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中图分类号：TP3文献标识码：A文章编号：1674-6708156-0080-02
DOI:10.16607/j.cnki.1674-6708.2016.03.049
在很多领域中，由于科学技术的不断发展，不可避免的需要使用大量的数据，面对这些算法复杂的数据，传统的图像处理系统已经不能满足要求。嵌入式图像处理系统在通讯、医药等方面都发挥着非常重要的作用，正是因为各个领域获得的图像数据越来越多，如何对图像数据快速准确的进行处理显得格外重要。所以需要设计出更优化的图像处理。
1嵌入式系统概述
1.1嵌入式系统的概念
嵌入式系统是建立在计算机技术基础上的应用型专用计算机系统，其软件和硬件都可以剪裁，系统对成本、功耗、功能都提出了更高的要求，具有可靠性强、体积小等优点，可以实现对其他设备的监视、控制和管理。随着嵌入式系统的不断发展，嵌入式系统已经渗透到人们的生活中，无论是在工业、服务业还是消费电子等领域都得到了广泛的应用。
1.2嵌入式系统的特点
与普通的计算机系统相比，嵌入式系统的专用性更强，一般是面向特定运用的，嵌入式处理器一般应用在用户设计的特定系统中，集成性高、体积小、功耗低，不仅具有方便携带的优点，操作系统更是实时操作的，可以满足实时性较强的场合要求。将嵌入式系统运用到应用程序中，在芯片上直接运行而不需要操作系统，未来可以充分利用更多的系统资源，用户需要选择RTOS开发平台，保障软件的质量。嵌入式系统主要包括硬件系统和软件系统，其中硬件系统是基础，软件系统是灵魂，复杂程度非常高。
2系统软件设计
基于RF5软件系统总体设计：嵌入式图像处理系统和传统处理系统一样，主要包括硬件和软件两个方面，硬件包括系统的硬件平台，软件包括嵌入式操作系统和图像处理算法两个方面。其中硬件平台又包括图像储存模块、通信模块和显示模块等，主要是为系统的软件系统提供支持。在图像处理过程中，硬件系统可以为其提供计算、显示、存储等条件[1]。RF5是以DSP和XDAIS为基础的代码参考框架，在DSP软件的设计和开发中具有重要的作用，参考框架在整个程序中具有非常重要的作用，是整个运用应用程序的蓝本。RF5的数据处理元素包括通道、单元、任务和XDAIS算法，这4个元素之间具有紧密的联系，独立又联系。嵌入式操作系统是整个系统的核心系统，提供了包括图形处理任务管理在内的各项管理，经过硬件的初始化、图像信息存储、图像信息显示等过程实现图像处理和存储。
3软件模块化程序实现
3.1初始化模块
软件系统的初始化模块主要包括处理器、RF5模块化初始化、图像处理算法、视频捕获、视频显示通道等。处理器和系统板初始化是指设备重启之后，通过软件配置的方式对外围设备进行配置和选择。系统在进行工作的时候，初始化模块是其执行的第一个任务，执行完初始化模块之后，程序的控制权将会转变到调度程序中，由调度程序来调度接下来的任务。
3.2视频捕获和显示模块
3.2.1视频捕获的实现
视频捕获主要负责将外部的视频解码器解码生成的数字视频信号采集收集起来，并且这个采集的过程非常方便，可以实现实时采集，最终形成的图形处理也是可以实时处理的，可以随时随地对大数据的图像进行处理，这也是其最大的优点和特点。采集到的数字视频信号进入到系统外扩的.存储器中，从而实现视频的捕获。视频采集可以自动采集，当单元进入自动采集状态，完成了图像的采集之后，视频端口都会向系统自动发出中断请求，中断服务程序便开始发挥自身的功能，对图像的存储区进行连续更新，图像存储区一旦更新之后，图像采集系统就会采集下一个图像数据，最终进入一个循环。当视频端口的FIFO装满了采集的数据之后，会发生中断信息，进入EDMAISR中断服务程序将视频数据送入到SDRAM中[2]。
3.2.2视频显示的实现
视频显示的实现是通过视频图像显示模块来实现的，视频图像处理模块处理后的图像经过显示模块处理，处理之后将图像编码成数字视频流，标准数字视频流经过系统编码转化为虚拟视频信号，经过解码器之后视频流就变成了标准的模拟视频信号，分别经过EDMA控制器和EDMAISR之后最终进入到视频端口的缓冲区中，经过缓冲器之后，信号会使EDMA中断，送入新的图像信号，并在显示器上显示出来，视频显示的流程。输出作用在外部编辑器中。
3.3图像处理模块
图像处理模块比较灵活，是指在嵌入式的环境下实现对图像的处理。在图像处理系统中，又包括系统功能模块和图像增强模块。系统功能中包含图像增强功能，除了图像功能之外，还包括图像的几何变换、形态运输和图像分析。在图像增强模块中又包括图像的预处理和边缘检测、直方图修正、中值滤波、灰度变换调整，而图像预处理又包括图像平滑和图像锐化。图像平滑就是消除噪声对图像造成的影响，图像平滑的处理是通过高斯低通滤波法来实现，这样做虽然可以消除图像受到噪声的影响，但同时也存在着一定的弊端，图像经过处理之后会变得模糊。图像锐化的目的就是让模糊的图像重新变得清晰。图像模糊是由于图像受到平均或积分运算而造成的，图像锐化就是对其进行逆运算，重新使图像变得清晰[3]。
4结论
嵌入式图像处理系统的软件系统主要包括初始化模块、视频捕获模块、视频显示模块和图像处理模块，在确定了整个软件系统的程序流程之后，就可以分别设计纷纷模块的程序，最终完成整个软件系统的设计。
参考文献
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基于DSP+FPGA的嵌入式图像处理系统的发展的论文
引 言
伴随着图像处理技术的快速发展，图像处理系统的性能需求也在不断提高，特别是在实时性上的要求。基于PC或者工作站的图像处理系统，常常不是一个可行的选择，原因如下：应用对处理时间要求苛刻；CCD摄像机数据量太大。另外，这类系统的资源有效利用率较低，体积大而笨重，功耗高，不适合便携式应用场合。
DSP是一种基于指令和代码的流水线处理器，具有强大的数据处理能力和较高的运行速度，采用C/C++或者线性汇编语言编程，可以支持复杂的算法处理，而FPGA则属于真正的并行架构，不同的处理操作无需竞争相同的资源，每个处理任务都可以不受其他逻辑块的影响自主运行，因此FPGA具有强大的并行处理能力，其现场可编程的属性也带来了更大的灵活性，但是，FPGA不擅长复杂的算法处理和逻辑控制。本文基于DSP+FPGA架构构建了一个嵌入式图像处理系统，使得DSP和FPGA可以发挥各自的特长，协同处理，与单独采用DSP或FPGA的系统相比，本系统具有更强大的数据处理能力，且更灵活、更通用。
1.系统架构
本系统采用DSP+FPGA架构，原理方框图如图1所示，其中DSP芯片采用TI公司单核最高性能的TMS320C6455（简称C6455）芯片作为核心处理器，负责完成视频图像的复杂算法处理，FPGA芯片采用Altera公司的Cyclone Ⅲ系列芯片EP3C55，FPGA作为DSP的协处理器，负责完成图像的采集、显示和传输等辅助功能，使得DSP可以专注于算法处理。
DSP和FPGA之间通过32位EMIF接口实现了高速同步无缝互联， 由图1可知，本系统的动态存储器均采用DDR2 SDRAM，其中C6455所带2片DDR2存储器用来存储图像和算法数据，为C6455处理大数据量、复杂算法提供了保证。FPGA所带2片DDR2存储器用来存储捕捉的Camera图像数据，以便VGA显示和DSP读取。FPGA采集的图像数据可通过EMIF和EDMA从FPGA所带的DDR2存储器搬运到DSP所带的DDR2存储器。
图1 系统方框图
2.FPGA设计
本文FPGA的主要功能围绕着DDR2存储器的.读写，如图2所示。
图2 FPGA的主要功能模块图
相机负责向缓冲区写数据，VGA显示和DSP负责从缓冲区读数据。本文中的DDR2控制器工作于Full?rate模式下，需要向DDR2 driver提供2倍数据宽度，即64 b数据。本文对每个读写数据通道，使用独立的FIFO进行不同时钟域之间的数据传输。从CameraLink相机的LVDS接收器解码得到8 b图像数据，在向Write FIFO写之前，需要按8 B进行打包处理，合并为64 b数据；而发向VGA显示的数据在从Read FIFO中读出后，需要先经过拆包处理，得到8 b图像数据后才能送给VGA Controller；从Capture FIFO读出的数据发送给DSP之前也要经过拆包处理，将64 b数据拆为2个32 b数据后，才能发送给EMIFA，进行传输。为方便可视化验证算法处理结果，DSP算法处理结果可以通过McBSP发送给FPGA，FPGA接收到数据，将其转换为可视的屏幕位置送给VGA Controller，在屏幕上进行叠加显示。
本系统应用于近红外图像处理领域，采用的CameraLink相机输出分辨率为1 024×768，帧率为30 f/s，而一般的液晶显示器刷新频率为60 Hz，为了将捕捉到的相机数据显示出来，需要将30帧图像插帧为60帧，但是显示时钟与相机时钟并不是同源时钟，其帧率并不是严格的两倍关系，这种相机和显示之间的异步时序关系如图3所示，所以不能简单地将一帧图像显示2次；同时，本系统的近红外图像算法处理时间根据图像的不同而具有不确定性，并非每帧图像都能在一个帧周期内处理完成。基于这两个因素，本系统没有采用常规的乒乓缓冲处理方式，而是采用了三重缓冲解决了这两个问题。
图3 相机和显示的异步时序关系
所谓三重缓冲，也即在DDR2存储器内开辟了三个缓冲：BufferA，BufferB和BufferC。其中，读写操作各占一个缓冲区，第三个存储区作为中转，先不考虑DSP从缓冲区读数据。
三重缓冲的示意图如图4所示，假设当前缓冲区BufferA正在进行写操作，缓冲区BufferB正在进行读操作，缓冲区BufferC则有2种可能：已写满（FULL）和已读完（EMPTY）两个状态。此时，如果需要进行读写翻页操作，即读复位信号或写复位
信号有效时，DDR2驱动程序可按不同情况给出不同的操作，如表1所示。
例如，当读复位信号有效，写复位信号无效时，说明缓冲区BufferA尚未写满，而缓冲区BufferB已经读完，此时，需要查询缓冲区BufferC的状态，如果缓冲区BufferC处于“FULL”状态，则读缓冲区将由当前的缓冲区BufferB改为缓冲区BufferC，并将缓冲区BufferB设置为“EMPTY”状态；如果缓冲区BufferC处于“EMPTY”状态，则将重新读取缓冲区BufferB。
图4 三重缓冲的示意图
表1 三重缓冲的决策表
再考虑DSP从缓冲区读数据的情况，为保证DSP任意时刻开始读数据，总能读到最新的数据，本文使用图像的场信号FVAL下降沿作为触发，定位DSP读数据的缓冲区地址，如果在下一个FVAL下降沿之前DSP始终未开始读数据，则在新的FVAL下降沿时刻重新定位缓冲区地址，反之，如果DSP开始读数据了，即使在FVAL下降沿未能读完，也会继续读，直到DSP读完数据，再重新定位缓冲区地址，按本文设计的方案，DSP会在很短的时间内完成读数据任务，而如果在两个FVAL内，DSP一直未完成读任务，则认为发生了错误，读控制器会进行复位矫正。
DDR2驱动的读写控制以显示的行信号HD为周期，周期性查询是否需要进行读写操作。其状态转移示意图如图5所示。
图5 DDR2读写控制的状态机
SignalTap Ⅱ Logic Analyzer是Quartus Ⅱ自带的嵌入式逻辑分析仪，与ModelSim软件仿真有所不同，是在线式仿真，可以实时捕捉和显示信号变化。图6所示是本文用SignalTap Ⅱ捕捉到的数据波形。
图6 SignalTap Ⅱ波形图
3.C6455软件设计
本文C6455的软件基于TI提供的抢占式多线程实时内核DSP/BIOS进行开发，网络部分使用了NDK开发套件，为了实现通过网络发送图像数据给计算机和接收来自计算机的图像数据，使用了面向无连接的UDP协议，相比TCP协议，UDP速度更快，更适合应用。C6455软件主要包含三个部分：实时性最高的硬件中断线程（HWI）；采集线程和两个任务线程（TSK）；处理线程和通信线程，流程图如图7所示。
图7 C6455程序流程图
4.实验结果
本文提出的基于DSP+FPGA的图像处理系统，已经通过实验验证。图8展示了本系统图像处理算法连续运行500个周期的统计结果，图中实线为连续10个相邻离散点的平均值。由图8可见，本系统既可以使算法在超过一个图像帧周期的时间内运行，又可以使连续一段时间内平均的执行时间近似为图像帧周期。本系统满足了数据量大，算法复杂度高的系统需求，相比乒乓缓冲，本文所提出的三重缓冲具有更快的响应速度。
友锋图像处理系统是一款功能强大的图像处理软件，您可以用它进行照片处理（传统相片处理、数码照片处理）、相片制作、相片编辑、为照片添加相框、创建精美的图画、日历（日历中可以包含农历日期及24节气信息）、贺卡、名信片等，并可以轻松制作特效文字、Web图像、按钮，以及对任意图像进行特效处理、平滑缩放、打印等，
首先安装软件：软件下载后用好压软件解压，双击里面的yfimage.exe安装程序，如下图：
点击下一步、
选择好软件安装路径后点击下一步、后面的安装界面都是点击下一步：
这里点击完成按钮，软件安装完成。
我们做一个简单的gif动画效果
首先看看软件界面：
选择菜单命令 工具-----友锋动画制作 进入 友锋动画制作 简化版 、如下界面：
在简化版里 菜单命令 文件---将多幅图片文件制作成动画：如下图、
在弹出测对话框中 选择 添加图片 如下图、
选择自己先前准备好的图片：
点击生成动画后，如下图：
此时如果您要修改某个动画帧的设置，可以在软件左下角用鼠标点击选中相应帧后在右边进行设置，
设置好动画后，执行菜单命令：“文件”――“保存”即可生成GIF动画文件，效果如下：
制作图片转换动画
上面制作的动画，动画帧之间并没有任何转场效果，所以过渡不自然，我们可以使用菜单命令：“动画效果”――“插入画面转换动画效果”插入画面间的转场动画。首先在软件左下角的动画帧列表中，选中第一帧：
我们也可以对，每张图片添加不同的转场、
对不同的图片设置转场后，动画效果如下图：
作为一款具有专业水准的图像处理软件，它提供图层功能，让您可以随意编辑多个不同图层后再结合为一，并且可以让每个图层都拥有不同的特殊效果，使您在编辑上方便许多，修改时也可以仅针对某个图层进行修改而不必全图重新制作。千变万化的图层样式使您可以轻松创建更加绚丽多彩的图像效果。方便灵活的蒙板操作与图层紧密结合在一起，使您可以方便的对多幅图像进行完美的拼合。
摘要：随着科学技术的不断发展，计算机行业受其影响有很大程度的进步与发展，这使得计算机应用水平不断提高，尤其是嵌入式技术的推出。因为在计算机软件设计中，科学、合理地应用嵌入式实时软件，可以提高计算机软件的质量，降低计算机软件的复杂性，使计算机软件应用更加有效、方便、快捷。所以，计算机软件设计中科学、合理地应用嵌入式实时软件是非常必要的。基于此，文章就计算机软件设计中如何应用嵌入式实时软件进行分析与探讨。
关键词：计算机软件；嵌入式实时软件；实践应用
在嵌入式技术推出之后便得到了人们的高度关注，原因在于嵌入式实时软件应用到计算机软件中可以对计算机系统的硬件和软件有较强的依赖性，并且能够在系统运行的过程中合理控制硬件和软件，保证计算机系统长时间良好运行[1]。由此，可以确定计算机软件设计中嵌入实时软件的应用是非常适合的，不仅能改善计算机软件的应用效果，还说明了计算机软件良好的应用前景。所以，计算机软件设计中嵌入式实时软件的实践应用是非常有意义的。
1.1特点
嵌入式实时软件可以运用在计算机软件的预测指令执行、动态分配、缓存机制等设计中，以此来提升计算机软件系统设计的科学合理性和实时处理功能。当然，嵌入式实时软件之所以能够在计算机软件中充分发挥作用，主要是其核心嵌入式微处理器可以实时支持软件系统的多任务，且在短时间内快速中断，实现多任务操作及计算机存储区保护。嵌入式实时软件应用到计算机软件设计中，包括软件部分和硬件部分，在嵌入式微处理器的作用下，软件与硬件之间可以交互，促使计算机软件系统具有修复功能、检测功能等，从而大大提高计算机软件系统的应用性[2]。
1.2应用原理
嵌入式实时软件在计算机软件中之所以能够有效应用，主要是计算机科学技术和实时处理技术相融合，如此可以形成CORBA模型，加之嵌入式实时软件在计算机软件中可以远程调节等作用的支持，使得计算机软件设计的过程中可以合理地运用CORBA模型，进而科学、合理地规划计算机软件的个各方面，促使计算机软件充分发挥作用。
1.3嵌入式软件的技术特征
基于以上对计算机软件设计中嵌入式实时软件的概述，确定嵌入式实时软件具有以下技术特征。
1.4可靠性
相对于计算机操作系统来说，嵌入式实时软件是一种操作方式，在计算机软件系统中科学、合理地设计嵌入式实时软件，可以提高计算机软件系统的可靠性。因为计算机软件系统中的嵌入式实时软件可以结合计算机软件系统的实际情况，对系统操作任务进行合理分配与调整，并且有效地强化计算机软件系统，如此可以使计算机软件系统在规定的时间内完成各项任务[3]。
1.5系统可靠性
只有安全的工作环境，嵌入式实时软件系统在计算机运行的过程中，才能保证计算机软件系统安全、可靠；反之，将会影响嵌入式实施软件系统的工作效果。所以，为了保证嵌入式实时软件系统在计算机运行中充分发挥作用，一定要设置安全的、良好的外界环境。
1.6时限性
时限性是嵌入式实时软件非常重要的`技术特征之一。主要表现为，在符合时限要求的情况下，嵌入式实时软件系统才能够严格地控制时限，合理地调节软件和硬件，促使两者科学、合理地应用。如若不符合时限要求，那么嵌入式实时软件在处理计算机软件系统任务时将难以严格控制时限，使得计算机软件系统各项任务无法在规定时间内完成。
基于以上对嵌入式实时软件的了解，在计算机的软件设计的过程中要想科学、合理地应用嵌入式实时软件，就要注意强化设计以下方面。
2.1开发流程
出于保证嵌入式实时软件在计算机软件中充分发挥作用的考虑，在具体设置嵌入式实时软件应用的开发流程时应当基于简易性和优越性出发，科学、合理的规划设计。具体的嵌入式实时软件应用开发流程为：首先是基于计算机软件系统应用要求，分析计算机软件需要具备的功能，进而进一步解析嵌入式实时软件。其次，基于嵌入式实时软件应用需要，科学合理地进行嵌入式软件设计和代码生成。再次，在嵌入式实时软件设计方案完成之后对其应用测试，确定依据此设计方案所设置的嵌入式实时软件的应用效果能否满足计算机软件系统应用需要。最后，在确定嵌入式实时软件设计方案符合应用要求的情况下将嵌入式实时软件有效地应用到计算机软件系统当中。按照以上开发流程来进行计算机软件系统开发，的确能够使嵌入式实时软件有效地应用到计算机软件系统中，并且在系统中充分发挥作用，提高计算机软件系统的应用有效性、可靠性、稳定性[4]。
2.2设计要点
计算机软件设计中嵌入式实时软件的应用是一项比较有难度且容易出现问题的工作。为了保证基于嵌入式实时软件的计算机软件设计方案合理、有效，需要再具体进行计算机软件设计中注意以下设计要点：其一，设计中避免软件和硬件结构相脱离。也就是在计算机软件设计中应当注意嵌入式实时软件的软件部分和硬件部分的有效连接，并且保证后续的设计过程中，都不能将两者拆开，如此才能有效地改善传统计算机软件设计中对硬件依赖过大的情况。其二，在嵌入式实时软件应用设计的过程中，应当注意对嵌入式实时软件的软件部分数据进行初始化处理、数据结构进行格式化处理，保证嵌入式实时软件回归原始状态，达到有效应用的目的[5]。
为了能够具体地说明计算机软件设计中嵌入式实时软件的应用情况，在此笔者以基于硬件与软件的嵌入式系统开发为例，进行详细说明。其实，基于硬件和软件的嵌入式系统开发，就是利用数字信号处理器、IO设备、C++语言等进行嵌入式实时软件的开发。具体的设计内容是：其一，嵌入式实时软件设计中，因为微处理器是软件的核心，所以先进性微处理器的选择及设置很重要，本次设计中选用的是AT91RM9200型号的微处理器。对此微处理器的设置，重点是外设接口，也就是根据嵌入式实时软件要在计算机软件系统中发挥的作用，合理设置微处理器的功能接口。其二，嵌入式实时软件的开发流程设计中，出于保证嵌入式实时软件应用性的考虑，在进行嵌入式实时软件开发流程设计中，同样是将其分为几个阶段，即分析阶段、设计阶段、代码生成阶段、软件测试固化阶段。为了使嵌入式实时软件满足计算机软件系统的应用需求，设计其开发流程的过程中还要注意将对模块划分及设置放到适合的阶段，以此来保证模块设置合理，能够增强嵌入式实时软件的应用性能[6]。
4结语
在科学技术不断发展的今天，计算机软件系统的应用水平有很大程度的进步。原因就在于嵌入式实时软件的应用。因为在计算机软件设计中，科学、合理的应用嵌入式实时软件，可以提高计算机软件的质量，降低计算机软件的复杂性，使计算机软件应用更加有效、方便、快捷。所以，为了促进计算机软件更加有效地、广泛地应用到各个领域当中，应当致力于嵌入式实时软件的研究，使其在计算机软件设计中获得有效应用，增强计算机软件的应用效果。
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摘要：描述BACnet协议的体系结构，分析BACnet控制器的功能，论证基于嵌入式Linux开发BACnet控制器的可行性；给出BACnet控制器软件的体系结构及其软件设计。
关键词：BACnet控制器楼宇控制设备嵌入式Linux体系结构
BACnet协议是一种为楼宇自动控制网络所制定的数据通信协议。该协议已成为美国国家标准（ANSI/ASHRAE135-1995）和欧盟标准草案，并在成为草案级国际标准。其中定义了23个对象和42个服务，以及5个数据链路的局域网底层网络结构。1月正式发布了附录135a，成为标准的附件J，确定BACnet/IP技术的第6个局域网互联的底层技术。
1BACnet网络体系结构和控制器功能分析
1.1BACnet网络体系结构
BACnet建立在包含四个层次的简化分层体系结构上。这四层相当于OSI模型中的物理层、数据链路层、网络层和应用层。BACnet标准定义自已的应用层和简单的网络层，对于其数据链路层和物理层，提供了五种选择方案，在附件J-BACnet/IP中加入了对IP的支持。
图1是BACnet/IP网络体系结构层次图。BACnet没有对应于OSI的第四、五、六层，也就是说，BACnet没有传输层、会话层和表示层。BACnet网络层屏蔽了底层采用的网络技术的差异。
1.2BACnet控制器的功能分析
在一个BACnet控制网络中，一个BACnet控制器通常和多个控制设备直接相连，负责监控这些设备的运行。概括起来说，BACnet控制器应该具有三个方面的功能。①通信功能。BACnet控制器是一个网络控制器，所以它必须能够发送和接收BACnet报文，和其它BACnet设备进行通信。②监视功能。BACnet控制器要监视与它直接相连的控制设备的状态。这样，它就要提供数据结构来描述这种状态。在BACnet协议中，描述这些状态是用BACnet对象。BACnet协议提供了42个标准对象。③控制功能。BACnet控制器要控制与它相边听设备的运行，不仅要使这些设备之间具有互动能力，而且要使这些设备和系统的远程设备能够互动，所以在BACnet控制器中应该有逻辑控制模块来实现这一功能。值得注意的是，不同时间、不同地点，BACnet控制器中的控制逻辑可能是不同的，因而在BACnet控制器中要提供改变控制流程的工具。这种工具最好是图形界面的，以方便用户使用。
图1BACnet体系结构层次图
2基于嵌入式Linux开发软件的可行性
①Linux是一个和Unix相似、以核心为基础的、完全内存保护、多任务多进程的操作系统。在开发过程中，可以根据实际需要，通过内核构筑工具对Linux内核功能进行裁减，做成体积很小的嵌入式操作系统，可使其达到500KB或更小的规模。
②在实时性应用方面，通用的Linux在强实时性应用方面存在欠缺。Linux调度程序原来主要是针对台式计算机操作系统。重点考虑的是在应用程序的吞吐量上，即采用了一种“公平共享”的策略保证所有进程得到平均的CPU时间。在楼宇控制设备这种弱实时性应用中，如果采用先进的内核机制、进程调度算法和较小粒度的系统时间（10ms），是可以满足弱实时应用要求的，因此，Linux可用于楼宇自动化系统。
③Linux是源代码开放的操作系统，可以很容易得到内核的接口和源码，我们可以把BACnet的协议实现集成到内核中去。
④Linux是自由软件。在GNUGPL许可证协议下，可以自由使用、修改和发布，所以采用嵌入式Linux可以降低BACnet控制器的成本。
3.1BACnet控制器软件的体系结构
基于BACnet协议的体系结构和上面对BACnet控制器功能的分析，可以得出BACnet控制器软件包括以下几个模块：BACnet协议栈、BACnet对象和服务、底层驱动模块、应用控制逻辑模块和控制配置模块。
对Linux内核中不必要的模块加以裁减，并把BACnet控制器的一些模块嵌入到Linux内核，最终的开发体系结构如图2所示。
3.2BACnet协议栈的实现
BACnet协议栈报文的封装流程如图3所示。
BACnet协议的分层体系结构支持多种底层通信协议。BACnet的'网络层功能则对不同物理层和链路层的抽象，其原理与TCP/IP的IP层相。在BACnet应用层，定义了标准的对象和服务，以实现不同厂家的BACnet产品的互连。因此，从BACnet体系结构的各层协议内容来看，BACnet的体系结构呈“哑铃状”，最低层包容不同的通信协议，最高层承接多
样的“实体”和应用。
在BACnet协议中，BACnet网络层是相对稳定的部分，也是BACnet协议的核心，应放入内核之中。其应用程序接口（API）应以系统调用（sys-call）的方式提供。这种构成方式不仅可以在内核内部高效实现对BACnet网络层的处理，而且对外挂模块还提供简洁和高效的调用方式，使外挂模块代码紧凑。对于BACnet的低层协议和应用层则应放在内核之外，以模块的方式外挂或为系统程序。在本开发过程中，将低层协议以原代码的形式编译在内核中。原因是，对于具体的应用，低层协议通常是固定的，即一旦某个设备接入一种网络系统，该设备的低层通信协议就不会改变，从而形成一个类别的楼宇设备自动化产品。
3.3BACnet对象和服务的实现
BACnet对象是驻留在BACnet设备中的数据结构，提供到一个楼宇自控设备的“网络可见”部分的抽象描述。每个对象都有一组属性，描述对象的特片和结构。BACnet对象按其功能可分为两类。一类是采集数据的对象，如模拟输入/输出对象。这类对象需要访问设备硬件，对象实现会根据不同设备硬件而变化，因此如果硬件发生变化，就要重写驱动程序。另一类对象是在采集的数据基础上完成复杂功能，如环对象以及其它实现报警事件功能的对象。这类对象不需访问硬件。每一种BACnet控制器需要对已实现的对象进行配置。
BACnet服务提供了用于访问和操作设备中BACnet对象的命令，并定义了这些命令的格式和内容（即服务原语）。Banet根据设备功能将不同服务分组得到7个部分：数据共享、报警和事件管理、时间表、趋势记录、设备管理、网络管理、虚拟终端。
BACnet所定义的通信设备一致遵守的编码规则是ASN.1。BACnet对象和服务原语都通过ASN.1进行编码，因此对象和服务实现的核心是BACnet编/解码器和BACnet标准数据类型、对象和服务原语的抽象数据类型。
对于BACnet对象的处理必须放在内核之外。原因是：不同BACnet控制器具有不同的BACnet对象集合，且BACnet对象类型较多。这就要求嵌入式系统具对BACnet对象进行灵活的配置方式。实现这种灵活配置的方法仍需要采用Linux常用的抽象方法，将不同的具体BACnet对象进行抽象，形成“虚拟BACnet对象”的概念。此处是“虚拟对象”不同于面向对象程序设计语言中的“虚拟对象”。这两个概念不同的。前者是相对BACnet协议中定义的具体对象而言，其作用是管理BACnet协议中定义的具体BACnet对象，是内核提供配置和操作具体BACnet对象的接口，相当于Linux内核中的“虚拟文件系统”等。
3.4驱动程序的实现
BACnet支持多种底层通信协议。在BACnet控制器中，必须为这些通信协议编写驱动程序，同时在BACnet控制器中还要为一些数据采集卡之类的设备写驱动程序。Linux操作系统下的驱动程序，是以模块的形式存在的，能够被动态地加载。对于不同的底层结构，可以灵活地加载不同的驱动程序。
开发设备驱动程序必须对内核有严格要求，其主要内容是根据内核的file_operations数据结构开发相应的设备操作函数，并填写数据结构。如果外围设备具有中断功能，则需要开发中断处理函数并安装中断函数。file_operations的数据结构，内核版本不同时，其结构可能不同，可以相看linux/fs.h头文件以确定具体的结构。在file_operations的众多函数指针成员中，通常只需实现reax、write、open和release即可；ioctl可以根据需要加以实现，以增强对外围设备的控制和管理功能。
3.5BACnet控制器应用层实现
应用逻辑层是建立在嵌入式操作系统之上的具体应用。根据BACnet协议中定义了3个级别的BACnet控制器――楼宇控制器、高级应用控制器和应用控制器、实现不同类别BACnet设备规定的互操作域（InteroperationArea）。这样，就可以在应用逻辑层中实现协议规定的5个互操作域。这种方式不仅使协议的互操作域开发简单，而且使互操作域的开发具有可管理性。
这5个操作域是：数据共享、报警和事件管理、时序安排、趋势记录及设备和网络管理。
①数据共享功能包括数据的文档存储、数据的表示、监测对象、设备点和参数修改。BACnet控制器要将本地采集的数据传送到操作员工作站上进行存储，主要是那些需要查看历史记录的值，如模拟输入/模拟输出当前值属性等等。对于数据更新的时间间隔，快速采样时，用1～5s；对于慢速过程，如空间温度监测，采用30～60s间隔。当控制器收到了WriteProperty/WritePropertyMultiple，服务，要求控制器重新设置端点和修改参数时，就调用本地方法，修改某些对象的属性值。
②报警和事件管理支持预定值改变报告、值改变通告和事件通知。当控制器某一个对象的属性值发生改变时，它就向预定这一服务的设备发送值改变通告服务。告诉接收者这一变化。控制器发送一个事件通告服务，通知远程设备有一个事件发生。控制器还要支持响应GetAlarmSummary，通告报警状态和事件信息。
③时序安排。控制器支持响应用来修改设备的Calendar、Shedular对象的WriteProperty服务请求，接收到该服务后，修改控制器的时序表。
④趋势记录。支持响应用来
修改TrendLog对象属性的WriteProperty服务，接收该服务后，修改登陆的数据点、采样速度、间隔。
⑤设备和网络管理。该操作域支持DeviceCommunicationControl服务，操作员可以通过该服务禁止控制器；同时，该操作域还支持响应TimeSynchronization和UTCTimeSynchronization服务，保证时间同步；支持响应AtomicReadFile服务，允许远程读取/修改控制器的配置文件，允许通过网络备份来恢复被配置。
结语
BACnet是一种实用的国际标准的楼宇控制网络协议。控制器是BACnet控制网络中的重要设备之一。BACnet控制器的开发成功，对于促进BACnet协议在我国楼宇自动化中应用具有重要的意义。
基于嵌入式Linux的BACnet控制器软件设计
摘要：描述BACnet协议的体系结构，分析BACnet控制器的功能，论证基于嵌入式Linux开发BACnet控制器的可行性；给出BACnet控制器软件的体系结构及其软件设计。关键词：BACnet 控制器 楼宇控制设备 嵌入式Linux 体系结构
BACnet协议是一种为楼宇自动控制网络所制定的数据通信协议。该协议已成为美国国家标准（ANSI/ASHRAE 135-1995）和欧盟标准草案，并在成为草案级国际标准。其中定义了23个对象和42个服务，以及5个数据链路的局域网底层网络结构。1月正式发布了附录135a，成为标准的附件J，确定BACnet/IP技术的第6个局域网互联的底层技术。
1 BACnet网络体系结构和控制器功能分析
1.1 BACnet网络体系结构
BACnet建立在包含四个层次的简化分层体系结构上。这四层相当于OSI模型中的物理层、数据链路层、网络层和应用层。BACnet标准定义自已的应用层和简单的网络层，对于其数据链路层和物理层，提供了五种选择方案，在附件J-BACnet/IP中加入了对IP的支持。
图1是BACnet/IP网络体系结构层次图。BACnet没有对应于OSI的第四、五、六层，也就是说，BACnet没有传输层、会话层和表示层。BACnet网络层屏蔽了底层采用的网络技术的差异。
1.2 BACnet控制器的功能分析
在一个BACnet控制网络中，一个BACnet控制器通常和多个控制设备直接相连，负责监控这些设备的运行。概括起来说，BACnet控制器应该具有三个方面的功能。①通信功能。BACnet控制器是一个网络控制器，所以它必须能够发送和接收BACnet报文，和其它BACnet设备进行通信。②监视功能。BACnet控制器要监视与它直接相连的控制设备的状态。这样，它就要提供数据结构来描述这种状态。在BACnet协议中，描述这些状态是用BACnet对象。BACnet协议提供了42个标准对象。③控制功能。BACnet控制器要控制与它相边听设备的运行，不仅要使这些设备之间具有互动能力，而且要使这些设备和系统的远程设备能够互动，所以在BACnet控制器中应该有逻辑控制模块来实现这一功能。值得注意的是，不同时间、不同地点，BACnet控制器中的控制逻辑可能是不同的'，因而在BACnet控制器中要提供改变控制流程的工具。这种工具最好是图形界面的，以方便用户使用。
图1 BACnet体系结构层次图
2 基于嵌入式Linux开发软件的可行性
①Linux是一个和Unix相似、以核心为基础的、完全内存保护、多任务多进程的操作系统。在开发过程中，可以根据实际需要，通过内核构筑工具对Linux内核功能进行裁减，做成体积很小的嵌入式操作系统，可使其达到500KB或更小的规模。
②在实时性应用方面，通用的Linux在强实时
[1] [2] [3] [4]
1鱼类养殖水体臭氧处理系统
1.1系统组成与原理图1是臭氧水处理系统布局。
系统主要由三部分组成:一部分是由8个规格相同的养殖池(直径2m，高1m)、回水槽、水泵、过滤机、臭氧混合设备和进排水管道组成的水循环系统;另一部分是由气源泵、臭氧发生器、流量计、臭氧混合设备、尾气处理器组成;第三部分是基于PLC的控制系统，由温度和臭氧传感器、PLC组件、调节步进电机和数据输出微机组成。
图1试验设备布局Fig.1Layoutofthetestequipments系统工作时，养殖池的水靠水压力进入回水槽，由水泵压入过滤器，经过滤后的水进入臭氧混合设备与来自臭氧发生器的臭氧气体进行混合、溶解，溶解后臭氧水进入养殖池，对养殖水体进行臭氧处理，并反复循环进行，直到池水臭氧溶解浓度达到所要求的浓度为止。
未溶解的臭氧通过尾气处理器进行无害化处理。
1.2臭氧的产生设计了空气和氧气作为气源产生臭氧的两种方法。
空气是常用的臭氧产生方法，氧气的使用是为了提高臭氧的产生效率而采用的方法。
氧气由制氧机从空气中制备，纯度达95%。
臭氧发生器采用XY-19型的臭氧发生器，额定气体流量为8m3/h，额定臭氧产量为100g/h。
1.3臭氧浓度控制系统臭氧浓度控制系统如图2所示。
系统通过设置在鱼池水中的传感器进行温度和臭氧浓度监测，监测数据传输给PLC并通过PLC的数据线自动记录在电脑中。
根据预先设定的臭氧浓度，PLC对当前臭氧浓度进行分析后将控制信号传输给步进电机，步进电机依照PLC的指令控制臭氧发生器的电压变化，以增加或者减少臭氧的产量，从而达到控制臭氧浓度的目的。
1.3.1臭氧浓度监测监测传感器采用哈希9185sc在线臭氧分析仪检测探头。
检测仪采用选择性膜电极;不受样品中pH、氯、溴、二氧化氯或过氧化氢的干扰，测量范围:0～20mg/L，测量精度±5μg/L。
同时设计了温度补偿系统，以消除温度波动的干扰。
1.3.2监控系统监控系统由上位机、下位机、模拟量输入模块构成。
模拟量输入模块采用哈希公司SC100控制器，控制器采集9185sc传感器信号并将其转换成模拟信号发送给下位机。
下位机采用西门子公司生产的s7-200型PLC进行数据采集，通过通信电缆传输给上位机，上位机中安装组态王监控软件。
组态王监控软件能够实时采集PLC传输的数据，自动画出变化趋势图表，通过软件的报表功能可以查询记录历史数据并导人Excel便于以后的处理。
根据监控工程的需要在软件界面中制作3个功能窗口，每个窗口完成特定的功能。
1.3.3功能窗口选择利用软件的历史趋势曲线控件，可以将PLC采集到的数据记录下来并自动连成趋势曲线，横坐标为采样时间，纵坐标为溶解臭氧含量，所有数据存入历史库以备查询。
该窗口有自动打印功能，可将形成的历史趋势曲线定时打印，利于日后查阅。
利用软件中报表功能可以从组态王历史数据库中查到之前记录的所有数据，包括PLC采集的.溶解臭氧含量和对应的采样时间，该报表可以自定义所要查询的变量和时间间隔，并显示在列表中，便于试验中随时掌握数据的变化情况。
1.3.4臭氧浓度的控制采用MA860H型两相混合式电机驱动器驱动86BYG二相步进电机，步进电机驱动器采用交流伺服驱动器的电流环进行超细分控制，电机的转矩波动小，低速运行平稳，振动和噪音低。
高速时可输出相对较高的力矩，定位精度高。
然后用PLC控制步进电机驱动器，内置于S7-200PLC的PTO能使用一个脉冲串输出用于步进电机的速度和位置控制。
基于检测到的臭氧浓度，使用PLC编程自动控制步进电机的位移和方向来控制臭氧发生器的电压大小，最终达到对臭氧浓度的PID控制。
2臭氧溶解、衰减与杀菌消毒试验
2.1材料与方法试验目的是确定臭氧在处理鱼类养殖水体时产生所需臭氧浓度的时间和衰减至安全浓度的时间，从而确定臭氧处理的安全方法。
试验内容为:1)在没有养殖鱼类，气源分别为氧气和空气的条件下，试验养殖水体臭氧溶解和衰减过程，以确定不同臭氧浓度的应用技术和处理过程的控制方法。
2)以氧气为气源的条件下，分批次对鱼类进行消毒处理，检验杀菌消毒水体臭氧浓度稳定控制的准确性，确保处理过程可靠与鱼类安全。
根据鱼类对臭氧浓度耐受试验[8-9]，设定臭氧溶解浓度测量范围为0～0.5mg/L。
为了满足过程中臭氧用量的不同需要，氧气产量在设计能力60%～100%进行调节。
在鱼类消毒试验中，养殖鱼类消毒杀菌的安全范围为0.1～0.2mg/L，试验中设定0.18mg/L为控制量的给定希望值，单次消毒时间为40min。
试验选择8个水池中的1个为试验池，养殖池水2m3，分4次对系统养殖鱼类进行消毒;用水量包括臭氧混合设备、回水槽和养殖池水量总计5m3。
试验鱼类为冷水性鱼类虹鳟鱼，平均体重160g，200尾，密度为32kg/m3;试验水温为10℃;循环水泵型号50JYWQ25-10，流量为25m3/h。
试验初始，打开监控软件，启动臭氧检测仪半小时待其稳定之后开启臭氧发生装置并打开自动控制软件自动记录采样数据，采样频率为2次/s，待水池中臭氧浓度稳定之后关闭臭氧发生装置系统导出数据曲线并打印。
2.2结果与讨论2.2.1臭氧溶解和衰减过程试验结果表明:利用纯氧制备臭氧和利用空气制备臭氧进行养殖水体处理，其效果差别较大，见图3、图4。
由图3可知:在气源为纯氧的条件下，养殖水体循环10min就可以达到试验设定的最大臭氧溶解浓度0.5mg/L。
溶解过程中臭氧浓度快速上升，持续供气可以保持该浓度;衰减过程中曲线缓慢下降，10℃水温下，循环40min后才能衰减到鱼类安全浓度0.06mg/L[8]。
在纯氧为气源的条件下，臭氧发生器产生了高纯度臭氧，溶解过程中没有其他气体分压的影响，向液相转移的动力远高于臭氧与其他气体混合的混合体，提高了臭氧向水体溶解速度。
这一结果表明，氧气为气源产生的臭氧在养殖水体处理中，可以采用高浓度短时间应用于鱼类和水体的消毒杀菌。
由于可以产生较高浓度的臭氧水，因此在对养殖水体和鱼类处理时，要进行监测与控制，以实现操作过程的安全可靠。
由图4可知:在气源为空气的条件下，养殖水体循环1.5h，臭氧才能到消毒杀菌处理的最低浓度0.1mg/L。
臭氧溶解过程非常缓慢，且剧烈波动，不够稳定，最大臭氧浓度能达到0.14mg/L;其衰减过程也很缓慢，衰减到鱼类安全浓度0.06mg/L需要1h。
由于空气中氧气含量约为21%，以空气为气源产生的臭氧不纯，臭氧向液相转移的过程中，受其他气体分压的影响，其溶解动力明显降低，溶解过程缓慢;同时，由于溶解过程气体混杂，干扰了臭氧检测的精度，产生了波动不稳定现象。
在衰减过程中，由于低温及其他溶解气体的影响，该过程也同样很缓慢。
这一结果表明:利用空气为气源的臭氧水产养殖应用时，选择低浓度长时间的处理方法，适应于养殖水体的氨氮、悬浮物、有机物处理[16]。
由于其浓度低，难以形成稳定的状态，且臭氧浓度在消毒杀菌的范围内，不需对其过程进行自动控制，只要控制处理时间就可以达到安全可靠的要求。
2.2.2纯氧为气源产生臭氧对鱼类消毒杀菌的影响试验结果表明，在40min消毒过程中，试验鱼类游速加快、运动剧烈。
但是消毒后的各项体表形态并无损伤现象，进入养殖水体后可以进行正常的饲养，无不适反应。
消毒过程中，系统工作正常，臭氧浓度稳定在0.18mg/L。
图5是臭氧消毒试验过程中，控制系统调节下养殖水体臭氧浓度随时间的变化情况。
由图5可知:系统工作开始后，臭氧浓度迅速接近设定的阀值0.18mg/L，随后在自控系统的控制下，溶解过程缓慢，其浓度在阀值0.18mg/L附近小幅波动，最终趋于稳定，稳定时臭氧发生器的电压为104kV。
纯氧为气源产生臭氧的产生效率是使用空气的2倍～3倍[14]。
由于自控系统的作用，臭氧浓度稳定保持在0.18mg/L附近，在操作过程中可以把整个工厂化养殖系统的鱼类分批次放入进行消毒杀菌。
纯氧产生臭氧的曲线比空气产生臭氧曲线平滑稳定，有利于控制系统进行准确控制。
建立可靠的臭氧浓度监控系统，利用纯氧为气源产生臭氧利用其高纯度、溶解过程快速的特性进行工厂化养殖鱼类的消毒杀菌，高效安全可靠，是一种清洁、无残留和无污染的有效方法，有利于工厂化养殖鱼类的健康生长和产品安全。
3结论
通过对鱼类工厂化养殖水体臭氧溶解和衰减过程的监测与控制，确定了空气和纯氧产生臭氧在工厂化水产养殖中的不同应用方式，为臭氧在工厂化养殖方面的应用奠定了基础，并可以得出下述结论:1)利用纯氧产生臭氧进行鱼类和水体的消毒杀菌较为有利，臭氧产生的浓度大效率高，而利用空气产生的臭氧进行氨氮、悬浮物和有机物处理比较有效和安全。
纯氧产生的臭氧在应用过程中须进行浓度的精准控制。
2)通过对纯氧产生臭氧进行设定阀值控制试验，验证了使用纯氧产生臭氧进行鱼类消毒杀菌安全控制的可靠性，在自控设备的保障下臭氧浓度可稳定保持在安全阀值内。
3)在工厂化养殖中应用臭氧处理系统，通过采取适当技术措施控制臭氧发生器的产量，可以达到控制养殖水体臭氧浓度、消毒杀菌安全和可靠的目的。
作者：曹广斌 戚翆战 韩世成 周煊亦 蒋树义 陈忠祥 单位：中国水产科学研究院黑龙江水产研究所 上海海洋大学工程学院
1系统整体方案设计
在线式电能综合质量分析仪，能连续、实时、高分辨率地监测外电网的电能质量，并将高分辨率的录波数据、实时数据、故障波形、故障报警等信息，通过独立CAN总线上传给车站站机，由站机对数据进行显示、存储。
利用铁路信号微机监测的2M带宽专网，将外电网数据实时传送给远程服务器，使得通过远程终端可以查看各个车站外电网的实时高分辨率录波数据、实时数据(电压、电流、功率、功率因数等)、历史数据、报警记录、瞬间突变波形等信息，满足了电务段对于供电结合部管理的实际需要。
2系统硬件设计
在线式电能综合质量分析仪，包括信号采样电路、核心CPU模块、can总线接口电路。
2.1信号采样设计电能综合质量分析仪采集两路三相电的电压、电流。
电流采样采用开口的电流互感器CT53C104b-100A/50mA，将采样线从电流互感器中间穿过，通过电磁感应采集采样线中通过的电流，并输出最大50mA的电流，电流互感器输出的电流信号先在隔离转换板上转换为低于1.5V的电压信号，再输出到CPU板。
电压采样是在采样位置与信号隔离转换板之间连接采样线，在隔离转换板上，先经过保险管，再经YXY300-1.06V进行隔离转换，输出到CPU板。
保险管是防止电压采样线在电能质量分析仪内短路，影响到外电网正常运行。
采集的电压、电流信号经过隔离防护后接入CPU模块，不会因为在线电能质量分析仪采集外电网信号，对外电网的正常运行造成影响。
2.2CPU板设计核心CPU模块的中央处理器采用DSP芯片TMS320F2812[3]，外围电路包括电源电路、晶振、外扩RAM，电源采用DSP专用电源芯片PS73HD301，为TMS320F2812提供所需工作电源;晶振采用30M有源晶振和中央处理器的时钟端口连接，在TMS320F2812系统初始化时，将主频倍频为150M。
外扩RAM选用CY7C1041V33芯片，作为高分辨率数据的暂存空间。
2.3Can总线接口设计Can总线接口设计采用TMS320F2812自带的Can接口，在外围增加高速光耦6N137、Can收发器82C250以及Can防护电路。
Can收发器82C250和核心CPU模块的中央处理器自带的Can接口通讯连接，在Can收发器82C250的串行输入和输出端口设有光耦隔离电路及Can防护电路;从所述Can收发器82C250引出与外部Can总线连接的Can总线接口。
Can通讯线需采用双绞屏蔽线，且屏蔽层接地。
因在线式电能综合质量分析仪具有高分辨率数据采样，且具有较高的实时性，所以在TMS320F2812满足高分辨率数据采样的前提下，必须具有足够高带宽的通讯总线将数据及时地传送出去，且具有足够长的通讯距离。
Can总线具有1M带宽，且在速率500k时，通讯最大距离可达130m，可以满足高分辨率数据的传输带宽以及现场通讯距离的实际需求。
3软件设计
在线式电能综合质量分析仪，实时监测铁路信号机械室两路三相电的相电压(基波、谐波)、线电压、电流(基波、谐波)、频率、相位角、功率、功率因数等信息，并将实时采集的高分辨率实时电压/电流波形、瞬间波形突变等信息通过CAN总线上送给站机;同时，对采集的原始数据进行运算，计算出每相电压电流的有效值(基波、谐波)，定时上送给站机。
根据计算出的有效值，作为判断外电网断电/瞬间断电的依据。
并根据采集的高分辨率原始数据，判断是否有瞬间突变(突变时间≥2ms)，如果有瞬间突变波形，则截取突变前后几个周期的高分辨率数据进行存储，并记录突变时间、置位突变开关量，将突变时间、突变开关量、突变波形，依次上送给站机。
基于DSP的CCD天文图像处理系统
介绍了一个基于DSP的CCD天文图像处理系统的软硬件实现.分析对比了传统的基于PC机的.处理方法,提出了一种简化的背景估计方法,并在此基础上应用了按列扫描的目标提取方法.给出了一种对局部背景进行精确估计的方法,保证了星象中心和星等的计算精度.最后给出了系统的硬件结构以及DSP软件算法的流程.
作 者：张月 马云 王伟 陈曾平ZHANG Yue MA Yun WANG Wei CHEN Zeng-ping 作者单位：国防科技大学ATR实验室,湖南,长沙,410073 刊 名：电光与控制 ISTIC PKU英文刊名：ELECTRONICS OPTICS & CONTROL 年，卷(期)： 12(4) 分类号：V555.2 TP31 关键词：DSP CCD 天文图像处理 背景估计基于嵌入式Linux系统的图像处理研究论文
摘 要：嵌入式图像处理系统的完成将为图像处理开辟新的实现途径，并且为嵌入式系统的应用打开一片新的领域。基于嵌入式平台的图像处理系统是未来图像处理系统的发展趋势，研究如何将嵌入式平台和图像处理结合起来，对于进一步拓展图像处理应用领域具有非常深远的意义。本文分别介绍本系统软硬件整体设计及嵌入式图像处理系统开发环境的建立。
关键词：嵌入式；Linux；图像处理
引言
数字图像处理系统是执行处理图像、分析理解图像信息任务的计算机系统。尽管图像处理技术应用广泛，图像处理系统种类很多，但他们的基本组成是相近的。嵌入式数字图像处理系统主要包括：图像输入设备、执行处理分析与控制的微处理器、输出设备、存储系统中的图像数据库、图像处理程序库。
一、嵌入式系统图像处理技术研究现状
目前国内外嵌入式图像处理系统正在成为微型计算机开发的热门研究课题。结合嵌入式系统的高端图像处理性能，手机、数码、mp4等产品的嵌入式处理器已在上述市场中占有比较大的份额，而且嵌入式系统已成功应用于医疗设备、机器人控制中的图像领域，现代战争中利用图像进行的精确制导、无人飞机的电视导航等。
美国“索杰纳”火星车作为技术高密集的移动机器人，采用的是美国WindRiver公司的Vxworks嵌入式操作系统。火星车上负责采集、处理传输图像的控制器采用16位以上的处理器，各种MCU如ARM、MIPS、68K系列的处理器在控制器中占据核心地位。
近年来，结合嵌入式系统、DSP和实时图像处理等领域的最新发展，嵌入式实时图像处理系统采用基于DSP+FPGA+ARM的硬件系统架构设计，将高速的DSP与在通讯、网络和实时控制方面具有独特优势的StrongARM处理器以及接口逻辑丰富、并行运算能力强大的FPGA结合起来，为嵌入式实时环境下一些复杂算法的实现开辟了新的途径。但该系统在软件实现中的一些关键问题，特别是DSP代码的开发与优化等内容还不成熟和完善。
在软件方面，大多数嵌入式操作系统一般采用微内核结构，内核只提供基本的功能，例如任务调度、任务之间的通信与同步、内存管理、时钟管理等，其它的应用组件，比如网络功能、GUI系统等均工作在用户态，以系统进程或系统调用的方式工作。因而整个系统都是可裁减的，用户可以根据特定应用要求选用相应的组件。嵌入式操作系统主要有Vxworks、QNX、PalmOS、Windows CE、Linux等。
二、Linux开发环境的'建立
嵌入式Linux开发环境有几个方案：
（1）基于PC机Windows操作系统下的CYGWIN。
（2）在Windows下安装虚拟机后，再在虚拟机中安装Linux操作系统。
（3）直接安装Linux操作系统。
我们实际的开发环境为第二种方法，即在虚拟机new Red Hat Linux VMware Workstation中安装Red Hat Linux 9.0，它支持中文，并且包含了绝大部分的开发工具。开发环境建立步骤如下：
操作系统使用Red Hat Linux 9.0，选择完全安装，需要磁盘空间大约5G。接着安装Linux的编译器和开发库以及ARM-Linux的所有源代码，需要空间大约为800M。然后安装相应的GCC交叉编译器arm-linux-gcc。配置开发主机，配置Minicom，该软件作为调试嵌入式开发板信息输出的监视器和键盘输入的工具，一般参数为波特率115200，数据位8位，停止位1，无奇偶校验，软硬件控制流设为无。
关闭防火墙，配置NFS网络文件系统。建立引导装载程序Bootloader，本文使用北京博创公司提供的vivi。然后下载ARM-Linux，添加自己的特定硬件的驱动程序，使用模块方式调试驱动。建立根文件系统，使用Busybox软件进行功能裁减，产生一个最基本的根文件系统，再根据自己的应用需要添加其他的程序。修改根文件系统中的启动脚本，它的存放位置位于/etc目录下，包括：/etc/init.d/rc.S、/etc/profile等，自动挂装文件系统的配置文件/etc/fstab。根文件系统在嵌入式系统中一般设为只读，需要使用mkcramfs、genromfs等工具产生烧写映象文件。建立应用程序的flash磁盘分区，本系统使用线性Nor-Flash，使用YAFFS文件系统，在内核中提供文件系统驱动。最后将开发的应用程序下载到根文件系统中。
三、图像采集和显示设备分析
在图像采集模块，遵循V4L（Video for Linux）的标准，使用网眼PC350摄像头采集图像。整体的USB图像采集部分可由CMOS图像传感器、USB Camera控制器OV511和256K RAM构成。OV511内置了USB收发控制器，能够将数字图像数据通过USB传给ARM处理器，保证了数据的快速实时。ARM处理器通过USB配置OV511，OV511则对CMOS图像传感器的控制字进行配置。图1为图像采集子系统框图。
图像显示模块采用8“”TFT彩色液晶触摸屏，256色，分辨率为640×480，点距为0.2535×0.253，通过32针并口与开发板通讯。
四、软件的多线程整体设计
线程是一组指令的集合，或者是程序的特殊段，它可以在程序里独立执行，所以线程基本上是轻量级的进程，它负责在单个程序里执行多任务。多线程程序作为一种多任务、并发的工作方式，最突出的优点就是提高应用程序的响应速度。使用多线程技术，可以避免主程序等待的情况，从而提高程序运行效率。
通常嵌入式系统中图像采集速度较快，而图像处理速度较慢，为解决二者速度不匹配和资源共享问题，以提高系统工作效率，本文采用图像采集和处理多线程设计，通过互斥锁和条件变量来同步线程。设计建立带互斥锁的4帧图像缓存区作为图像采集线程和图像处理线程进行数据交换的共享缓冲区。图像采集线程顺序地从V4L接口程序获取图像存入共享缓存区，然后由图像处理线程不断地从共享缓冲区读取数据帧进行处理。主流程如图2所示。
图2 系统主流程图
程序首先进行视频设备初始化，获取摄像头基本信息和采集图像的各种属性，并分配4帧图像缓存区struct image_buf{int buffer[BUFFER_SIZE]；pthread_mutex_t lock；int readpos，writepos；pthread_cond_t notempty；pthread_cond_t notfull；}；再启动图像采集线程pthread_create（&th_cap，NULL，capture，0）进行图像采集，建立图像处理线程pthread_create（&th_pro，NULL，process，0）进行图像处理；其中，互斥锁lock用来实现两线程间图像数据的共享和通信，但只有锁定和非锁定两种状态，因此通过设置条件变量notempty、notfull来监听图像缓存区状态，通过允许线程阻塞和等待另一个线程发送信号的方法弥补互斥锁的不足。Readpos和writepos用来确定缓冲区中图像的读写位置。
五、结束语
基于嵌入式系统的图像处理与界面开发技术将嵌入式技术的多功能、可配置、多种通信模式、方便的网络接口、人机用户界面、实时性带入了图像处理领域。伴随着图像处理技术应用的深入，再结合嵌入式操作系统的强大功能，图像处理技术的发展方向将越来越宽广。
参考文献：
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