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1、课程名称：计算机控制系统课程作业：嵌入式系统基于ARM的楼宇对讲系统设计姓名：张辉学号：Z21314089专业：电气工程及其自动化嵌入式系统基于ARM的楼宇对讲系统设计摘要：在数字信息技术和网络技术高速发展的后 PC 时代，嵌入式系统因其体积小、可靠性高、功能强、灵活方便等许多优点，已渗透到工业、农业、教育、国防、科研以及日常生活等各个领域，对各行各业的技术改造、产品更新换代、加速自动化进程、提高生产率等方面起到了极其重要的推动作用。借此，采用模块化设计方法设计出一款基于ARM微控制芯片和Linux操作系统的楼宇对讲系统，该对讲系统通过以太网与楼宇间的各室内机相连，实现了安装在楼道门口的终端机
2、与各室内机的IP对讲，同时将访客的视频信息传输到室内机，并采用指纹身份识别技术实现了门控系统管理。关键词：嵌入式系统设计；Linux；楼宇对讲；指纹识别。研究背景 嵌入式系统 嵌入式系统（Embedded System）可以定义为：以应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。从上述定义可以看出嵌入式系统是针对特定应用的软硬件综合体，其一般具备以下几方面的特征： 嵌入式系统通常是面对用户、面向产品、面向特定应用的； 嵌入式系统是先进的计算机技术、半导体技术以及电子技术与各个行业的具体应用相结合的产物； 嵌入式系统必须根据应
3、用需求对软硬件进行裁剪，满足应用系统的功能、可靠性、成本、体积等要求； 嵌入式系统开发需要专门的开发工具和环境； 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储存器芯片或单片机中； Linux 操作系统 Linux 操作系统核心最早是由芬兰的Linus Torvalds 于 1991 年 8月在芬兰赫尔辛基大学上学时发布的（Linux 0.11 版），后来经过众多世界顶尖的软件工程师的不断修改和完善，Linux 得以在全球普及开来，在服务器领域及个人桌面领域得到越来越多的应用。Linux是在 GNU 公共许可权限下免费获得的，是一款符合 POSIX 标准的多用户、多任务、支持多
4、线程和多 CPU 的类 Unix 操作系统。Linux 以其高效性和灵活性著称。Linux 模块化的设计结构，使得它能够在价格昂贵的工作站上运行，也能够在廉价的PC机上实现全部的 Unix 特性。Linux 当前有很多发行版本，较流行的有：RedHat Linux、Debian Linux、RedFlag Linux 等。嵌入式处理器 嵌入式系统的核心是各种类型的嵌入式处理器，嵌入式处理器与通用处理器最大的不同点在于，嵌入式处理器大多工作在为特定用户群所专门设计的系统中，它将许多板卡上的接口电路集成到芯片内部，从而有利于嵌入式系统趋于小型化，同时还具有很高的效率和可靠性。嵌入式处理器可以分为以
5、下几类：嵌入式微处理器(Embedded Microprocessor Unit, EMU)。嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的 CPU。在应用中，将微处理器装配在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用有关的母板功能，这样可以大幅度减小系统体积和功耗。嵌入式微处理器目前主要有 ARM、Power PC、MIPS、Am186/88、386EX、68000 等系列。嵌入式微控制器(Microcontroller Unit, MCU)。嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成 ROM/EPROM、RAM、I/O、串口、脉宽调制输出、A/D、D/A、Flash RAM 等各种必要功
6、能和外设。嵌入式微控制器目前主要有 8051、P51XA、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16 等系列。DSP 处理器(Digital Signal Processor, DSP)。DSP 处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行 DSP 算法，编译效率较高，指令执行速度也较高，在数字滤波、FFT、频谱分析等方面得到了大量的应用。嵌入式DSP处理器比较有代表性的产品是TI的TMS320系列和Motorola的 DSP56000系列。 嵌入式应用软件嵌入式片上系统(System On Chip)。嵌入式片上系统指的是在单个芯片上集成一个完
7、整的系统，所谓完整的系统一般包括中央处理器、存储器、以及外围电路等。通用的 SOC 系列包括 Infineon 的 TriCore，Motorola的 M-Core，Echelon 和 Motorola 联合研制的 Neuron 芯片等。嵌入式操作系统嵌入式硬件平台嵌入式处理器嵌入式外围设备楼宇对讲.系统的工作原理：通过网络适配器和交换机与用户室内机，管理中心机等组成一个LAN网络。对讲系统安装在每个楼梯入口，可用于呼叫各室内机或管理中心机；当业主欲进入梯道铁门时，可利用对讲系统连接的指纹识别传感器感应进行身份识别，确认身份后电控门锁自动开启；来访者可通过该对讲系统呼叫住户，住户通过室内机，对
8、访客进行对话、视频确认后，遥控开启楼道门控锁；另外管理中心机壳通过对讲系统内置的Web服务器进行系统参数查询设置，如IP信息设置，系统复位，系统时钟矫正等。系统硬件设计系统主控芯片采用三星S3C2440嵌入式处理器，S3C2440是基于ARM9T的SOC芯片，低功耗、高性能，非常适合嵌入式产品的开发，具有LCD控制器，3通道UART、4通道DMA、HC和SPI总线接口、130个通道I/O口、2个USB主机楼口和1个USB设备接口等资源。基于S3C2440的这些资源，满足整个系统对处理器的要求。SDRAMFLASH图像处理模块以太网接口模块ARM(S3C2440)键盘显示模块电源模块音频处理模块
9、指纹识别信号电控门控制模块3.1ARM主控模块ARM主控模块由ARM控制器、FLASH、SDRAM及相关外围电路组成。系统中ARM控制器的主要作用是把从指纹识别仪读取到的指纹特征数据域存储在数据中的指纹记录作比较，如果存在记录则发出脉冲使电控门开锁。同时实现接收和传输视频及语音数据，以太网通信等功能.3.2以太网接口模块RJ45网卡隔离变压器CS8900AARM(S3C2440)由于S3C2440控制器本身并没有带以太网控制器，可通过扩展网络接口的模式设计一个以太网接口电路。系统采用性能优良的以太网控制器CS8900A。该芯片的突出特点是使用灵活，其物理层接口、数据传输模式和工作模式等都能根据
10、需要而动态调整，通过内部寄存器的设置来适应不同的应用环境。以太网卡连接图3.3图像处理模块图像处理模块由图像采集芯片、图像压缩芯片及相关外围电路组成。系统采用专用采集和压缩芯片组成的硬件电路来实现图像处理的功能，不采用软件方式来实现，是为了减轻控制器的负担以便于以太网传输图像，并能获得较好的数字压缩图像。图像采集芯片采用TW9903。TW9903内部带有软件控制的4选1的信号输入选择器。S3C2440通过IIC总线对TW9903进行初始化和控制。图像压缩芯片采用GO7007。GO7007采用MPEG4压缩算法进行实时图像压缩，能随Internet用带宽变化动态调整比特率和帧率，能够输出高质量的
11、微软视频格式。图像处理模块接线如图3-3所示。TW9903S3C2440GO7007VPO(07)AD(015)ALEVREFWRHREFRDPCLKINT IIC 图像处理模块接线图指纹数据处理模块由于指纹识别仪是通过USB接口与S3C2440连接的，S3C2440自带有两个USB主接口，所以只需扩展主控制器的USB接口即可。电路图如图3-4所示。 3.5音频处理模块音频模块实现了访客与住户之间的通话，访客通过门控系统提供的按键按下住户号码。对应的室内机即发出振铃声，同时将访客图像传至室内机，提起手柄，即可与访客通话。音频模块由S3C2440的IIS音频总线接口和UDA1341音频编码解码器
12、组成，S3C2440的IIS总线时钟信号SCK与USA1341的BCK连接，字段选择连接于WS引脚。UDA1341提供两个音频通道，分别用于输入和输出，IIS总线的音频输出IISSDO对应于UDA1341的音频输入，IIS总线的音频输入IISDI对应于UDA1341的输出。系统软件设计系统软件设计分为Linux2.6.22内核，bootload引导程序，根文件系统的裁剪，编译和移植，硬件驱动的编写和各业务模块的功能实现三部分。前两部分的开发设计有固定的模式。业务模块由门口、IP对讲和网络管理三部分组成，Linux系统为每个业务模块建立一个进程，在系统启动时由init进程根据inittab的启动
13、裂变创建。门禁控制电路门控部分负责指纹身份登记，识别和电控锁开门。当fingerprint_state这个状态为1时门控模块处于指纹身份识别状态。指纹识别仪驱动程序发出中断信号通知处理器到指定缓冲区把指纹特种数据取走。门控模块将读到的指纹特征数据与指纹特征数据库中的记录做一对一的比对，当找到对应指纹记录后则通知电控锁开门，否则不予响应。当fingerprint_state为0时门控模块处于指纹身份登记状态。门控模块将读到的数据存入指纹特征数据库。fingerprint_state由键盘模块或网管设置。门控模块流程图如图4-1所示。指纹匹配记录 到指定缓冲区读取指纹特征数据fingerprint
14、ntntnno指纹特征数据存入数据库电控锁开门no结束IP对讲机系统软件实现IP对讲部分实现访客与指令室内机的视频和通话。当访问输入房号并按确认后，楼栋控制终端机将与指令的室内机通过socket套接字建立连接。通过这个套接字就可以在两端进行视频数据和语言数据的传输。图像采集压缩程序主要围绕图像采集芯片和图像压缩芯片设计来完成图像的处理和输出，由图像采集和图像压缩两部分组成。图像采集部分包括对图像采集芯片的初始化程序、寄存器控制程序和参数控制程序，通过控制图像原始亮度、饱和度和对比度的输出来实现采集后数字图像输入到图像压缩芯片。图像压缩部分包括GO7007的驱动程序和应用程序。GO7007驱动程
15、序主要完成对芯片初始化、关闭、取数据和参数控制的功能。GO7007的主要程序主要是获得压缩后的数据，通过控制参数得到不同的数据流。IP语音传输控制采用IETF的会话初始化协议SIP。SIP协议时一种比较简单的会话初始化协议，主要用于建立启动、维持和中止IP网上的双方或多方的会话。话音压缩编码也是语音传输中的一项重要技术，这里运用了ITUT定义的G.729编码技术。最后是网络传输部分了，网络传输控制使用IP/UDP和RTP协议。这些技术的使用保证了IP语音传输的语音质量和实时性。在实现时我们采用线程方式进行设计，分别把语音传输的各个功能块设计成线程。除了用于语音传输总控程序之外，程序还用系统调用pthread_create创建了4个支持线程。分
