基於ARM的自來水廠全自動恆壓供水監控系統

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  隨著越來越多的場合正向自動化無人職守邁進，尤其在安全、監控等領域。為了進一步降低成本，減少人力的投資，以及更集中、更方便的掌握現場情況，許多場合都採用了電子監控裝置，如辦公室，發電站，機場，海關等等領域。而這些電子裝置的設計無疑涉及到這些領域的安全性，這就對監控裝置的成本，穩定性，以及效能三方面都提出了更高的要求。
  本系統的研究背景主要是根據現有視訊監控系統的不足，旨在降低系統的成本和提高系統的效能。它採用了價格低廉的三星應用處理器S3C2410，並使用軟體音、視訊編解碼器，能實現以250Kbps和350Kbps的編碼位流速進行網路傳輸，並以160128和320240兩種顯示分辯率，可以進行良好的視訊監控。同時，它的一個最大的特點是可以在終端上進行錄影，而不需要通過PC機，這樣既適合低功耗的場合，又可以減少的系統的複雜性。
  影像採集終端則採用價效比很高的USB型攝像頭，在市場上很容易買到，同時，USB型攝像頭具有很好的通用性，驅動程式豐富，可以減少程式碼的編寫。由於本系統使用標準的乙太網進行傳輸，因此係統支援無限個終端進行級聯，監控區域可以很輕易的進行擴大。
  綜上所述，本系統採用ARM９處理器，USB攝像頭，標準乙太網傳輸，實現了一個效能良好的視訊監控系統。
關鍵詞：嵌入式；Linux；ARM；CODEC；視訊監控
3 網路監控系統概述
3.1 系統簡介
  隨著社會的秩序問題日趨嚴重，為了加強區域的安全性，網路監控系統越來越得到重視，到現在已經廣泛的應用於交通、海關、航空等領域。本系統以全新的思路設計，整合了目前嵌入式系統的新技術，從效能、成本，操作方面進行最大的優化，使得本系統能夠應用到更多的場合。系統由前端的影像採集和影像壓縮，通過乙太網把影像資料傳輸到監控端，在監控端實現現場監控的作用。
3.2 系統組成
  網路監控系統是以影像採集端、網路樞紐、宿主端三部分構成。
  影像採集端主要是由嵌入式主機板組成，其硬體包含：嵌入式處理器、網路控制器、儲存器、電源模組等，而軟體則包括：嵌入式作業系統、TCP/IP協議棧、儲存器管理等。通常所構成的系統的主要功能是採集現場的情況，以某種影像格式進行編碼壓縮，再通過網路控制器把影像資訊傳送給宿主端，以達到監控目的。
  網路樞紐是指為了實現遠端監控的功能，在網路傳輸過程中，需要多個網路中繼站，即網路路由器，通過這種方式，可以進行網路級聯，最後達到多點同時監控的目的。即節省了宿主端的數目，同時又簡化了操作和管理，實現一主多從的集散型監控方式。
  宿主端即監控端，通常以PC主機和顯示裝置組成。宿主端把各採集點回傳的資料進行解壓顯示，以多視窗的方式顯示各個監控點的現場情況，即可達到非常及時的監控效果。
3.3 系統框圖
系統框圖見 圖 3.1

4 嵌入式系統簡介
4.1 主流嵌入式作業系統的比較
  嵌入式作業系統以其微小核心、可移植、可裁剪、原始碼開放的特性在嵌入式領域得到廣泛的應用。對於不同的產品，不同的應用場合，可以選擇合適的嵌入式作業系統。到目前為此，全世界範圍內出現的嵌入式作業系統高達200多種，它們專為嵌入式應用而開發，使得嵌入式產品的開發越來越方便，價格也變得越來越低廉，在航空、通訊、娛樂等領域已經得到了很好的應用。
較為流行的嵌入式作業系統有：Linux，Windows CE，VxWorks，μC/OS等等
4.1.1 Windows CE
  Windows CE是微軟公司的產品，它是以Windows作業系統核心作為基礎，為有限資源的平臺進行簡化，並保留了多執行緒、優先權、多工、可移植等特性。Windows CE和PC機使用的Windows 作業系統的最大區別是採用了模組化設計，從而使得Windows CE可以安裝到儲存空間並不大的嵌入式裝置，通常Windows CE的核心映像檔案最小可以達到200KB，對於現有嵌入式裝置的儲存空間有限的情況下，Windows CE仍然可以得到非常好的應用。
  目前，全球範圍內已經有上千家公司採用Windows CE進行各種各樣的嵌入式產品開發。典型的新產品有手機、POS終端、ATM終端、工業控制系統等等。當然，Windows CE屬於商業產品，當使用Windows CE進行產品開發時，需要支付3美元~20美元的授權費。
4.1.2 Linux
  Linux是嵌入式領域中發展最快、應用最廣的一個作業系統。Linux是在GPL下發行的作業系統，與其他現有的作業系統相比有以下特點：
(1) 完全原始碼開放
(2) 可以免費獲得
(3) 支援數十種不同的處理器
(4) 可移植
(5) 可裁剪
  其中，“免費”和“開源”是Linux最有競爭力的特點。在全球範圍內，已經有不計其數的個人、企業正在使用Linux。隨著Linux的進一步成熟，它以更小程式碼尺寸和更多不同平臺的支援，大大的減少了新產品的成本和研發時間，吸引了越來越多的裝置生產商，到現在，Linux已經成為世界主流的嵌入式作業系統。
  根據IDC報告指出，Linux已經成為世界第二大作業系統。並且每年以高於25%的速度增長，再加上基於Linux的變種體，如實時效能較強的RTLinux、RTAI，Kurt和Linux/RK，能在沒有MMU處理器上執行的μCLinux，更是把Linux的應用領域擴充套件到了工業控制和軍事工業以及航空工業。
4.1.3 VxWorks
  VxWorks是WindRiver公司專門為實時系統而設計的一款優秀的實時作業系統。VxWorks以其超微小的核心提供了實時任務排程、中斷管理、任務間通訊等功能。由於WindRiver已經為VxWorks作了大量的優化工作，其優異的效能和穩定的特點使得程式設計師只要專心編寫應用程式，根本不需要去關心繫統核心的管理。除此之外，VxWorks具備完善的網路通訊，檔案系統等模組，可以應用到各種不同的場合。下面羅列了VxWorks的一些主要特點：
(1) 任務間通訊機制
(2) 網路協議
(3) 檔案系統
(4) I/O管理
(5) 超微小核心
(6) POSIX標準實時擴充套件
(7) 支援C++語言
4.1.4 μC/OS
  μC/OS是由美國的Jean J.Labrosse編寫的一個小型實時作業系統。該系統從1992年開始至今，已經發展到了第二個版本μC/OS II。μC/OS的特點是：公開原始碼，核心簡潔，可移植性好，可裁剪，可固化，搶佔式核心，可以管理60多個任務。該系統主要用於教育研究，和一些簡單的控制系統應用。
4.2 常用的嵌入式處理器
4.2.1 ARM
  ARM(Advanced RISC Machines)公司是英國一家CPU核設計商，它本身並不生產CPU，而是設計出CPU以IP核的方式授權給其他公司生產。ARM處理器目前主要包括ARM7，ARM9，ARM10，ARM11以及Cortex 和SecurCore系列。ARM公司推出的嵌入式處理器幾乎含蓋了所有層次的處理器，主頻也從50MHz到1GHz不等。到目前為此，ARM處理器已經成為嵌入式領域的神話，其市場份額高達80%以上，應用範圍涉及手機，端終，控制，家電等等。
4.2.2 MIPS
  MIPS（Microprocessor whithout Interlocked Pipeline Stages）是一種處理器核心標準，它由MIPS技術公司開發擬定的。MIPS技術公司是一家設計製造高效能、高檔次的嵌入式32位和64位處理器開發商，在RISC處理器領域佔有很重要的地位。2000年，MIPS公司釋出了針對MIPS 32 4 Kc的新版本以及未來64位MIPS 64 20 Kc處理器核心。
  MIPS技術公司既開發MIPS處理器構架，又自己生產基於MIPS的32/64位處理器晶片。為了使使用者更加方便地應用MIPS處理器，MIPS公司推出了一套整合開發工具，稱為MIPS IDF（Integrated Development Framework）,大大的降低了開發的難度。
4.2.3 PowerPC
  Power PC構架的主要特點是可伸縮性好，方便靈活。Power PC處理器品種很多，既有通用的處理器，又有嵌入式控制器和核心，應用範圍非常廣泛，從高階的工作站、伺服器到個人PC，從消費類電子產品到大型通訊裝置等各個方面。
  目前Power PC獨立微處理器與嵌入式處理器的主頻從25MHz~700MHz之間，它們的功耗，尺寸，價格相差比較大，主要的產品模組有Power PC 750 CX和 750 CXe，以及Power PC 440GP，用於嵌入式系統的有Power PC405和Power PC 440。Power PC的嵌入式處理器常用於通訊，金融和其他終端裝置。
5 ARM處理器
5.1 ARM構架特點
5.1.1 ARM的特點
  ARM主要特點：體積小、低功耗、低成本、高效能。
  支援16位Thumb和32位ARM指令，Thumb指令可以減少大約30%~40%的程式碼大小，具有更高的程式碼密度，大量使用暫存器，指令執行速度更快，ARM共有37個32位暫存器，被分為若干組，其中：
-31個通用暫存器，包括程式計數器（PC）
-6個狀態暫存器，用以標誌CPU的工作狀態和執行狀態等
  大多數的資料操作都在暫存器中完成，定址方式靈活簡單，執行效率高指令長度固定Load/Store載入/儲存指令實批量資料傳輸，大大的提高了執行效率。
5.1.2 ARM的模式
  為了加強系統的安全性和對時間的響應，ARM設計了7種系統模式，以適應於不同的場合。
例如，在時間要求比較嚴格的時候，可以進入fiq模式對事件進行響應，可以減少響應時間。而在多工作業系統下，可以使用使用者模式和系統模式來加強系統的安全。
ARM七種模式如下：
(1) 使用者模式（usr）
(2) 快速中斷（fiq）
(3) 外部中斷（irq）
(4) 管理模式（svc）
(5) 資料訪問中止模式（obt）
(6) 系統模式（sys）
(7) 未定義指令中止模式（und）
5.1.3 ARM的狀態
  ARM具有兩種不同的工作狀態：ARM狀態和THUMB狀態，通常，ARM在上電預設是ARM狀態，如要切換到THUMB狀態，常用的方法是使用BX跳轉指令。特別注意的是，在所有的異常模式中，都必須是在ARM狀態下實現的，這是ARM固有的特點，不需要使用者的干涉。

5.3 S3C2410硬體設計要點
  S3C2410是一款高速嵌入式處理器，由於它內建了很多外設模組，需要用到的模組可能要在外圍電路中增加一些晶片。這樣一來，加上電源、CPU最小系統以及各個模組，系統變得非常複雜。所以在繪製原理圖的時候，要注意模組化的設計，可以避免出錯。
5.3.1 S3C2410電源設計
  電源是系統的心臟，系統的穩定性很大程度上取決於電源的設計，對於S3C2410處理器，合理的電源設計如圖 5.4 S3C2410系統電源設計所示：

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