項目3嵌入式系統(tǒng)常用接口及通信技術.ppt

1、項目三、嵌入式系統(tǒng)常用接口及通信技術,一、項目概況,一、項目概況,項目說明： 本項目利用ARM嵌入式微處理器與接口知識，在嵌入式系統(tǒng)的集成開發(fā)環(huán)境中采用基于Linux的應用程序設計基礎上設計程序并在ARM板內燒寫開發(fā)的可執(zhí)行文件實現(xiàn)仿真月球車的圖像識別與傳輸控制。,二、知識儲備,2.1無線通信原理 無線通信系統(tǒng)組成框圖,二、知識儲備,2.1無線通信原理 各部分作用 信息源：提供需要傳送的信息 變換器：待傳送的信息（圖像、聲音等）與電信號之間的互相轉換 發(fā)射機：把電信號轉換成高頻振蕩信號并由天線發(fā)射出去 傳輸媒質：信息的傳送通道（自由空間） 接收機：把高頻振蕩信號轉換成原始電信號 受信人：信息的

2、最終接受者,二、知識儲備,2.1無線通信原理 典型發(fā)送設備的組成框圖,二、知識儲備,2.1無線通信原理 典型接收設備的組成框圖,二、知識儲備,2.2 常見無線通信技術 紅外線通信（IRDA） 藍牙（Bluetooth） ZigBee 無線局域網(wǎng)（WLAN），WiFi技術應用最廣泛 重點講解主流技術ZigBee和WiFi,二、知識儲備,2.2 常見無線通信技術 ZigBee ZigBee是一種新興的短距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、 低成本的無線網(wǎng)絡技術。 主要用于近距離無線連接。它依據(jù)IEEE 802.15.4標準，在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調實現(xiàn)通信。 ZigBee無線網(wǎng)絡主要是為工

3、業(yè)現(xiàn)場自動化控制數(shù)據(jù)傳輸而建立。因此它具備簡單、方便、穩(wěn)定和低成本等特點。,二、知識儲備,2.2 常見無線通信技術 ZigBee ZigBee可使用的頻段有3個，分別是2.4GHz的ISM頻段、歐洲的868MHz頻段、以及美國的915MHz頻段，而不同頻段可使用的信道分別是16、1、10個。,二、知識儲備,2.2 常見無線通信技術 ZigBee ZigBee技術特點 數(shù)據(jù)傳輸速率低：20Kb/秒250Kb /秒，專注于低傳輸應用。 功耗低：在低功耗待機模式下，兩節(jié)普通5號電池可使用624個月 成本低：ZigBee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡單，所以大大降低了成本。 網(wǎng)絡容量大：網(wǎng)絡可容納65,000

4、個設備。 時延短：通常時延都在15ms30ms。 安全：ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權功能，采用AES-128加密算法。 有效范圍小：有效覆蓋范圍1075米，具體依據(jù)實際發(fā)射功率大小和各種不同 的應用模式而定。 傳輸可靠：采用碰撞避免策略，同時為需要固定帶寬的業(yè)務預留專用時隙。,二、知識儲備,2.2 常見無線通信技術 ZigBee 設備類型: Coordinator(協(xié)調器) 協(xié)調器負責啟動整個網(wǎng)絡。它也是網(wǎng)絡的第一個設備。協(xié)調器選擇一個信道和一個網(wǎng)絡ID(也稱之為PAN ID，即Personal Area Network ID)，隨后啟動整個網(wǎng)絡。 Router(路由器) 路由器的功

5、能主要是：允許其他設備加入網(wǎng)絡，多跳路由和協(xié)助它自己的由電池供電的兒子終端設備的通訊。 End-Device(終端設備) 終端設備沒有特定的維持網(wǎng)絡結構的責任，它可以睡眠或者喚醒，因此它可以可以是一個電池供電設備。,二、知識儲備,2.2 常見無線通信技術 ZigBee 協(xié)調器創(chuàng)建網(wǎng)絡流程：,二、知識儲備,2.2 常見無線通信技術 ZigBee 路由器發(fā)現(xiàn) 加入網(wǎng)絡流程：,二、知識儲備,2.2 常見無線通信技術 ZigBee 終端節(jié)點 發(fā)現(xiàn)加入網(wǎng)絡流程：,二、知識儲備,2.2 常見無線通信技術 ZigBee ZigBee信道 2.4 GHz的射頻頻段被分為16個獨立的信道。每一個設備都有一個DE

6、FAULT_CHANLIST的默認信道集。協(xié)調器掃描自己的默認信道集并選擇一個信道上噪聲最小的信道作為自己所建網(wǎng)絡的信道。終端節(jié)點和路由節(jié)點也要掃描默認信道集并選擇一個信道上已經(jīng)存在的網(wǎng)絡加入。 PAN ID PANID指網(wǎng)絡編號，用來區(qū)分不同的ZigBee網(wǎng)絡。協(xié)調器是通過選擇網(wǎng)絡信道及PANID來啟動一個無線網(wǎng)絡的。 PANID的有效范圍為00 x3FFF。,二、知識儲備,2.2 常見無線通信技術 ZigBee IEEE物理地址 每個ZigBee設備都有一個64位的IEEE長地址，即MAC地址。物理地址是在出廠時候初始化的。它是全球唯一的。 當一個zigbee節(jié)點加入網(wǎng)絡時候，它的IEEE

7、地址不能與網(wǎng)絡中現(xiàn)有節(jié)點的IEEE地址沖突且不能為0 xFFFFFFFFFFFFFFFF。 網(wǎng)絡地址 網(wǎng)絡地址也稱短地址，通常用16位的短地址來標識自身和識別對方，對于協(xié)調器來說，短地址始終為0 x0000，對于路由器和節(jié)點來說，短地址由其所在網(wǎng)絡中的協(xié)調器分配。,二、知識儲備,2.2 常見無線通信技術 ZigBee 目前ZigBee的實現(xiàn)方案主要有三種： MCU和RF收發(fā)器分離的雙芯片方案 如：TI CC2420+MSP430 、FREESCLAE MC13XX+GT60 、MICROCHIP MJ2440+PIC MCU 集成RF和MCU的單芯片SOC方案 如：TI CC2430/CC24

8、31、FREESCALE MC1321X 、EM250。 ZigBee協(xié)處理器和MCU的雙芯片方案 如：JENNIC SOC+EEPROM、EMBER 260+MCU 在主要的Zigbee芯片提供商中，德州儀器(TI)的Zigbee產(chǎn)品線覆蓋了以上三種方案，飛思卡爾、Ember、Jennic可以提供單芯片方案，Atmel、Microchip等其它廠商大都提供MCU和RF收發(fā)器分離的雙芯片方案。,二、知識儲備,2.2 常見無線通信技術 ZigBee 工程的選擇 不同的設備類型 協(xié)調器 路由器 節(jié)點設備 不同的開發(fā)板 EB DB,二、知識儲備,2.2 常見無線通信技術 ZigBee 工程的配置:預

9、編譯宏 Z-Stack協(xié)議棧的代碼 采用了大量的預編譯宏定義 來模塊化代碼，以此來節(jié)省 硬件代碼空間。用戶可以根 據(jù)具體應用環(huán)境適當添加或 刪除宏定義。 具體編譯宏由協(xié)議棧相 關文檔詳細解釋。 Options-C/C+Compiler-Preprocessor中查看,二、知識儲備,2.2 常見無線通信技術 ZigBee 工程的編譯與下載,二、知識儲備,2.2 常見無線通信技術 ZigBee 配置文件 在f8wConfig.cfg等配置 文件中定義了工程相關的網(wǎng)絡 通訊設置。其中比較重要的是 和ZigBee通信相關的信道通 道的設置，和PAN ID的設置， 用戶可以通過更改該文件中的 相關宏定義

10、，來控制ZigBee 網(wǎng)絡的通道和PAN ID。 Options-C/C+Compiler-Preprocessor中查看,二、知識儲備,2.2 常見無線通信技術 Wifi 什么是WLAN？ 無線局域網(wǎng)的縮寫，指采用802.11無線技術進行互連的一組計算機和相關設備。 無線局域網(wǎng)（Wireless Local Area Network，即WLAN）是指以無線信道作傳輸媒介的計算機局域網(wǎng)，是有線聯(lián)網(wǎng)方式的重要補充和延伸，并逐漸成為計算機網(wǎng)絡中一個至關重要的組成部分，廣泛適用于需要可移動數(shù)據(jù)處理或無法進行物理傳輸介質布線的領域。隨著IEEE802.11無線網(wǎng)絡標準的制定與發(fā)展，使無線網(wǎng)絡技術更加成

11、熟與完善。并已成功的廣泛應用于眾多行業(yè)，如金融證券、教育、大型企業(yè)、工礦港口、政府機關、酒店、機場、軍隊等。產(chǎn)品主要包括：無線接入點、無限網(wǎng)卡、無線路由器、無線網(wǎng)關、無線網(wǎng)橋等。,二、知識儲備,2.2 常見無線通信技術 Wifi WiFi的全稱是Wireless Fidelity，又叫802.11b標準，是IEEE定義的一個無線網(wǎng)絡通信的工業(yè)標準。該技術使用的使2.4GHz附近的頻段，該頻段目前尚屬沒用許可的無線頻段(在2.4GHz及5GHz頻段上免許可)。最高帶寬為11 Mbps，在信號較弱或有干擾的情況下，帶寬可調整為5.5Mbps、2Mbps和1Mbps；其主要特性為：速度快，可靠性高，

12、在開放性區(qū)域，通訊距離可達305米，在封閉性區(qū)域，通訊距離為76米到122米，方便與現(xiàn)有的有線以太網(wǎng)絡整合，組網(wǎng)的成本更低。WLAN和Wi-Fi（WiFi）區(qū)別？Wlan是無線網(wǎng)絡的縮寫。又叫做無線局域網(wǎng)。同理無線城域網(wǎng)叫做Wwan. WIFI是無線網(wǎng)絡中的一個標準，比如說那些IEEE 802.11a、b、g之類的都屬于WIFI這個標準。,二、知識儲備,2.2 常見無線通信技術 Wifi:應用 無線APLAN的應用 私網(wǎng) 無線辦公環(huán)境，家庭 防止非內部人員進入網(wǎng)絡 a、MAC地址過濾 b、ip用戶名的鎖定 AP+router 無線LANinternet的應用 專網(wǎng) VPN： 公司之間異地互連的

13、專用網(wǎng)絡 基于internet的公司局域網(wǎng) 網(wǎng)絡電話： NetPhone， IpPhone 基于VPN全面實現(xiàn)語音通話 網(wǎng)絡視頻：基于Iweb的視頻會議監(jiān)控 基于internet的數(shù)據(jù)流的解決,二、知識儲備,2.2 常見無線通信技術 Wifi:應用 企業(yè)：ERP. Server ERP軟件 AP PDA CFWLAN 醫(yī)院：查詢系統(tǒng) 病例、藥品、監(jiān)控. Server 醫(yī)用軟件 AP PDA CFWLAN 超市：廣播系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)： Server 發(fā)布軟件 AP WCard機頂盒TV 交通：各個交通路口的監(jiān)控 IP、VPN Server 監(jiān)控軟件 AP IpCAMServerCAM 鐵路、航空、

14、電信： IP、VPN 售票系統(tǒng)的通信專用網(wǎng)絡的票務 Server 監(jiān)控軟件 AP IpCAMServerCAM IpPhone,二、知識儲備,2.4 CMOS攝像采集原理及圖像處理,二、知識儲備,2.4 CMOS攝像采集原理及圖像處理 CMOS攝像頭定義 CMOS攝像頭：是一種采用CMOS圖像傳感器的攝像頭。 CMOS攝像頭種類 CMOS攝像頭種類：CMOS和CCD二類 CMOS一般應用在普通數(shù)碼設備中，CCD一般應用高檔數(shù)碼設備中，都是光學成像，CCD比CMOS單位成像的效果要好。CCD鏡頭比CMOS顏色還原要好分辨率要高。,二、知識儲備,2.4 CMOS攝像采集原理及圖像處理 無論是CCD

15、還是CMOS，它們都采用感光元件作為影像捕獲的基本手段，CCD/CMOS感光元件的核心都是一個感光二極管（photodiode），該二極管在接受光線照射之后能夠產(chǎn)生輸出電流，而電流的強度則與光照的強度對應。但在周邊組成上，CCD的感光元件與CMOS的感光元件并不相同，前者的感光元件除了感光二極管之外，包括一個用于控制相鄰電荷的存儲單元，感光二極管占據(jù)了絕大多數(shù)面積換一種說法就是，CCD感光元件中的有效感光面積較大，在同等條件下可接收到較強的光信號，對應的輸出電信號也更明晰。,二、知識儲備,2.4 CMOS攝像采集原理及圖像處理 圖像的二值化 二值化就是將原來的灰度圖像轉換成只有黑和白兩種顏色的

16、圖像。,二、知識儲備,2.4 CMOS攝像采集原理及圖像處理 圖像的二值化: 利用灰度圖像直方圖閾值二值化 灰度級切片法二值化 等灰度片法二值化,二、知識儲備,2.4 CMOS攝像采集原理及圖像處理 利用灰度圖像直方圖閾值二值化 對于大多數(shù)灰度圖像來說，圖像中的物體和背景是有明顯的區(qū)別。通過選擇閾值，區(qū)分圖像和背景，以便對物體進行處理。 設定一個閾值，若像素的顏色值大于閾值則取255，否則就取0。,二、知識儲備,2.4 CMOS攝像采集原理及圖像處理 輪廓跟蹤的基本步驟 邊界提取 邊界跟蹤,二、知識儲備,2.4 CMOS攝像采集原理及圖像處理 邊界提取效果,2.4 CMOS攝像采集原理及圖像處

17、理 按照上述定義可以編制程序 輪廓跟蹤的流程圖:,二、知識儲備,三、 項目實現(xiàn),3.1 硬件原理圖 仿真月球車的圖像識別與傳輸控制.sch,三、 項目實現(xiàn),3.2 月球車與控制主機無線通信實現(xiàn) 通信結構,三、 項目實現(xiàn),3.2 月球車與控制主機無線通信實現(xiàn) 通信協(xié)議 采用標準的TCP/IP協(xié)議完成控制主機和月球車通信，其中控制主機作為TCP的服務器端，月球車作為TCP的客戶端。每次通信由月球車發(fā)出連接請求，服務器響應后建立連接，月球車和控制主機之間進行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸完成后斷開該次連接。 在通信中，套接字（socket）網(wǎng)絡地址類型選取在Internet上通信的網(wǎng)絡地址類型（AF_INET）

18、，套接字類型采用流連接方式（SOCK_STREAM）和默認的網(wǎng)絡協(xié)議。,三、 項目實現(xiàn),3.2 月球車與控制主機無線通信實現(xiàn) 通信流程,三、 項目實現(xiàn),3.2 月球車與控制主機無線通信實現(xiàn) 請求命令和反饋命令表,三、 項目實現(xiàn),3.3 圖像特征數(shù)據(jù)表 本案例中仿真月球車的圖像處理采用二值化,圖像識別的圖像形狀分別為三角形 ,矩形 和圓形 ,圖像特征數(shù)據(jù)表如下:,三、 項目實現(xiàn)(現(xiàn)場演示),3.4程序流程圖,三、 項目實現(xiàn):源程序分析,3.5 源程序分析 #include #include #include #include #include #include #include #include

19、 camera.h #include wf_trans.h #define CAMERA_WIDTH160 #define CAMERA_HEIGHT128 / 用于圖像處理的暫存區(qū)，都是半個屏幕 unsigned char g_tmpBuffer1CAMERA_WIDTH*CAMERA_HEIGHT; unsigned char g_tmpBuffer2CAMERA_WIDTH*CAMERA_HEIGHT; / 打開攝像頭 int open_camera(char* DeviceName, struct frame* pFb) pFb-fd = open(DeviceName, O_RDON

20、LY); if (pFb-fd fd, 0, CAMERA_WIDTH); ioctl(pFb-fd, 1, CAMERA_HEIGHT); close(pFb-fd); pFb-fd = open(DeviceName, O_RDONLY); if (pFb-fd 0) printf(cannot open video device, line:%dn, _LINE_); return -1; ,三、 項目實現(xiàn),3.5 源程序分析 pFb-width = CAMERA_WIDTH; pFb-height = CAMERA_HEIGHT; pFb-bPP = 16; pFb-lineLen =

21、 (pFb-width * pFb-bPP) / 8; pFb-size = pFb-lineLen * pFb-height; pFb-addr = pImageData; if(pFb-addr = NULL) printf(cannot malloc memory for 1th video devicen); return -1; / clear memset(pFb-addr, 0, pFb-size); memset(g_tmpBuffer2, 0 xff, sizeof g_tmpBuffer2); return 1; ,三、 項目實現(xiàn),3.5 源程序分析 / 關閉攝像頭 void close_camera(struct frame* pFb) close(pFb-fd); voi