硬件接口系统

硬件接口系统（通用10篇）

硬件接口系统 篇1

0 引言

半实物仿真阶段是民机飞控系统研制的一个重要阶段, 此时通过主飞行仿真计算机对飞机的六自由度运动、发动机推力、起落架系统、液压燃油等系统进行计算模拟, 但对驾驶舱操纵器件、飞控计算机、传感器、仪表显示等与飞行控制相关设备采取真实硬件, 一方面可以在初期对控制策略进行原理性试验;另一方面是在系统集成阶段对飞控系统机载设备进行测试验证。由于各种机载设备在飞机上是通过模拟信号或者各种总线数字信号连接在一起, 因此, 在地面半实物仿真需要硬件接口系统对各种模拟信号、数字信号、ARINC429总线、以太网等进行分配、管理。

硬件接口系统主要功能是实现主飞行仿真计算机内部数据与驾驶舱仿真设备以及之后的飞机机载设备所需电气物理量之间的变换和传输功能。硬件接口系统接收主飞行仿真计算机内部的数据, 并将这些数据传送给仿真驾驶舱的显示屏、指示灯, 同时接口系统采集驾驶舱设备的开关、按钮、旋钮等操控设备的状态, 并将这些状态转换成各仿真软件内部需要的变量数据发送给仿真计算机。对于需要通过航空总线进行激励的设备, 例如ARINC429或者ARINC 664的航电设备, 接口需要搭建相应的航空总线通道, 这样接口系统接收各仿真软件内部的模型数据, 转化成总线信号, 通过航空总线向设备发送激励信号, 同时接收设备发出的总线反馈信号并解析转化成各仿真软件内部需要的数据信息。

1 系统架构

硬件接口系统由接口计算机、各种信号和总线的接口板、接口配线箱、接口子系统和连接电缆组成硬件接口系统组成原理如图 1所示。

2 系统组成

(1) 接口计算机

接口计算机为高性能工业接口PC, 具备10个以上的PCI插槽, 每个插槽上可以安装各种信号和总线接口板。

接口计算机上安装有操作系统。接口计算机中安装的各种信号和总线接口板, 通过运行在接口计算机中的接口控制软件进行驱动。接口软件通过以太网 (UDP/IP) 与实时仿真主机交换数据, 通过对接口板的读写实现与设备的通讯。

其中航空总线信号的板卡也可以根据需要安装在航电仿真计算机上, 将对应板卡的接口驱动模块在航电仿真计算机上调用运行。

(2) 接口配线箱

接口配线箱中实现信号、工作电源、照明电源的重新分配, 为接口板与设备的通讯建立通道, 为设备的工作分配工作电源和照明电源, 使得设备能够正常工作。由于接口板上按照信号电气特性进行分类的, 如DI、DO、AD等, 而驾驶舱设备则是按照设备功能组织的, 从电气特性角度来说是一个综合体, 有可能由多种信号组成, 这样就需要在接口配线箱中对设备的信号电缆进行重新分类组织使之符合接口板的电气信号定义。同时根据驾驶舱设备工作的需要将工作电源和照明电源分配到设备电缆。

通过接口配线箱可以使仿真件的接口电缆线和真件的接口电缆线相分离。使得电缆线路的走线更清晰, 方便电缆线路的检查以及设备的拆装和替换。

(3) 接口子系统

接口子系统是一个小型的接口采集系统, 它由接口控制盒和配线箱构成。接口控制板具备96个DI通道、48个DO通道和8个AD通道的驱动能力, 通过本子系统的配线箱与驾驶舱设备进行通讯, 而向上则通过标准的RS422总线协议与接口计算机中的接口软件实现数据通讯。由于接口子系统对 DI/DO/AD信号的驾驶舱设备进行前端控制处理, 在接口计算机中就不需要插对DI/DO/AD信号处理的板卡了, 所对应仅需插入一块串口卡, 减少了接口计算机内部的板卡数量, 减轻了接口计算机的负担, 简化了接口系统结构, 实现了接口系统的分布式处理。其组成原理见图 2。

由于各接口板卡是非常成熟的货架产品, 各接口板卡采用市售成熟的高品质板卡, 飞机研制过程中前期对设备进行仿制和后期对机载真实设备的换装的需要, 硬件接口系统主要的板卡有ID板、DA板、A429等板卡, 其清单见表1。

(4) 软件

接口控制软件运行在接口计算机的操作系统中, 通过寻址接收各种接口板上发来的信号并根据各仿真系统的需要和要求, 对接收到的数据进行处理, 并打包通过以太网 (UDP/IP) 把数据传输到主仿真计算机中, 由主仿真计算机进行分发。

随着机载真实设备的接入, 根据所提供的设备的实际情况, 接口控制软件将接收仿真计算机的传来的数据, 并依据机载设备所遵循的数据格式和数据协议, 从中来提取所需数据, 把数据存储在符合主仿真计算机所定义的数据结构中, 并通过以太网 (UDP/IP) 输出给主仿真计算机, 同理, 接口控制软件也将通过以太网 (UDP/IP) 接收实时仿真主机主仿真计算机传来的数据, 把数据转换成符合真件接收的数据格式并根据真件的通信协议输出。

接口控制软件主要包括:RS-422串口板读写模块、A429板读写模块、A664板读写模块、A429/A664数据转换模块、ID/DO数据处理模块、AD/DA数据处理模块。

接口控制软件的原理框图见图 3。

3 结束语

本文对民用飞机飞控系统半实物仿真系统的硬件接口系统进行了设计和研究, 描述了其系统架构、组成、功能, 并提供了推荐的硬件采购清单, 根据此方案可以为半实物仿真系统提供硬件接口系统, 根据具体的信号种类、数量采购相关的板卡, 并开发驱动, 事实证明, 采用此方案, 可以高效、灵活地进行接口控制和管理。

参考文献

[1]王行仁.飞行实时仿真系统及其技术[M].北京:科学出版社, 1985.

[2]孔祥营.嵌入式实时操作系统VxWorks及Tornado开发环境[M].北京:中国电力出版社, 2002.

[3]申文彬, 刘宏立.实时仿真系统的时间特性分析与控制[J].中国科技信息, 2005 (24) .

[4]吴佳楠.实时仿真设备驱动程序开发技术研[J].计算机仿真, 2005 (4) .

硬件接口系统 篇2

应充分利用通信平台提供的CTI和其它形式的接口，在应急值守与指挥调度系统中，用户在应用系统的前台界面进行的操作，应用系统直接调用通信平台提供的接口，使用通讯系统的通讯能力完成诸如电话呼入业务响应、电话呼出、电话会议以及短信、传真、邮件等功能，为用户提供一体化的“一点通”应用解决方案。相应的接口主要包括：

 电话呼入（应答、转接、会议）

 电话呼出（单呼、会议）

 短信（发送、接收）

 传真（发送、接收）

SAP 系统接口技术分析 篇3

关键词：SAP RFC BAPI ALE IDOC

RFC ( Romote Function Call，远程函数调用 )接口模式

RFC 是 SAP 系统和其他（SAP或非SAP）系统间的一个重要而常用的双向接口技术，也被视为 SAP 与外部通信的基本协议。简单地说， RFC 过程就是系统调用当前系统外的程序模块，从而实现某个功能，而且调用系统和被调用系统中至少有一个必须是 SAP ABAP 系统。这种远程功能调用也可在同一系统内部进行（如本地SAP 系统内的远程调用）；但通常情况下，调用程序和被调用程序处于不同系统。

SAP 系统RFC应用的原理很简单，有一些类似于三层构架的C/S系统，第三方的客户程序通过接口调用 SAP 内部的标准或自定义函数，获得函数返回的数据进行处理后显示或打印。在 SAP 客户端 SAP Gui Client 安装的时候，注意选择安装附带的 SDK 包（最保险是选择完全安装）。RFC 接口程序开发，主要用的是“SAP.Functions”这个控件，通过控件在外部程序模拟 SAP Gui Client 的用户登录和函数调用，然后返回函数的值。

优点： SAP 的 RFC 调用是其接口技术中最简单和易用的一种方式，该方式开发比较简便，特别适合于外部报表开发。

缺点：但对于大数据量的查询效率相对较低。如果有大数据量开发很多使用 IDOC 和 BAPI 接口开发技术。

RFC 接口方案开发量小，实施简单，很快就能满足客户需求，如在外部系统打印报表,或外部系统获取 SAP 简单的数据信息进行加工处理等。但这种方案只能满足客户简单的需求。

BAPI (Business Application Programming Interface)接口模式

BAPI是Business Application Programming Interface的缩写，是 SAP 为3.0版本以上提供的基于企业目标(Business Object) 技术的接口应用界面。 SAP 在3.0版本以上采用了 Object-oriented 技术，逻辑定义了 SAP R/3系统的所有功能目标，并且将所有的目标(Objects) 和BAPIs存储于企业目标库BOR(Business Objects Repository). SAP R/3 企业目标的目标类型(Object Type) 相当于目标设计语言中类(Class) 的概念，其定义结构由以下几部分组成：

基本数据——所有目标类的通用属性，如目标标识和默认方法(Method) 。

接口界面——目标的方法(Method)， 事件(Event), 特征(Attributes) 。

键(Key Fields)——供BOR中目标检索使用

方法(Methods)——对目标进行所要求的各种操作。

特征(Attibutes)——描述目标特征。

事件(Events)——触发以改变目标状态。

BAPI 是一个标准化的开放接口。 BAPI 是 SAP 提供给用户的一些标准函数，比如创建销售订单的函数 ，只要给定相应的参数,就可以实现特定的功能。它也克服了很多BDC 存在的固有BUG。

优点： BAPI 是外部系统对 SAP 标准业务进行调用的一种方式，当外部系统有对 SAP 标准业务关联较紧密的功能性开发调用时较适合。

缺点：但当外部系统与SAP系统间有大数据量的交付，并且分布广，网络状况较差情况下不适合。这种模式，也是只需写少量的代码就能实现，并且满足了客户对 SAP 业务模块对象化的应用，这种模式需要在 SAP 业务模块进行适量的配置，

这是目前小业务数据量交付的常用接口模式，因为外部系统只需给出调用的输入参数，在获取 SAP 的输出参数，但 SAP 系统自身处理相应业务逻辑，这增加了 SAP 服务器负载，并且不适宜分布较广的系统间大数据量的交付。

ALE(Application Link and Enabling )/IDocs(Intermediate DOCument)接口模式

ALE 是Application Link and Enabling的缩写，是 SAP 专门为 SAP 与 SAP 之间所设计的整合中间件。IDocs是中介文本 (Intermediate DOCument) 的缩写，是 SAP 提供的系统整合专用的数据/消息格式。ALE在SAP 3.0版本开始就作为 SAP 整个应用体系的一部分，为分布式数据交换提供了可靠安全的通讯机制。ALE的设计，原本作为两个SAP流程之间的一种消息传递服务(Messaging Service) ，使 SAP 与 SAP 的业务流程之间企业数据能够有效的交换，为两个独立的 SAP 之间提供了的系统整合服务。不过，随着应用的发展， ALE/IDocs 接口机制也已然成为与其它非 SAP 系统的标准的整合方式。 ALE 的机制代替了原来的SAP所提供的批数据通讯BDC(Batch Data Communication) 方式顾名思义，BDC为系统之间提供了简单的数据批处理服务，还不能作为一种中间件技术，它没有提供系统之间进行无缝整合所要求的纠错功能、系统管理和其它安全措施。ALE这些方面却处理的很好。

IDoc是EDI(电子数据接口)的一种标准,它是SAP系统支持的唯一一种EDI标准，所以，在SAP系统中，不用考虑EDI各个标准的转换问题。

ALE/IDocs模式适合有大数据量交付，系统间网络状况较差，且分布较广的SAP系统与非SAP系统间的集成接口模式。

硬件接口系统 篇4

关键词：硬件加密,FPGA,USB

0 引言

随着Internet和电子商务的蓬勃发展, 基于Internet的商务活动也日益频繁, 对信息安全提出了更高的要求。本文提出的基于FPGA+USB接口的硬件加密系统充分发挥了FPGA的灵活性强、速度快和USB传输速度快的优点, 工作可靠, 具有比较广泛的应用前景。

1 系统硬件组成

图1为系统硬件结构图, 其核心部分是FPGA芯片, 同时配置FLASH ROM芯片作为FPGA的配置芯片。各种功能通过FPGA设计工具用VHDL语言进行描述, 在集成软件环境中进行编译、调试及综合, 使用专用下载电缆将程序代码下载存储在FLASH芯片中, 一旦系统上电复位, 主FPGA芯片将把FLASH芯片中的配置信息读入自己的RAM中进行初始化工作。

1.1 FPGA功能模块

FPGA功能模块是系统的核心, 主要实现以下3个主要功能:

(1) 用于实现加密过程中的时序控制, 包括对加密数据的输入和读取控制、加密算法的模式选择和公钥随机数的输入等。采用状态机设计思想实现整个时序的控制。

(2) 用于实现各种加密算法, 包括DES、3DES、RSA和Hash算法等。主设备PC机上需要加密的数据通过USB接口发送到FPGA功能模块的加密芯片上, 加密芯片根据控制信号的信息分析出应该采用哪种加密算法, 产生加密数据后, 给出标志信号, 然后就可输出加密好的数据。在FPGA设计工具中调试好的设计程序以网表文件的方式存储在FLASH芯片中, 一旦系统上电复位, 主FPGA芯片将把FLASH芯片中的配置信息读入自己的RAM中进行初始化工作[1]。

(3) 实现与USB接口的数据通信。能将待加密数据送往加密芯片, 也可以将已经加密好的数据从加密芯片中读出来送到主设备中。FPGA和USB之间的通信就是8位数据总线加上若干控制信号, 只要控制FPGA产生符合USB输入/输出时序的脉冲, 即可实现两者之间的通信。

1.2 USB连接

本系统选用Cypress公司EZ-USB FX2系列CY7C68001芯片, 该芯片具有Slave FIFO和可编程接口GPIF两种接口方式。在本系统中, 该芯片工作在Slave FIFO模式。该模式下, 外部控制器可象普通FIFO一样对FX2的多层缓冲FIFO进行读写, FX2可以和FPGA直接通信而无需8051固件参与。CY7C68001与FPGA的连接如图2所示。

1.3 密钥信号的产生

密钥信号产生模块的功能是产生真正意义上的随机数, 而不是通常由软件产生的伪随机数。真随机数在密码技术中的用途在于产生工作密钥和会话密钥, 为公钥算法提供生成素数所需的随机数, 某些公钥算法和协议 (如密钥交换协议等) 直接需要1个或多个随机数参与运算。模块生成随机数的机理源于大自然中的永恒噪声, 将元器件的固有噪声放大, 并通过A/D芯片采样转换, 就可以得到真正意义上的随机数。系统中采用的A/D芯片MAX152的转换精度为8位, 成本很低, 而且产生的随机数足以满足系统的性能要求[2], 如图3所示。

2 PC机侧的软件开发

从www.cypress.com的网站上可以下载文件EZ-USB-devtools-version-261700, 经安装后可以得到CY7C68001芯片的驱动ezusb.sys和应用程序EzMr.exe (该程序也被称为EZ-USB控制面板) 。该应用程序具有以下功能:

(1) 获得descriptor;

(2) 下载软件 (针对CY7C68001的开发板) ;

(3) 从屏幕或文件发送/接收数据;

(4) 数据发送返回测试等。

在该应用程序的帮助菜单里有详细的使用说明。该程序的缺点是不能连续地从FPGA中接收数据。

另外还有2种简易的方法可以开发CY7C68001的驱动和应用程序:

(1) 使用Jungo公司的Windriver6.02, 把做好的CY7C68001通信板接到PC机上, 启动Windriver6.02, 按照屏幕提示可以很轻松地获得驱动和应用程序。这种方法的优点是可以连续地从FPGA中接收数据并且可以看到程序原代码。从www.jungo.com网站上可以得到详细的信息。

(2) 使用Cypress公司提供的EZ-USB通用目的驱动来开发设计应用程序。

本系统的应用程序采用VC++编写, 为用户提供一个友好的交互界面。主要实现“加密数据”、“解密数据”、“清除数据”、“设备复位”、“显示设备信息报告”等功能。

3 结语

本文提出的基于FPGA和USB接口的硬件加密系统, 由USB接口发送待加密的数据, 通过FPGA芯片硬件完成数据加密过程, 并由高速传输总线传输数据。该系统具有处理速度快、实时性好、安全性高、灵活性强等优点, 能较好地实现主机的硬件加密, 具有广泛的应用前景。

参考文献

[1]刘韬, 楼兴华.FPGA数据电子系统设计与开发实例导航[M].北京:人民邮电出版社, 2005.

地铁信号系统的接口设计分析 篇5

地铁信号系统的接口设计分析

通过对典型的`准移动闭塞ATC信号系统与其他机电系统电气接口的接口硬件、信息定义、接口协议的技术分析,提高和加深对系统接口的认识,为正确实现其他制式信号系统的接口提供积极有益的借鉴.

作 者：张涛 Zhang Tao 作者单位：中铁二院工程集团有限责任公司,成都,610031刊 名：铁路通信信号工程技术英文刊名：RAILWAY SIGNALLING & COMMUNICATION ENGINEERING年，卷(期)：7(1)分类号：U2关键词：地铁信号 闭塞 联锁 接口设计

硬件接口系统 篇6

当前我国已经步入后工业化时代,在这一时期自动化和智能化成为社会生产力发展的主要方向,因此自动化和智能化实现的核心——嵌入式计算机的发展变得尤为重要。现阶段系统兼容性是嵌入式计算机发展的主要障碍,如何在不影响计算机性能的前提下,最大限度的提升计算机的兼容性成为整个行业面临的主要问题,因此以当前较为成熟的Vx Works操作系统为基础,对嵌入式计算机硬件抽象层与操作系统接口的研究具有鲜明的现实意义。

1 现阶段计算机的开发情况

1.1 硬件与软件的开发情况

根据摩尔定律,在相同的面积的硅片上,大概每十八个月左右就会使晶体管上的封装数量增加一倍,但是成本却一直在减少。正因为这一规律,新的器件才会不断地出现,旧的器件也在不断地淘汰,计算机硬件的更新速度也越来越快。但是,我们发现在使用嵌入式计算机的系统或者是设备,它们的使用周期一般都很长。在系统和设备的有效期限内,如果有某一部分的零件坏了需要修理,很可能会因为更新换代的速度太快而面临着原件的停产等问题,只能被迫选择其他类似功能的器件进行相应的替换,器件被替换后,仅验证与确认的步骤就需要付出比较大的经济代价。这就要求我们加快研究的脚步,做到使新的硬件平台使用已经验证过的软件顺利运行。

目前,嵌入式的实施操作系统使用的越来越广泛,通过对硬件中的抽象层进行设计,通过建立起硬件抽象层和操作系统的接口,来进行硬件与软件的分离,前文所述软硬件开发滞后问题就可以得到妥善解决。

1.2 嵌入式计算机

嵌入式计算机使用的是以应用为中心的计算机系统,以现代个人PC技术为基础,对相关的硬件与软件进行适当的裁减,能够满足应用系统对其生产成本、整体的功耗、具备的功能、整体的体积以及是否可靠等要求的计算机系统。一般情况下,我们可以将整个嵌入式的系统分为四个部分,一是嵌入式处理器、二是嵌入式的外围设备、三是嵌入式的应用软件、四是嵌入式的操作系统。又可以根据是否必须作为一个独立的单元进行工作,是否具备一定的网络功能、是否能够按照实时的操作进行标准的划分等特性,将嵌入式的系统又分为单机、实时、网络设备与移动设备。

1.2.1 单机嵌入式系统

单机嵌入式系统指的是通过单机的方式进行工作,获取输入并且能够产生输出。输入信号可能是来自传感器中发出的电信号,也可能是来自使用者的命令,然后,对另一个系统进行信号的输出,或者显示其用户信息。

1.2.2 实时嵌入式系统

实时嵌入式系统指的是在特定的时间内按照要求完成特定任务的系统类型,而且完成的过程必须严格符合相关的约束条件。以功能发挥的机制,又可以将实时嵌入式分为,硬实时嵌入式与软实时嵌入式两种。

1.2.3 网络设备和移动设备

部分的嵌入式网络与一个网络相互连接,通过网络对某些参数或者数据传输到中央系统的实时监控的位置,这就是网络设备。

而移动设备则是因为高速的无线网络出现产生的,移动设备中除了语音服务之外还可以支持高速的数据服务。

2 软件的结构模型

软件的结构通常是通过一个接口将应用软件和操作系统与硬件的抽象层与硬件进行有机的关联,形成了软件的结构模型。其中硬件的抽象层可以对底层硬件的详细信息进行封装,还能够对上层的软件提供比较低级的抽象访问。这类硬件抽象层不仅仅从逻辑上对操作系统进行分离,还能够从空间上对操作系统进行分离。操作系统与硬件抽象层都有独立编译的能力,会分别生成不同的映像。

这类软件结构有很多的好处,它能够使CPU的体系不发生任何的改变,仅凭借着对外围芯片与硬件接口进行更改的情况下,对硬件抽象层进行逻辑与空间的分离。但是,这种分离的结构导致了硬件的抽象层与应用程序的映像与操作系统之间没有办法直接的进行互访,需要通过相关的机制作媒介才能够完成互访。

3 硬件的抽象层的结构与其功能

硬件抽象层的结构主要是由启动代码、映像管理模块、设备驱动、目标机调试代理等部分组成,其中的启动代码单独工作,目标机调试代理与映像管理模块作用于设备驱动,且目标机调试代理作用于映像管理模块,这就是硬件的抽象层的结构。

硬件抽象层的功能有:

(1)负责对用户的配置的启动映像进行运行,并且要完成系统对用户的引导,以及对相关数据结构进行初始化。

(2)硬件抽象层还需要对映像进行有效地管理实施,其中包括了映像管理模块对完成映像过程的管理,还有对管理映像进行固化、加载与擦除等步骤,其中对映像的管理模块可以使设备驱动完成对储存设备的访问。

(3)硬件抽象层中的中心部分,是整个体系结构中的芯片与关联的驱动程序,其中这些驱动程序就是通过配置的方式给操作系统中的映像进行提供服务,当有需要更换平台时,只需要在更换完成后再更换硬件的抽象层,就可以完成更换,免去了很多的麻烦。

(4)硬件抽象层中还存在着一个以目标机调试为目的的代理模块,这个模块在硬件抽象层的基础上能够对软件进行相应的加载或者调试。可以直接对设备的驱动与主机端之间提供完整的通信过程,并且根据相应的模块管理函数可以进行相关的操作。

3.1 二者的概念

硬件抽象层与操作系统接口之间,通过对操作系统进行标准的服务,保证与操作系统的硬件具备无关性,并且可以作为操作系统要对硬件进行访问的一座桥梁。

4 隔离机制的创新性改造

根据调查显示,我国现在已有的自主版权的操作系统还没有对软件模型的操作系统进行相应的满足,这个模型只是一个理想的模型,通过Vx Wroks操作系统对嵌入式系统的普遍使用,针对其中的硬件抽象层与操作系统之间隔离机制进行研究。

研究表明将硬件抽象层与操作系统之间的接口加上Vx Works的操作系统进行改造后,可以得出应用程序都对WIND内核产生传输,WIND内核通过对储存管理与接口函数库的定义进行传输,再由接口函数库的定义进行传输,通过对接口函数库,对原操作系统BSP进行改造。整个过程就是对隔离机制的实现过程。

5 验证与测试

硬件的抽象层与操作系统之间的接口,最初的时候是选择利用Vx Works分为两部分,其中的一个部分是根据接口之上与硬件没有什么关系的可以进行通用的一种操作系统,而另外一部分则是通过接口下方部位的硬件抽象层之后的软件进行的。将原来的操作系统通过直接的方式对硬件资源进行访问,根据相关的需要进行修改,必须通过硬件抽象层和操作系统之间的接口才能够进行访问的模式,经过这一过程造成了软件的结构有着十分巨大的改变。软件结构中的功能原有的有效性与这种修改产生了实时性的影响,是现阶段软件技术中的验证与测试所面临的十分重要的问题。

执行的时间测量的方式通常有两种,一种是采用硬件的方式,一种是采用软件的方式。相对于硬件方式而言,软件的方式比较简单,但是对时间的精度不是很高,对于使用这种方式进行测试的软件的两端需要添加一些时标,在指令执行完成后进行记录的读取和对时标进行相应的计算。而硬件的测试方式与软件相反,通常会使用示波器等测量的工具对需要测试的点进行测量,通过对软件执行的过程所产生的硬件的信号的波形来计算执行时间的长短。通过使用测量工具可以使整个测量的结果达到最改的精度,而使用硬件测量的测量方式过程都比较复杂。

我们可以根据其对操作系统的影响范围的大小,进行对系统时间初始化、异常响应时间、中断响应时间三个方面进行测量,通过这三种指标对硬件的抽象层与操作系统的接口有什么样的影响来进行分析。需要注意的是,其中的系统初始化的时间测量对精度的要求不是很高,可以使用软件测量的方式进行测量,而其他两种测量就需要用硬件的方式进行测量,要求测量结果精准。

5.1 如何测量系统初始化时间

系统的初始化时间简单来说就是系统在开始启动时的函数,作为整体系统中的开始一个根任务之间的所需要的时间。Vx Works中本身就带有一定的时标读取的函数,可以直接的进行测量。通过函数vxtime base get能够获取到系统中所执行的tick数,其频率基本为系统时钟频率的四分之一左右,假设测试平台系统为32MHZ,其中的tick的频率大致为8MHZ左右,结果中出去系统中调用时压栈与出栈的过程之外,使用Vx Works系统中函数所得到的测量时间的精度可以精确到微秒,可以满足系统对初始化时间需要的测量的需求。

5.2 中断响应时间的测量方式

中断响应时间指的是从终端的产生开始知道系统受到指令进行终端的过程,并且要开始执行其中中断服务的程序,简称ISP,测量其首条指令所持续的时间是多久。中断响应时间也是系统实时性的重要指标之一,通过硬件的方式利用示波器对中断响应时间进行测量,其测量结果精度基本可以达到微秒的级别,确保整个测量结果的所有需求。

在对中断时间开始测量前,要先对终端的处理程序添加一条语句,在程序的开始位置,其作用是将硬件平台中包含的一位离散量从零置为一,再进入中断时间的测量程序,再接着使用示波器将通道A中的硬件的平台发出中断请求的信号--INQ,而通道B则连接上离散量的信号DIO,当系统的中断指令发生时,通过对示波器的触发对中断的时间进行记录,还能够对通道A与通道B之间的波形进行截取,在进行相关的测量和计算。如图1 所示,为上述步骤的结构示意图。

使用上述的方式对系统的初始化时间与中断响应的时间进行测试,我们得出结果,添加硬件的抽象层与操作系统接口前的系统初始化时间为42-43ms之间,其中断响应时间为0.04644ms左右,异常的响应时间在0.034045ms左右,而添加硬件的抽象层与操作系统接口后,系统的初始化时间为45-45.5ms之间,比添加硬件的抽象层与操作系统接口前增加了3ms左右,中断响应的时间为0.05031ms左右,相比添加硬件的抽象层与操作系统接口前增加了0.005ms左右,系统的异常相应时间为0.04216ms,相比添加硬件的抽象层与操作系统接口前增加了0.008ms左右。

所以,我们通过对比结果可以看出,添加硬件的抽象层与操作系统接口后的测量时间都要比添加硬件的抽象层与操作系统接口前有所增加。增加的原因是在添加硬件的抽象层与操作系统接口后系统中会多一层二者之间的函数调用,但是这三种时间的指标仍然可以保持着与原有的指标处在相同的量级。而在嵌入式计算机对环境处理器POWERpc603E的使用,我们可以看出,如果在测试中选择了性能相对来说较强的处理器,很可能会使硬件抽象层与操作系统接口使用带来的性能造成相反地效果。根据文章中的分析,我们得出结论,嵌入式计算机的硬件抽象层与操作系统之间使用接口制定的方式,能够达到设计前预计的期望值。

结语

现阶段,我国对计算机的硬件抽象层的系统的研究还处在起步的阶段,没有形成有关的标准。根据嵌入式计算机的自身的特点及运行的要求进行考虑,采用抽象的方式,对硬件进行了相关接口的制定,可以直接的实现操作系统中系统与硬件的分离的要求。再利用Vx Works的操作系统对其进行改造工作,还能够对隔离机制的整体性能进行准确的验证,通过研究对嵌入式计算机的硬件抽象层与操作系统接口提供了建议。

参考文献

[1]张宇超.网络计算机中嵌入式Linux操作系统体系结构及相关技术研究[D].重庆大学,2004.

[2]冯庆.嵌入式软件面向行业应用编程中间件技术的研究与实现[D].电子科技大学,2005.

硬件接口系统 篇7

手术仿真系统是医学仿真中的一个重要应用, 具有极大的实用价值。它可以使医生和医学生在逼真的仿真环境中无风险地进行手术模拟练习, 体验各种临床手术中可能发生的情况, 大大节省学习时间和费用。手术仿真融合了计算机图形学、医学、生物力学、人机交互、电子等多个学科, 具有较高的挑战性[1]。其中硬件接口负责捕获和传输操作者对手术器械施加的各种动作信息, 返回器械对操作者的力反馈, 使操作者直观地控制手术器械, 提高仿真的真实度。手术仿真领域已经有一些商业化的硬件接口解决方案, 例如商业触觉设备PHANToM Omni, 可实现空间的6个自由度和力反馈[2], 但设备价格昂贵 (约1000$) , 并且存在几何空间不兼容、力大小不正确的情况。工作人员虽然得到了力反馈, 但与实际相差较大[3]。

本文采用任天堂公司的体感游戏手柄Wiimote作为硬件接口。该体感手柄设计精巧, 无线连接, 利用其内置的陀螺仪检测手柄的旋转信息, 加速度感应器检测手柄的位移信息, 可以让使用者非常直观地进行操作。而且价格低廉 (约30$) , 是手术仿真较好的硬件接口解决方案。

1 Wiimote控制器原理

1.1 概况

Wiimote是任天堂公司于2006 年为其旗下游戏机Wii开发的体感游戏手柄, 通过蓝牙传输数据, 内置三轴加速度计、高分辨率红外摄像头、4个LED指示灯、12个按键以及喇叭等重要部件, 外形如图1 所示。2010 年任天堂公司发布Wiimote配件Motion Plus, 内含三轴陀螺仪。本文所采用的Wiimote内置了Motion Plus。Nunchuk是wiimote的另一个辅助配件, 其内置三轴加速度计, 2个按键和一个二维摇杆 (见图2) 。本系统设计Wiimote作为主控制器, Nunchuk作为辅助控制器。

1.2 工作原理

1.2.1 三轴加速度计

加速度计本质上是一个震荡系统, 用于输出载体在轴方向上的线性加速度值。内置在Wiimote和Nunchuk中的三轴加速度计是美国模拟器件公司生产的ADXL330, 它具有±3g的感应范围, 每个轴上的返回数据存储在8bits空间上, 并且具有100Hz的数据更新率[4]。

其工作原理如图3:单位质量的小球放置于立方体盒子中, 盒子的6个面感应小球的力, 分别对应于x、y、z轴。完全静止下只有重力, 因此-z轴有1g的力, 其余轴为0。受力运动时, 由于惯性, 小球会撞到反方向的盒面上, 盒面捕捉受力, 根据牛顿运动定理:F=ma, 即可返回对应的加速度值[5]。

在无线性运动的情况下, 它还可以测出偏转角度。原理如图4:载体摆放位置的变化会影响各个面的受力 (三个力的合力和重力等值反向) , 可以由返回的加速度值求出三个方位角[5]。

1.2.2 三轴陀螺仪

陀螺仪是角动量守恒定理的一个实际应用, 用于输出载体在轴方向上的角速度值。由各个轴上的瞬时角速度值, 可以积分出角度变化。理论上看, 陀螺仪和加速度计在检测旋转的功能上有重叠。陀螺仪更适合高精度、反应快速的旋转;加速度计适用于有固定重力参考系, 旋转运动被限制在一定范围内的旋转。在Wiimote的三维旋转中, 俯仰角pitch是绕x轴旋转的角度, 水平翻滚角roll是绕y轴旋转的角度, 水平偏航角yaw是绕Z轴旋转的角度, 如图5。

2 硬件设计

2.1 主控制器Wiimote设计

用加速度计来做运动捕捉, 对加速度求二重积分得到位移[6]。

即:

其中a, s都是矢量, a=[ax, ay, az], s=[sx, sy, sz], 考虑到加速度计的数据既可由运动引起, 也可由旋转引起, 会出现数据的混杂。为了分离数据, 浙江大学赵亮亮[7]采用的方法是用一个按键来作开关, 设定运动时不旋转, 旋转时不运动。同时为了避免位移和旋转数据跳变, 设定运动时不更新角度数据, 旋转时不更新位移数据。该方法可以很好地实现目标, 但损害了实际使用的直观性。笔者以为如下设计会更直观:1由陀螺仪准确地测出三个方向上偏转角度的变化;2由角度变化反推它给加速度计带来的影响;3消去旋转影响, 用更正后的加速度值求位移变化。

具体步骤大致如下:

用陀螺仪捕捉角速度值, 积分得到每帧时间内角度变化值, 进而计算出手柄的方位旋转情况。帧间时间间隔Δt, 定义陀螺仪tn时刻返回的角速度数据为R (n) =[Rx (n) , Ry (n) , Rz (n) ], 初始化R (0) =[0, 0, 0], 偏转角度定义为A (n) =[pitch (n) , roll (n) , yaw (n) ], 同样初始化为[0, 0, 0], 将很短时间内的角速度视为均匀变化的旋转, 所以可将R (n-1) 和R (n) 的平均值作为帧间的平均角速度。

则定义:

角度变化的同时可能控制器会受到除重力之外的外力作用, 此力大小方向都不可知, 在这种状态下为了反推出加速度值的变化, 我们做如下假定:旋转变化时, 忽略外力的影响。做出这种假定在实际手术操作中是合理和可接受的, 因为有些手术很精细, 动作较小, 加速外力比重力小, 合力方向视为重力方向。

先由旋转分量分别算出旋转矩阵, 反推公式如下:

其中θx是pitch (n) 角度。

其中θy是roll (n) 角度。

其中θz是yaw (n) 角度。

用M的逆矩阵去修正加速度的改变量。设加速度计测出的原始加速度数据是RawAcc, 修正后的加速度是a, 则a= M-1RawAcc。

最后用修正后的加速度计算运动位移, 先将帧间的极短时间内的运动视为加速度均匀变化的变速运动, 即将a (n-1) 和a (n) 的平均值作为平均加速度, 再将运动视为加速度不变的匀变速运动, 用平均加速度求v (n) , 用v (n-1) 和v (n) 的平均值作为平均速度计算位移变化。

即:

2.2 从控制器Nunchuk设计

Nunchuk作为辅助控制器使用, 它仅有一个三轴加速度计, 考虑到手术中的辅助器械运动较少, 设计使用加速度计用于检测旋转, 二维摇杆用于控制二维运动。

旋转公式为:

其中Rx、Ry、Rz分别是Nunchuk上加速度计输出的x、y、z轴上的加速度值。

3 结语

本文主要利用Wiimote和Nunchuk中的加速度计和陀螺仪进行硬件接口设计, 主手柄拥有加速度计和陀螺仪, 利用其中的陀螺仪捕捉旋转信息, 并由旋转信息反推对加速度计的影响, 用更新后的加速度值计算位移变化。

考虑到实际手术中的情况和硬件本身的限制, Nun-chuk利用加速度值计算旋转信息, 利用上面的二维遥杆进行二维移动。

摘要：虚拟手术是虚拟现实技术在医学领域的一个重要应用, 人机交互水平是决定仿真系统好坏的关键部分。介绍了手术仿真系统的硬件接口设计, 该系统采用Wiimote控制器作为硬件接口, 利用其陀螺仪数据捕获其在三维空间的旋转信息, 其加速度感应器追踪其三维平移运动轨迹。结合二者的数据完整地实现手术器械6个自由度, 可以为使用者提供较好的手术仿真体验。

关键词：虚拟手术,Wiimote控制器,三轴加速度计,三轴陀螺仪

参考文献

[1]鲍春波.生物软组织建模仿真方法研究[D].大连:大连理工大学, 2008.

[2]BRANDON ITKOWITZ, JOSH HANDLEY, WEIHANG ZHU.The OpenHapticsTM Toolkit:a library for adding 3DtouchTMnavigation and haptics to graphics applications[C].Eurohaptics Conference, 2005.

[3]何健, 鲍苏苏, 潘家辉.基于PHANTOM的虚拟手术系统的研究[J].计算机与现代化, 2011.

[4]LEE JOHNNY CHUNG.Hacking the nintendo wii remote.[J].Pervasive Computing, 2008, 7 (3) .

[5]A guide to using IMU in embedded applications[EB/OL].http://www.starlino.com/imu_guide.html.

[6]侯文生, 戴加满, 郑小林, 等.基于加速度传感器的前臂运动姿态检测[J].传感器与微系统, 2009, 28 (1) .

硬件接口系统 篇8

随着计算机技术、电子技术和通信技术的迅猛发展,采用以太网通信的网络数字视频监控系统,因其具有经济、组网灵活、使用方便等优点,也获得了较快发展,成为目前数字视频监控系统的主要方式[1]。网络摄像机是传统摄像机与网络视频技术相结合的新一代产品,除了具备一般传统摄像机所具有的图像捕捉功能外,机内还内置了数字化压缩控制器和基于Web的操作系统,使得视频数据经压缩加密后,可以通过局域网、Internet或无线网络送至终端用户[2,3]。

本研究主要探讨基于以太网的数字摄像机硬件接口的设计。

1基于以太网的网络数字摄像机

网络摄像机典型应用图,如图1所示。

基于以太网的数字摄像机首先把视频信号和音频信号进行A/D转换以及压缩,通过以太网把压缩后的图像和声音数据流发给联网的计算机,在计算机上进行实时回放、存储,同时可以由计算机发出命令直接控制云台的垂直、水平转动,以及摄像机的聚焦、变焦等动作。图1中的摄像机即为带有云台的网络数字摄像机,每台摄像机直接通过一根双绞线接入以太网,摄像机内包括模拟的摄像头和麦克风,网络中的任何一台电脑都可以通过专用软件监视现场情况(包括图像与声音),也可以通过网络控制摄像机与云台的运动[4]。

网络数字摄像机的工作原理,如图2所示。

系统主要由视频信号采集、音频信号采集、视/音频信号压缩、中央处理器、以太网传输、云台、三可变镜头驱动等6部分组成。首先,由PAL/NTSC制彩色摄像机获取物体图像,输出模拟复合全电视信号(CVBS)或S-VIDEO(Y/C)视频信号,并送至图像信号采集部分进行高速模/数转换,形成符合CCIR601标准的Y/U/V分量数字视频信号。由麦克风拾得的环境声音信号,送至音频信号采集部分,将音频信号进行模/数转换后得到PCM数字音频信号。数字化后的视/音频数字信号同步输入MPEG-1硬件压缩芯片,按照MPEG-1的算法进行压缩、打包、复用处理后,输出MPEG-1单一数据码流。

单一数据流经过中央处理器的处理,通过10/100 M自适应以太网接口电路转发,利用RJ-45接口将数据输出。并通过10/100 M以太网发送至所需的计算机及相关设备,进行监视、存储、处理等。同时,外部计算机发给网络数字摄像机的有关控制信号(如云台旋转、镜头、焦距调节等),通过以太网送至摄像机的中央处理器(CPU),由该CPU负责接收,并根据要求,通过驱动电路,对摄像机的云台、三可变镜头进行调节,完成控制任务。

2硬件设计

在芯片的选型上,本研究采用了TMS320VC5402作为CPU。TMS320VC5402是TI公司推出的一款高性能、低价格的DSP芯片,该芯片为16位的定点DSP处理器,最高运行速度为160 MIPS,片内具有16 KB的SRAM。音/视频压缩芯片采用以色列Emblaze公司的Z1510,可同时实现音/视频的压缩。由于基于PCI总线的以太网芯片与CPU的接口比较麻烦,以太网的接口芯片采用台湾ASIX公司的AX88796芯片总线接口方式[5]。

2.1视频接口设计

该部分由模拟摄像机和Philips公司的视频解码芯片SAA7113H完成。SAA7113H为视频输入处理器(VIP),可以将视频信号按要求转换成YUV格式,其具有双通道模拟处理电路,包括信号源选择、抗混叠滤波器、ADC、自动增益控制、时钟发生电路、数字多协议解码器(PAL BGHI, PAL M, PAL N,NTSC M和NTSC N)、亮度/对比度/饱和度控制电路和颜色空间矩阵。SAA7113H还具有4个模拟信号入口,能够将PAL和NTSC信号转化成与CCIR-601兼容的颜色成分。该芯片可由I2C总线控制。

该部分电路可输入PAL制式或NTSL制式的4路全电视复合视频信号或者2路S-VIDEO信号(亮度Y(t)、色度C(t)分离)或者2路全电视复合视频信号和1路S-VIDEO信号,SAA7113H输出为符合CCIR601标准的4:2:2(8位)YUV数字视频信号,通过VPO0～VPO7与压缩芯片视频接口相连。

2.2音频接口设计

音频信号采集及数字化工作由TI-BB公司的PCM3008完成。PCM3008为总和增量调制编码(Δ-∑)型音频A/D转换器,内部有单端-差分转换电路,采用64倍速过采样技术,可选32 Hz、44.1 kHz 、48 kHz采样速率,输出16位立体声音频数据。麦克风获取的左、右声道音频信号输入VINL、VINR,模拟音频信号的采样速率可由DEM0、DEM1控制。输出16位立体声数字音频信号,通过I2S接口与压缩芯片的音频接口连接。

2.3视、音频压缩接口设计

MPEG-1视/音频信号压缩单元由Emblaze公司的Z1510芯片及其1片1 M×16 bit SDRAM组成。Z1510通过视频接口与视频解码芯片SAA7113H相连,通过I2S接口与音频芯片PCM3008相连,音频采用MPEG-1 LayⅡ压缩。1M×16 bit SDRAM用于存放经MPEG-1压缩后的系统声像数据流。Z1510有专门的接口与SDRAM无缝连接,如图3所示。

2.4中央处理器(CPU)

CPU选用TI公司的16位高速DSP芯片TMS320C5402,指令周期为10 ns,运算能力100 MIPS。TMS320C5402数据总线宽度为16位,地址总线宽度20位,片内含16 K×16 bit可双向访问RAM,片外扩展了512 K Flash存储器。DSP负责系统各部分电路的协调,包括对可编程芯片的初始化,读取经过MPEG-1压缩芯片Z1510处理的视/音频系统数据流,并将其打包,完成TCP/IP网络协议部分工作,如图4所示。

2.5以太网接口设计

以太网控制芯片选用ASIX公司的AX88796,片内集成10/100 M的MAC、物理层收发器和8 K×16 SRAM,并支持包括MCS-51系列、80186系列、MC68K系列和ISA总线等8位和16位CPU接口,完成10 M/100 M自适应以太网功能,如图5所示。

2.6云台、三可变镜头的驱动输出

由网络部分接收到上位机的云台转动、镜头操作等命令,通过DSP的GPIO口控制驱动电路,使云台、三可变镜头按照指定命令动作。

3通信协议设计

监控系统对实时性的要求很高,音/视频数据流的实时传输除需要速度较快的编码芯片、传输信道等硬件的支持,采用适当的通信协议也是至关重要的[6]。基于以太网的数字摄像机通信协议的设计主要包括各部分的初始化、用户管理、网络数据传输、云台及摄像机控制等4个部分。

(1) 初始化。

系统各部分的初始化,包括网络摄像机初始MAC地址、IP地址、多播组IP地址、频道号、初始用户等信息的设置,这些参数均可以通过软件来修改。

(2) 用户管理。

包括超级用户、管理员用户和普通用户3类。普通用户又分为2种:①除了设置参数外可以收看所有频道并控制云台及摄像机的用户;②受限制的用户,只能收看某几个频道或只有控制某几个频道的云台和摄像机的权限。初始化时无普通用户,可通过命令进行增加、删除、修改、查询用户。

(3) 网络数据传输。

主要包括MPEG-1数据流的发送和获取。发送部分主要将数据缓冲区中的MPEG-I数据流以UDP包的形式发送出去。获取部分主要由DSP的INT3中断服务子程序来实现。对应的命令与操作,如表1所示。

(4) 云台及摄像机控制。

主要针对解析出的上位机命令,对相应的一般I/O口作置位操作。对应的命令与操作,如表2所示。

4结束语

本研究介绍了一个基于以太网的嵌入式网络摄像机的硬件设计。该系统的主要特点是:要求实现多媒体数据通信,数据量比较大,且实时性要求比较高。因此在系统设计时,CPU采用速度较快的DSP芯片以完

成数据传送及网络协议实现等任务,以太网接口芯片采用了支持100 M以太网而且易于和DSP接口的AX88796,在进行网络数据传输时,采用了多播方式的UDP数据报传输,可以实现多台计算机接收同一数字摄像机发出的图像、声音数据。

摘要：为实现数字化和网络化的视频监控,采用了专用音/视频压缩芯片和DSP芯片,及UDP数据报多播传输方式,完成了基于以太网的嵌入式数字摄像机的硬件接口设计及相应通信协议的设计,实现了全实时同步音/视频采集、压缩、存储和网络传输。研究结果表明,多媒体数据通信的实时性、连续性较好,并可实现多台计算机接收同一数字摄像机发出的图像、声音数据。

关键词：网络摄像机,以太网接口,数字信号处理器,用户数据协议

参考文献

[1]蔡荣,唐慧明,高国鲁.一种高清晰度网络摄像机的硬件设计[J].安防科技,2007,7(6):63-65.

[2]胡青松.IP网络摄像机的研究与应用[J].电视技术,2003(12):77-79.

[3]谢佑军,崔浩.基于嵌入式技术的网络多媒体监控系统的实现[J].自动化技术与应用,2005,24(2):42-44.

[4]SZYMANSKI J W.Embedded Internet Technology in Pro-cessing Control Devices[C]//Proceedings.2000 IEEE In-ternational workshop on Factory Communication systems.Porto:[s.n.],2000:301-308.

[5]杨震斌,王平.基于AX88796的以太网接口的设计与实现[J].微计算机信息,2007,23(5z):49-50.

硬件接口系统 篇9

随着数字信息时代的到来, 生活中时时刻刻充斥各种各样的视觉信息, 数字图像信息的作用因此也越来越重要。红外图像相对于可见光图像具有更强的隐蔽性、识别性、抗干扰性和适应环境的能力。因此, 红外成像技术被广泛的应用于国家军事和安全防卫领域。同时在民用领域也被广泛使用。目前大部分红外图像处理系统都是基于PC机的, 外部采用数字图像采集卡进行图像数据的采集, 通过PC机软件进行图像的后续处理, 这种系统的处理效果一般较好, 但是其缺点也非常明显, 就是环境场地适应性非常差, 机动性不好, 外部条件要求较高, 不能随时随地的进行现场的红外图像处理, 同时整体系统的价格一般较高, 不具有通用性。所以设计实现一种带有通用高速相机传输接口的、模块化的、实时性相对较强的、增强效果较好的红外图像增强处理系统具有非常重要的现实意义, 本文主要针对红外图像增强器的硬件平台设计进行介绍。

1 Camera Link接口介绍

Camera Link协议的出现是为了给一些图像显示领域的公司和厂商提供一种统一的数据传输标准, 是一种数字图像传输的专用接口。Camera Link标准的出现使得图像处理设备和图像的采集设备之间的数据传输更加方便, 增强了设备之间通用性, 同时由于其性能较于其他的传输协议和接口更加优越, 所以Camera Link接口的普及非常迅速。它的主要优点为:

(1) 相比其他相机接口复杂度更低。

(2) 具有比他传输方式更加稳定, 传输距离更远, 传输速度更快的性能。

(3) 由于使用比较广泛, 所以Camera Link接口的价格更低。

下图为Camera Link接口示意图:

2硬件平台总体方案设计

硬件平台包括以下基本功能, 可以对Camera Link相机输出图像进行数据采集存储与显示, 并具备能有效实现红外图像增强的硬件基础, 图像增强器硬件平台采用FPGA+DSP的硬件架构, FPGA主要用于红外图像数据的采集, DSP主要负责红外图像增强算法的实现。硬件平台整体框图如下:

2.1 Camera Link接口数据转换电路

转换芯片选用较常用的DS90CR288 (图像数据转换芯片) 及DS90LV048 (串行通信转换芯片) , DS90LV047 (相机控制转换芯片) 。Camera Link接口采用LVDS技术传输数据。因为LVDS与普通信号的差异性, 决定了对二者必须采用两套标准进行处理。根据LVDS的特性知, 其信号频率很高, 需要在传输过程中选择合适的阻抗与其匹配, 以防信号反射, 造成不必要的干扰。

2.2硬件平台存储电路

由于设计当中图像的数据量较大, 在运算和原始图像缓存时都需要一些外部存储器用来存储图像数据, 并且硬件系统采用DM642核心处理器, 其自身没有程序存储器, 所以也需要外接程序存储器。本设计中用于图像存储的存储器采用实用性较高, 应用较为普遍, 同时控制时序简单, 可以快速进行读写操作的SRAM, DSP的程序存储器采用FLASH存储器。

3硬件平台逻辑设计设计

图像增强器采用FPGA+DSP架构, FPGA负责硬件逻辑部分的设计, 主要实现红外图像的采集、存储、显示和传输。硬件逻辑设计的整体功能框图如下, 其中最重要的部分为图像采集和图像存储模块。

3.1图像采集模块

Camera Link接口红外相机的图像时序信号包括三个控制使能信号, 分别为FVAL帧同步信号、LVAL行同步信号和DVAL数据有效信号。当FVAL为高电平时表示正在输入一帧有效图像。当FVAL与LVAL同时为高电平时, 表示正输入一行有效图像数据。DVAL的上升沿表示每行的有效数据位开始, DVAL的下降沿表示这一行的有效数据结束。根据Cameralink协议的时序采用硬件描述语言对图像釆集模块进行建模, 用于接收来自Cameralink接口的红外相机的图像数据, 图像采集模块RTL视图如下所示:

3.2图像存储模块

FPGA采集到的图像数据, 缓存至其内部创建的双口RAM中, 由DSP通过EDMA通道读取双口RAM中的图像数据。双口RAM的主要特点是含有两套完全独立的读写控制单元, 能同时进行数据的读写操作, 提高数据的传输速率, 双口RAM模块如下图:

4硬件平台测试

为了验证图像增强器硬件平台的功能, 需要对其进行验证测试, 从红外相机中读入图像并对其进行增强处理, 并将处理结果与经过Matlab处理的图像进行对比, 对比结果如下图:

5结语

本文设计并实现了基于Cameralink接口的红外图像增强器的硬件平台, 并完成了硬件平台的硬件逻辑设计, 经过验证其功能满足设计要求, 并可进行后续开发。

参考文献

[1]赵凡.嵌入式图像增强系统设计与实现[D].中国科学院研究生院 (长春光学精密机械与物理研究所) , 2013

[2]李天长.基于DM642的嵌入式实时图像处理的研究[D].重庆大学, 2008

[3]吴振锋.基于FPGA的Camera Link相机图像采集及处理技术研究[D].哈尔滨工业大学, 2013

[4]朱才高.红外图像增强算法研究及其DSP实现[D].南京理工大学, 2014

[5]张临临.基于图像分层和动态压缩的图像细节增强算法研究[D].西安电子科技大学, 2012

[6]顾建雄.红外图像增强算法研究[D].兰州大学, 2009

[7]赵大恒.红外图像目标特征提取与分类算法研究[D].西安电子科技大学, 2010

[8]黄庆华.红外图像处理算法的研究[D].西安科技大学, 2008

硬件接口系统 篇10

USB (通用串行总线) 是一种电缆总线, 支持主计算机与许多可同时访问的外设之间进行数据交换。其相比传统的串口、并口, 具有灵活方便、成本低、通信可靠、支持热插拔、即插即用等优点, 在近些年得到了很大的发展, 广泛应用于个人电脑及消费电子产品中, 具有很高的实用价值。尤其自USB2.0协议面世以来, 其传输速率大幅提高到480Mbps, 特别适合应用于实时信号处理系统等高数率大容量场合。由于目前实时信号处理系统在通信、图像、电力、雷达、控制等诸多领域得到了广泛应用, 因此面向实时信号处理系统应用设计一种适应其应用特点的USB2.0接口具有比较重要的意义。

2、USB2.0接口硬件结构

基于DSP和Slave FIFO本文设计了一种USB2.0接口, 其硬件结构如图1所示。该接口主要包括DSP、USB微控制器两部分。在接口中, DSP实时处理前端输入信号, 与PC机通过USB微控制器中的Slave FIFO实现双向USB2.0协议通信, 并根据接收到的主机命令将需要的实时数据处理结果传送至PC机。

USB2.0接口硬件电路设计包括DSP、USB微控制器两部分, 主要完成DSP、USB微控制器的配置及与其周边电子元件的电气互联。

3、DSP及其周边电路设计

在实时信号处理系统中, DSP凭借丰富的寻址方式、内部资源及算法支持, 主要应用于高速实时数据处理等场合。在本接口电路设计中, 基于数据吞吐量、计算能力、应用场合等方面的考虑, 选用TI (德州仪器公司) 的数字信号处理器TMS320C6713。TMS320C6713是TI公司C6000系列DSP中的一款浮点数字信号处理器, 运算能力超群, 主频可到300MHz, 运算速度可到2400MIPS。

传统的DSP数据传输方式是由DSP读取数据后, 经过DSP自身将数据发送至接收端, 这种方式传输时间长, 传输速度低, 传输过程中大量占用D S P资源, 降低了D S P运算效率。本接口设计中, 利用DSP片上资源采用直接存储器访问 (DMA) 方式, 直接将数据在DSP片外存储器与接收端之间传输, 有效地解决了传输瓶颈问题, 提高了数据传输速度, 同时数据传输过程中无需占用DSP资源, 提高了DSP的运算能力。

本接口中D S P及其周边电路主要包括D S P、S D R A M存储器、Flash存储器及DSP电源监控芯片、模式配置电路等。在设计中使用DSP信号线CE[3:0]将片外存储器分为多个存储空间, 分别对应不同存储器, 并通过片上EMIF接口 (外部存储器接口) 实现电气连接。

3.1 SDRAM存储器

SDRAM存储器是一种同步存储器, 具有速度快, 容量大, 可连续读写等优点。电路中将两片位宽16位的SDRAM存储器并联成一个32位存储空间以提高数据传输速率。

3.2 FLASH存储器

作为一种不挥发存储器, FLASH存储器具有掉电不丢失数据的特点, 用于断电时存放DSP固件程序。

3.3 DSP模式配置电路

设计中通过配置TMS320C6713的HD12、HD8、HD[4:3]、HD14管脚来配置其工作模式。

4、USB微控制器及其周边电路设计

目前市场上有很多支持USB2.0协议的USB微控制器, 比较知名的有Cypress公司的EZ-USB FX2系列USB微控制器、Philips公司的ISP系列、PDIUSB系列微控制器, 其中Cypress公司的EZ-USB FX2系列USB微控制器以其丰富的开发资源、方便的开发环境得到了业界的广泛应用。因此本接口设计中选用该系列中的CY7C68013A作为USB微控制器, 其自带超强USB2.0引擎SIE、集成增强型8051内核和多种外围资源, 指令向下兼容, 周期短且支持软配置。

传统的U S B微控制器接收数据后, 在微控制器内核的控制下进行数据打包/拆包以实现USB协议。由于这种方式下每个数据均需等待微控制器指令处理, 所以耗费的时间长, 传输的速度慢。本接口中采用Slave FIFO方式, USB微控制器CY7C68013A使用Slave FIFO端口以外部总线FIFO或RAM的方式为DSP提供一个弹性、高速的接口, 数据传输速率最大可达到240Mb/s, 显著提高了数传率, 有效利用了USB2.0协议的带宽。具体实现中, DSP直接与USB微控制器中的Slave FIFO进行数据通信, 由USB微控制器底层硬件自动实现Slave FIFO中的数据与USB2.0协议间的转换, 不需微控制器内核指令处理。其中, Slave FIFO由USB微控制器中的4组64字节FIFO构成, 可接收外部读写控制, 数据路径16位, 两个FIFO作为输入, 两个FIFO作为输出。

USB微控制器及其周边电路主要包括USB微控制器、EEPROM和电源复位电路等。其中, EEPROM用于在断电时存储USB微控制器的固件程序。

5、结语

本文从硬件上设计了一种USB2.0接口。该接口采用DMA数据传输方式, 使用Slave FIFO端口通信, 符合USB2.0规范, 具有灵活方便、即插即用、支持热插拔、数据传输速率高等优点。在此基础上, 接口可与实时信号处理系统中的数据采集、数据处理等模块进行整合, 实现了与PC机间的数据高速传送, 提升了系统性能, 拓展了系统应用。实践证明了它的正确性和实用价值。

摘要：本文介绍了一种基于DSP和Slave FIFO的USB2.0接口硬件电路设计。针对数据传输瓶颈问题, 设计采用DSP直接存储器访问 (DMA) 数据传输方式, 实现了一个可工作于实时信号处理系统中的USB2.0接口。该接口使用Slave FIFO端口进行通信, 可以有效利用USB协议带宽, 提高数据传输速率, 具有较高的实用价值。

关键词：DSP,Slave FIFO,USB2.0接口

参考文献

[1]周立功等.USB2.0与OTG规范及开发指南[M].北京航空航天大学出版社, 2004.

[2]许永和.EZ-USB FX系列单片机USB外围设备设计与应用[M].北京航空航天大学出版社, 2002.

[3]Texas Instruments.TMS320C6713B Floating Point Digital SignalProcessor Data Sheet[Z].Texas Instruments, 2005.

[4]Micron Technology Inc.512Mb SDRAM Data Sheet[Z].MicronTechnology Inc, 2005

[5]AMD.AM29LV800B Data Sheet[Z].AMD, 2000.

[6]Cypress Semiconductor.EZ-USB FX2LP USB MicrocontrollerCY7C68013A Data Sheet[Z].Cypress Semiconductor, 2005

[7]Cypress Semiconductor.EZ-USB Technical Reference Manual[Z].Cypress Semiconductor, 2005.