SBC+DSP的嵌入式系統設計與應用

1 引言

嵌入式系統是以應用為中心、以計算機技術(shù)為基礎、軟硬件可裁剪、適應應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗等有嚴格要求的專(zhuān)用計算機系統。其主要由嵌入式處理器、 相關(guān)支撐硬件、嵌入式操作系統及應用軟件系統等組成。使用嵌入式系統技術(shù)，不僅可以實(shí) 現硬件和軟件的集成優(yōu)化，而且具有多任務(wù)和網(wǎng)絡(luò )化功能?；?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/嵌入式系統">嵌入式系統的以上優(yōu)點(diǎn)，針 對星圖識別大數據量、實(shí)時(shí)響應速度和高可靠性等特征，以及方便以后的遠程控制，本文提 出一種以SBC+DSP 為硬件平臺的嵌入式系統，并說(shuō)明其特征。

2 系統設計

2.1 系統構成和框圖

在星圖的識別系統中需要進(jìn)行大量的星圖數據的處理工作，并且需要存儲星表數據，利用一般的嵌入式系統很難滿(mǎn)足其數據量和實(shí)時(shí)性的要求，為此提出一種帶數據處理模塊的嵌 入式系統，這樣不僅可以大大增強其數據處理能力，而且可以節省大量的系統資源，用于完 成其他的控制工作。SBC+DSP 嵌入式系統主要由單板電腦(SBC)和一些功能模塊組成，用 戶(hù)在系統提供的交互界面來(lái)完成對整個(gè)控制系統管理、控制工作。整個(gè)系統的構成如圖1 所示：

2.2 系統硬件結構設計

為了達到系統的性能要求，高數據處理能力、實(shí)時(shí)響應能力、成本和可靠性，各子模塊的硬件選擇分別如下。

SBC 系統采用研華的PCM-9375，具有最大500 M 的CPU 頻率，支持多個(gè)串口通信接口和USB2.0 通信接口；硬件平臺支持WinCE6.0 或Windows XPE 嵌入式操作系統，能夠 支持CF 卡啟動(dòng)；具有增強的IDE 總線(xiàn)接口和PC/104 外部擴展接口。是一款高性?xún)r(jià)比、低 功耗無(wú)風(fēng)扇單板電腦，適合于大多數嵌入式系統的應用環(huán)境，并且具有高的系統可靠性。

DSP 子系統采用DM642，專(zhuān)用于數字媒體應用的高性能32 位定點(diǎn)DSP，其工作主頻最高可到720MHz，具有多路視頻輸入輸出口，能夠實(shí)現與視頻信號的無(wú)縫連接。由于DSP 器件中采用的哈佛結構、多總線(xiàn)結構和片內DMA 電路與局部總線(xiàn)，使其能夠實(shí)現數據的 并行操作，具有強大的數據和信息處理能力。

PC104 采集模塊采用中泰的PM516，具有模擬和數字兩種接口，模擬輸入部分：輸入 通道數：?jiǎn)味?2 路，雙端16 路；輸入信號范圍：0～10V，-5V～+5V；輸入精度：12Bit； 最大采樣頻率：75KHz。數字部分：電平方式為T(mén)TL，輸入、輸出通道數均為16 路。

2.3 SBC+DSP 系統優(yōu)點(diǎn)

DSP 采用改進(jìn)的哈佛結構，具有獨立的程序和數據空間，允許同時(shí)存取程序和數據，由于其高速的數據處理能力被廣泛地應用于圖像處理領(lǐng)域，但是單獨的DSP 系統不能夠提供友好的人機交互界面。嵌入式單板電腦雖然具有豐富的外部擴展接口和友好的人機界面，但其系統資源有限，不適合進(jìn)行大量的數據處理操作。為了使系統滿(mǎn)足這兩方面的功能，本系統將兩者結合起來(lái)，現實(shí)優(yōu)勢互補。主要特點(diǎn)如下：

1）整個(gè)系統采用了分布式的控制原理，將各個(gè)功能模塊單獨“隔離”，使每個(gè)模塊都能夠單獨工作，但同時(shí)又能夠完成集中獲取數據、集中管理和集中控制的目的。這種控制方式大大改善系統的可靠性。

2）從圖1 可以看出，DSP 子系統可以作為一個(gè)獨立的高速數據處理系統，這個(gè)高速數據處理系統本身具有數據處理、可編程開(kāi)發(fā)的特點(diǎn)。DSP 系統主要是完成圖像數據的采集，并進(jìn)行濾波、信息提取和識別等算法處理，然后將獲取的有用數據通過(guò)相應的接口傳遞給主系統。這種系統結構模式充分利用DSP 系統強大的數據處理功能和SBC 嵌入式操作系統的管理、操作以及遠程通信功能。

3）其將通用操作系統與實(shí)時(shí)操作系統的特點(diǎn)相結合，嵌入式計算機系統與專(zhuān)用信號處理器相結合。軟硬件相輔相成集中統一地完成設備控制與信號處理，使整個(gè)系統的性能與可靠性得到進(jìn)一步提高。

4）SBC 系統安裝windows XPE 嵌入式系統，它是windows XP profession 的組件化版本，其界面于普通的XP 系統沒(méi)有差別，使其更適合大多數windows 用戶(hù)的習慣。

5）用戶(hù)應用程序的開(kāi)發(fā)可以在普通的PC 機上用相應的軟件進(jìn)行，完成后將其移植到目標系統即可。

6）由于采用了低功耗的設備，與傳統的PC 機+DSP 系統相比較，其降低了整個(gè)系統的功耗、成本。

3 工程應用

進(jìn)行星圖識別的整個(gè)系統的流程如圖2 所示：

其中嵌入式系統的 DSP 子模塊來(lái)完成星圖的采集并對星圖作預處理工作，包括去除噪聲，圖像的分割，用于后面的星圖識別工作。處理前后的結果分別如圖2，圖3；

比較處理前后的兩幅圖可以看出，圖像的信噪比明顯得到了提高。試驗證明圖像數據的采集率高達25 幀/s，而完成上述處理過(guò)程的時(shí)間

4 結論

本論文的創(chuàng )新點(diǎn)在于提出了一種將高速數據處理的數字信號處理器和具有嵌入式內核的實(shí)時(shí)操作系統有機結合起來(lái)，設計出一種嵌入式系統平臺。使系統不僅具有嵌入式系統的優(yōu)點(diǎn)和技術(shù)特性，而且還具有DSP 高速數字信號處理的能力，為實(shí)現系統的大數據量和實(shí)時(shí)性處理提供了有力的支持，且其較傳統PC 機+DSP 控制系統在可靠性、體積、功耗、性?xún)r(jià)比等方面都具有明顯的優(yōu)勢。