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嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件可裁剪、适应应用系统对 功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严格要求的专用计算机系统。: v/ F' c5 N3 v) X" C
引言' P. W$ a4 j) g
/ m0 z/ c0 U( R8 ^; z: F; j嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件可裁剪、适应应用系统对 功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严格要求的专用计算机系统。其主要由嵌入式处理器、 相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软件系统等组成。使用嵌入式系统技术，不仅可以实 现硬件和软件的集成优化，而且具有多任务和网络化功能。基于嵌入式系统的以上优点，针 对星图识别大数据量、实时响应速度和高可靠性等特征，以及方便以后的远程控制，本文提 出一种以SBC+DSP 为硬件平台的嵌入式系统，并说明其特征。
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2 系统设计& |! M- Z7 ^5 i3 p4 o
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2.1 系统构成和框图% l# p+ U7 {: N, O% L$ l' n
|7 h! }, `/ g d# L5 A在星图的识别系统中需要进行大量的星图数据的处理工作，并且需要存储星表数据，利 用一般的嵌入式系统很难满足其数据量和实时性的要求，为此提出一种带数据处理模块的嵌 入式系统，这样不仅可以大大增强其数据处理能力，而且可以节省大量的系统资源，用于完 成其他的控制工作。SBC+DSP 嵌入式系统主要由单板电脑(SBC)和一些功能模块组成，用 户在系统提供的交互界面来完成对整个控制系统管理、控制工作。整个系统的构成如图1 所示：3 M# F9 N9 M( n
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2.2 系统硬件结构设计
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3 _% p# J: Q0 J/ j T5 w% ]& [为了达到系统的性能要求，高数据处理能力、实时响应能力、成本和可靠性，各子模块 的硬件选择分别如下。$ G. {2 p1 z, [/ w' ~9 M
: e3 o' T( f# b* YSBC 系统采用研华的PCM-9375[3]，具有最大500 M 的CPU 频率，支持多个串口通信 接口和USB2.0 通信接口；硬件平台支持WinCE6.0 或Windows XPE 嵌入式操作系统，能够支持CF 卡启动；具有增强的IDE 总线接口和PC/104 外部扩展接口。是一款高性价比、低 功耗无风扇单板电脑，适合于大多数嵌入式系统的应用环境，并且具有高的系统可靠性。
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DSP 子系统采用DM642，专用于数字媒体应用的高性能32 位定点DSP，其工作主频最高可到720MHz，具有多路视频输入输出口，能够实现与视频信号的无缝连接。由于DSP 器件中采用的哈佛结构[4]、多总线结构和片内DMA 电路与局部总线，使其能够实现数据的 并行操作，具有强大的数据和信息处理能力。, n( b8 V, k" m6 i8 v: g R0 k
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PC104 采集模块采用中泰的PM516，具有模拟和数字两种接口，模拟输入部分：输入 通道数：单端32 路，双端16 路；输入信号范围：0～10V，-5V～+5V；输入精度：12Bit； 最大采样频率：75KHz。数字部分：电平方式为TTL，输入、输出通道数均为16 路。0 _& H% B! c8 b5 v3 F! V
1 p# U$ B3 {, o& x P, k- K! E2.3 SBC+DSP 系统优点" `, d1 D" Y) l& a9 K- Z5 [& Y2 Y
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DSP 采用改进的哈佛结构，具有独立的程序和数据空间，允许同时存取程序和数据，由于其高速的数据处理能力被广泛地应用于图像处理领域，但是单独的DSP 系统不能够提供友好的人机交互界面。嵌入式单板电脑虽然具有丰富的外部扩展接口和友好的人机界面，但其系统资源有限，不适合进行大量的数据处理操作。为了使系统满足这两方面的功能，本系统将两者结合起来，现实优势互补。主要特点如下：
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1）整个系统采用了分布式的控制原理，将各个功能模块单独“隔离”，使每个模块都能够单独工作，但同时又能够完成集中获取数据、集中管理和集中控制的目的。这种控制方式大大改善系统的可靠性。
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2）从图1 可以看出，DSP 子系统可以作为一个独立的高速数据处理系统，这个高速数据处理系统本身具有数据处理、可编程开发的特点。DSP 系统主要是完成图像数据的采集，并进行滤波、信息提取和识别等算法处理，然后将获取的有用数据通过相应的接口传递给主系统。这种系统结构模式充分利用DSP 系统强大的数据处理功能和SBC 嵌入式操作系统的管理、操作以及远程通信功能。. [9 O+ l( S% b
$ ]% K* V( {/ E9 V. w0 q# x2 @* Z3）其将通用操作系统与实时操作系统的特点相结合，嵌入式计算机系统与专用信号处理器相结合。软硬件相辅相成集中统一地完成设备控制与信号处理，使整个系统的性能与可靠性得到进一步提高。
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4）SBC 系统安装windows XPE 嵌入式系统，它是windows XP profession 的组件化版本，其界面于普通的XP 系统没有差别，使其更适合大多数windows 用户的习惯。
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5）用户应用程序的开发可以在普通的PC 机上用相应的软件进行，完成后将其移植到目标系统即可。6 W' Q/ |" h! Y8 _& I
1 f: Z0 |) \1 K! l; o$ b( ~6）由于采用了低功耗的设备，与传统的PC 机+DSP 系统相比较，其降低了整个系统的功耗、成本。1 H$ J2 f* j( N! Y/ q* @
3 工程应用4 K, F$ v! ~2 N9 Q
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进行星图识别的整个系统的流程如图2 所示：
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其中嵌入式系统的 DSP 子模块来完成星图的采集并对星图作预处理工作，包括去除噪声，图像的分割，用于后面的星图识别工作。处理前后的结果分别如图2，图3；# @. E2 g, |' a% z* x, r0 \6 G7 r
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* @, f( ~! A7 h' a( U比较处理前后的两幅图可以看出，图像的信噪比明显得到了提高。试验证明图像数据的采集率高达25 帧/s，而完成上述处理过程的时间<1.0s，能够满足星图识别大数据量、实时性要求。* ^. }2 i& Q5 x1 b0 Y' A" O
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4 结论, v7 p% T# r* X/ v# ?7 v/ q* W8 z
/ _ D& H r* y本论文的创新点在于提出了一种将高速数据处理的数字信号处理器和具有嵌入式内核的实时操作系统有机结合起来，设计出一种嵌入式系统平台。使系统不仅具有嵌入式系统的优点和技术特性，而且还具有DSP 高速数字信号处理的能力，为实现系统的大数据量和实时性处理提供了有力的支持，且其较传统PC 机+DSP 控制系统在可靠性、体积、功耗、性价比等方面都具有明显的优势。
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发表于 2020-4-20 12:29
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