專利名稱：：基于arm和dsp的嵌入式農(nóng)林信息采集查詢移動終端的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及精細農(nóng)業(yè)
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體地講是一種基于ARM和DSP的嵌入式農(nóng)林信息采集查詢移動終端系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
：目前，農(nóng)業(yè)信息獲取、信息處理、管理決策和智能控制已成為國內(nèi)外研究機構(gòu)攻關(guān)的焦點。在這個體系中，農(nóng)林信息快速采集技術(shù)的研究大大落后于其他支持技術(shù)的發(fā)展，面向農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者應(yīng)用的信息獲取及通訊技術(shù)研究仍然十分匱乏。農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)信息的獲取和處理是精準農(nóng)業(yè)的起點，這個問題必須及時解決。當前，大多數(shù)使用筆記本電腦作為平臺，但其存在農(nóng)業(yè)現(xiàn)場作業(yè)中暴露出體積過大、與通信硬件配合操作不便、實時性較差等缺點，也有一些科研人員基于單片機或掌上電腦開發(fā)了—些數(shù)據(jù)采集設(shè)備，但存在功能單一、圖像處理性能低和硬件擴展能力不強等不足。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明旨在提供一種采用雙處理器結(jié)構(gòu)，可實時采集和查詢農(nóng)林信息的基于ARM和DSP的嵌入式農(nóng)林信息采集査詢移動終端。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的一種基于ARM和DSP的嵌入式農(nóng)林信息采集查詢移動終端，其特征在于，包括ARM模塊18，DSP模塊8，與ARM模塊18和DSP模塊8同時相連的數(shù)據(jù)緩沖單元10、電源模塊U，與ARM模塊18相連的外圍接口擴展單元A、無線通信單元D、GPS模塊22、觸摸屏27,還包括與DSP模塊8相連的傳感器信息采集單元B、視頻信息采集單元C，轉(zhuǎn)串口單元E;所述的無線通信單元D包括與ARM模塊18雙向連接的ZIGBEE模塊15、GPRS模塊19;所述外圍接口擴展單元A包括與ARM模塊18相連的串口擴展器21、USB擴展器17、網(wǎng)口擴展器14,串行通信接口20、USB接口16、RJ45網(wǎng)口13分別與對應(yīng)的擴展器雙向連接；.-所述傳感器信息采集單元B包括依次相連的傳感器信息采集接口5、信號放大器6、A/D轉(zhuǎn)換器7，其中A/D轉(zhuǎn)換器7與DSP模塊8相連；所述視頻信息采集單元C包括相互連接的AV視屏采集接口12、視頻解碼器9,其中視頻解碼器9與DSP模塊8相連；所述ARM模塊18和DSP模塊8都通過HPI接口與數(shù)據(jù)緩沖單元10相連所述GPS模塊22通過串口擴展器21與ARM模塊18相連所述觸摸屏27通過數(shù)據(jù)緩沖單元10與ARM模塊18相連。本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有以下技術(shù)效果(1)、本發(fā)明的外圍接口豐富，方便掛載各類型傳感器，應(yīng)用范圍更廣。(2)、本發(fā)明采用性能優(yōu)異的S3C2440和具有浮點運算的DSP組成的雙核結(jié)構(gòu)處理單元，豐富的外圍擴展模塊，為精準農(nóng)業(yè)提供良好的硬件保證。(3)、本發(fā)明中采集數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)具有高實時性，可以很好地應(yīng)用于農(nóng)林病蟲害防治的工作中。(4)、本發(fā)明中項目研制的系統(tǒng)面向相關(guān)部門提供決策依據(jù)，而移動終端又直接面向農(nóng)戶，產(chǎn)品直接面向市場。實現(xiàn)精確播種、施肥，減少農(nóng)業(yè)資源浪費和降低農(nóng)藥、化肥使用；保護生態(tài)環(huán)境；為農(nóng)林防災(zāi)抗災(zāi)農(nóng)民致富增收提供強大的信息保障。(5)、相比以往的農(nóng)林信息采集査詢設(shè)備，本發(fā)明購置成本大為降低；且方便小巧，穩(wěn)定性高。圖l為本發(fā)明的原理結(jié)構(gòu)框圖2為本發(fā)明的傳感器信息采集單元的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明的雙處理器結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明的視頻信息采集單元的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明的無線通信模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為本發(fā)明的外圍接口擴展單元的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為本發(fā)明的轉(zhuǎn)串口單元的結(jié)構(gòu)示意圖；圖8為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖。圖9為本發(fā)明數(shù)據(jù)采集流程圖。圖10為本發(fā)明數(shù)據(jù)查詢流程圖。具體實施例方式下邊結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步的闡述，如圖1所示，本發(fā)明的核心處理單元由ARM模塊18(采用型號為三星S3C2440的ARM9系列)和DSP模塊8(數(shù)字信號處理器，采用型號為TMS320C6713)組成，其中ARM9模塊18負責管理無線通信單元D、外圍接口擴展單元A、GPS模塊22和觸摸屏27;DSP模塊8負責處理農(nóng)田傳感器信息和視頻圖像信息；數(shù)據(jù)緩沖單元10主要負責ARM模塊18與DSP模塊8、ARM模塊18與觸摸屏27之間的數(shù)據(jù)通信。下邊對本發(fā)明的各主要組成模塊和單元的設(shè)計進行一一的說明1、雙處理器結(jié)構(gòu)的設(shè)計ARM功耗低、性價比高、并可植入操作系統(tǒng)，適合用作整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制；而DSP速度快、效率高、精度高、適合復雜算法的設(shè)計尤其是圖像算法的設(shè)計。本發(fā)明中ARM模塊18選取揚創(chuàng)基于ARM920T內(nèi)核的S3C2440核心板，接口包括3個串口，2個USB接口，l個以太網(wǎng)口。S3C2440核心板還帶有觸摸屏接口，實現(xiàn)人機交互功能。DSP模塊8選用TI公司的TMS320C6713(PYP)32位浮點DSP芯片'其核心頻率最高可達200MHz，片內(nèi)有256KRAM,用來進行核心算法的運算。該嵌入式系統(tǒng)較同類PC版系統(tǒng)有更好的穩(wěn)定系，成本也更低。HPI是一種高效的并行口，可用于兩個處理器進行主從式通信。主機可以直接訪問從機所有的內(nèi)存空間，包括片內(nèi)RAM。HPI的數(shù)據(jù)交換過程不需要從機進行控制，所以并不占從機的CPU。本發(fā)明中，DSP模塊8作為從機，通過HPI口與A服模塊18進行數(shù)據(jù)交換，接收由ARM端發(fā)出的命令。HPI通過兩個中斷信號對通信雙方進行協(xié)調(diào)。由于ARM模塊18總線的驅(qū)動能力不夠。所以必須在ARM模塊18和DSP模塊8之間加1片隔離芯片，即數(shù)據(jù)緩沖單元10(采用型號為74LVCH162245),74LVCH162245是由飛利浦生產(chǎn)的32位數(shù)據(jù)緩沖芯片，具有總線隔離，增強總線驅(qū)動能力的作用。同樣，由于ARM模塊18的輸入輸出口的接口電壓是3.3V,而觸摸屏27(采用型號為三星800x480的產(chǎn)品)的供電電壓是5V。所以在ARM模塊18和觸摸屏27之間加片74LVCH162245以提高數(shù)據(jù)總線的驅(qū)動能力，如圖3所示。2、傳感器信息采集單元和視頻圖像采集單元的設(shè)計1)、傳感器信息采集單元的設(shè)計由于傳感器采集的信號量比較小，必須經(jīng)過放大后才能通過A/D轉(zhuǎn)換器7進行A/D轉(zhuǎn)換，信號放大器6選用AD公司的AD620,AD620具有高精度、漂移小、噪聲低、功耗低等特點，只需一個外接電阻就可設(shè)置11000的放大增益，常用于高精度的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，作為各種微弱信號的前置調(diào)理器。A/D轉(zhuǎn)換器7選用AD公司的AD7656,AD7656是基于iCMOS工藝的一款6通道16位逐次逼近型ADC，該器件的功耗比同類雙極型ADC降低了60%，在250K/S的速率下的精度是同類產(chǎn)品的2倍。經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)可以直接交由DSP模塊8進行處理，如圖2所示。2)、視頻信息采集單元的設(shè)計隨著便攜多媒體終端需求量迅速增加，在視頻解碼等方面對芯片低功耗的要求也越來越高，因此只有將攝像頭采集到的模擬視頻信號轉(zhuǎn)換成符合IIU-RBT656標準的數(shù)字信號，才能方便地利用DSP模塊8進行數(shù)字信號處理。本發(fā)明中視頻解碼器9采用的是TI公司的TVP5150芯片，該芯片是超低功耗，支持NTSC/PAL/SECAM等格式的高性能視頻解碼器，正常工作時的功耗為115mW，可以接收2路復合視頻信號或1路S-Video信號。經(jīng)過TVP5150解碼后是得到的數(shù)字信號，由DSP進行處理，如圖4所示。3)、圖像信息采集的設(shè)計本發(fā)明采用的ARM模塊18帶有20針攝像頭接口26，另外，A脂模塊18也支持中星微USB攝像頭，這兩種方式均可采集到圖像信息。3、無線通信模塊的設(shè)計(見圖5)1)、GPRS模塊GPRS模塊19在本發(fā)明中的作用是與上位機服務(wù)器通信。GPRS模塊19選用的周立功的ZWG-23DP,該核心板體積小巧，功耗低，支持數(shù)據(jù)透明傳輸與協(xié)議轉(zhuǎn)換，具有配置串口和通信串口，通信串口是標準的TTL串口，可以直接與ARM模塊18的串口l連接通信。2)、ZIGBEE模塊ZIGBEE模塊15的加入使本終端能夠自適應(yīng)ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)，獲取ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)中的傳感器信息，以滿足在大型農(nóng)場測量農(nóng)田信息的要求。ZIGBEE模塊15選用的是成都無線龍CC2430ZIBEE核心板。CC2430集成高性能低功耗8051微控制器，集成符合IEEE802.15.4標準的2.4GHz的RF無線電收發(fā)機，帶有標準TTL串口，可以直接與ARM模塊18的串口2連接通信。3)、GPS模塊GPS模塊22的選用的是UBLOXRCB-4H，其特點是16通道，單點定位精度2.5m,熱啟動時間〈3.5s，冷啟動時間〈34s，兩路串口數(shù)據(jù)輸出(TTL電平)，支持應(yīng)EA0183標準協(xié)議和u-Blox專用協(xié)議。與A脂模塊18經(jīng)過串口擴展器21轉(zhuǎn)接出來的串口20進行通信。4、多外圍擴展接口單元的設(shè)計(見圖6、7)1)、ARM模塊18的串口擴展由于采用的A函模塊18自帶3個串口都已使用，其中2個串口已經(jīng)分配給無線通信模塊(另外1個ARM調(diào)試用)，而TI公司的串口擴展器21(采用型號為TL16C554A芯片)可以擴展4個異步通信串口20，每個通道相互獨立。且能與S3C2440ARM9直接相連。2)、ARM模塊18的USB接口擴展USB擴展器17采用的是ETC公司的GL850A，該芯片能夠轉(zhuǎn)接4個USB口16，完全支持USB2.0/1.l規(guī)格。具有耗電低，溫度低等特點。3)、ARM模塊18的網(wǎng)口擴展本發(fā)明的網(wǎng)口擴展器14采用DAVICOM公司的自適應(yīng)以太網(wǎng)芯片，支持8位、16位、32位寬度的數(shù)據(jù)總線，有成熟的驅(qū)動支持，成本低廉，使用3.3V電平。4)、DSP模塊8的串口擴展轉(zhuǎn)串口單元3為TI公司的TL16C752B采用8位異步并行存儲接口，3.3V電源供電可以與DSP模塊8的外部存儲器接口(EMIF)直接相連接，具有兩個異步通信9針串口4，每個通道相互獨立，本發(fā)明應(yīng)用到其中一個的串口。5、總體上本發(fā)明的研究將采用先理論分析后實驗驗證，首先完成整個項目框圖的規(guī)劃，然后再將整個項目劃分為若干個小單元，再對單項技術(shù)研究，進行分工研制，最后聯(lián)機調(diào)試整合，具體研究方法如下。1)、系統(tǒng)概要設(shè)計(總體設(shè)計)根據(jù)系統(tǒng)的性能要求初步提出系統(tǒng)的總體架構(gòu)，從功能對軟硬件進行劃分，選定嵌入式處理器、RT0S及開發(fā)平臺。具體的說，在本系統(tǒng)中總體架構(gòu)是以咴入式系統(tǒng)為核心，進行各種功能的擴展以實現(xiàn)設(shè)計要求，包括以PC為上位機的軟件設(shè)計，硬件主要是用ARM處理器和DSP處理器，嵌入式操作系統(tǒng)主要采用嵌入式Liruix和uCOSII操作系統(tǒng)，開發(fā)平臺主要使用RedhatLinux9.0平臺和ADS、CCS編譯環(huán)境。2)、硬件詳細設(shè)計根據(jù)系統(tǒng)概要設(shè)計的要求初步繪制出系統(tǒng)硬件的電原理框圖，然后再將電原理框圖詳細分為各個子框圖，對每個子框圖進行分析和接口設(shè)計，分別對每個子框圖進行硬件選型，而后以子框圖為單位對課題組進行分工，分別繪制各個子框圖的電原理圖，最后對每個子框圖的電原理圖進行整合繪制系統(tǒng)的電原理圖，再根據(jù)原理圖繪制PCB圖，這就完成了系統(tǒng)硬件的初步設(shè)計。3)、硬件生產(chǎn)根據(jù)電原理圖和PCB圖對各元器件進行焊接生產(chǎn)，生產(chǎn)過程中要嚴格控制好每一個生產(chǎn)環(huán)節(jié)，盡量避免有短路、虛焊、漏焊等錯誤，保證硬件連接正確無誤，提高系統(tǒng)的調(diào)試效率。4)、硬件測試硬件生產(chǎn)完畢后，要對硬件電路進行調(diào)試，保證元器件之間在邏輯上連接正確，測試器件之間的數(shù)據(jù)傳輸，編寫相應(yīng)的測試軟件，為今后硬件驅(qū)動做好準備，硬件測試是設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。5)、軟件詳細設(shè)計根據(jù)系統(tǒng)概要設(shè)計的要求進行系統(tǒng)的整體軟件規(guī)劃，將軟件工作進行進一步細劃分，將軟件細分為小的軟件模塊，以各個軟件模塊為單元在課題組內(nèi)進行分工，軟件工作是和硬件工作同步進行的，具體的軟件流程圖請參見圖9和圖10。86)、軟件實現(xiàn)軟件分工后，各軟件小組根據(jù)軟件設(shè)計任務(wù)書進行各個功能模塊的軟件實現(xiàn)，并分別進行軟件初步調(diào)試，其中主要工作內(nèi)容是理論向計算機算法的轉(zhuǎn)化。7)軟件測試在各個功能軟件編寫成功后要進行整體軟件整合，并進行整體功能測試，根據(jù)測試結(jié)果進行調(diào)整，在功能達到要求后，還要對軟件的性能和穩(wěn)定性進行綜合測試。8)、軟硬件集成在完成軟硬件設(shè)計后，要對軟硬件進行系統(tǒng)集成，聯(lián)機調(diào)試，測試整個系統(tǒng)的運行性能，根據(jù)綜合性能測試的結(jié)果，局部調(diào)整軟硬件設(shè)計，以使系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率達到最佳。根據(jù)以上研究和設(shè)計的方法，基本研制出了系統(tǒng)的整體的軟硬件框架，在這個框架的基礎(chǔ)上進行性能測試，不斷進行軟硬件調(diào)整，最終完成系統(tǒng)的設(shè)計。基于上述的設(shè)計思想，本發(fā)明的整體框圖如圖8所示，其中各單元型號功能說明見下表:<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>本發(fā)明的工作過程為:1、傳感器信息的采集與處理1)、模擬傳感器信號的采集與處理傳感器模擬信號由傳感器信息采集接口5接收，經(jīng)過信號放大器6放大，A/D轉(zhuǎn)換器7模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字信號送入DSP模塊8進行處理。2)、數(shù)字傳感器信號的采集與處理傳感器數(shù)字信號經(jīng)過9針串口4和轉(zhuǎn)串口單元3接收后送入DSP模塊8進行處理。3)、ZIGBEE無線網(wǎng)絡(luò)采集到的傳感器信息處理由ZIGBEE模塊15接收到ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字傳感器信號后，經(jīng)過ARM模塊18、數(shù)據(jù)緩沖單元10送入DSP模塊8進行處理。2、圖像視頻信息的采集與處理1)、AV視頻數(shù)據(jù)的采集與處理由AV視頻釆集接口12接收并進入視頻解碼器9解碼后，送由DSP模塊8處理。2)、圖像數(shù)據(jù)的采集與處理由于ARM模塊18預(yù)留的USB接口16可以掛載USB攝像頭，20針攝像頭接口26可以掛接20針的攝像頭模塊，所以USB接口16和20針攝像頭接口26都可以采集圖像信息，其數(shù)據(jù)流向是由20針攝像頭接口26或USB接口16經(jīng)過ARM模塊18，數(shù)據(jù)緩沖單元10送到DSP模塊8處理。3、GPS定位信息數(shù)據(jù)流向由GPS模塊22產(chǎn)生的定位信息經(jīng)過串口擴展器21流向ARM模塊18后經(jīng)過ARM模塊18、數(shù)據(jù)緩沖單元10送入DSP模塊8進行處理。4、農(nóng)林傳感器信息存儲上述l,2,3過程中，DSP模塊8處理的數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)緩沖單元10送到ARM模塊18進行信息分類整理后，然后由以下兩種方式存儲:(1)、由GPRS模塊19發(fā)往上位機存儲；(2)、經(jīng)由USB擴展器17、L/SB接口16存入大容量外接USB存儲設(shè)備。5、農(nóng)林信息查詢用戶可以通過點擊觸摸屏27產(chǎn)生控制信號，經(jīng)過數(shù)據(jù)緩沖單元10到ARM模塊18,ARM模塊18產(chǎn)生控制信號控制GPRS模塊19接收上位機存儲的信息或控制USB擴展器17讀取大容量外接USB存儲設(shè)備存儲的信息，并送到ARM模塊18，再由數(shù)據(jù)緩沖單元IO增加電流驅(qū)動能力后，送到觸摸屏27顯示6、外圍接口電路的用途由于S3C2440核心板自帶接口少，擴展能力有限。由串口擴展器21擴展出4個串口，其中1個接GPS模塊22，另外三個用于擴展。由USB擴展器17擴展4個USB接口，其中一個接USB中星微攝像頭，一個接大容量USB存儲設(shè)備，另外兩個用于擴展。ii權(quán)利要求1、一種基于ARM和DSP的嵌入式農(nóng)林信息采集查詢移動終端，其特征在于，包括ARM模塊(18)，DSP模塊(8)，與ARM模塊(18)和DSP模塊(8)同時相連的數(shù)據(jù)緩沖單元(10)、電源模塊(11)，與ARM模塊(18)相連的外圍接口擴展單元A、無線通信單元D、GPS模塊(22)、觸摸屏(27)，還包括與DSP模塊(8)相連的傳感器信息采集單元B、視頻信息采集單元C，轉(zhuǎn)串口單元E。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于ARM和DSP的嵌入式農(nóng)林信息采集査詢移動終端，其特征在于，所述的無線通信單元D包括與ARM模塊(18)雙向連接的ZIGBEE模塊(15)、GPRS模塊(19)。3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于ARM和DSP的嵌入式農(nóng)林信息采集査詢移動終端，其特征在于，所述外圍接口擴展單元A包括與ARM模塊(18)相連的串口擴展器(21)、USB擴展器(17)、網(wǎng)口擴展器(14)，與對應(yīng)的擴展器雙向連接的串行通信接口(20)、USB接口(16)、RJ45網(wǎng)口(13)。4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于ARM和DSP的嵌入式農(nóng)林信息采集查詢移動終端，其特征在于，所述傳感器信息采集單元B包括依次相連的傳感器信息采集接口(5)、信號放大器(6)、A/D轉(zhuǎn)換器(7)，其中A/D轉(zhuǎn)換器(7)與DSP模塊(8)相連。5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于ARM和DSP的嵌入式農(nóng)林信息采集查詢移動終端，其特征在于，所述視頻信息采集單元C包括相互連接的AV視屏采集接口(12)、視頻解碼器(9)，其中視頻解碼器(9)與DSP模塊(8)相連。6、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于ARM和DSP的嵌入式農(nóng)林信息采集查詢移動終端，其特征在于，所述ARM模塊(18)和DSP模塊(8)都通過HPI接口與數(shù)據(jù)緩沖單元(10)相連。7、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于ARM和DSP的嵌入式農(nóng)林信息采集査詢移動終端，其特征在于，所述GPS模塊(22)通過串口擴展器(21)與ARM模塊(18)相連。8、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于ARM和DSP的嵌入式農(nóng)林信息采集査詢移動終端，其特征在于，所述觸摸屏(27)通過數(shù)據(jù)緩沖單元(10)與ARM模塊(18)相連。全文摘要本發(fā)明旨在提供一種基于ARM和DSP的嵌入式農(nóng)林信息采集查詢移動終端，包括ARM模塊(18)，DSP模塊(8)，與ARM模塊(18)和DSP模塊(8)同時相連的數(shù)據(jù)緩沖單元(10)、電源模塊(11)，與ARM模塊(18)相連的外圍接口擴展單元A、無線通信單元D、GPS模塊(22)、觸摸屏(27)，還包括與DSP模塊(8)相連的傳感器信息采集單元B、視頻信息采集單元C，轉(zhuǎn)串口單元E。本發(fā)明采用性能優(yōu)異的S3C2440和具有浮點運算的DSP組成的雙核結(jié)構(gòu)處理單元，具有豐富的外圍擴展模塊，采集數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)具有高實時性，本發(fā)明可以很好地應(yīng)用于農(nóng)林病蟲害防治的工作中。文檔編號G06F17/30GK101452491SQ20081024278公開日2009年6月10日申請日期2008年12月30日優(yōu)先權(quán)日2008年12月30日發(fā)明者丁紅娟,叢靜華,何瑞銀,盧之慧,良周,張祥甫,友徐,沈明霞,熊迎軍,馬奉先申請人:南京農(nóng)業(yè)大學