基于SBC+DSP的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

1 引言

　　嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心、以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對 功能、可靠性、成本、體積、功耗等有嚴(yán)格要求的專用計算機(jī)系統(tǒng)。其主要由嵌入式處理器、 相關(guān)支撐硬件、嵌入式操作系統(tǒng)及應(yīng)用軟件系統(tǒng)等組成。使用嵌入式系統(tǒng)技術(shù)，不僅可以實 現(xiàn)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。基于嵌入式系統(tǒng)的以上優(yōu)點，針 對星圖識別大數(shù)據(jù)量、實時響應(yīng)速度和高可靠性等特征，以及方便以后的遠(yuǎn)程控制，本文提 出一種以SBC+DSP 為硬件平臺的嵌入式系統(tǒng)，并說明其特征。

　　2 系統(tǒng)設(shè)計

　　2.1 系統(tǒng)構(gòu)成和框圖

　　在星圖的識別系統(tǒng)中需要進(jìn)行大量的星圖數(shù)據(jù)的處理工作，并且需要存儲星表數(shù)據(jù)，利 用一般的嵌入式系統(tǒng)很難滿足其數(shù)據(jù)量和實時性的要求，為此提出一種帶數(shù)據(jù)處理模塊的嵌 入式系統(tǒng)，這樣不僅可以大大增強(qiáng)其數(shù)據(jù)處理能力，而且可以節(jié)省大量的系統(tǒng)資源，用于完 成其他的控制工作。SBC+DSP 嵌入式系統(tǒng)主要由單板電腦(SBC)和一些功能模塊組成，用 戶在系統(tǒng)提供的交互界面來完成對整個控制系統(tǒng)管理、控制工作。整個系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1 所示：

　　2.2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　為了達(dá)到系統(tǒng)的性能要求，高數(shù)據(jù)處理能力、實時響應(yīng)能力、成本和可靠性，各子模塊 的硬件選擇分別如下。

　　SBC 系統(tǒng)采用研華的PCM-9375[3]，具有最大500 M 的CPU 頻率，支持多個串口通信 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(tǒng)，能夠 支持CF 卡啟動；具有增強(qiáng)的IDE 總線接口和PC/104 外部擴(kuò)展接口。是一款高性價比、低 功耗無風(fēng)扇單板電腦，適合于大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境，并且具有高的系統(tǒng)可靠性。

　　DSP 子系統(tǒng)采用DM642，專用于數(shù)字媒體應(yīng)用的高性能32 位定點DSP，其工作主頻最 高可到720MHz，具有多路視頻輸入輸出口，能夠?qū)崿F(xiàn)與視頻信號的無縫連接。由于DSP 器件中采用的哈佛結(jié)構(gòu)[4]、多總線結(jié)構(gòu)和片內(nèi)DMA 電路與局部總線，使其能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的 并行操作，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)和信息處理能力。

　　PC104 采集模塊采用中泰的PM516，具有模擬和數(shù)字兩種接口，模擬輸入部分：輸入 通道數(shù)：單端32 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(shù)字部分：電平方式為TTL，輸入、輸出通道數(shù)均為16 路。

　　2.3 SBC+DSP 系統(tǒng)優(yōu)點

　　DSP 采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，具有獨立的程序和數(shù)據(jù)空間，允許同時存取程序和數(shù)據(jù)，由于其高速的數(shù)據(jù)處理能力被廣泛地應(yīng)用于圖像處理領(lǐng)域，但是單獨的DSP 系統(tǒng)不能夠提供友好的人機(jī)交互界面。嵌入式單板電腦雖然具有豐富的外部擴(kuò)展接口和友好的人機(jī)界面，但其系統(tǒng)資源有限，不適合進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)處理操作。為了使系統(tǒng)滿足這兩方面的功能，本系統(tǒng)將兩者結(jié)合起來，現(xiàn)實優(yōu)勢互補(bǔ)。主要特點如下：

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

　　2）從圖1 可以看出，DSP 子系統(tǒng)可以作為一個獨立的高速數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，這個高速數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)本身具有數(shù)據(jù)處理、可編程開發(fā)的特點。DSP 系統(tǒng)主要是完成圖像數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)通過相應(yīng)的接口傳遞給主系統(tǒng)。這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模式充分利用DSP 系統(tǒng)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能和SBC 嵌入式操作系統(tǒng)的管理、操作以及遠(yuǎn)程通信功能。

　　3）其將通用操作系統(tǒng)與實時操作系統(tǒng)的特點相結(jié)合，嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)與專用信號處理器相結(jié)合。軟硬件相輔相成集中統(tǒng)一地完成設(shè)備控制與信號處理，使整個系統(tǒng)的性能與可靠性得到進(jìn)一步提高。

　　4）SBC 系統(tǒng)安裝windows XPE 嵌入式系統(tǒng)，它是windows XP profession 的組件化版本，其界面于普通的XP 系統(tǒng)沒有差別，使其更適合大多數(shù)windows 用戶的習(xí)慣。

　　5）用戶應(yīng)用程序的開發(fā)可以在普通的PC 機(jī)上用相應(yīng)的軟件進(jìn)行，完成后將其移植到目標(biāo)系統(tǒng)即可。

　　6）由于采用了低功耗的設(shè)備，與傳統(tǒng)的PC 機(jī)+DSP 系統(tǒng)相比較，其降低了整個系統(tǒng)的功耗、成本。

　　3 工程應(yīng)用

　　進(jìn)行星圖識別的整個系統(tǒng)的流程如圖2 所示：

　　其中嵌入式系統(tǒng)的 DSP 子模塊來完成星圖的采集并對星圖作預(yù)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(jié)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(shù)據(jù)的采集率高達(dá)25 幀/s，而完成上述處理過程的時間<1.0s，能夠滿足星圖識別大數(shù)據(jù)量、實時性要求。

　　4 結(jié)論

　　本論文的創(chuàng)新點在于提出了一種將高速數(shù)據(jù)處理的數(shù)字信號處理器和具有嵌入式內(nèi)核的實時操作系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合起來，設(shè)計出一種嵌入式系統(tǒng)平臺。使系統(tǒng)不僅具有嵌入式系統(tǒng)的優(yōu)點和技術(shù)特性，而且還具有DSP 高速數(shù)字信號處理的能力，為實現(xiàn)系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)量和實時性處理提供了有力的支持，且其較傳統(tǒng)PC 機(jī)+DSP 控制系統(tǒng)在可靠性、體積、功耗、性價比等方面都具有明顯的優(yōu)勢。