体软件方案是在Linux操作系统之上的是应用程序模块组成，主要包括：

视频服务器管理模块，图像采集模块，编码模块，控制模块，网络传送模块，视频存储模块[8]。

如图2-2所示为嵌入式视频服务器整体软件模型图。

图2-2监测系统软件模型图

3监测系统的硬件设计

3.1嵌入式系统

3.1.1嵌入式系统定义

对于何为嵌入式系统，IEEE（国际电气和电子工程师协会）的定义是这样的：

用于控制、监测或者辅助于装置、机器和工厂车间运行操作的设施（Devicesusedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipment,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ROM/EPPROM,RAM,总线、定时/计数器、I/O,PWM,A/D,D/A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，代表产品有MCS-51/96/196系列。

（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ARM/StrongARM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TMS320C2000/C6000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Thumb/ARM双指令集，能很好的兼容8/16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16/32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