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嵌入式設(shè)計(jì)系統(tǒng)范文第1篇

為解決公交車的高效便捷清洗問題，基于青島理工大學(xué)韓旭東教授的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的一款“垂直滾筒式公交清洗小車”，利用AT89C51單片機(jī)配合其他元器件，設(shè)計(jì)了相關(guān)的嵌入式系統(tǒng)，包括超聲波測(cè)距系統(tǒng)和手動(dòng)/自動(dòng)雙模平臺(tái)升降控制系統(tǒng)，完善了原產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。采用KeilC51軟件編寫了相應(yīng)的控制程序，使用Proteus軟件繪制了電路原理圖，并進(jìn)行了仿真模擬。

關(guān)鍵詞：

公交清洗小車；嵌入式系統(tǒng)；超聲波測(cè)距；平臺(tái)升降控制

0引言

為解決公交車的高效便捷清洗問題，青島理工大學(xué)韓旭東教授的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一款“垂直滾筒式公交清洗小車”[1]。但在該設(shè)計(jì)中，僅對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)與工作原理做了介紹，缺少相關(guān)的控制電路與控制程序的設(shè)計(jì)，給清洗小車的使用帶來了極大的不便。本文在原產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，針對(duì)小車與公交車之間距離的控制不準(zhǔn)確的問題，設(shè)計(jì)了超聲波測(cè)距系統(tǒng)；針對(duì)平臺(tái)升降控制不方便的問題，設(shè)計(jì)了手動(dòng)/自動(dòng)雙模平臺(tái)升降控制系統(tǒng)。有效地提高了該產(chǎn)品的實(shí)用性，完善了該產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。

1超聲波測(cè)距系統(tǒng)

1.1設(shè)計(jì)目的

清洗小車由人力推動(dòng)并控制方向，但由于路面不平，人力控制精度有限，會(huì)使小車與公交車車體間的距離發(fā)生改變，距離過近會(huì)使?jié)L筒擠壓車體表面，阻礙滾筒旋轉(zhuǎn)；距離過遠(yuǎn)，則會(huì)使?jié)L筒毛刷與車體表面間間隙過大，影響清洗效果。需要一套測(cè)距系統(tǒng)使小車與公交車車體間的距離始終保持在一個(gè)合理范圍之內(nèi)。

1.2測(cè)距方式的選擇

超聲波測(cè)距是利用機(jī)械波反射來測(cè)量距離，適用于短距離測(cè)距，原理簡(jiǎn)單，成本低，遠(yuǎn)距離測(cè)量精度較低。公交清洗小車的使用環(huán)境比較復(fù)雜，對(duì)測(cè)距系統(tǒng)的精度要求不高，測(cè)量的距離在1～2m，且要求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、性能穩(wěn)定。根據(jù)需要和集中測(cè)距方式的特點(diǎn)，本文選擇超聲波測(cè)距方式。

1.3超聲波測(cè)距原理

超聲波在均勻介質(zhì)中的傳輸速度為一恒定值，由發(fā)生器發(fā)射超聲波，在遇到測(cè)量目標(biāo)后反射回來，由接收器接收并記錄由發(fā)射到接收經(jīng)歷的時(shí)間，便可以計(jì)算出發(fā)生器與測(cè)量目標(biāo)之間的距離[2]。公式如下：L=12C•Δt。式中：L為測(cè)量距離；C為超聲波在當(dāng)前介質(zhì)中的傳輸速度（空氣中常溫下速度為340m/s）；Δt為從發(fā)射到接收經(jīng)歷的時(shí)間。

1.4設(shè)計(jì)內(nèi)容

本文利用AT89C51單片機(jī)、HC-SR04超聲波測(cè)距模塊、LED燈組成了一個(gè)超聲波測(cè)距警報(bào)系統(tǒng)。當(dāng)距離過近時(shí)，指示距離過近的紅燈點(diǎn)亮；距離適中時(shí)，指示距離適中的綠燈點(diǎn)亮；當(dāng)距離過遠(yuǎn)時(shí)，指示距離過遠(yuǎn)的紅燈點(diǎn)亮。工作人員可以根據(jù)燈光指示調(diào)整小車位置，使之與車體表面間的距離保持在一個(gè)合理范圍。1.4.1HC-SR04超聲波測(cè)距模塊工作原理本文所采用的HC-SR04超聲波測(cè)距模塊，具有成本低、體積小、精度高、使用簡(jiǎn)單方便等優(yōu)點(diǎn)，其基本工作原理為：1)采用I/O口TRIG觸發(fā)測(cè)距，提供至少10μs的高電平信號(hào);2)模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40kHz的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回；3)有信號(hào)返回，通過I/O口ECHO輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間[3]。1.4.2程序控制過程利用AT89C51單片機(jī)自帶的定時(shí)計(jì)數(shù)器資源，通過I/O口給超聲波模塊一個(gè)發(fā)射信號(hào)并開始計(jì)時(shí)，當(dāng)收到超聲波模塊的反饋信號(hào)時(shí)，結(jié)束計(jì)時(shí)并計(jì)算距離。

2手動(dòng)/自動(dòng)雙模平臺(tái)升降控制系統(tǒng)

2.1設(shè)計(jì)目的

現(xiàn)行大多數(shù)公交車的高度在3m左右，為能夠確保清洗整個(gè)車體表面，原產(chǎn)品采用雙絲杠旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)平臺(tái)升降的設(shè)計(jì)，并利用直流電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生動(dòng)力。為方便用戶使用，能夠快捷高效操作平臺(tái)升降，提高清洗效率，本文設(shè)計(jì)了一套手動(dòng)/自動(dòng)雙模平臺(tái)升降控制系統(tǒng)。

2.2設(shè)計(jì)內(nèi)容

根據(jù)計(jì)算，清洗平臺(tái)需調(diào)整2次高度才可將車體表面清洗完畢，為了方便工作人員操作，本文設(shè)計(jì)了手動(dòng)/自動(dòng)雙模控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用AT89C51單片機(jī)，配合L289直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，通過控制電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的升降，設(shè)計(jì)原理圖見圖4[5]。操作過程為：?jiǎn)?dòng)系統(tǒng)后，在自動(dòng)模式下，按UP鍵，平臺(tái)會(huì)上升一個(gè)固定高度；按DOWN鍵，平臺(tái)會(huì)下降一個(gè)固定高度。該高度值是為實(shí)現(xiàn)最高清洗效率，以3m高的車身為標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)優(yōu)化計(jì)算得出的最適高度。因?yàn)楣卉嚨男吞?hào)差異，車身高度也各不相同，所以為滿足實(shí)際使用要求，我們又設(shè)計(jì)了手動(dòng)控制模式。在手動(dòng)模式下，按住UP鍵，平臺(tái)會(huì)上升，松開立即停止；按住DOWN鍵，平臺(tái)會(huì)下降，松開立即停止。為防止工作人員誤操作，本文增加了按鍵防抖動(dòng)延遲，防止工作人員誤觸按鍵；如果UP和DOWN鍵同時(shí)按下，則電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，直至其中一個(gè)按鍵松開。

3結(jié)語(yǔ)

嵌入式設(shè)計(jì)系統(tǒng)范文第2篇

關(guān)鍵詞：嵌入式；設(shè)計(jì)技術(shù)；挑戰(zhàn)；市場(chǎng)；性能

中圖分類號(hào)：TP311

嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，并且軟硬件可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有著本質(zhì)上的不同，嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在很多情況下需要考慮的是為其產(chǎn)品性能，生命周期和商業(yè)驅(qū)動(dòng)做優(yōu)化，而不是努力提高其最大計(jì)算吞吐量。對(duì)于一個(gè)有市場(chǎng)適應(yīng)能力的嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來說，產(chǎn)品的成功與否更重要的是其在性價(jià)比上的優(yōu)勢(shì)。

嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，并且軟硬件可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它一般由嵌入式微處理器、硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶的應(yīng)用程序等四個(gè)部分組成，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)其他設(shè)備的控制、監(jiān)視或管理等功能。嵌入式系統(tǒng)和具體應(yīng)用有機(jī)地結(jié)合在一起，它的升級(jí)換代也是和具體產(chǎn)品同步進(jìn)行，因此嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品一旦進(jìn)入市場(chǎng)，具有較長(zhǎng)的生命周期。

由于嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)自身功能和具體應(yīng)用環(huán)境的限制，其在設(shè)計(jì)技術(shù)上會(huì)面臨如下兩個(gè)方面的挑戰(zhàn)：

1 系統(tǒng)自身發(fā)展升級(jí)挑戰(zhàn)

應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大和用戶要求的逐漸提高推動(dòng)了嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)功能的升級(jí)，而在升級(jí)過程中，嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)作為系統(tǒng)開發(fā)的核心環(huán)節(jié)，無法避免的要面對(duì)來自整個(gè)系統(tǒng)的全面挑戰(zhàn)。

1.1 單片機(jī)向多模塊組合轉(zhuǎn)變

隨著用戶對(duì)備選方案數(shù)量要求的提高，嵌入式系統(tǒng)從過去單一的單片機(jī)應(yīng)用模式，轉(zhuǎn)變?yōu)槟軌蛱峁└嗖煌瑢哟畏桨傅亩鄻踊Ｊ健Ｍㄟ^重用和組合IP核構(gòu)件技術(shù)實(shí)現(xiàn)的片上SoC系統(tǒng)，是目前嵌入式系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)的最高形式。通過利用FPGA和IP模塊進(jìn)行功能組合PSoC/SOPC設(shè)計(jì)，徹底改變了過去單片機(jī)從底層全權(quán)包攬的單一設(shè)計(jì)局面。

1.2 對(duì)設(shè)計(jì)技術(shù)的要求更高

經(jīng)過幾年發(fā)展，目前高端嵌入式系統(tǒng)都是建立在RTOS基礎(chǔ)之上的，所以很多非計(jì)算機(jī)專業(yè)技術(shù)人員就要學(xué)習(xí)全新的RTOS技術(shù)。這無疑是一次設(shè)計(jì)技術(shù)的重頭再來，需要設(shè)計(jì)人員做到從觀念認(rèn)識(shí)到設(shè)計(jì)技術(shù)的一次徹底轉(zhuǎn)變。

1.3 運(yùn)用新開發(fā)工具進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)

嵌入式設(shè)計(jì)從8/16位轉(zhuǎn)向功能更強(qiáng)大的32位MCU，升級(jí)之后，開發(fā)工具的投入就成為了系統(tǒng)開發(fā)過程中最大的障礙。升級(jí)之后的開發(fā)環(huán)境不僅加大了系統(tǒng)投資數(shù)目，對(duì)其使用的技術(shù)有了更高要求，其開發(fā)工具較之前也有了更復(fù)雜的變化。使用新系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)時(shí)，如何正確選擇處理器架構(gòu)、評(píng)估嵌入式操作系統(tǒng)，以及使用陌生的開發(fā)工具，都是一個(gè)新的挑戰(zhàn)。

1.4 多種技術(shù)協(xié)同設(shè)計(jì)

嵌入式系統(tǒng)對(duì)軟硬件的協(xié)同配合有著超高的要求，所以在設(shè)計(jì)過程中，軟硬件設(shè)計(jì)的同步與集成是主要問題。由于技術(shù)細(xì)節(jié)處的不斷增加，控制軟硬件一致性與正確性需要消耗極大的時(shí)間。目前業(yè)界已經(jīng)開發(fā)Polis、CosYma及Chinook等多種方法和工具來支持集成式軟硬件的協(xié)同設(shè)計(jì)。這使得系統(tǒng)可以跨越硬件和軟件平臺(tái)復(fù)用，并支持設(shè)計(jì)空間探索。是一種統(tǒng)一軟硬件的開發(fā)方法。

2 應(yīng)對(duì)市場(chǎng)的重點(diǎn)性能挑戰(zhàn)

嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)在滿足用戶多樣性需求和自身不斷升級(jí)方面的提升與完善是信息技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，但是其最根本的基礎(chǔ)性能提高則是市場(chǎng)判定該系統(tǒng)是否卓越，亙古不變的標(biāo)準(zhǔn)。在設(shè)計(jì)過程中，基礎(chǔ)性能設(shè)計(jì)的重點(diǎn)如下：

2.1 操作實(shí)時(shí)響應(yīng)

嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)嵌入到對(duì)象系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，嵌入系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)不僅要求得到正確的結(jié)果，更要滿足時(shí)間交互過程的響應(yīng)要求。在設(shè)計(jì)過程中，有時(shí)需要要求設(shè)計(jì)技術(shù)按照軟件運(yùn)行最壞情況下的時(shí)間進(jìn)行預(yù)留，因?yàn)檐浖\(yùn)行耗費(fèi)的時(shí)間會(huì)立刻增加系統(tǒng)響應(yīng)的時(shí)間，致使系統(tǒng)不能滿足嵌入對(duì)象系統(tǒng)提出的響應(yīng)時(shí)間。“信號(hào)處理系統(tǒng)”、“緊急任務(wù)處理系統(tǒng)”就是典型的實(shí)時(shí)性要求很強(qiáng)的系統(tǒng)。

2.2 嵌入系統(tǒng)安全性

嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通常應(yīng)用于安全性很高的情況下，這就要求設(shè)計(jì)技術(shù)能夠保證系統(tǒng)極高的安全性能和可靠性能。

（1）可靠性能。嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的可靠性是衡量其設(shè)計(jì)技術(shù)的重要標(biāo)準(zhǔn)，它要求設(shè)計(jì)技術(shù)滿足增長(zhǎng)系統(tǒng)生命周期，拓寬系統(tǒng)適用范圍，減少系統(tǒng)中的錯(cuò)誤，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，甚至要降低嵌入式系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)用。為滿足如上諸多要求，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)該從工作溫度，抗震動(dòng)，抗電磁干擾，抗輻射等方面著手進(jìn)行全面加強(qiáng)。

（2）可用性能。嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為達(dá)到提供預(yù)期的功能要求提高系統(tǒng)的可靠性，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，通常需要采用故障避免、故障檢測(cè)與故障容錯(cuò)等設(shè)計(jì)技術(shù)。

（3）安全性能。嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的安全性，要求系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)盡量使系統(tǒng)能夠無錯(cuò)誤的完成預(yù)期功能，同時(shí)降低系統(tǒng)的危害程度，安全完成運(yùn)行任務(wù)。

（4）保密性能。保密性能在網(wǎng)絡(luò)嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中尤為重要。通過現(xiàn)有的保密技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)安全措施基本可以保證數(shù)據(jù)的安全，但也無法做到完全保證。這就需要我們通過系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)加入入侵檢測(cè)模塊來提升嵌入系統(tǒng)的保密性。使入侵模塊成為整個(gè)系統(tǒng)的最后防線，在系統(tǒng)遭受威脅或被攻擊后，通過分析攻擊行為，有效保護(hù)系統(tǒng)免受同樣攻擊。

通常在設(shè)計(jì)時(shí)，都是利用技術(shù)通過提高嵌入系統(tǒng)的抗入侵能力來提高保密性，在遭到入侵時(shí)，嵌入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能夠進(jìn)行安全的現(xiàn)場(chǎng)重編程及提供重建保護(hù)等。

3 結(jié)語(yǔ)

互聯(lián)網(wǎng)在日常生活與工作中的作用越來越大，信息技術(shù)的發(fā)展日益迅速。嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)作為當(dāng)今信息技術(shù)的核心部分，對(duì)我國(guó)的各行各業(yè)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)，則是嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)開發(fā)的核心環(huán)節(jié)。更高的應(yīng)用需求，對(duì)嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)提出了更高的要求。與此同時(shí)，嵌入式系統(tǒng)本身的升級(jí)，也使得嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)面臨更大的挑戰(zhàn)。本文通過以上對(duì)嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)的幾點(diǎn)分析，主要分析了嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)為更好的適應(yīng)和滿足市場(chǎng)，而需要面對(duì)的諸多挑戰(zhàn)?？梢钥闯?，嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在市場(chǎng)上的需求日益增大，用戶的要求也在向多樣化和高標(biāo)準(zhǔn)的趨勢(shì)發(fā)展。這就要求系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)，一方面要不斷與時(shí)俱進(jìn)熟練掌握新升級(jí)技術(shù)，來適應(yīng)市場(chǎng)滿足多樣化需求；另一方面要保證系統(tǒng)基本的實(shí)時(shí)性與安全性。只有這樣抓牢基礎(chǔ)，不斷提高才能在當(dāng)今的信息化社會(huì)中站穩(wěn)腳跟，不會(huì)被市場(chǎng)淘汰。

參考文獻(xiàn)：

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嵌入式設(shè)計(jì)系統(tǒng)范文第3篇

關(guān)鍵詞:嵌入式系統(tǒng);機(jī)器視覺;測(cè)控系統(tǒng);圖像跟蹤

中圖分類號(hào):TP391.41文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1009-3044(2010)08-1987-02

1 概述

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,更高速,更可靠,更低成本成為各種技術(shù)開發(fā)的要求。因此,設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)視覺圖像采集、視覺圖像處理控制,使其結(jié)構(gòu)更緊湊,甚至完全不需要計(jì)算機(jī)的介入,提高處理速度,并能有效降低成本的專用機(jī)器視覺控制系統(tǒng),使得該系統(tǒng)具有安裝方便、配置靈活、便于攜帶等突出優(yōu)點(diǎn)。為此,本課題提出了基于嵌入式機(jī)器視覺測(cè)控系統(tǒng)的研究,在嵌入式系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)視覺圖像采集、視覺圖像處理及控制,構(gòu)成處理速度快,成本低,結(jié)構(gòu)緊湊,不需要計(jì)算機(jī)介入的專用嵌入式機(jī)器視覺測(cè)控系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)方案

目前,用于圖像采集處理系統(tǒng)的嵌入式核心器件一般有FPGA、DSP和ARM芯片,出于成本控制與測(cè)控系統(tǒng)性能要求的考慮,這里選用FPGA方案。

FPGA內(nèi)嵌的NiosII軟核處理器是32位的,主要包括CPU微處理器、I/O中斷、計(jì)時(shí)器、UART串口及大量通用寄存器。選用FPGA方案的優(yōu)點(diǎn)在于,在單個(gè)芯片上既可以完成圖像采集等復(fù)雜邏輯的控制,又可以用內(nèi)嵌的NiosII處理器完成對(duì)圖像的處理和識(shí)別,電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,成本低。

對(duì)于機(jī)器視覺測(cè)控系統(tǒng),在選用了嵌入式處理器實(shí)現(xiàn)圖像采集的功能之后,需要將視頻圖像進(jìn)行數(shù)字化處理,這里采用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)攝像機(jī)+視頻圖像數(shù)字化模塊的方法實(shí)現(xiàn)。標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)攝像機(jī)的輸出信號(hào)一般是PAL制式或NTSC制式的模擬信號(hào),信號(hào)在進(jìn)行數(shù)字圖像處理前必須經(jīng)過刀D轉(zhuǎn)換,即視頻采集。視頻采集是整個(gè)系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分,它是對(duì)模擬視頻信號(hào)實(shí)現(xiàn)數(shù)字圖像處理的第一個(gè)步驟。該方案具有通用性好、成本低的優(yōu)點(diǎn)。

2.2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1) 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)硬件電路的連接和FPGA內(nèi)部邏輯電路的設(shè)計(jì)。

FPGA內(nèi)部邏輯電路的設(shè)計(jì)是以QuartusII為開發(fā)環(huán)境,用VHDL語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)圖像采集、SRAM總線切換等模塊的功能,用SOPC Builder配置、產(chǎn)生NiosII軟核處理器及必要的外設(shè)(用戶自定義外設(shè)用VHDL編程實(shí)現(xiàn)),然后一起編譯并下載到FPGA的配置芯片中,再由配置芯片完成對(duì)FPGA的上電配置,由此形成硬件邏輯電路的連接,實(shí)現(xiàn)圖像采集、處理、存儲(chǔ)、顯示、實(shí)時(shí)控制等功能模塊。

2) 軟件設(shè)計(jì)

用SOPC Builder生成NiosII處理器系統(tǒng)的同時(shí),也會(huì)生成相應(yīng)的SDK軟件開發(fā)包。在這個(gè)軟件包的基礎(chǔ)上,開發(fā)者可以利用NiosII IDE,移植嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μc/OS-II,編寫C或者C++程序來完成對(duì)圖像的二值化、區(qū)域分割、特征提取、模式識(shí)別等處理過程,最終實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)軌跡的跟蹤,實(shí)時(shí)控制機(jī)器人沿規(guī)定軌跡運(yùn)行。

3 關(guān)鍵技術(shù)問題探討

3.1 圖像采集CCD模塊設(shè)計(jì)

圖像信息的獲取就是捕捉待處理目標(biāo)的圖像信息并將其轉(zhuǎn)換成適合一體機(jī)處理的數(shù)字信號(hào),這一過程主要包括圖像捕獲、光電轉(zhuǎn)換及數(shù)字化等幾個(gè)步驟。目前圖像信息獲取可以使用CCD、CMOS、CIS等傳感器,其中以CCD的應(yīng)用最為廣泛。

本設(shè)計(jì)模塊采用1/3寸逐行掃描型黑白面陣CCD圖像傳感器ICX424AL。ICX424AL有效光敏單元為659×494,靈敏度高、暗電流小,帶有電子快門。由三相垂直脈沖(V1、V2、V3)和兩相水平脈沖(H1、H2)驅(qū)動(dòng)工作,水平驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘頻率為24.154MHz,驅(qū)動(dòng)電壓5V。曝光之后,每一列成像勢(shì)阱中的電荷在脈沖的驅(qū)動(dòng)作用下被移至勢(shì)阱旁的垂直寄存器當(dāng)中,然后垂直驅(qū)動(dòng)脈沖發(fā)揮作用,每次脈沖驅(qū)動(dòng)垂直寄存器組中的像素電荷向下移一行,而此時(shí)最下面一行的像素電荷則被移動(dòng)到水平寄存器當(dāng)中。之后水平驅(qū)動(dòng)脈沖發(fā)揮作用,脈沖驅(qū)動(dòng)水平寄存器中的像素的電荷向輸出口移動(dòng)。被移出像素電荷,經(jīng)過放大器后形成電壓信號(hào)輸出。水平寄存器被移空后,剩余電荷再次向下移一行,在水平驅(qū)動(dòng)脈沖作用下,水平寄存器的電荷再次被依次移出。上述過程一直重復(fù)直至所有像素電荷被移出。

ICX424AL的驅(qū)動(dòng)時(shí)序由CCD信號(hào)處理器AD9929產(chǎn)生。AD9929有一個(gè)三線式串行接的串行通信接口,通過該接口可以對(duì)AD9929時(shí)序發(fā)生器的相位寄存器組進(jìn)行操作,發(fā)送配置信息或讀取AD9929的工作狀態(tài)。AD9929可直接與CCD傳感器相連接,CCD像素模擬電壓信號(hào)在AD9929驅(qū)動(dòng)脈沖的作用下,由CCD_IN引腳輸入到AD9929中,經(jīng)模擬前端采樣、放大和A/D轉(zhuǎn)換后,產(chǎn)生8位的數(shù)字信號(hào)由DOUT[0-11]引腳輸出,這些數(shù)字信號(hào)即為CCD圖像傳感器捕捉到的待測(cè)目標(biāo)的原始圖像信息。

3.2 圖像實(shí)時(shí)跟蹤算法設(shè)計(jì)

由CCD模塊負(fù)責(zé)采集圖像,那么嵌入式系統(tǒng)必須要有完善的圖像跟蹤算法,才能夠?qū)崿F(xiàn)智能機(jī)器人對(duì)目標(biāo)的跟蹤,傳統(tǒng)的圖像跟蹤算法由于運(yùn)算量較大而存在實(shí)時(shí)性較差的問題,因此,有必要對(duì)圖像跟蹤算法進(jìn)行實(shí)時(shí)性優(yōu)化設(shè)計(jì)。

目標(biāo)圖像跟蹤是一個(gè)序列圖像處理、識(shí)別和測(cè)量過程。在跟蹤過程中,目標(biāo)可能出現(xiàn)大小、形狀、姿態(tài)等變化,加上實(shí)際環(huán)境中的各種干擾,以及圖像處理最小計(jì)量單位的精度問題,相關(guān)跟蹤得不到絕對(duì)最佳的匹配位置,存在測(cè)量誤差。因此,為了保證跟蹤的穩(wěn)定性,需要對(duì)圖像跟蹤模板進(jìn)行自適應(yīng)更新。圖像跟蹤模板的更新是目標(biāo)跟蹤中要解決的重要問題之一,圖像跟蹤模板更新過快或過慢,都有可能丟失所跟蹤的目標(biāo)。判斷圖像跟蹤模板是否需要更新要根據(jù)相關(guān)的置信度信號(hào),如果相關(guān)匹配的置信度高,就可以根據(jù)本幀圖像的匹配點(diǎn)處的坐標(biāo)來更新圖像跟蹤模板;如果置信度低,則說明匹配不穩(wěn)定,要沿用以前的匹配圖像跟蹤模板對(duì)下一幀進(jìn)行相關(guān)匹配。

相關(guān)置信度信號(hào)是在分析相關(guān)匹配算法的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出來的,它是一個(gè)非常重要的參數(shù)。經(jīng)過分析可知:若匹配點(diǎn)處的峰值很大,且峰值與其它非匹配點(diǎn)的均值之差越大,則表明跟蹤越可靠。定義幀內(nèi)相關(guān)置信度為:

式中:C0是幀內(nèi)相關(guān)置信度;maxR是當(dāng)前幀匹配點(diǎn)處的誤差累加次數(shù);R是同一幀內(nèi)M個(gè)依次比maxR小的誤差累加次數(shù)的均值,如果maxR和R相差越大,則說明該匹配點(diǎn)越可靠。本算法可根據(jù)計(jì)算速度的需要對(duì)M取值,一般可以取M等于20～100的任何值。若C0大于閾值T0,則認(rèn)為相關(guān)匹配值maxR符合幀內(nèi)置信度,更新圖像跟蹤模板;否則,相關(guān)匹配不可靠,不更新圖像跟蹤模板。閾值T0根據(jù)圖像的質(zhì)量和經(jīng)驗(yàn)來確定,這里我們?nèi)0=0.6。

實(shí)踐證明,在序列圖像跟蹤過程中,若單純地利用當(dāng)前圖像的最佳匹配位置處的圖像跟蹤模板作為依據(jù)進(jìn)行下一幀圖像的匹配,則跟蹤結(jié)果很容易受某一幀發(fā)生突變的圖像的影響而偏離正確位置。因此,本系統(tǒng)采用基于置信度的加權(quán)自適應(yīng)模板修正算法:如果當(dāng)前幀匹配質(zhì)量很差,則該幀圖像數(shù)據(jù)不進(jìn)行修正;而若當(dāng)前幀匹配質(zhì)量很好,則該幀圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行修正,加權(quán)修正算法表示如下式:

上式中,T(i,j,t)為當(dāng)前幀使用的圖像跟蹤模板,O(i,j,t)為當(dāng)前幀最佳匹配位置的子圖像,T(i,j,t+1)為預(yù)測(cè)得到的下一幀圖像坐標(biāo),α為加權(quán)系數(shù)(0≤α≤1),該系數(shù)的大小根據(jù)幀內(nèi)相關(guān)置信度C0,按照下式計(jì)算:

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在嵌入式系統(tǒng)與機(jī)器視覺控制系統(tǒng)的交叉點(diǎn)展開研究,目的是將具有重要意義的機(jī)器視覺控制系統(tǒng)應(yīng)用到具有廣泛基礎(chǔ)的嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)上,拓展機(jī)器視覺的應(yīng)用范圍。通過對(duì)機(jī)器視覺控制系統(tǒng)及嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的選擇,并對(duì)基于嵌入式機(jī)器視覺控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)問題展開研究,以此為依據(jù),設(shè)計(jì)了相應(yīng)的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng),并將其應(yīng)用到智能機(jī)器人視覺的控制上。

參考文獻(xiàn):

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[2] 段峰,王耀南,雷曉峰.機(jī)器視覺技術(shù)及其應(yīng)用綜述[J].自動(dòng)化博覽,2002,19(3):59-61.

嵌入式設(shè)計(jì)系統(tǒng)范文第4篇

引言

物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的嵌入式系統(tǒng)對(duì)互聯(lián)網(wǎng)開放。本質(zhì)可靠的嵌入式系統(tǒng)有可能遭遇互聯(lián)網(wǎng)病毒或惡意入侵的攻擊事件而出現(xiàn)安全問題，這是物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代嵌入式系統(tǒng)面臨的新挑戰(zhàn)。在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的安全架構(gòu)中，有一個(gè)明顯的非安全入侵界面，設(shè)立歸一化安全交互通道、實(shí)現(xiàn)交互通道界面的安全管理，是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中嵌入式系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)的重要原則。

1電子系統(tǒng)的智能化與集群化

我們從電子系統(tǒng)的時(shí)代變革中，可以明顯看出電子系統(tǒng)的智能化、集群化趨勢(shì)。傳統(tǒng)電子系統(tǒng)，是孤立的泛性產(chǎn)品系統(tǒng)（沒有歸一化內(nèi)核）；智能電子系統(tǒng)，是歸一化微控制器內(nèi)核基礎(chǔ)上智能產(chǎn)品系統(tǒng)，并從單個(gè)產(chǎn)品走向集群（分布式集群、總線集群、局域網(wǎng)集群）；物聯(lián)網(wǎng)電子時(shí)代的嵌入式系統(tǒng)，是普遍具有互聯(lián)網(wǎng)接入功能的智能電子系統(tǒng)，有緊耦合與松耦合接入兩種狀態(tài)。松耦合的智能電子系統(tǒng)是一個(gè)獨(dú)立的產(chǎn)品系統(tǒng)，通常在網(wǎng)下使用，需要時(shí)接入，如手機(jī)、桌面電腦、智能家電等；緊耦合的智能電子系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)，如市政交通管理系統(tǒng)、小區(qū)物業(yè)安全管理的實(shí)時(shí)監(jiān)視電子系統(tǒng)。目前，傳統(tǒng)電子系統(tǒng)基本被淘汰，智能電子系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)電子系統(tǒng)會(huì)長(zhǎng)期并存。與3個(gè)電子時(shí)代相對(duì)應(yīng)的開發(fā)環(huán)境變遷，是產(chǎn)品開發(fā)的平臺(tái)化與可靠性設(shè)計(jì)內(nèi)容的變遷。傳統(tǒng)電子時(shí)代是電子工程師單打獨(dú)斗的時(shí)代，電子產(chǎn)品的功能性設(shè)計(jì)、低功耗設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)完全依靠電子工程師的聰明才智，由電子工程師獨(dú)立完成。智能電子時(shí)代，產(chǎn)品硬件體系設(shè)計(jì)是電子工程師在微控制器、大規(guī)模集成電路的功能模塊基礎(chǔ)上的配置設(shè)計(jì)；產(chǎn)品的軟件體系設(shè)計(jì)是集成開發(fā)環(huán)境、操作系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)工程方法基礎(chǔ)上的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。微控制器、集成電路、集成開發(fā)環(huán)境、操作系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)工程方法等，構(gòu)成了形形的知識(shí)平臺(tái)。這些平臺(tái)不只是簡(jiǎn)單的知識(shí)集成，而是具有人工智能、可以代替人類個(gè)體腦力勞動(dòng)的知識(shí)力量平臺(tái)。例如，原先設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時(shí)，電子工程師必須了解模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)的知識(shí)與技術(shù)，如今，有了A／D轉(zhuǎn)換芯片，便可省去電子工程師的這部分腦力勞動(dòng)。又如，沒有實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)時(shí)，電子工程師設(shè)計(jì)嵌入式程序時(shí)，必須認(rèn)真考慮多任務(wù)系統(tǒng)程序的實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)與管理，有了實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，所有這些任務(wù)的協(xié)調(diào)與管理都由操作系統(tǒng)依靠協(xié)議自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。因此，智能電子時(shí)代的電子產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計(jì)，進(jìn)入到人工智能的平臺(tái)化開發(fā)時(shí)代。與智力替代的平臺(tái)開發(fā)模式相對(duì)應(yīng)的是可靠性設(shè)計(jì)內(nèi)容的變遷。傳統(tǒng)電子系統(tǒng)的可靠性完全依靠電子工程師的精心設(shè)計(jì)。智能電子時(shí)代，電子系統(tǒng)的可靠性、安全性設(shè)計(jì)進(jìn)入到智能化、平臺(tái)化的設(shè)計(jì)時(shí)代，從而使智能電子系統(tǒng)的可靠性、安全性設(shè)計(jì)到達(dá)最高境界。物聯(lián)網(wǎng)電子時(shí)代，智能電子系統(tǒng)對(duì)互聯(lián)網(wǎng)開放，導(dǎo)致互聯(lián)網(wǎng)中各種不安全因素對(duì)智能電子系統(tǒng)的入侵。因此，物聯(lián)網(wǎng)電子系統(tǒng)安全性、可靠性設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方法是對(duì)入侵窗口的管理設(shè)計(jì)。

2物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的安全性架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)安全體現(xiàn)在一個(gè)個(gè)具體的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)安全性設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分了解物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的安全性架構(gòu)。

（1）物聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

通常，人們用應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、感知層來概括物聯(lián)網(wǎng)。應(yīng)用層描述了物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中形形的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)，人們通常論及的物聯(lián)網(wǎng)都是一個(gè)個(gè)具體的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。早期，人們用應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、感知層來描述物聯(lián)網(wǎng)，缺失了控制層，在許多物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，控制層是必不可少的內(nèi)容，我們可以用網(wǎng)絡(luò)層、感知層與控制層來構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)模型。

（2）物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)模型

圖1是一個(gè)由互聯(lián)網(wǎng)與嵌入式集群系統(tǒng)構(gòu)成的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)最簡(jiǎn)模型。嵌入式集群系統(tǒng)通常都是一個(gè)嵌入式系統(tǒng)的局域網(wǎng)，互聯(lián)網(wǎng)直接服務(wù)于物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層與管理層，每個(gè)局域網(wǎng)中的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)都有可能直接與互聯(lián)網(wǎng)相連。感知層、控制層由嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成，嵌入式局域網(wǎng)將它們聯(lián)接起來，形成嵌入式集群系統(tǒng)。當(dāng)這個(gè)嵌入式集群系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)相連后，便構(gòu)成一個(gè)具體的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。通常，嵌入式集群系統(tǒng)是一個(gè)安全、可靠的嵌入式系統(tǒng)局域網(wǎng)。接入互聯(lián)網(wǎng)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)新的可靠性、安全性問題，即互聯(lián)網(wǎng)惡意入侵產(chǎn)生的安全性問題。在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)模型中，它體現(xiàn)為一個(gè)非安全的入侵界面。

（3）物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的安全性架構(gòu)

從圖1的模型可以看出，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)是本質(zhì)可靠的嵌入式系統(tǒng)與本質(zhì)非可靠的互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成的交互系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)可以有多個(gè)渠道交互（因?yàn)榍度胧较到y(tǒng)都有獨(dú)立的互聯(lián)網(wǎng)接入功能），這些交互渠道都可能會(huì)帶來可靠性、安全性問題。在嵌入式系統(tǒng)的高可靠性基礎(chǔ)上，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是入侵界面的管控與感知層、控制層的安全防護(hù)設(shè)計(jì)。

3物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的安全性設(shè)計(jì)原則

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)中，許多安全性問題最終都會(huì)反映在嵌入式系統(tǒng)的感知層與控制層上。嵌入式系統(tǒng)的安全性問題是由互聯(lián)網(wǎng)的安全性因素引起的。因此，最大限度地減少互聯(lián)網(wǎng)對(duì)嵌入式系統(tǒng)的入侵渠道，是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)的重要原則。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的安全性設(shè)計(jì)模型如圖2所示。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的安全性設(shè)計(jì)目標(biāo)，是要建立一個(gè)歸一化的安全性管理界面。所有交互行為都通過歸一化界面進(jìn)行管理，可以大大減少互聯(lián)網(wǎng)的入侵渠道，有利于減少安全漏洞與實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全性的集中管理，防止出現(xiàn)安全患。實(shí)現(xiàn)界面安全的防入侵管理是入口的驗(yàn)證環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)。密碼驗(yàn)證是最常使用的一種方法，還有數(shù)符密碼與生物特征密碼（指紋、掌紋、人臉、虹膜等）。除此以外，在交互中實(shí)時(shí)使用的校驗(yàn)碼也是行之有效的方法。感知層、控制層的安全防護(hù)設(shè)計(jì)也是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)的重要一環(huán)。感知層能迅速感知系統(tǒng)的應(yīng)急狀態(tài)，并即時(shí)啟動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)急處理（關(guān)閉并進(jìn)入安全狀態(tài)）。2016年3．15晚會(huì)，恰逢谷歌“AlphaGo”掀起的人工智能熱潮，央視在會(huì)上演示了讓人驚心動(dòng)魄的智能電子系統(tǒng)的安全漏洞。畫面上演示了不法分子通過手中的設(shè)備侵入無人機(jī)系統(tǒng)，接管了無人機(jī)，而無人機(jī)機(jī)主無能為力；一位黑客在一戶人家的外面成功入侵該住宅的Wi－Fi，并控制了該家庭的所有智能設(shè)備，包括智能洗衣機(jī)、烤箱和智能攝像頭，可以讓滾筒洗衣機(jī)空轉(zhuǎn)、讓烤箱的溫度飆升到危險(xiǎn)數(shù)值甚至引發(fā)火災(zāi)，讓智能攝像頭隨意轉(zhuǎn)動(dòng)拍攝，偷窺用戶的室內(nèi)活動(dòng)和隱私等。這些都是物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代嵌入式系統(tǒng)的安全隱患。嵌入式系統(tǒng)本身是安全可靠的，因?yàn)樗且粋€(gè)是封閉型的本質(zhì)安全系統(tǒng)。多年來，家庭中的洗衣機(jī)、電冰箱、烤箱、微波爐、電視機(jī)等智能設(shè)備從來沒有出現(xiàn)過上述的安全事故。只有嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)開放后，才會(huì)出現(xiàn)安全漏洞。上述安全事故是在智能設(shè)備接入Wi－Fi網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)后，形成的非安全的入侵渠道所致。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中智能硬件的安全漏洞在于對(duì)互聯(lián)網(wǎng)的開放，這個(gè)安全漏洞是可控的。只要減少互聯(lián)網(wǎng)接入的通道數(shù)量，在這些接入通道中設(shè)立可靠的校驗(yàn)、準(zhǔn)入管理環(huán)節(jié)，就能保證系統(tǒng)安全。

4物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代嵌入式系統(tǒng)面臨的新挑戰(zhàn)

嵌入式設(shè)計(jì)系統(tǒng)范文第5篇

關(guān)鍵詞：WSN；TinyOS；嵌入式；ZigBee；GENE－8310

中圖分類號(hào)：TP316

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004―373X(2008)04―159―03

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前國(guó)際上備受關(guān)注的、多學(xué)科高度交叉、知識(shí)高度集成的前沿?zé)狳c(diǎn)研究技術(shù)，其核心技術(shù)Tinyos被譽(yù)為是“無線嵌入式系統(tǒng)”。Tinyos是一個(gè)開源的嵌入式操作系統(tǒng)，他由加州大學(xué)的伯利克分校開發(fā)出來，越來越多的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議正不斷被開發(fā)并加入Tinyos系統(tǒng)組件中，并應(yīng)用于技術(shù)研究和系統(tǒng)開發(fā)中。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常利用無線技術(shù)在某個(gè)區(qū)域內(nèi)實(shí)時(shí)部署一個(gè)專用的無線局域網(wǎng)絡(luò)。傳輸傳感器上采集到的數(shù)據(jù)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要目標(biāo)。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署過程，Web服務(wù)器是確立網(wǎng)絡(luò)部署和監(jiān)控通信傳輸?shù)年P(guān)鍵。由于嵌入式操作系統(tǒng)具有高可靠性，在惡劣環(huán)境或突然斷電的情況下，系統(tǒng)仍然能夠正常工作，系統(tǒng)中的軟件代碼一般都固化在只讀存儲(chǔ)器中。因此，要求在惡劣環(huán)境中仍然能高穩(wěn)定工作的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以采用嵌入式操作系統(tǒng)作為其實(shí)現(xiàn)平臺(tái)，這其中包括：嵌入式Linux，Windows CE，Windows XP Embedded，VxWorks，gCOSⅡ，QNX，F(xiàn)reeRTOS，還有定制版的NetBSD和FreeDOS等多種移植平臺(tái)。本文主要采用Windows XPEmbedded設(shè)計(jì)平臺(tái)。

本文主要致力于在嵌入式開發(fā)板GENE－8310上移植Tinyos應(yīng)用操作系統(tǒng)，將GENE－8310作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的遠(yuǎn)程服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)與有線網(wǎng)絡(luò)的跨網(wǎng)段傳輸和遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控。GENE－8310是研揚(yáng)科技研制的第三代無風(fēng)扇解決方案，與以往的3.5 in單板電腦相比GENE-8310在低功耗和高性能方面都有很大的改進(jìn)，對(duì)于客戶在低功耗控制下的優(yōu)秀處理能力等更高需求方面都是最好的選擇。

1　嵌入式Tinyos移植

嵌入式Tinyos移植方案方框圖如圖1所示：

首先，在開發(fā)機(jī)PC上，利用Microsoft Windows Em―bedded Studio工具套件中的組件設(shè)計(jì)器開發(fā)出網(wǎng)關(guān)MIB520的驅(qū)動(dòng)組件，并結(jié)合第三方工具DependencyWalker，InCtrl5開發(fā)出應(yīng)用程序cygwin.bat的組件，之后把構(gòu)建完成的驅(qū)動(dòng)組件和應(yīng)用程序組件通過工具套件中的組件數(shù)據(jù)庫(kù)管理器導(dǎo)入到組件數(shù)據(jù)庫(kù)中，以便開發(fā)操作系統(tǒng)時(shí)添加。接下來定制Windows XP Embedded操作系統(tǒng)的功能組件，確定系統(tǒng)所支持的功能，再利用目標(biāo)設(shè)計(jì)器添加功能組件、組件數(shù)據(jù)庫(kù)中的驅(qū)動(dòng)組件和應(yīng)用程序組件并生成Windows XP Embedded操作系統(tǒng)映像。最后再把操作系統(tǒng)映像部署到嵌入式目標(biāo)平臺(tái)――GENE－8310中，并將其作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)Web服務(wù)器，驗(yàn)證Tinyos移植的結(jié)果。

2　嵌入式Tinyos移植開發(fā)流程

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由節(jié)點(diǎn)、服務(wù)器和遠(yuǎn)程PC終端組成。節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集外部數(shù)據(jù)，完成后把數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)到服務(wù)器，最后由遠(yuǎn)程PC實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。其中網(wǎng)關(guān)的作用重大，但是需要手動(dòng)安裝驅(qū)動(dòng)。通過網(wǎng)關(guān)驅(qū)動(dòng)組件的開發(fā)，便可把網(wǎng)關(guān)驅(qū)動(dòng)集成在操作系統(tǒng)映像中，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別網(wǎng)關(guān)。同理，應(yīng)用程序也可作成組件。具體的移植開發(fā)流程如下：

(1)開發(fā)網(wǎng)關(guān)驅(qū)動(dòng)組件。該功能的實(shí)現(xiàn)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，可以將設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序.INF文件直接導(dǎo)入到組件設(shè)計(jì)器工具中。組件設(shè)計(jì)器會(huì)根據(jù)INF文件自動(dòng)配置相關(guān)文件，之后便可生成該驅(qū)動(dòng)組件。

(2)開發(fā)相關(guān)的應(yīng)用程序組件。這里利用第三方工具軟件和Windows Embedded Studio工具套件來共同開發(fā)。首先利用InCtr15從安裝程序中捕獲信息，確定應(yīng)用程序所需的文件和注冊(cè)表設(shè)置。然后再根據(jù)DependencyWalker獲得應(yīng)用程序依賴項(xiàng)，即程序運(yùn)行所必須的DLL的列表。最后再利用Windows Embedded Studio工具套件中的組件設(shè)計(jì)器生成該應(yīng)用程序組件。

(3)定制Windows XP Embedded操作系統(tǒng)映像。確定Windows XP Embedded操作系統(tǒng)所要支持的功能組件，如要支持USB設(shè)備，則添加相關(guān)USB功能組件，要支持網(wǎng)絡(luò)功能，則添加TCP／IP協(xié)議。通過可實(shí)現(xiàn)縮小嵌入式系統(tǒng)的體積，這就嵌入式系統(tǒng)的可裁減特性，便于實(shí)現(xiàn)特定場(chǎng)合的應(yīng)用。

(4)生成和部署Windows XP Embedded操作系統(tǒng)映像。定制完系統(tǒng)功能之后，利用目標(biāo)設(shè)計(jì)器添加功能組件，進(jìn)行關(guān)聯(lián)性檢查之后生成Windows XP Embedded操作系統(tǒng)映像。該映像可以在目標(biāo)設(shè)備上直接運(yùn)行，并可以運(yùn)行特定的應(yīng)用程序。

(5)移植應(yīng)用及功能測(cè)試。當(dāng)應(yīng)用程序移植完后，必須測(cè)試其能否在目標(biāo)設(shè)備正常運(yùn)行。運(yùn)行應(yīng)用程序，如果應(yīng)用程序無法運(yùn)行，則其會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的提示信息，如文件無法找到等，根據(jù)提示添加缺少的文件和注冊(cè)表項(xiàng)即可解決。因?yàn)門inyos的主要應(yīng)用是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，故將其應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的Web服務(wù)器。

無線傳感器將采集溫度數(shù)據(jù)，在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行正常、應(yīng)用程序移植成功的情況下，遠(yuǎn)程主機(jī)能接收到溫度數(shù)據(jù)，并能顯示出來。

2.1 MIB520網(wǎng)關(guān)驅(qū)動(dòng)組件開發(fā)

MIB520具備網(wǎng)關(guān)的基本功能，接口為USB。安裝完MIB520驅(qū)動(dòng)之后，其會(huì)在計(jì)算機(jī)上生成2個(gè)虛擬串口，一般是COM3和COM4。COM3一般是編程端口，COM4為通信端口。驅(qū)動(dòng)程序里包括2個(gè)FTDIBUS，INF和FT―DIPORT.INF文件，他含有網(wǎng)關(guān)的信息或腳本和控制網(wǎng)關(guān)的操作。在INF文件中指明網(wǎng)關(guān)驅(qū)動(dòng)該如何安裝到系統(tǒng)中，源文件在哪里、安裝到哪一個(gè)文件夾中、怎樣在注冊(cè)表中加入自身相關(guān)信息。設(shè)計(jì)主要分為6步：

(1)在組件設(shè)計(jì)器里分別導(dǎo)入網(wǎng)關(guān)驅(qū)動(dòng)自帶的FT―DIBUS，INF和FTDIPORT，INF文件；

(2)在驅(qū)動(dòng)程序目錄里找出Files列出的文件名稱，把這些文件拷貝到自己命名的文件夾里；

(3)在Repositories文件夾下新建一個(gè)Repositories，重命名為FTDIBUS，在Source Path中，找到剛才拷貝Files下文件所在的文件夾，并添加；

(4)點(diǎn)擊Component下USB Serial Converter組件，在右邊找到“Repository”，點(diǎn)擊Repositories按鈕，選中新建的Repository為FTDIBUS；

(5)在Components上點(diǎn)右鍵，選擇release，在Group Memberships上，右鍵選擇Add Group Membership，并選擇一個(gè)組；

(6)在目標(biāo)設(shè)計(jì)器中搜索可找到4個(gè)與網(wǎng)關(guān)相關(guān)的組件USB Serial Converter，USB Serial Portl，USB Serial Port2，USB Serial Port3

2.2應(yīng)用程序組件開發(fā)

移植TinyOS嵌入式系統(tǒng)需要開發(fā)MoteWorks 2.0，Cygwin和XServe三個(gè)部分的組件。在移植過程中需要先利用InCtrl5導(dǎo)出應(yīng)用程序組件所需的文件清單和注冊(cè)表信息。在獲得相關(guān)文件后，應(yīng)用程序組件的開發(fā)過程與驅(qū)動(dòng)組件開發(fā)大體上相似。不同的是，他沒有.INF文件，故Components文件夾下的Files，Registry Data下的文件和注冊(cè)表項(xiàng)需要手動(dòng)添加，并且要設(shè)置好在目標(biāo)設(shè)備上的路徑。

2.3構(gòu)造Windows XP Embedded操作系統(tǒng)映像

(1)目標(biāo)平臺(tái)分析。分析目標(biāo)設(shè)備上GENE－8310的硬件，使用的硬件分析工具TAP.EXE來識(shí)別硬件。他會(huì)對(duì)的系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)，并創(chuàng)建一個(gè)硬件定義文件devices.pmq。

(2)創(chuàng)建初始化配置。在目標(biāo)設(shè)計(jì)器上創(chuàng)建一個(gè)配置(Configuration)，并重命名為WSN SERVERO.six，導(dǎo)入devices.pmg。文件導(dǎo)入過程，即分析硬件，并從組件數(shù)據(jù)庫(kù)中選取相應(yīng)組件的過程。完成后軟件自動(dòng)添加所有的硬件支持組件。此時(shí)，系統(tǒng)共添加了66組件，F(xiàn)AT格式下大小為6676 kB，NTFS格式下為4806 kB。

(3)關(guān)聯(lián)性檢查。在目標(biāo)設(shè)計(jì)器的菜單欄Tools的Options_中對(duì)關(guān)聯(lián)性檢查進(jìn)行設(shè)置。將Dependency Check中的Auto_resolve dependencies選項(xiàng)鉤上。設(shè)置完后，關(guān)聯(lián)性檢查會(huì)自動(dòng)添加關(guān)聯(lián)的組件，如果要把握組件的內(nèi)在聯(lián)系，則Auto-resolve dependencies前的鉤可以去掉，但是要根據(jù)提示逐一添加。此時(shí)，系統(tǒng)添加的組件已達(dá)423個(gè)，壓縮后大小為120 MB。但是提示有4errors。這是由于一些功能組件未添加進(jìn)去，如要支持的語(yǔ)言、登陸方式、文件系統(tǒng)等。雙擊提示，分別選擇NT Loader，English Language Support，Windows Logon，F(xiàn)AT Format，NTFS Format。

(4)定制功能組件。根據(jù)傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，要求支持USB設(shè)備、TCP／IP協(xié)議，則這二者必須添加。其余的功能組件也適當(dāng)添加，組件添加完成后，所有的組件列表如圖2所示。

(5)生成映像

向WSN SERVER0配置中添加上述必須的核心組件。再次進(jìn)行關(guān)聯(lián)性檢查，完成無誤后，展開WSNSERVER0.six，選中Settings，這時(shí)右邊的屬性設(shè)置面板會(huì)顯示可以設(shè)置的選項(xiàng)。以上設(shè)置完成后，組件達(dá)527個(gè)，壓縮后大小為186MB。最后，按下Build按鈕，目標(biāo)設(shè)計(jì)器會(huì)完成映像的構(gòu)建，并輸出到指定的文件下。

2.4部署Windows XP Embedded操作系統(tǒng)映像

將GENE－8310的硬盤格式化，分區(qū)并激活主分區(qū)。然后將開發(fā)機(jī)上生成的映像(D盤目錄中)拷貝到GENE－8310 C盤的根目錄下。

將顯示器、硬盤、光驅(qū)、鼠標(biāo)、鍵盤連接至GENE一8310，從光盤啟動(dòng)進(jìn)入DOS環(huán)境下，運(yùn)行BOOTPREP.EXE(可以在開發(fā)機(jī)C：\Program Files\Windows Embed-ded\utilities中找到)。重啟進(jìn)入FBA(First Boot Agent)階段，第一次啟動(dòng)Windows XP Embedded后系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行必要的設(shè)置，會(huì)花費(fèi)比較長(zhǎng)的時(shí)間。FBA之后，系統(tǒng)就可以正常運(yùn)行，到此，完成了整個(gè)開發(fā)過程。

3 系統(tǒng)測(cè)試

在系統(tǒng)測(cè)試過程中，本文使用了采用克爾斯博科技公司的Micaz和配套的網(wǎng)關(guān)MIB520搭建的實(shí)際的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。調(diào)試無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要工作在于驗(yàn)證移植的應(yīng)用程序cygwin，bat調(diào)用的XServe能否正常工作。調(diào)試完cygwin.bat界面如圖3所示。

在命令提示符后輸入xserve―device=corn4，即調(diào)用XServe。XServe調(diào)用結(jié)果顯示如圖4所示。

最后，在客戶端MoteView顯示的溫度數(shù)據(jù)如圖5所示：

Data標(biāo)簽下顯示的是該傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)的溫度數(shù)據(jù)，在temp一欄顯示為29.65C。至此，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的調(diào)試工作已經(jīng)完成，GENE－8310實(shí)現(xiàn)了作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)Web服務(wù)器的功能，證明Tinyos應(yīng)用操作系統(tǒng)移植成功。