1、 2011 届毕业设计 (论文 ) 题 目 ： 基于 ARM的图像采集无线传输系统的设计 专 业 班 级 ： 2007 电子信息工程 01 学 号 : 学号 0704030113 姓 名 ： 姓名 李应兵 指 导 教 师 ： 郑 宽磊 讲师 学 院 名 称： 电 气信息学院 2011 年 5 月 25 日 武汉工程大学毕业设计（论文）说明书 基于 ARM 的图像采集无线传输系统的设计 RESEARCH ON IMAGE ACQUISITION AND WIRELESS TRANSMISSION TECHNOLOGY BASED ON ARM 学 生 姓 名 : 姓名 李应兵 指 导 教 师 :
2、 郑宽磊 讲师 武汉工程大学毕业设计 （ 论文 ）说明书 I 摘 要 图像采集技术一直是过内外的一个研究热点，它的应用范围十分广泛，如在银行、商场、质量检测、交通管理等。传统的图像采集系统大多数十有 PC 和图像采集卡构成的， 其功能是将图像信号采集到电脑中，以数据文件的形式保存在硬盘上 。 这种图像采集系统成本一般较高，而且需要技术人员和维修人员来管理，费用较高并且传输距离有限。例如在偏远的地带、山区等恶劣的环境下，这种图像采集系统很难正常工作。 近年来无线通信技术和嵌入式系统技术的迅速发展，特别是嵌入式微处理器 :ARM 的出现和 Limix 在嵌入式系统环境中的广泛应用，使图像采集系统的
3、小型化、低成本、低功耗成为可能 。 目前图像监视系统领域内，有线图像监视方式受到了固有物理布线的限制 , 随着计算机技术和通信技术的发展 ,将嵌入式系统技术、无线通信技术和基于TCP/IP的 Internet技术结合在一起的无线远程图像监视系统则将实现在无线宽带资源限制的情况下的实时传输视频图像。 而图像采集的硬件设计也很重要，主要包括 NANDFLASH 接口、 SDRAM 接口、 USB 接口、 UART 接口、 LCD 接口等电路的设计。此外，系统的软件 则基于 Eilipse 的嵌入式集成开发环境的构建，完成系统引导程序、 Linux 内核和文件系统的移植工作，然后利用 Video4l
4、inux 完成图像数据采集和 JPEG 压缩编码，最后根据 GPRS 模块检测信号强度来动态选用传输方式实现图像数据采集无线传输工作，在服务器端由用户控制系统接收图像。 关键词： ARM； 图像采集 ； 嵌入式系统 ； Linux； 无线传输 ； GPRS 武汉工程大学毕业设计 （ 论文 ）说明书 II Abstract Image acquisition technology has been a hot research topic at homeand abroad,it has wide range of applications,such as banks,shoppingcente
5、rs,quality control,traffic management. Most of the traditional imageacquisition system is constitutive of PC and professional image capturecard, and by constructing private network for image capture andtransmission. This image acquisition system cost is generally higher,butalso need special maintena
6、nce,higher costs, and the transmission distanceis limited. In the remote mountainous harsh environment, the traditional image acquisition system is difficult to work. With the rapid development of wireless communication technologyand embedded systems technology in recent years, especially for theeme
7、rgence of ARM and Linux is widely used in embedded systemenvironment. So its possible that the image acquisition systemminiaturization, low cost, low power. Now picture monitoring system， cable image within the territory by the inheret surveillance way , with the physical wiring limited development
8、of the computer technology and communication technology , embedded system technology ,wireless communication technology and based on TCP/IP internet technology together inwireless remote image monitoring system will achieve in wireless broadband resources under the restriction of video images of the
9、 real-time transmission .And the image acquisition of handware desige is very important ,mainly including NANDFLASH interfaces , SDRAM interfaces , USB interfaces ,UART interfaces ,LCD interfaces circuit design. In addition , the system based the software is Eilipse embedded integrated environment c
10、onstraction complete system boot,Linux Kernel and file system ,and by using the transplantation of work Video4linux complete image data acquisition and JPEG compression coding ,according to GPRS module testing signal strength to dynamically chosen transmission method realizes image data acquisition
11、wireless transmission work ,in the server is drived by the user control system receive images . Keyword: ARM； image acquisition； embeddedsystem； Linux； wirelesstransmission；GPRS 武汉工程大学毕业设计 （ 论文 ）说明书 目 录 摘 要 . - 1 - Abstract . - 1 - 第一章 绪论 . - 1 - 1.1 选题背景和意义 .- 1 - 1.2 国内外研究现状 .- 1 - 1.3 本课题的研究内容 .-
12、 1 - 第 2 章 系统总体设计 . - 2 - 2.1 系统功能描述 .- 2 - 2.2 系统组成 .- 2 - 2.3 关键器件的选型 .- 1 - 2.4 嵌入式操作系统的选型 .- 1 - 2.5 本章小结 .- 1 - 第 3 章 硬件系统设计 .- 2 - 3.1 硬件系统结构框图 .- 2 - 3.2 NAND FLASH 接口电路设计 .- 2 - 3.3 SDRAM 接口电路设计 .- 1 - 3.4 USB 接口电路设计 .- 1 - 3.5 UART 接口电路设计 .- 1 - 3.6 LCD 的选 择及接口电路设计 .- 1 - 3.7 本章小结 .- 1 - 第
13、4 章 基于 Eclipse 的软件系统设计 . - 2 - 4.1 构建基于 Eclipse 的嵌入式软件集成开发环境 .- 2 - 4.2 嵌入式 linux 系统的移植 .- 2 - 4.3 图像采集程序的实现 .- 1 - 4.4 GPRS 介绍 .- 1 - 4.5 图像数据无线传输的实现 .- 1 - 4.6 服务器端程序设计 .- 2 - 4.7 本章小结 .- 2 - 第 5 章 总结与展望 . - 1 - 5.1 总结 .- 1 - 5.2 展望 .- 1 - 致谢 . - 1 - 参考文献 . - 1 -武汉工程大学毕业设计 （ 论文 ）说明书 1 第 1 章 绪论 1.1
14、 选题背景和意义 图像在人们生活生产中无处不见，它在人类获取的外部信息中占据着十分重要的角色。据统计，在人类接收的信息中，视觉信息占 70%以上。“百闻不如一见”，在许多场合中，图像所传递的信息要比其他任何形式更加丰富和真切。由此可见，图像信息的地位是非常重要的。在工作和生活中我们常见的各类图片都属于图像，它们是采用各种设备获取并存储起来的一种实体。而人类的视觉系统本身也是一个图像的采集系统，它可以使呈现在人们眼前的景象在人们的大脑中产生一个具体的图像 1。 近年来嵌入式系统技术的飞速发展更为图像采集与处理系统的发展提供了无限的动力。嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件可裁剪、
15、使用于应用系统，对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统 2。 ARM (Advanced RISC Machines )是嵌入式系统技术发展的一个标志性产物。 ARM 是目前世界领先的 32 位嵌入式 微处理器，占据了大约 75%的市场份额 3。本系统采用的就是三星公司生产的基于 ARM920T 芯核的一款嵌入式微处理器 S3C2440。它的主频可以达到 400MHz，已经 可以满足对图像数据的编码压缩的要求。另外，各种嵌入式操作系统的涌现也极大的促进了嵌入式系统技术的发展 4，使用嵌 入式操作系统可以大大减小系统的开发周期，提高系统的稳定性。 图像采集作为近年来的一个研究热
16、点受到了越来越多的关注 5。特别是无线通信技术的发展，使人们的信息沟通实现了“随时随地”，同时也希望能够随时随地了解目标场所的状况 6。另外人们生活水平的不断提高，也使得数字化家庭开始诞生。 在这种背景下，设计一种轻便小巧、低生产成本、低功耗的图像采集系统来采集、存储、传输并显示所需的图像就显得十分必要。针对这种情况，本课题提出一种基于 ARM 的图像采集与无线传输系统的设计方案。它是以嵌入式武汉工程大学毕业设计 （ 论文 ）说明书 2 技术为核心，结合网络技术、无线通信技术，迎合了目前市场的需求，可以满足目前人们对生产、生活中对目标场地的随时监控的要求。与传统的图像监控系统相比，它应具有体积
17、小，安装方便，现场无需专人值守，成本低，稳定性高等特点 7。在未来的安保、智能交通管理、产品检测、海关检测、环境监督、家庭防护等各个方面都有着广阔的应 用前景。 1.2 国内外研究现状 图像采集与无线传输系统主要分为两个部分 :采集部分和传输部分。本文主要从这个两个方面进行分析和设计。 1.2.1 图像采集技术 目前国内外图像采集与处理 将模拟信号转换成数字信号，经 PCI 或其它总线由上位机进行图像处理。这种方式的优点是 :充分利用了 PC 机丰富的软硬件资源、易于开发等特点，它的缺点是 :整个系统硬件连接复杂，不利于小型化，而且对人力、成本等要求较高 89。 随着嵌入式微处理器技术的发展，
18、嵌入式微处理器的运算速度已经大幅提高。本课题采用图像传感器与微处理器的方式来完成图像的采集模块的设计，并在系统中采用嵌入式操作系统，不仅实现了图像数据的高速采集，而且降低了系统成本，系统功能易于扩充，为系统再次功能扩充留下了空间 1011。 1.2.2 图像数据的无线传输 目前国内外实现数据无线传输的技术主要有 :红外线无线技术、蓝牙无线通信技术、 GSM, CDMA, GPRS 等 12。 (1)红外线无线技术 红外线是波长在 750nm 1mm之间的电磁波，它的频率高于微波而低于可见光，是一种人用肉眼看不到的光。红外通信一般采用红外波段内的近红外线，波长在 0.7um 25um 之间 13
19、。目前使用的家电遥控器几乎都是采用红外线传输技术 。 使用红外线做信号载波的优点很多 :成本低、传播范围和方向及距离可以控制、不产生电磁辐射千扰，也不受干扰等等。随着红外线技术的日益成熟，武汉工程大学毕业设计 （ 论文 ）说明书 3 标准的日益规范，红外线在通讯上的应用也就日益增多 14。 (2） 蓝牙无线通信技术 蓝牙是一种技术的名称，它来源于公元 10 世纪丹麦的一位国王 Harold，他的绰号就叫“ Bluetooth“15。蓝牙是一种低功耗、短距离无线通信技术，其实质内容是建立全球通用的短距离无线电空中接口以及控制软件的公开标准 ;其目的是要取代现有的传统个人计算机、传真机、打印机、移
20、动电话等设备之间互联的有线电缆，使其形成一个微型的个人小型网络系统，从而方便地实现各个电子设备之间的无线通信 16。 (3)GSM GSM(Global System for Mobile communications)，即全球移动通 信系统，是世界上采用最多的数字移动通信制式，我国最大的移动通信运营商一中国移动通信业采用的也是 GSM。 GSM 是第二代 (2G)移动通信技术的代表，它可以使用的频率为 900MHz, 1800MHz 和 1900MHz，我们国内主要采用的是 900MHz 和1800MHz，简称 GSM900 和 DCS 1800。频带宽度为 25MHz(对 900MHz 频
21、段而言 );通信方式为 FDD 频分全双工。双工通信时收、发频率间隔 45MHz。信息数字结构为时分多址帧结构。每帧为一个载波，分为 8 个时隙，全速率信道 8 个，半速率信道 16 个 ； 调制方式 为高斯低通最小频移键控 (GMSK)，调制指数为 0.3 ；采用数字话音，其编码方式为规则脉冲激励长线性预测编码 (RPE-LTP)，速率为13kb/s； 每时隙信道比特率为 22.8kb/s，信道总速率为 270.83kb/s； 数据速率为 9.6kb/s。 GSM 系统主要由网络交换子系统 (NSS)，基站子系统 (BSS)以及移动终端设备 (MS)三大部分组成 17。 (4)CDMA 在上
22、个世纪八十年代，即第二代移动通信迅速发展时期，提出了两个重要的移动通信体制，一种是 TDMA 体制，另一种就是 CDMA。 CDMA 是一种以扩 频通信为基础的调制和多址连接技术。在信号的发送端使用一个自相关性较强而互相关较小的高速伪随机码作为地址码，与要传输的用户信息数据相乘。在接收端，以本地产生的、与发送端相同的地址码与接收到的信号相乘，经过相关检测，就能将扩频信号解扩，将原始用户信息数据给恢复出来。 (5)GPRS武汉工程大学毕业设计 （ 论文 ）说明书 4 GPRS(General Packet Radio Service)即通用分组无线业务，由英国 BT Cellnet 公司最早在
23、1993 年提出，是 GSM Phase2+规范定义实现的内容之一。它是一种基于 GSM 的面向用户提供移动分组的 IP 或者 X.25 连接的移动分组数据业务网。 GPRS 没有取代目前 GSM 网络支持的 CSD(电路交换数据 )和 SMS(短消息 )等业务，而是对目前 GSM 网络的补充。 GPRS 是 GSM 向 3G 系统演进的重要一环，它既考虑了向第三代系统的过渡，同时又兼顾了现有的第二代系统，是第二代 GSM 系统过渡到第三代 WCDMA 系统的必经之路，所以 GPRS 又称为 2.5G。GPRS 分组业务信道采用了与 GSM 不同的 CS I CS 4等编码方式 (其数据速率分
24、别为 9.0Skbit/s, 13.4kbit/s, 15.6kbit/s, 21.4kbit/s )。采用编码方式为 CS-4 时，且无线环境良好，信道充足的情况下，可以实现 GPRS 网络支持的理论最高速率 171.2kbps，这种速率完全可以支持一些多媒体图像传输业务等对带宽要求较高的应用业务。但实际数据传输速率受网络编码方式和终端支持的因素影响， CS 3, CS 4的接收参考灵敏度较低，这两种编码方式只有在距离基站较近且信号较好的地区才能够真正使用 。 综合以上几种无线传输技术的比较，并根据本系统对成本和传输距离的要求， 另外由于国内 GPRS 的网络用户远远多于 CDMA，且 GP
25、RS 的信号强度要好于CDMA，本系统选择 GPRS 作为图像数据的无线传输方式。 1.3 本课题的研究内容 本课题针对目前国内外图像监控系统的现状提出了一种基于 ARM 的图像采集与无线传输系统的设计方案，通过研究嵌入式系统技术，结合网络技术、无线通信技术，以及具体的市场需求情况，研究一种适用于图像监控、安全保障的图像采集与无线传输系统。本课题的主要研究内容有 : (1)搜集相关资料，分析目前国内外现有的图像采集系统的优缺点。 (2)进行系统的总体设计，并对系统进行详细的功能模块划分，选择关键模块器件的型号。 (3)进行硬件系统的设计工作，主要有 NAND FLASH 接口电路、 SDRAM 接口电路、USB 接口电路、 DART 接口电路、 LCD 接口电路的设计。武汉工程大学毕业设计 （ 论文 ）说明书 5 (4)构建基于 Eclipse 的嵌入式集成开发环境。 (5)进行嵌入式 Linux 的移植，主要工作有系统引导程序的移植、 Linux 内核的移植和文件系统的移 植。 (6)进行图像采集程序的编写。 (7)进行图像数据无线传输程序的编写。 (8)进行服务器端接收及控制程序设计。 本课题提出的基于 ARM 及嵌入式 linux 环境下的图像采集与传输系统具有低成本、低功耗、易布设、系统易扩展等特点。
