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1、华中科技大学 硕士学位论文 基于OMAP的嵌入式应用平台研究 姓名：张瑜 申请学位级别：硕士 专业：控制理论与控制工程 指导教师：邓忠华 20070126 I 摘摘 要要 正电子发射断层扫描仪PET(Positron Emission Tomography)是当今最高层次的 核医学技术，它也是当前医学界公认的最先进的大型医疗诊断成像设备之一。本文 将先进的开放式多媒体应用平台(Open Multimedia Application Platform， 简称OMAP) 应用于PET主机系统的数据采集与符合处理系统，作为一项前瞻性研究，本文构建了 一个基于OMAP的通用嵌入式应用平台，为OMAP在
2、PET系统及其他多媒体系统中的 应用打下了基础。 本文以OMAP 5912 OSK开发套件为目标板，详细阐述了在OMAP上移植嵌入式 Linux操作系统的完整步骤， 包括建立交叉编译环境、 Bootloader的移植、 内核的移植、 文件系统的移植等。讨论了OMAP的软件体系结构、DSP/BIOS桥工作原理、应用程 序设计方法等OMAP程序设计的几个关键问题，接着实现了一个数字音频系统。随 后在OMAP的嵌入式Linux操作系统基础上移植了嵌入式图形用户界面 Qt/Embedded开发平台并介绍了基于Qt/Embedded的应用程序设计。最后对本文的研 究内容进行了总结与展望。 关键词：关键词
3、：开放式多媒体应用平台 嵌入式 Linux 移植 DSP/BIOS Qt/ Embedded II Abstract Positron Emission Tomography is one of the most high-level nuclear medical technology. It is also acknowledged as one of the most advanced medical diagnostic imaging equipment. This thesis applied advanced Open Multimedia Application Platfor
4、m (OMAP) to data acquisition and coincidence processing system of PET system. As a prospective study, this thesis constructed a general embedded application platform based on OMAP. So this thesis laid the foundation for the application of OMAP in PET system and other multimedia sytems. This thesis t
5、ook OMAP 5912 OSK as the target module, explained the full procedures of how to porting embedded linux OS on OMAP in detail, including establishing the cross compile environment, porting the bootlaoder, porting the kernel and porting the file system. Discussed several key issues such as the software
6、 architecture of OMAP, the work principle of DSP/BIOS bridge, the application design methods and so on, then realized a digital audio system on OMAP. Subsequently, based on embedded Linux OS on OMAP, ported the embedded Graphic User Interface - Qt/Emdedded and introduced the application design based
7、 on Qt/Embedded. Finally, a summary of this thesis was made. Key words：OMAP Embedded Linux Porting DSP/BIOS Qt/ Embedded 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使
8、用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密， 在 年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 1 1 绪绪 论论 1.1 课题背景课题背景 正电子发射断层扫描仪PET(Positron Emission Tomogra
9、phy)是当今最高层次的 核医学技术，它也是当前医学界公认的最先进的大型医疗诊断成像设备之一。正电 子发射断层成像已成为肿瘤、 心、 脑疾病诊断与病理研究中的不可缺少的重要方法1。 PET主机系统由以下子系统组成：探测器系统、前端电子学系统、数据采集与符 合处理系统、机电控制系统和用于控制及处理的主控系统，它的软件系统包括临床 采集控制、数据处理及校正、图像重建及处理、临床诊断、数据库管理等软件包。 PET主机系统的简要原理框图如图1.12所示。 图1.1 PET主机系统原理框图 注入人体的正电子放射性核素发生+衰变产生正电子，正电子与组织器官中的 电子发生湮灭，产生两个向相反方向飞出的具有5
10、11Kev能量的一对光子。封闭多 环型探测器对这些光子进行符合检测形成投影数据，经电子前端滤波放大和符合处 理形成原始的投影数据，原始的投影数据送到计算机系统，利用计算机处理这些投 2 影数据进行图像重建， 得到原始的放射性分布。 其中多环探测器多是由闪烁体(BGO) 细条(或LSO)、光电倍增管(PMT)和环间隔板(septa)组成，它的功能是探测在同一 环内正电子湮灭时转换成的一对光子所分别命中的环上晶体条的位置，并把这些 位置信号转换成电信号，连带光子的能量信号和到达时刻的时间信息一起送到后 续的电子前端放大及数据采集与符合处理系统中去35 。 数据采集与符合处理系统可以从总体功能上分成
11、两个模块：数据采集卡系统和 采集计算机系统。系统的原理框图如图 1.2 所示。 图 1.2 PET 数据采集与符合处理系统原理框图 数据采集系统将探测器及前端模拟电路产生的模拟信号进行模数(AD)转换和 数据处理。采集计算机系统负责符合处理功能，符合处理的功能是确定符合，即判 定一对光子是否由同一次湮灭事件所发出的。此后就把经选出的真实的符合事件 所命中的两个基本点探测器条的坐标经光纤卡送到主控系统进行处理。其中CPU是 整个采集计算机系统的控制中心，各个数据采集系统模块通过系统总线来连接。 本文将先进的开放式多媒体应用平台(Open Multimedia Application Platfo
12、rm，简 称OMAP)应用于采集计算机系统中，充分利用OMAP独特的双核结构，控制性能强 的ARM微处理器运行嵌入式Linux系统，负责对整个系统的控制；高性能低功耗的 DSP处理器则负责符合处理功能。但目前OMAP的开发应用尚未普及，对OMAP应用 平台的研究显得十分必要， 因此本文作为PET设备中数据采集与符合处理系统的前瞻 性研究，将构建基于OMAP的通用嵌入式应用平台，为OMAP在PET系统及其他多媒 3 体系统中的应用开发打下基础。 1.2 嵌入式系统概述嵌入式系统概述 根据IEEE(国际电气和电子工程师协会)的定义，嵌入式系统是“devices used to control, m
13、onitor or assist the operation of equipment, machine or plants”(控制、 监视或者 辅助设备、机器和车间运行的装置) 6。不过上述定义并不能充分体现出嵌入式系统 的精髓，目前国内普遍的认同是：嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基 础、软件硬件可裁剪、功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系 统。它是一个技术密集、资金密集、高度分散、不可垄断、不断创新的知识集成系 统，所强调的是面向用户、面向产品、面向应用，具有很强的专用性，并可结合实 际系统需求进行合适的裁减7。广义上讲，可以认为凡是带有微处理器的专用软硬件 系统
14、都称为嵌入式系统。 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术以及电子技术与特定行业的具 体应用相结合的产物。相对于普通的计算机系统有如下特征: 精巧的系统内核 嵌入式系统上的系统资源一般及其有限，所以它的操作系统内核通常比较小。 同时，嵌入式系统中的系统软件和应用软件通常没有明显的区别，其功能及实现上 相对比较简单。这样一方面有利于控制系统成本，另一方面也有利于保证系统安全。 嵌入式系统的内核通常能够根据需求进行裁减，以最小的体积满足系统的需求。 稳定的系统性能 嵌入式系统一般采用实时操作系统，并且常用于重要设备与场合当中，任何一 个小的故障都有可能引起非常严重的后果。因此对嵌入式系统的软件
15、质量与稳定性 有着较高的要求。为了提高执行速度和保证系统性能，嵌入式系统的软件一般都固 化在存储芯片或者处理器的内部存储器件当中，这样一定程度上限制了它的运算速 度和存储容量，同时也对系统提出了更高的要求。 很强的专用性 嵌入式系统是面向特定应用的系统，没有特定的应用，嵌入式系统也就失去了 意义。嵌入式系统中的CPU大多用在为特定用户群定制的环境中，具有功耗较低、 体积较小并且集成度较高的特点。在进行软硬件设计时必须突出效率、去除冗余， 针对用户的具体需求对系统进行合理的配置。嵌入式系统的软件和硬件结合非常紧 4 密，一般要针对某一特定硬件进行系统的移植。 从组成上看，嵌入式系统可分为嵌入式硬
16、件系统与嵌入式软件系统两大部分， 如图1.3 8所示。 图1.3 嵌入式系统组成 嵌入式硬件系统主要由嵌入式处理器及相关支撑硬件和外围设备等组成。其中， 嵌入式处理器在嵌入式硬件系统中处于核心地位，按照功能和用途划分，它可进一 步细分为以下几种类型： 嵌入式微控制器(Embedded Microcontroller)、 嵌入式微处理 器(Embedded Microprocessor)和嵌入式数字信号处理器(Embedded Digital Signal Processor)等。 嵌入式软件系统通常可划分为嵌入式操作系统和应用软件两部分。在早期的嵌 入式系统中，系统复杂性较低，这时的嵌入式系统通常不使用操作系统，而是由应 用程序直接控制和管理硬件，这类简单系统中没有使用操作系统的必要。随着技术 的进步与复杂需求的出现，嵌入式系统进入了一个新的阶段。这个阶段的嵌入式系 统硬件大多采用了32位的嵌入式微处理器，软件系统则增加了嵌入式操作系统。 从图1.1可以看出，操作系统处于上层应用软件
