基于ARM的嵌入式系统在B超中的应用.docx

1、基于ARM的嵌入式系统在B超中的应用课 程 设 计题 目：基于ARM 的嵌入式系统在B超中的应用学院名称： 电气工程学院 指导老师： 黄 智 伟 职 称： 教 授 专业班级： 通信051班 学 号： 110 姓 名： 周 曼 摘要：对嵌入式系统的一般原理和B超技术的发展进行介绍。B超作为医学四大影像技术之一，由十对病人的无创伤和操作的简便而被广泛地应用十临床诊断。B超的发展方向之一是小型化和更加友好的交互性。提出了ARM处理器和Linux操作系统相结合的解决方案并说明了其可行性。然后研究了在32位嵌入式系统应用中占主流地位的ARM处理器的体系结构，并从应用的角度分析了ARMS核的S3C2410

2、A微控制器。研究了BootLoader的实现机理，对VIVI的功能和体系结构进行了分析，配置、编译之后，将它移植到开发平台。分析了嵌入式Linux的软件开发环境的构建，包括交叉开发环境的建立、内核的配置和移植、根文件系统的建立等。研究了Linux环境下驱动程序的编写，实现了驱动程序。 嵌入式技术无处不在，并改变着我们的生活方式。在工业、国防、日常生活中，嵌入式技术正在发挥越来越大的作用。小到一个电子钟，大到一枚导弹都是嵌入式技术的应用成果。嵌入式系统就是以应用为中心、以计算机技术为基础的专用计算机系统，它与通用计算机技术的最大差异是必须支持硬件裁减和软件裁减，以适应应用系统对体积、功能、功耗、

3、可靠性、成本等的特殊要求。讨论了新技术在B超中的应用，对数字化B超的前端和后端做了前期研究。将ARM和Linux应用于B超，必将使它的功能更加强大。为实验室以后的研究工作打好了基础，具有较大的实用价值。关键词:嵌入式系统，Linux, ARM, B超Abstract：This thesis simply introduced the basic knowledge in Embedded System and the development of B-mode scanner. As one of the four medical imaging technologies, B-mode ul

4、trasound scanner has been widely used in medical fields because of its noninvasive to patients and easily operation. One of the directions for B-mode ultrasound scanner development is smaller volume and more friendly operating method. In this thesis, a solution is given, which combined ARM and Linux

5、. Its feasibility has been proved. Secondly, ARM architecture is the mainstream among sorts of processor architecture, a relatively particular has been done about the S3C2410A microprocessor that is based on ARMS. The research on BootLoader has been done, the emphasis of the study was put on configu

6、ring, compiling of VIVI and transplanted it to development platform. The methods of building an Embedded. Software Development Environment were analyzed in detail, including building Cross Compiler, transplanting the Linux Kernel, building the root File System, and so on. After analyzing the princip

7、le of Linux device driver, the device driver of keyboard has been realized. Finally, the architecture and characters of GUI in Embedded System have been introduced. Embedded technology is used everywhere in the world, and it is changing our life style. Embedded technology is playing a more and more

8、important role in industry, national defense and daily life. From an accutron to a missile, we can find the applications of embedded technology. An embedded system can be defined as a control system or computer system which is designed to perform a specific task. It can also be defined as a single p

9、urpose computer centered as application and based on the computer science technology. The most difference between an embedded system and a general computer platform is that the former must support the cutting of hardware and software to meet the special requirements of the applying system for embedd

10、ed systems volume, functions, reliabilities, costs and so on.New technologies that used in B-mode scanner have been discussed in this thesis, and many works of forepart and back-end of digital B-mode scanner have been done. To apply ARM and Linux in B-mode scanner, will make it more powerful. What w

11、e have done guarantees the future researches based on the embedded platform and has high utility value.Key words: Embedded system, Linux, ARM, B-mode ultrasound scanner 1嵌入式的概述 嵌入式技术的现状 后PC时代，嵌入式系统将拥有最大的市场。目前在世界范围内嵌入式系统带来的工业年产值已经超过了1万亿美兀。尽管还没有从事该领域开发的公司占到了大多数，但我国国内的嵌入式软件市场已经处十整体启动阶段。国内嵌入式软件市场未来的发展重点

12、在十对应用范围的拓展，而且手持设备、信息家电和工业控制则是近期市场的二大热点。展望未来，明天的嵌入式系统将比今天的更方便、更小巧、更可靠、更高效而且更智能化。美国著名的未来学家尼葛洛庞帝在1999年访华时曾预言，4至5年后嵌入式系统将是继PC和Internet之后最伟大的发明。如今那么多年过去了，现实的发展也验证了这个预言的正确性。现在，嵌入式系统正处十高速发展阶段，未来几年，这种发展和竞争将愈演愈烈。 经过几十年的发展，嵌入式系统已经在很大程度上改变了人们的生活、工作和娱乐方式，而且这些改变还在加速。嵌入式系统具有无数的种类，每类都具有自己独特的个性。例如，MP3、数码相机与打印机就有很大的

13、不同。汽车中更是具有多个嵌入式系统，使汽车更轻快、更安全和更容易驾驶。即使不可见，嵌入式系统也无处不在。嵌入式系统在很多产业中得到了广泛的应用并逐步改变着这些产业，包括工业自动化、国防、运输和航天领域。例如神州飞船和长征火箭中有很多嵌入式系统，导弹的制导系统是嵌入式系统，高档汽车中也有多达几十个嵌入式系统。在口常生活中，几乎所有的带有一点“智能”的家电(如全自动洗衣机、电脑电饭煲等)都是嵌入式系统。 嵌入式系统概述1.2.1嵌入式系统的定义嵌入式系统实际上是嵌入式计算机系统的简称。通常计算机连同一些常规的外设是作为独立的系统而存在的，并非为某一方面的专门应用而存在。例如一台PC就是一个计算机系

14、统，整个系统存在的目的就是为人们提供一台可以编程、会计算、能处理数据的机器。它可以作为科学计算工具，也可以作为企业管理的工具，一般把这样的计算机系统成为通用计算机系统。但是有些系统却不是这样。例如医用CT也是一个系统，这里面也有计算机，但是这种计算机是作为某个专用系统中的一个部件而存在的。像这样嵌入到更大的、专用的系统中的计算机系统就是嵌入式系统。IEEE(国际电气和电子工程师协会)对嵌入式系统的定义为:嵌入式系统是“用十控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”。国内普遍认同的嵌入式系统定义为:以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁减，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要

15、求的专用计算机系统。1.2.2嵌入式系统分类 嵌入式系统可以大致分为如下类型。这种分类是依据系统是否必须作为独立单兀工作或必须具有网络功能，是否必须执行实时操作等标准来划分的。(1)单机嵌入式系统 单机嵌入式系统以单机方式工作，获取输入并产生输出。输入可以是来自传感器的电信号，或者是来自人的命令，比如按下按钮。输出可以是驱动另一个系统的电信号，或者是为用户显示信息的LED或者LCD显示。在制造厂和汽车厂里很多用十过程控制的嵌入式系统可以被划入此类。在过程控制系统中，输入来自传感器，传感器将温度等物理信号转换为电信号，电信号成为能够控制阀门等设备的输出。在一些单机系统中，执行某项特定任务的时间限

16、制并不十分严格，早几毫秒和晚几毫秒没有太大的关系，换句话说，响应时间不是至关重要的。(2)实时嵌入式系统有些嵌入式系统被要求在指定的时间内完成特定的任务。这样的系统被称为实时嵌入式系统。例如，例如当潮度超过特定闽值的时候，必须在30毫秒内打开阀门的系统。如果该任务未能在30毫秒内完成则可能产生严重的后果。这种必须严格符合实时约束条件的系统被称作“硬实时嵌入式系统”。当必须执行对时间要求很严格的任务时，在过程控制中也大量使用“硬实时嵌入式系统”。还有很多系统有实时要求，但是对实时的要求不强，例如语音通信系统，语音包的延迟只会造成短暂的静默，不会有什么严重的后果，类似的这种系统被成为“软实时嵌入式

17、系统”。1.2.3嵌入式系统的组成嵌入式系统是专用计算机应用系统，它具有一般计算机组成的共性，也是由硬件和软件组成的。嵌入式系统的硬件是嵌入式系统软件环境运行的基础，它提供嵌入式系统软件运行的物理平台和通信接口;嵌入式操作系统和嵌入式应用软件则是整个系统的控制核心，控制整个系统的运行，提供人机交互的信息等。虽然嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，但是一般都把嵌入式系统的软件分为嵌入式操作系统和嵌入式应用软件两大部分。 (1)嵌入式系统硬件 嵌入式系统的硬件组成部分是以嵌入式处理器为中心，由存储器、I/O设备、通信模块以及电源等必要的辅助接口组成。嵌入式系统是量身定做的专用计算机应用

18、系统，它不同十PC机的组成，在实际应用中的嵌入式系统硬件配置非常精简，除了微控制器和基本的外围电路以外，其余的电路都可根据需要和成本进行裁减、定制。嵌入式系统硬件核心是嵌入式微处理器，有时为了提高系统的信息处理能力，常常外接 DSP(或者选用内部集成了DSP模块的微处理器)，以完成高性能信号处理。 (2)嵌入式系统软件 对十使用操作系统的嵌入式系统来说，嵌入式系统软件结构一般包含4个层面：设备驱动层、实时操作系统、应用程序接口API层、实际应用程序层。对十功能简单，仅仅包括应用程序的嵌入式系统，一般不使用操作系统，仅有应用程序和设备驱动程序。驱动程序是嵌入式系统中不可或缺的重要部分，使用任何外

19、部设备都需要有相应的驱动程序的支持，它为上层软件提供了设备的操作接口。上层软件不用考虑设备的具体内部操作，只需要调用驱动层程序提供的接口即可。驱动程序不仅要实现设备的基本功能函数，如初始化、中断响应、发送、接收等，使设备的基本功能能够实现，而且因为设备在使用过程中还会出现各种各样的差错，所以好的驱动程序还有完备的错误处理函数。 B超技术的发展 B超现今已成为超声诊断的最基本技术，由十其具有无创伤、操作简便、成本低廉的特点，广泛用十临床诊断。30年来经历了模拟、模拟/数字混合和全数字技术二个阶段。90年代，由十超高密度（192, 256阵元)、超宽频(5MHz)探头的发展，采用现代计算机技术和图

20、像处理技术，已能形成高质量的声束(分辨率极高)获取超宽频信号和细微变化的信息。高质量的图像(信息丰富而且真实)不仅提供了高的空间分辨率和对比分辨率，而且提高了十分重要的组织鉴别力，有力地增强了超声临床诊断效果。B超的发展，一直围绕着如何获得更充分更真实的信息而努力。不断地提高仪器的空间分辨力，对比分辨力，近年特别注意解决组织的鉴别力。主要特点有:不断发展探头的超宽频、高信噪比、高匹配能力以及电子探头的超高密度阵兀，以提供获取高质量声束的基础;采用全数字声束形成技术和超宽频技术，以得到丰富而且真实的信息，取得高质量的图像，为解决对组织的鉴别力提供了可能的条件;采用现代的图像处理技术，减少斑点、噪

21、音。提高信噪比，可以获取更微弱的组织信号，增强对组织的鉴别力，有利十逐步解决B超特异性不强的缺点。 小型化是现今B超发展的一个趋势。微电子技术的进步和集成化的提高，使得芯片的功能更强、体积更小、功耗更低。以往体积做得很大的硬件模块而今也许只需一个芯片即可替代。同时，嵌入式技术的成熟也为B超的进步做出了巨大贡献。多家公司已经成功推出了他们的笔记本式B超仪，极大地方便了医生的出诊。2 B型超声仪前端模拟电路设计B型超声诊断仪采用B型(Brightness)调制方式来显示回波信号的强弱。B型显示时，探头中的换能器所发射和接收的超声波按一定规则扫查过一个平面，所以显示的B型黑白图像是一幅二维的截面声像

22、图。因此，也常把这类仪器称为超声断层显像仪，国外则常称它为B型超声扫查仪(Ultrasound B-mode Scanner)。因为脉冲回波法可获得回波信号幅度和回波反射源深度信息，调亮后的光点亮度（通常称为灰阶）与回波幅度间存在一定的函数关系（由显示管的调制特性决定）。在B超仪的接收放大通道中使用对数放大器，因此调亮所用的回波幅度信号已经过对数压缩处理，于是显示出来的二维黑白图像具有很大的动态范围，其灰阶代表着反射（或散射）系数的变化。声阻抗大的组织和结石等物质（质量密度大的组织和物质，其声阻抗通常也大），其反射系数也大，所以B超图像上的光点亮度也高。B超图像所能显示的组织界面及组织内部不均

23、匀的反射系数的变化范围很大，加之二维截面声图像的解剖学特性，使得B型图像具有极大的诊断价值。完整的B型超声仪的工作原理图可用图2-1所示的方框图来说明。 图2-1 超声仪原理框图 发射电路由单片机发出的触发脉冲使发射电路产生一个窄脉冲，其脉冲宽带通常是换能器工作频率之倒数的一半左右，即： （2-2）式（2-2）中：为发射脉冲的宽度，为换能器的工作频率。若采用的换能器工作频率为，可得出发射脉冲宽度约为150ns。采用SN74LS221器件得到150ns宽度的发射脉冲，SN74LS221是一款性能非常优良的单稳态多频振荡器，使用方便，可靠性高。只需外接不同阻值和电容值的电阻电容即可实现不同宽度的脉

24、冲输出。具体电路如图2-2所示。图2-2 发射脉冲产生电路 低通滤波器的设计超声波在人体内传播的过程中，遇到不同的界面时，就会发生部分反射和部分透射。当两个反射的分界面的性质相同时，反射和透射的百分率是相同的。因此，相同性质的分界面处于相同深度时，反射回来的超声能量是相等的。但是相同性质的分界面处于不同的深度时，超声强度随探测深度的增加而逐渐衰减。超声波在人体组织内的衰减是一个很复杂的物理过程，它是由于超声在人体组织内传播时，被人体组织吸收、反射、绕射、折射和散射等原因造成。其中，吸收是主要的。超声波在人体内的传播过程中，能量被人体组织吸收，随着探测深度的增加超声波能量逐渐衰减。对于均匀的生物

25、体软组织，声衰减系数在区域内基本上是相同的。经过前置放大器处理后的超声回波信号中混有较多的高频噪声，为方便后级电路对有用信号的处理，需要对噪声进行消除，因此引入低通滤波器。采用TL082构成四阶巴特沃斯低通滤波器，TL082是一款高带宽，双通道运算放大器，其带宽可达到4MHz，输入阻抗为10，截止频率为：通带增益为：100 前置放大器设计超声回波信号频率高，强度弱，噪声大，需要先对其进行放大处理。在放大的时候应特别小心，如果处理不好将会给后级电路造成极大的麻烦。因此，前置放大电路是整个超声信号接收电路的一个重点，同时也是一个瓶颈。采用三级管MRF904和MM4049实现高输入阻抗的前置放大器，

26、这两种三级管是一组对管，性能很接近，其转换频率在,时可达到，很适合用于对高频信号的处理。此前置放大器能够很好地避免信号的衰减并对噪声有一定的抑制作用。具体电路如图2-3所示。图2-3 前置电路原理图2.4 A/D转换电路设计超声回波信号在经过一系列模拟电路处理后，还需要对其进行数字化，以供后端的更高级处理。前端模拟处理加后端数字处理的方法是现在电路系统中普遍采用的方式，虽然数字化技术在当今已占主导地位，但是模拟技术绝对不会被取代，因为现实世界本就是一个模拟的世界。因此，我们要进行数字化处理A/D转换很重要。选用AD公司的AD9220实现A/D转换。AD9220是一款通用的高性能12位A/D转换

27、器，采样率最高可达10MSPS。我们采用的探头，根据采样定理，这款A/D转换器能够达到要求。用74HC541对转换输出的数字信号进行缓存，从而更好地实现对后级电路的支持。A/D转换电路如图2-4所示。图2-4 A/D转换电路图3 ARM体系结构和BootLoader的实现 ARM体系结构ARM(Advanced RISC Machines)，既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。1991年ARM公司成立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权。在32位RISC中CPU开发领域不断取得突破，其结构已经从V3发展到V6。由于ARM公司自成立以来，一

28、直以IP提供者的身份向各大半导体制造商出售知识产权，而自己不介入芯片的生产销售，加上其设计的芯核具有功耗低、成本低等显著优点，因此获得众多的半导体厂家和整机厂商的大力支持，在32位嵌入式应用领域获得了巨大的成功，目前已经占有75%以上的32位RISC嵌入式产品市场。在低功耗、低成本的嵌入式应用领域确立了市场领导地位。目前非常流行的ARM核有ARM7TDMI,StrongARM，ARM720T，ARM920TDMI，ARM922T，ARM940T，ARM946T，ARM966T，ARMI0TDM1等。自V5以后，ARM公司提供Piccolo DSP的芯核给芯片设计者，用于设计ARM+DSP的SO

29、C(System On Chip)结构的芯片。此外，ARM芯片还获得了许多实时操作系统(RealTime Operating System)供应商的支持，比较知名的有：Linux，Win CE，pSOS，VxWorks，Mucleus，EPOC，uCOS，BeOS等。3.1.1 ARM处理器的工作状态从编程的角度看，ARM920T处理器的工作状态一般有两种（1）ARM状态，此时处理器执行32位的、字对齐的ARM指令；（2）Thumb状态，此时处理器执行16位的、半字对齐的Thumb指令。ARM指令集和Thumb指令集均有切换处理器状态的指令，在程序的执行过程中，处理器可以随时在两种工作状态之间

30、切换。并且，处理器工作状态的转变并不影响处理器的工作模式和相应寄存器中的内容。但ARM处理器在开始执行代码时，应该处于ARM状态。3.1.2 ARM处理器模式ARM920T支持7种运行模式，分别为：（1）用户模式(usr)，ARM处理器正常的程序执行状态；（2）快速中断模式(fiq)，用于高速数据传输或通道处理；（3）外部中断模式(irq)，用于通用的中断处理；（4）管理模式(svc)，操作系统使用的保护模式；（5）数据访问终止模式(abt)，当数据或指令预取终止时进入该模式，可用于虚拟存储及存储保护；（6）系统模式(sys)，运行具有特权的操作系统任务；（7）未定义指令终止模式(und)，当

31、未定义的指令执行时进入该模式，可用于支持硬件协处理器的软件仿真。ARM处理器的运行模式可以通过软件改变，也可以通过外部中断或异常处理改变。大多数的应用程序运行在用户模式下，当处理器运行在用户模式下时，某些被保护的系统资源是不能被访问的。3.1.3 ARM920T系统结构分析ARM920T采用5级流水线，具有分开的指令和数据存储器，5级流水线具体如下：（1）取指：从存储器中去取指令，并将其放入指令流水线。（2）译码：对指令进行译码。（3）执行：把一个操作数移位，产生ALU的结果。（4）缓冲/数据：如果需要，则访问数据存储器；否则ALU的结果只是简单地缓冲1个时钟周期，以便所有的指令具有同样的流水

32、线流程。（5）回写：将指令产生的结果回写到寄存器，包括任何从存储器中读取的数据。ARM920T处理器的一个显著特点就是采用指令和数据分离访问的方式，即采用了指令缓存(I-Cache)和数据缓存(D-Cache)。这样可以把指令访问和数据访问单独安排1级流水线。3.1.4 S3C2410A处理器介绍S3C2410A在包含ARM920T核的同时，增加了丰富的外围资源。其中片内外围模块主要包括：（1）一个LCD控制器，支持STN和TFT液晶显示屏；（2）外部存储管理（SDRAM控制器和芯片选择逻辑）；（3）3个通道的UART；（4）4个通道的DMA，支持存储器和I/O口之间的传输，以提高传输速率；（5）4个具有PWM功能的16位定时/计数器和1个16位内部定时器，支持外部时钟源；（6）8通道的10位ADC，最高速率可达到500kB/s，10位分辨率；（7）触摸屏接口；（8）IIS总线接口；（9）2个USB主机接口，1个USB设备接口；（10）2个SPI接口；