基于嵌入式平台的声光一体化采集平台设计*

汪华俊, 郭宝峰

(杭州电子科技大学 通信信息传输与融合技术国防重点学科实验室，浙江 杭州 310018)

基于嵌入式平台的声光一体化采集平台设计*

汪华俊, 郭宝峰

(杭州电子科技大学 通信信息传输与融合技术国防重点学科实验室，浙江 杭州 310018)

设计了一种基于嵌入式平台的声音信号采集和视频采集的软、硬件系统。硬件设计采用模块分层思想，将整个硬件系统拆分成核心板和底板两部分。软件设计采用多线程编程方法，实现信号连续采集和实时显示。对硬件系统设计、声音信号采集和视频采集做了详细的介绍，系统对于多传感器网络嵌入式平台的设计和应用具有一定的意义。

嵌入式平台； 声音信号采集； 视频采集； 多线程； 多传感器网络

0 引 言

目前，常见的基于嵌入式平台声音和视频传感网络均以单个功能形式存在，或是以成品开发板为基础的，功能冗余价格昂贵，而将两者集成的精简低成本嵌入式采集平台仍比较少见。本文设计的基于嵌入式平台的声光一体化采集平台，将声音采集和视频图像采集功能在同一个硬件平台上实现，整个系统小巧精简且功耗低[1～3]。

1 硬件系统设计

文中采用分层设计，将整个硬件系统拆分成“核心板+底板”两部分，通过排针连接。核心器件电路集成在核心板上，印刷电路板(printed circuit board,PCB)采用多层板布线；外设部件电路分布在底板上，PCB双层板布线即可。这样简化了设计流程，节约制作成本。

1.1 硬件核心板PCB布局和布线

核心板主要搭载CPU，FLASH，SDRAM等元器件。选S3C2440A作为系统CPU，其性能满足功能需求且价格低廉。在PCB设计中需要考虑信号完整性，主要包括叠层设置、布局设计和系统布线。叠层设置主要体现在2方面：1)叠层结构，信号层靠近参考层，信号返回路径直接位于信号线的下方，回路面积最小，磁通量抵消最明显。将信号层和参考层交错排列，每个信号层都有相邻的参考层，使磁通量最小化。核心板上的芯片数量多，比较密集，且电气网络也多，故PCB采用6层板实现。2)阻抗设计，选择50～100 Ω的阻抗比较合适，结合表1的阻抗要求，采用信号线线宽基本为5.5 mil。综上，6层印制板包括4个信号层(包括元件层)、一个地层、一个混合电源层(3.3，1.25 V)，叠层顺序依次为Top，VCC，Signal1，Signal2，GND，Bottom。

表1 阻抗要求

布局不仅要考虑降低器件之间的干扰，还需要使整个布局简洁美观。设计中核心板布线区的尺寸为74 mm×37 mm，为充分利用布线区，在核心板的顶层(top)和底层(bottom)均焊贴元器件，采用手工布局，使两片SDRAM芯片尽量靠近CPU，对应的排阻分别放在Top和Bottom的对称位置。

整个系统布线采用手工布线的方式，运用蛇形延迟布线、差分线和控制串扰布线等措施，确保信号完整。图1为核心板PCB顶层布线图，核心板电源线尽量采用大面积敷铜进行连接，以满足对电源波动的要求，降低阻抗，减少线损。将电压平面分割为3.3，1.25 V两个平面，减小电压波动。对地线同样采用大面积敷铜处理。对于核心板上CPU焊球阵列封装(ball grid array，BGA)的封装方式，文中采用“坐标通道法”确定CPU焊盘引线的过孔位置，即以CPU中心点为坐标原点建立平面直角坐标系，坐标轴的4个象限分别对应右上、左上、左下、右下的指向，处于不同象限的球形焊盘引线的过孔位置方向对应所在象限的指向，保证焊盘引线不会交叉，满足设计规则要求。过孔内外直径分别为8 mil和16 mil。

图1 核心板PCB 顶层布线

1.2 硬件底板PCB布局和布线

底板主要元器件的布局，底板相对于核心板，搭载外围设备，机械结构较为简单，且底板的布线区尺寸为128 mm×105 mm，面积较大，选用双层板即可。

完成核心板和底板的PCB布线后均要进行设计规则检查，确保没有错误，最后生成制板文件。

2 基于硬件平台AD的声音信号采集

声音信号的采集[4]，整个架构如图2所示，利用S3C2440A片内10位AD设备，将采集的声音信号进行A/D转换。再根据式(1)将采样电压值变换为实际电压值

(1)

式中Vre为实际电压;Vref为参考电压;Vsa为采集电压值;N为AD模块的分辨率。

图2 声音信号采集框架

软件设计包括3个部分：AD设备驱动程序设计[5]、声音信号采集、信号波形显示。在Linux2.6.30内核中AD驱动文件以平台驱动设备模型的架构实现，缺少相应的操作接口函数，文中使用混杂设备(miscdevice)驱动架构重新实现。miscdevice设备共享一个主设备号MISC_MAJOR(10)，但次设备号不同，需在file_operations结构体中注册文件操作接口，内核通过此结构访问驱动程序提供的接口函数。在初始化AD设备后，调用adc_ioctl函数时进行通道和预分频值设置，按式(2)确定A/D转换频率

(2)

式中FAD为AD的转换频率;Fpclk为外设总线时钟;PR为预分频器值,其范围为0～255。

在声音信号采集的程序设计中，借助多线程编程实现，提高CPU资源的使用效率，采集流程如图3所示，线程函数循环获取底层A/D转换数据，采集线程函数核心代码为：

void * sample_process (void *arg){

AD *ad = (AD*)arg;/*格式转换*/ static int data = 0;/*初始化*/

int len; char buffer[20]; int fd = ad->fd; /*设备打开的标识符*/

int cmd = ad->cmd; /*接入的AD通道*/

unsigned long argu = ad->arg; /*预分频值*/

ioctl(fd,cmd,argu); /*传入参数*/

while(1){ memset(buffer,0,20); /*内存清零*/

len=read(fd,buffer,sizeof(buffer)-1); /*读取内容*/

if(len > 0) { buffer[len] = '/0';

sscanf(buffer,"%d",&data);/*写入数据*/

ad->data = data;/*获取数据*/

} }

return NULL; }

图3 声音采集流程

采集数据波形绘制借助Qt的图形绘制功能，将采集换算后的数据点，在绘图设备上描点连线，并利用信号与槽的机制，设定定时器，定时重绘采集的数据点，实时波形如图4所示。

图4 实时波形

3 基于硬件平台的USB视频采集

系统Linux内核版本是Linux2.6.30，支持V4L2架构。图5为基于V4L2的视频采集流程：打开摄像头设备，获取设备信息；设置视频采集参数；获取视频图像。文中使用内存映射方式(mmap)来获取视频图像，将设备文件映射到内存中，绕过内核缓冲区，相对于直接读取(read)的方式，提升了访问速度[6]。在整个视频获取过程中创建两个线程：采集线程和显示线程。采集线程将采集到的图像写到缓冲区，当在该缓冲区写满一帧图像时，显示线程给应用程序发送消息，并从缓冲区里读取图像并显示，提升了存取速度。

图5 视频图像采集流程

视频图像显示同样利用Qt信号与槽的机制，每隔30 ms定时取出缓冲队列中的一帧图像，由update函数调用重写的重绘函数paintEvent在设备上进行重绘，显示过程连续无停顿感。

4 结 论

在多传感器网络技术广泛应用的背景下，实现了基于嵌入式平台的声光一体化采集平台的设计。一方面对硬件系统的功能需求分析，确定设计方案，采用模块分层的设计思想，将核心板和底板分开设计；另一方面选用S3C2440A作为嵌入式微处理器，自带AD设备，缩减开发成本和周期。软件设计借助多线程编程实现了声音信号和视频图像的采集和显示，提高了系统资源的利用率。整个系统达到了预期的设计目的，为实现多传感器网络下的目标识别与跟踪打下了基础。

[1] 李 涛.基于ARM的USB视频采集系统研究[D].秦皇岛：燕山大学,2011.

[2] 付 力,焦斌亮.基于GPRS和DaVinci技术的视频监控系统设计[J].传感器与微系统,2011,30(6):100-102.

[3] 琚 成,梁天翼,贾芸芳.嵌入式系统中硬件关键性能指标测试模块的设计与实现[J].南开大学学报:自然科学版,2013(5):50-55.

[4] 曹一江,孙志斌,刘晓为,等.驻极体声传感器信号采集系统研究[J].传感器与微系统,2006,25(10):19-21.

[5] 周海峰,李 俊,刘 嘉,等.基于Linux的外部AD驱动程序设计[J].仪表技术与传感器,2015(5):53-55.

[6] 马文强,章 专.基于S3C6410的无线视频传输节点设计[J].传感器与微系统,2011,30(10):96-98.

Design of acoustic-optical signals acquisition system based on embedded platform*

WANG Hua-jun, GUO Bao-feng

(Key Laboratory of Fundamental Science for National Defense of Communication Information Transmission and Fusion Technology,Hangzhou Dianzi University, Hangzhou 310018, China)

Designs of software and hardware system for acquiring acoustical signal and video capture based on embedded platforms is introduced.Adopting module hierarchy idea, the hardware system is divided into core-board and base plate.The software design uses multithreading programming technique which can realize continuous signal collection and real-time display.Design of hardware system,acoustical signal and video signal acquisition are introduced in detail.It has certain meaning for design and application of multisensor networks embedded platforms.

embedded platform; acoustical signal capture; video capture; multithread; multisensor network

10.13873/J.1000—9787(2017)09—0091—03

2016—09—19

国家自然科学基金资助项目(61375011)； 浙江省自然科学基金资助项目(LY13F030015)

TN 401

A

1000—9787(2017)09—0091—03

汪华俊(1991-)，男，硕士研究生，主要研究方向为嵌入式系统集成与开发。