ARM下的红外传感系统设计.docx

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ARM下的红外传感系统设计

ARM下的红外传感系统设计

林上玉

（东海科学技术学院机电工程系，浙江舟山316000）

摘要

很早以前人们就已经开始研究红外传感系统。

一开始，红外传感以其巨大的优势普遍被使用在军事上。

随着红外技术的不断发展，使得红外传感在工业、生活中慢慢的被广泛的使用。

ARM微处理器也以其巨大的优势已经在嵌入式领域得到广泛的使用，并且发展也是越来越迅速。

红外传感与ARM相结合的应用也逐步被人们所重视。

本文主要介绍基于ARM下的红外传感系统的设计。

首先，介绍了ARM微处理器和红外传感相关的知识，其中包括ARM的结构和红外传感系统的工作原理等；其次，介绍了嵌入式实验系统Linux环境的搭建，详细介绍测试环境搭建的操作过程；之后，介绍了红外传感系统应用程序的编写，对一些主要的程序进行说明；最后，介绍了红外传感系统在实验系统上的实现，并说明设计的最后结果。

该设计中最重要的是实践操作。

设计中通过在虚拟Linux系统上对应用程序进行编写和编译，然后在QVFB上显示出要求的界面，最后在实验系统上运行编译好的应用程序，得到预期的设计效果。

主要的操作有应用程序的编写，Linux系统环境的搭建，交叉环境的搭建，应用程序的测试和烧写。

最后把所完成的包含红外传感系统软件的系统文件烧写到实验系统下，并且执行红外传感系统软件，就会在实验系统的LCD显示器上显示出红外传感系统的界面。

安装上红外传感模块后就可以实现红外检测功能，LCD显示器就会根据红外模块上的红外对管之间有无障碍物显示不同的结果。

[关键词]：

ARM；Linux；红外传感；嵌入式

BasedontheARMinfraredsensorsystemdesign

Abstract

Longtimeagopeoplehadalreadystartedtostudyinfraredsensorsystem.Thebeginning,itsgreatadvantageinfraredsensorarewidelyusedinthemilitary.Withthecontinuousdevelopmentofinfraredtechnology,Makesinfraredsensinginindustrialandlifeslowlyiswidelyusedto.ThegreatadvantageofitsARMmicroprocessorembeddedinthefieldhasbeenwidelyusedanddevelopmentisalsoincreasingrapidly.InfraredsensorcombinedwithARMapplicationsaregraduallybeingvaluedbythepeople.

ThispaperintroducesBasedontheARMinfraredsensorsystemdesign.First,introducedoftheARMmicroprocessorandinfraredsensor-relatedknowledge,includingARM'sstructureandinfraredsensorsystemworks,etc.;Then,introducedofhowtosetupexperimentalsystemsoftheembeddedLinuxenvironment,detailsoftestenvironmentsetuptheoperation;After,introductionoftheinfraredsensorsystemapplicationswrittenandproceduresforsomemajorshows;Finally,theinfraredsensorsystemtoachievetheexperimentalsystems,anddescribethedesignofthefinalresults.

Themostimportantispracticaloperationinthisdesign.inthedesignoftowriteandcompiletheapplicationthroughthevirtualLinuxsystem,thenshowtheexpectedinterfaceintheQVFB,andfinallyrunthecompiledofapplicationsintheexperimentalsystemandgetthedesiredresults.Themainoperationsarethepreparationofapplications,Linuxsystemenvironmentstructures,cross-buildenvironment,theapplicationofthetestandtheprogramming.

Finallythecompletedsystemsoftwarecontainstheinfraredsensorsystemfilesprogrammedtotestsystems,andimplementationoftheinfraredsensorsystemsoftware,theLCDwilldisplayintheexperimentalsystemshowtheinfraredsensorsysteminterface.Installedinfraredsensormodulecanbeachievedaftertheinfrareddetection,LCDdisplaymodulewillbebasedontheIRinfraredcontrolwhetherthebarrierbetweentheshowdifferentresults.

[Keywords]：

ARM；Linux；Infraredsensor；Embedded

ARM下的红外传感系统设计

前言

现在，对于红外传感系统的研究非常之多，在红外传感系统中，主要分成主动式红外传感和被动式红外传感。

红外技术在很早以前就已经开始研究，如今这方面的技术已经逐步成熟，并且被广泛的应用到军事、工业和生活方面，也逐渐的被人们所认识和熟悉。

红外传感系统在商业、军事、航空航天、网络通信应用、电子产品、工业控制领域、信息处理和安全产品都有广泛的涉及。

红外传感系统设计是利用红外传感模块上的红外对管的红外对射。

红外发射器发射红外线到红外接收器，红外接收器接收由红外发射器发送过来的红外线，并且实时监测红外对管之间的红外线发射状态，把监测状态发送给微处理器模块进行处理，最后在屏幕上显示相应的监测结果。

如图1可以看出其主要使用的模块有红外对管、红外传感模块、微处理器模块和屏幕显示模块。

该设计主要是对红外传感的软件方面进行设计，编写一个红外系统应用程序软件，并且在已有的硬件设备下进行测试，实现预期的结果。

图1红外传感系统模块

在这次的设计中使用的EL-ARM-830实验系统，其采用的ARM920T核的32位微处理器。

实验系统上的各部分都是以模块化形式连接的。

所使用的红外传感模块通过实验系统的插槽和导线与其他的模块相连。

把编译好的含有相关应用程序软件的系统文件烧写到实验系统里，启动实验系统并且运行应用程序，就可以在实验系统的屏幕上显示出相应的界面。

开始测试后，红外传感模块上的红外对管不断监测它们之间的状态，然后把数据发送给处理器模块进行处理，最后在屏幕上显示出相应的状态结果。

当有障碍物出现在红外对管之间，屏幕上会显示“发现障碍物！

”，没有障碍物出现在红外对管之间，屏幕上会显示“一切正常！

”。

第1章ARM微处理器的介绍

ARM是一个大家族，所涉及的领域非常之广。

介绍ARM微处理的相关内容有利于去理解在设计过程的遇到的一些内容。

1.1嵌入式系统

1.1.1嵌入式系统的概述

根据英国国际电机工程师协会的定义，嵌入式系统是“控制、监视或者辅助装置、机器和设备运行的装置”。

还有一些定义是：

嵌入式系统是指以应用为核心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，对功能、可靠性、成本、体积和功耗严格要求的专用计算机系统。

嵌入式系统是面向用户和应用的，并且将许多先进的计算机、电子等技术相结合，与具体的应用相结合的系统。

其核心技术是数字技术和软件技术，其中数字技术包括数字信号处理技术和数字芯片技术，软件技术包括芯片和操作系统的程序设计技术。

嵌入式系统具有以下这些特性：

执行特定的功能；以微处理器与外围设备构成核心；具有严格的时序和稳定性；全自动操作。

因此嵌入式系统是计算机软件与硬件的结合，其目的在于满足某种特殊功能，并应用在具体的系统中。

现在所使用的嵌入式系统一般都是由硬件和软件两部分组成，硬件部分可分为嵌入式微处理器和外围设备两部分，软件部分可分为嵌入式操作系统和应用软件两部分。

1.1.2嵌入式系统的特点

嵌入式系统具有很多的特点，并且在不断发展的过程中某些方面有更大的提高和加强。

其相应的特点有：

1）嵌入式系统通常是面向特定应用的；2）嵌入式系统的硬件和软件的设计都是以高效率为标准，去除冗余，力争在同样的面积上实现更高的性能，满足高性能、高可靠性和低消耗的要求；3）具有实时系统的支持；4）嵌入式系统要与具体的应用有机地结合在一起；5）为了提高嵌入式系统执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固定在存储器芯片当中；6）嵌入式系统是软硬件一体化，集计算机技术和微电子技术；7）需要操作系统支持，代码小，执行速度快；8）专用紧凑，用途固定；9）成本敏感，可靠性要求高；10）多样性，应用广泛，种类多等特点。

1.1.3嵌入式系统与ARM的关系

嵌入式系统从狭义上讲，嵌入式系统硬件往往是以ARM芯片为核心的硬件平台，嵌入式系统软件是基于芯片开发的汇编或C语言的实时性软件或应用程序。

ARM除了核心外，通常还具有丰富的外设接口，如LCD控制器、串口、USB接口等，而且ARM芯片还具有低功耗、体积小等特性。

ARM芯片的高性能、多接口等特点使得其比单片机和DSP更适合作为嵌入式系统的核心处理器，所以，ARM系统几乎成为了嵌入式系统的代表。

1.2ARM微处理器

1.2.1ARM微处理器概述

ARM全称为AdvancedRISCMachine（高级精简指令集机器），它是ARM公司设计的32位总线的高性能微处理器。

ARM微处理器是一种RISC架构下嵌入式系统的核心结构，其内核的最大优势在于高速度、低功耗。

RISC的英文全称是ReducedInstructionSetComputer，即“精简指令集计算机”，是一种执行较少类型计算机指令的微处理器。

其指令系统比较简单，只要求执行较少且功能简单的部分指令，复杂的功能可以用简单指令合成一段子程序来完成。

RISC是通过简化计算机指令系统和指令格式使指令执行周期减少，并且使用大量的通用寄存器来提高程序的执行速度。

在嵌入式系统设计领域，RISC已经成为微处理器结构设计的必然选择。

ARM的不断发展，以及先进的体系结构，使其在嵌入式领域拥有更大的优势。

如今ARM的32位体系结构已经是世界上公认的领先的32位嵌入式RISC微处理器核。

ARM微处理器共有7种运行模式。

其中有用户模式（usr，普通程序执行的模式）；快速中断模式（fiq，用于高速度数据传输和通道处理的快速中断响应）；中断模式（irq，外部通用目的的中断处理）；管理模式（svc，运行操作系统时的保护模式）；中止模式（abt，实现虚拟存储和存储保护）；未定义指令模式（und，支持硬件协处理的软件仿真）；系统模式（sys，运行特权级的操作系统任务）。

其中除了用户模式之外其它6种工作模式称为特权模式，特权模式可以访问所有的系统资源，也可以任意进行工作模式的切换。

1.2.2ARM微处理器的应用领域

ARM微处理器及技术的应用已经深入到了各个领域，其在数据密集型应用（如视频和图像处理等）和控制密集型应用（如工业控制等）方面都有广泛的应用。

主要深入的领域有工业应用领域、无线通讯领域、网络应用领域、电子成像和安全产品等。

1、工业应用领域：

基于32位RISC架构的ARM微处理器为核心的微控制器芯片在高端微控制器应用领域有着重要的地位，同时也不断向低端微控制器应用领域扩展。

ARM微控制器的低功耗、高性价比等特点，比传统的8位/16位微控制器具有更大竞争力，并有逐步取代传统微控制器的可能。

2、无线通讯领域：

无线通讯在人们的日常生活中已经非常普遍，也已成为人们生活中必须的一种通信方式。

从其诞生开始就迅速的发展了起来，目前大部分的无线通讯设备都采用了ARM技术。

ARM微处理器以其高性能和低成本的特点，在无线通讯领域的地位不断提高。

3、网络应用领域：

随着宽带不断普遍，宽带技术不断的推广，其相关的一些技术需要更高的要求，所以使用ARM技术的ADSL芯片也逐步显示了其强大的优势。

4、电子成像和安全产品：

对于电子产品来说，在目前流行的数字音频播放器、数码相机、打印机和游戏机中也广泛采用了ARM技术。

并且ARM技术在视频和图像处理上进行了优化，也获得广泛支持。

手机的32位SIM智能卡也采用了ARM技术，而且其他一些安全性的设施也采用了ARM技术。

1.3S3C2410的介绍

S3C2410是16/32位RISC处理器，主要面向高性能价比、低功耗应用。

片内集成了丰富的系统外设，减少了为系统配置额外接口器件的需要，大大降低了系统的成本。

S3C2410片上集成的外设功能如表1.1所示。

表1.1S3C2410片上集成的外设功能

序号

功能

1

1.8V/2.0V内核电压，3.3V存储器电压，3.3V外部I/O接口电压；

2

集成16KB指令高速缓存（ICache）和数据高速缓存（DCache）；

3

内嵌用于虚拟存储器管理的MMU；

4

外部存储器控制器（SDRAM控制和片选逻辑）；

5

LCD控制器（支持4K色STN和256色TFT），带有1通道LCD专用DMA；

6

具有外部请求引脚的4通道DMA；

7

3通道UART（IrDA1.0,16字节TxFIFO和16字节RxFIFO）和2通道SPI；

8

1通道多主机I2C总线和1通道I2S总线控制器；

9

支持SD主接口版本1.0，兼容MMC协议；

10

2个USB主机接口和1个USB设备接口；

11

4个PWM定时器和1个内部定时器；

12

具有看门狗定时器；

13

117个通用目的I/O口和24个外部中断源；

14

8通道10位ADC和触摸屏接口；

15

具有日历功能的RTC；

16

带PLL的片内时钟发生器；

17

电源控制模式有正常、低速、空闲和掉电4种模式。

第2章红外传感系统的介绍

2.1红外线的概述

2.1.1红外线

在光谱中有人们能看到的可见光（波长范围在0.38-0.75um之间），还有人们看不见的的紫外光（比紫光波长0.38um还短）和的红外光（比红光波长0.75um还长）。

红外线就是一种不可见光，是光谱的一部分，是一种电磁波。

由图2.1所示的电磁波光谱中可以得知红外线的波长范围大概在0.75um-1000um之间。

其中红外线又可分为3个部分，分别是近红外线（波长为0.75um-1.5um之间）、中红外线（波长为1.5um-6um之间）、远红外线（波长为6um-1000um之间）。

图2.1电磁波光谱

红外技术是最近几十年中发展比较快的一门技术，并且已经被人们所熟知。

它已经在科技、工业生产、农业生产、国防、日常生活等方面都得到了广泛的应用，例如红外线通信、红外遥控、红外加热等。

这种技术已经走进了人们的生活，并且与人们的生活密切联系。

2.1.2红外线的特性

红外线具有良好的特性，它在通过云雾等充满悬浮粒子的物体时不易发生散射、有较强的穿透和抗干扰能力，并且它具有成本低，实现容易等特点。

其具体的特点如下：

1、红外线最大的特点是具有光热效应，能辐射能量，它是光谱中最大的光热效应区。

2、红外线是介于可见光和微波之间的一种电磁波，所以它具有这两种波的一些特性。

在近红外线区，它与可见光相邻，所以它具有可见光的一些特性，如直线传播、反射、折射等；在远红外线区，它与微波相邻，所以它具有微波的一些特性，如较强的穿透能力。

3、红外线在介质中传播会产生衰减，在金属中衰减最大。

4、大部分液体对红外线的吸收非常大；气体对其吸收程度各不相同，波长在1-5um和8-14um的红外线可以比较好的穿透大气层。

5、红外线具有很好的隐蔽性和保密性，环境对它的影响很小，抗干扰能力强，并且所生产的器件对环境无特殊的要求。

6、自然界中，所有物体只要其温度高于绝对零度就会不停地辐射红外线，许多仪器就是利用红外线的这种特性来工作的。

2.2红外传感系统

2.2.1红外传感系统的概念及分类

红外传感系统是利用红外线为介质的测量系统。

按其工作原理，可分为主动式和被动式两类。

主动式系统需要自带红外光源照射目标，系统包括红外线发射传感器和红外线接收传感器；被动式系统是直接探测目标的红外辐射。

在两种红外传感系统中被动式占了主导地位。

红外线传感系统按功能可以分为5个类型：

1）热成像系统：

可产生整个目标红外辐射的分布图像；2）辐射计：

用于辐射和光谱测量；3）红外测距和通信系统；4）搜索和跟踪系统，用于搜索和跟踪红外目标并且确定其空间位置和对其运动进行跟踪；5）混合系统，是以上各类系统中的组合。

2.2.2红外传感系统的工作原理

在红外传感系统中，主动式红外传感系统主要利用的是红外线的光效应，被动式红外传感系统主要利用的是红外线的热效应，所以其系统存在着一定的差异，如图2.2所示是对红外传感系统的结构进行一个简单的介绍。

图2.2红外传感系统的结构框图

红外传感系统一般由待测目标、大气衰减、红外光学系统或辐射调制器、红外探测器、探测器制冷器、信号处理系统、显示记录系统等组成。

1、待测目标。

待测目标相当于一个障碍物，当遇到该障碍物时，系统会发出警报，提醒用户。

对于主动式红外传感系统，通过红外线发射器产生红外线经过待测目标之后是否被红外线接收器接收进行工作，该系统主要是对一定区域内是否有障碍物出现进行判断；对于被动式红外传感系统，是根据待测目标的红外辐射特性进行系统的设定。

2、大气衰减。

待测目标是处于空间中的物体，所产生的一些特性是会受带周围大气的影响的。

待测目标的红外辐射通过地球大气层时，会因为各种气体分子以及各种溶胶粒的散射和吸收，将使得红外源发出的红外辐射发生衰减。

对于利用光效应的主动式红外传感系统来说，大气衰减对其的影响很小。

3、红外光学系统。

红外光学系统是红外系统中一个比较重要的部分。

是指对光波中红外波段进行处理的系统，即发射或接收红外线的光学系统。

对于主动式红外传感系统来说其红外光学系统是红外对管，包括红外线发射器和红外线接收器。

对于被动式红外传感系统来说，其红外光学系统是光学接收器，是接收待测目标的部分红外辐射并传输给红外传感器。

4、辐射调制器。

辐射调制器是指对来自待测目标的辐射调制成规定的红外辐射光，用来提供待测目标的方位信息，并且可以滤除大面积的干扰信号。

5、红外探测器。

红外探测器是红外传感系统的核心。

它是红外线辐射与物质相互作用所呈现出来的物理效应来探测红外辐射的传感器。

红外探测器一般有光子探测器、热释电探测器、热敏探测器和红外电真空器件等。

如今常使用的红外探测器主要利用的是红外热效应和光电效应，其一般都是以电学效应形式输出。

6、探测器制冷器。

由于有些探测器要在低温下工作，所以相应的系统需要有制冷设备。

经过制冷，可以缩短设备的响应时间，提高探测的灵敏度。

7、信号处理系统。

信号处理系统是对接收到信号进行处理，将探测的信号进行放大、滤波，并从信号中提取出需要的信息，然后将这些信息转换成需要的格式输送给控制设备和显示记录系统。

8、显示记录系统。

显示记录系统是红外传感系统的终端设备，显示相应信号处理的结果。

常用的显示设备有示波器、指示仪器、记录仪和红外感光材料等。

依照以上的流程，红外传感系统就可以完成相应的测量功能。

2.2.3红外传感系统的应用

从红外线被发现，到红外技术的不断发展，红外传感系统的优点逐渐被人们所认识，早期的红外传感系统主要是应用在军事方面，由于红外传感系统隐蔽性好，受环境影响小等优点，因此其在军事方面被广泛的应用。

随着红外技术的不断发展，红外传感系统也被广泛的使用在日常生活、安全监控、通信等方面。

其主要应用有：

1、红外夜视装置：

是利用光电转换技术的夜视仪器。

由于夜间的可见光很微弱，但是红外线却很多，红外夜视装置就是利用周围的红外辐射进行成像，显示周围的情况。

它可以分为主动式和被动式，主动式是使用红外探照灯照射目标，并接受反射的红外辐射想成图像；被动式是直接依靠目标自身的红外辐射形成图像。

2、红外通信：

是利用红外技术实现两点的近距离的数据传输和信息交换。

它一般由红外发射系统和红外接收系统两部分组成。

其特点是保密性好，结构简单，不仅可以在室内使用，也可以在室外使用，使用方便，并且还具有良好的方向性，但是在室外容易受气候的影响。

3、红外监控：

就是利用红外技术对某一区域进行监控，当有入侵者进入时，实现报警。

2.3本次设计的红外传感系统简单框图

在这次设计中，使用到的是实验系统和红外传感系统模块，把红外传感系统安装到实验系统之中，构成一个完整的红外传感系统。

在该系统中，主要使用的模块有红外传感模块，ARM9信息处理模块，LCD显示模块。

本次设计的红外传感系统的简单框图如图2.3所示。

图2.3本次设计红外传感系统的简单框图

红外传感系统模块是独立的一个模块，没有嵌入到实验系统之中，ARM9信息处理模块和LCD显示模块是组合在实验系统当中的。

红外传感系统的使用是把红外传感模块安装到实验系统之后，连接相关的导线和实验系统的相关模块构成一个完整的红外传感系统。

第3章设计编译环境的搭建

要使所编写的程序在特定的环境运行起来，则程序编译的环境就要在特定的环境进行。

该设计的程序编写和编译是在虚拟Linux系统下进行的，并且利用Minigui软件实现程序的窗口化。

在Linux系统下编译环境搭建的过程中，软件的安装要有一定的顺序，否则编译环境搭建会出现问题，使之后的步骤无法进行。

主要的安装的内容有QVFB的安装，Minigui资源文件的安装，Minigui的配置和交叉编译需要的Minigui相关内容的安装。

编译环境搭建的流程框图如图3.1所示。

图3.1编译环境搭建的流程框图

3.1虚拟Linux系统的安装

3.1.1虚拟机的安装

选择合适的虚拟机软件，在Windows进行安装。

在这里使用的虚拟机软件是VMware-workstation-5.5.3-34685.exe。

从网上下载相应的软件，在电脑上选择了适当的盘符，并且在安装虚拟机安装程序的过程把选择合适的路径。

安装完成后，电脑桌面上就会显示虚拟机软件图标。

3.1.2虚拟机下Li