嵌入式声光数据采集平台设计论文Word文档格式.docx
《嵌入式声光数据采集平台设计论文Word文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《嵌入式声光数据采集平台设计论文Word文档格式.docx（46页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
2012年6月3日
摘要
随着网络技术和无线通信技术的发展，人们就开始不断将这些新的技术应用到实际的生产和生活中，无线传感网络就是一个很好的应用实例。
它主要由前台系统和后台系统组成。
前台系统就是由一些小型的嵌入式系统构成，而这些嵌入式系统又包括各种传感器、控制和无线通信模块，它们分布在一定的区域范围内完成信号采集、数据存储和信息转发功能，相互之间也可以交换信息。
后台系统的任务主要是分析判断从前台系统接收的信息，达到实时监测前台区域各种参数的目的，无线传感网络一般应用于监测生物栖息环境和工业生产控制过程中的温度、湿度、噪音和各种化学成分浓度等参数。
本文主要是研究无线传感网络中前台嵌入式系统的实现，简单介绍了无线通信模块的相关内容，详细论述了信号采集和信息处理的具体实现，其中包括硬件部分和软件部分。
硬件部分主要有各种传感器，如微音监听器、USB摄像头，TQ2440开发板，软件部分是研究的重点，包括引导程序u-boot，Linux内核和文件系统移植以及整个基于Qtopia的交叉开发环境的搭建，最重要的是基于Qtopia的应用程序和Linux驱动程序的开发，简单介绍了USB协议的一些内容。
关键词：
无线传感网络；
USB协议；
Qtopia；
交叉开发；
Linux设备驱动；
Linux应用程序
ABSTRACT
Withthedevelopmentofthenetworkandwirelesscommunicationtechnology,peoplehadstartedtoconstantlyapplythemtopracticalproductionandlife,theWirelessSensorNetworkisoneofthegoodapplicationexamples.Itmainlyconsistsofthefrontdesksystemandbackgroundsystem.Thefrontdesksystemisjustlikeaembeddedsystem,whichcontainsalotofsensors,controlandwirelesscommunicationmodule,theyaredistributedincertainareastoacquiresignal,storedataandforwardinformation,alsotheycancommunicatewitheachother.Themaintaskofthebackgroundsystemistheanalysisandjudgementoftheinformationreceivedfromthefrontdesksystem,toachievethepurposeofreal-timemonitoringtheareaparameters,theWirelessSensorNetworkgenerallyusedinmonitoringthetemperature,humidity,noiseandvariouschemicalcompositionconcentrationparametersofbiologicalhabitatsandindustrialproductionprocess.
ThispaperismainlyresearchtherealizationofthefrontembeddedsystemintheWirelessSensorNetworkandsimplyintroducedtherelevantcontentsofthewirelesscommunicationmodule,alsospeciallydiscussedtheimplementationofsignalacquisitionandinformationprocess.Itmainlyincludedhardwareandsoftwarecomponents.Hardwarehasallkindsofsensors,suchasthesoundlistener,USBcamerasandTQ2440developmentboard,softwareisthekeypointwhichincludesbootloader,Linuxkernel,thefilesystemandthewholecrossdevelopmentenvironmentbasedonQtopia,themostimportantisthedevelopmentofapplicationwithQtopiaandLinuxdrivers,alsointroducedsomecontentsoftheUSBprotocol.
Keyword:
Wirelesssensornetwork;
USBprotocol;
Qtopia;
CrossDevelopment;
LinuxDeviceDriver;
LinuxApplicationProgram
1无线传感网络简介1
1.1无线传感网络的概念1
1.2无线传感网络的发展历史1
1.3无线传感网络的特征1
1.4无线传感网络的主要用途2
2嵌入式系统概述3
2.1嵌入式系统介绍3
2.2嵌入式系统的组成3
2.2.1硬件部分3
2.2.2软件部分4
2.3嵌入式系统的应用4
3USB协议实现6
3.1USB协议的发展6
3.2USB协议系统架构6
3.2.1USB协议拓扑结构6
3.2.2USB的数据流传输7
3.3USB的应用8
3.3.1虚拟仪器8
3.3.2USBKEY9
3.3.3有机磷农药检测系统9
3.3.4USB事务中继技术9
3.3.5无线USB10
3.3.6家庭医疗10
3.4USB驱动10
3.4.1USB主机10
3.4.2USB设备11
4Qt/Embedded开发12
4.1Qt/Embedded简介12
4.2Qt/Embedded常用类12
4.2.1控件属性类12
4.2.2常用控件类12
4.3Qt/Embedded应用程序开发13
5硬件系统设计15
5.1信号采集模块15
5.1.1微音监听器15
5.1.2USB摄像头15
5.2主控模块16
5.2.1TQ2440开发板16
5.3通讯模块16
5.3.1无线通信技术简介16
6软件系统设计17
6.1编译开发板镜像17
6.1.1U-BOOT移植17
6.1.2内核移植18
6.1.3根文件系统制作18
6.2交叉开发环境搭建18
6.2.1交叉编译工具19
6.2.2交叉调试工具19
6.2.3Qtopia开发环境19
6.3应用程序开发19
6.3.1多通道A/D采样及波形显示19
6.3.2视频采集及显示20
6.4驱动程序开发21
6.4.1A/D驱动设计21
6.4.2USB设备驱动分析21
7系统实现及改进22
致谢24
参考文献25
附录26
1无线传感网络简介
1.1无线传感网络的概念
无线传感网络[1]（WirelessSensorNetwork）简称WSN，它是由大量静止或者移动的传感器节点有组织的分布在一定区域而构成的无线网络，其目的是协作感知、采集、处理和传输网络所覆盖区域内对象的监测信息，并报告给用户。
网络中的节点一般由一个小型的嵌入式系统组成，负责完成传感器信号的采集，数据的存储以及信息的传输等功能，它融合了传感器技术、计算机技术以及通信技术这三大信息技术，实现了真正意义上的网络化、信息化和智能化。
1.2无线传感网络的发展历史
无线传感网络的发展最早可以追溯到20世纪70年代越战期间，美国为了切断越南军队输送物资的秘密通道，就通过飞机投放了许多的“热带树”，它实际上是由震动和声响传感器组成的系统，落地后插入泥土中，只露出伪装成树枝的无线电天线，只要有车队经过，传感器探测出目标产生的震动和声响信息，自动发送到指挥中心，这是无线传感网络的雏形；
接着就是20世纪80年代至90年代之间，美军研制的分布式传感器网络系统、海军协同交战能力系统、远程战场传感器系统等，这种现代微型化的传感器具备感知能力、计算能力和通信能力，因此商业周刊将它列为21世纪最具影响力的21项技术之一；
最后就是现在的传感器网络技术，其特点主要是网络传输自组织、节点设计低功耗，由于无线传感网络在国际上被认为是继互联网之后的第二大网络，美国的《技术评论》杂志评出对人类未来生活产生深远影响的十大新兴技术，传感器网络被列为第一。
1.3无线传感网络的特征
一、大规模网络：
大规模主要体现在两方面。
一方面是传感器节点分布在很大的地理区域内，如在原始森林采用传感器网络进行森林防火和环境监测，需要部署大量的传感器节点；
另一方面，传感器节点部署很密集，在一个面积不是很大的空间内，密集部署了大量的传感器节点。
二、自组织网络。
在应用中传感器节点被放置在没有基础结构的地方，传感器节点的位置不能预先精确设定，所以这就要求传感器节点具有自组织的能力，能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监测数据的多跳无线网络系统。
三、动态性网络。
传感器网络的拓扑结构可能会因为一些因素而改变，如环境因素或电能耗尽造成的传感器节点出现故障或失效，传感器、感知对象和观察者都可能具有移动性等。
四、可靠的网络。
传感器网络特别适合部署在恶劣环境或人类不宜到达的区域，传感器节点可能工作在露天环境中，遭受太阳的暴晒或风吹雨打，甚至遭到破坏，这些都要求传感器节点非常坚固，不易损坏，适应各种恶劣条件。
1.4无线传感网络的主要用途
目前，无线传感网络的应用主要集中在以下一个领域：
首先就是环境的检测和保护，它可以跟踪候鸟和昆虫的迁移，研究环境变化对农作物的影响，监测海洋、大气和土壤成分等；
然后就是应用于医疗护理，通过在鞋、家具以及家用电器中嵌入式传感器，帮助老龄及残障人士的家庭生活，利用无线通信将传感器联网可高效传递必要的信息从而方便的进行护理；
接着就是军事领域，由于无线传感器网络具有密集型、随机分布的特点，使其非常适合应用于恶劣的战场环境中，包括侦察敌情、监控兵力、装备和物资，判断生物化学攻击等多方面用途；
最后无线传感网络还被应用于其他的一些领域，比如一些危险的工业环境如井矿、核电厂等，工作人员可以通过它实施安全检测，也可以用在交通领域作为车辆监控的有力工具。
相信随着相关技术的发展和推进，无线传感网络将会用于更多的领域。
2嵌入式系统概述
2.1嵌入式系统介绍
根据IEEE（电气与电子工程师协会）的定义，嵌入式系统[3]是“控制、监视或者辅助装置、机器和设备的装置”。
从中可以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机械等附属装置。
目前国内一个普遍被认可的定义是：
以应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件可裁剪、适应于系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。
正是由于它的体积小，成本低，可靠性高，能够完成特定的功能，所以在一些特定的场合非常适用
嵌入式系统的出现最初是基于单片机的。
70年代单片机的出现，使得汽车、家电、工业机器、通信装置以及成千上万种产品可以通过内嵌电子装置来获得更佳的使用性能，这些装置已经初步具备了嵌入式的应用特点，但是还谈不上系统的概念，但是随着程序员开始用基于操作系统编写嵌入式应用软件，这使得可以获得更短的开发周期，更低的开发资金和更高的开发效率，真正意义上的“嵌入式系统”出现了。
我们可以从以下几方面来理解嵌入式系统。
首先，嵌入式系统必须与具体应用相结合才会具有生命力、才更具有优势。
其次，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和各行业的具体应用技术相结合的产物，这就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。
最后，嵌入式系统必须根据应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。
综上，凡是与产品结合在一起的具有嵌入式特点的控制系统都可以叫嵌入式系统。
2.2嵌入式系统的组成
嵌入式系统一般由嵌入式硬件和嵌入式软件组成。
硬件是系统正常工作的基础，而软件是系统实现的灵魂。
2.2.1硬件部分
嵌入式硬件主要包括嵌入式处理器以及外围设备构成的电路。
其核心部件就是嵌入式处理器，包括基于ASIC（专用集成电路）的嵌入式微处理器，DSP系统，SOC系统以及基于现场可编程逻辑器件FPGA。
在嵌入式系统中常用的CPU体系有ARM,PowerPC,MIPS,ColdFire,Intel8051,AtmelAVR等，其中ARM是目前用途最广，产品出货量最大的，PowerPC和MIPS主要用于网络协议处理和某些工业控制场合，Intel8051和AtmelAVR都属于功能相对简单的单片机产品，但它们在一些低端的领域应用还是十分广泛的。
外围相关的硬件电路主要有内存SDRAM，NANDFLASH,SD卡，触摸屏，显示器，USB接口，网卡，串口等接口电路，这些设备和普通PC机上的不同，因为它们需要适应于特定场合环境。
2.2.2软件部分
嵌入式软件包括嵌入式操作系统以及基于系统之上开发的应用软件。
嵌入式操作系统主要用于系统硬件和软件资源的分配、任务调度、控制以及保证它们协调工作，它位于硬件和应用软件之间。
目前嵌入式操作系统一般有µ
C/OSII，嵌入式Linux，VxWorks以及Wince等。
由于嵌入式Linux是完全免费而且是开源的，它是由全世界最优秀的程序员开发，因此它比像Windows这样的商用操作系统更稳定，目前几乎所有种类的嵌入式产品都有使用Linux的，应用软件是评价一个系统好坏的标准，而且嵌入式平台上的开发比普通PC机上更复杂，因为资源、功耗等都有严格的限制，需要程序员具有良好的资源利用意识。
一般的嵌入式产品都有友好的用户界面，在嵌入式系统中比较有名的编写图形界面软件主要有Qtopia（Qt的嵌入式版本）和北京飞漫公司开发的MiniGUI，Qtopia支持几乎所有的操作系统，可以裁减，它的类库支持跨平台，它是一个非常强大的编写图形界面的软件，而“Mini”是MiniGUI的特色，轻量、高性能和高效率的MiniGui已经应用在电视机顶盒，实时控制系统，掌上电脑等场合。
2.3嵌入式系统的应用
嵌入式系统技术具有非常广阔的应用前景，其应用领域包括：
⏹工业控制领域。
由于芯片技术的发展，目前已经有大量的8、16、32位嵌入式微控制器应用于工业自动化设备中，如工业工程控制、数控机床、电力系统、电网安全、电网设备检测、石油化工系统，这样不仅大大减少了人力的需求而且使得控制更加的方便和智能。
虽然就传统的工业控制产品而言，低端的微控制器芯片使用还是占绝大多数，但是随着相关技术的发展，高端的芯片将逐渐成为工业控制的核心。
⏹智能家居领域。
这将是嵌入式系统最大的应用领域之一，各种信息家电的网络化智能化将引领人们的生活步入一个方便、快捷和安全的新环境，通过网络远程控制家里的一切，水、电、煤气表的远程控制，安全防火、防盗系统等等，只有想不到的，没有通过网络做不到的。
⏹消费电子领域。
这也是嵌入式系统应用最多的领域之一，各种消费类电子产品有手机、MP3、MP4以及PDA等都是小型的嵌入式系统。
⏹军事领域。
各种军事设备，火炮控制系统，月球车，导弹发射系统等等都是嵌入式系统。
嵌入式系统在我们的生活中随处可见，无所不包，但是嵌入式技术还在不断的发展，未来的发展趋势主要有嵌入式微处理器的发展，使得系统运行更快，功能更强大；
随着因特网技术的发展，系统更加网络化和信息化，各种系统可以统一组网，从而达到更加高效管理的目的；
嵌入式系统的内核更加精简、功耗和系统成本更低，这些都要求更先进的嵌入式软件技术；
能够提供更加友好的人机界面，方便用户的使用。
3USB协议实现
3.1USB协议的发展
随着计算机硬件的飞速发展，外围的设备也日益增多，但是这些设备的接口各不相同，有串口、并口等，为了能够让这些设备用统一的接口接入计算机，1994年底，由Intel、IBM、Microsoft等多家公司联合提出了USB（通用串行总线）这个概念，USB就是在这种情况下产生的。
USB发展经历了四个时代，从1996年推出USB1.0（Low-Speed），支持最大的传输速率为1.5Mbps，然后是USB1.1支持12Mbps（Full-Speed），接着是USB2.0（High-Speed）支持480Mbps，最后就是现在的USB3.0支持5Gbps（Super-Speed）（目前还没有普及），但是这些数据都是理论上的，现实中根本就达不到这个速度。
USB接口除了使用方便、传输速度快外，它还具有热插拔的特性，这也是为什么现在越来越多的设备支持USB接口的原因。
日常生活中，带有USB接口的设备随处可见，有鼠标、键盘、打印机、扫描仪、摄像头、U盘等几乎所有的外围设备。
USB接口的应用范围十分广泛，涉及的领域也越来越多，但是人们从没有停止过对USB接口的研究以及将它应用到更多的领域。
本文主要是论述USB在一些领域的应用。
3.2USB协议系统架构
3.2.1USB协议拓扑结构
USB协议子系统系统包括主机和设备两部分，其组成采用以下的层次结构：
图2-1USB系统的分层图
如图2-1所示，主机与USB设备间的连接使用许多层上的逻辑连接组成，就如同TCP/IP协议各层次关系一样，即总线接口层、设备层和功能层。
以下描述了USB系统的结构即总线拓扑：
（1）总线的物理拓扑结构
USB采用四线电缆，其中两根是用来传输数据的串行通道，另两根为下游设备提供电源。
USB总线会根据外设情况在两种传输模式中自动的动态切换。
USB是基于令牌的总线，类似于令牌环网络，USB主机广播令牌，总线上设备检测令牌中的地址是否与自己的相符，通过接收或发生数据来响应主机。
USB系统主要由三个部分组成：
USB主机，USB集线器和USB设备，采用级联星型的拓扑结构，一个系统中只有一个USB主机。
如图2-2图中的集线器（Hub）是一组USB的连接点，主机中有一个被嵌入的集线器叫根集线器（rootHub）。
主机通过根集线器提供若干连接点。
提供具体应用功能的设备是应用设备。
许多不同功能的设备放在一起构成一个复合设备。
图2-2USB的物理拓扑结构
（2）总线的逻辑拓扑结构
在物理结构上，设备通过Hub连接到主机上，但在逻辑上，主机是直接与各个逻辑设备通信的。
逻辑拓扑如图2-3所示。
图2-3USB的逻辑拓扑结构
3.2.2USB的数据流传输
USB是为主机软件和它的USB应用设备问的通信服务的，对客户与应用间不同的交互，USB设备对数据流有不同的要求。
每种通信流都采用了某种总线访问方法来完成主机上的软件与设备之间的通信。
每个通信流最终到达设备上某个对应的端口。
图2-4说明了数据如何在主机中的内存缓冲和设备中的端口中传送。
图2-4USB通信流
主机控制器负责主机和USB设备间数据流的传输。
这些传输数据被当做连续的比特流。
每个设备提供了一个或多个可以与客户程序通信的接口，每个接口由多个管道组成，它们分别独立的在客户程序和设备的特定端点间传输数据。
USB驱动为主机软件的需求建立了接口和管道，当提出配置请求时，主控制器根据提供的参数提供服务。
USB支持四种基本的数据传输模式：
控制传输，等时传输，中断传输和批量传输。
⏹控制传输类型支持外设与主机之间的控制、状态及配置等信息的传输，为外设与主机之间提供一个控制通道，每种外设都支持控制传输类型，这样主机与外设之间就可以传输配置、命令和状态信息。
⏹等时传输类型支持周期性、有限的时延和带宽且数据传输速率不变的外设与主机间的数据传输。
常见的有多媒体设备，如音频和视频传输。
⏹中断传输类型支持像游戏手柄、鼠标键盘等输入设备，这些设备与主机间数据传输量小，无周期性，但要求相应速度快。
⏹批量传输类型支持打印机、扫描仪、U盘等设备，这些外设与主机间传输数据量大，只有USB满足带宽的情况下才进行该类型的数据传输
3.3USB的应用
3.3.1虚拟仪器
虚拟仪器[3]是基于计算机的信号测量技术，与传统的仪器相比，虚拟仪器在各个方面都具有明显的技术优势，根据采用的总线标准，虚拟仪器分为PCI总线式、VXI总线式以及PXI总线式。
自从USB2.0总线协议推出后，USB总线就因其便捷、快速和即插即用等优点得到迅速的应用。
因此将USB总线技术与虚拟仪器相结合有很好的商业价值。
基于USB总线的虚拟仪器系统主要由计算机模块用于数据处理，USB接口模块用于计算机模块和单片机模块的通信，单片机模块是为了控制被测设备，这是虚拟仪器技术应用的平台。
各个模块运行相应的软件，实现特定的功能。
3.3.2USBKEY
现代社会网络已经普及，各种交易都在网上进行，因此网络安全问题受到人们的普遍关注。
传统的网络安全密钥虽然能够保证绝大多数网络安全。
但是这种保障并不是万能的，因此研究人员就有了软件和硬件相结合的方法来更好地保证网络的安全的想法，基于USBKEY[1]的网络安全系统就是这一想法的具体实现。
该系统主要由认证服务器、认证客户端、资源服务器及控制服务器组成。
控制服务器主要完成截获用户发向资源服务器认证的请求连接，将其转发到认证服务器进行用户的身份认证，当认证成功为用户建立访问资源服务器的透明代理。
认证服务器主要完成与客户端的认证工作，它存放用户的身份认证信息和本地的一些安全参数信息，同时为保证用户与认证服务器之间的通信，以及实现用户对服务器的身份认证，认证服务器拥有RSA公私密钥对。
认证客户端主要包括一个USBKEY作为用户资源访问认证的物理设备，还包括读取和操作USBKEY的驱动程序，用户在向认证服务器注册时，管理员在用户的USBKEY中写于标识KEY的唯一ID号、用户客户端认证信息以及认证服务器的公钥，同时认证服务器在本地的数据库中为用户生成注册信息，这样用户就成为了网络资源服务器的合法用户，用户要访问资源服务器必须要有网络密钥和USBKEY，这样有了双重保障才让网络更安全。
3.3.3有机磷农药检测系统
为了实现在农业生产中对有机磷农药的残留量进行快速有效地
升级会员 