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北京邮电大学硕士学位论文智能面部识别嵌入式终端的实现 智能面部识别嵌入式终端的实现 摘要 近年来，数字图像技术的应用范围越来越广，运用数字图像处理 技术的身份验证则更是由于其在公安( 罪犯识别等) 、安全验证系统、 信用卡验证等方面的巨大应用前景而越来越成为当前模式识别和人 工智能领域的一个研究热点。由于生物特征是人的内在属性，具有很 强的自身稳定性和个体差异性，因此是身份验证的最理想依据。这其 中，利用人脸特征进行身份验证又是最自然直接的手段，相比于指纹、 视网膜、虹膜、基因等其它人体生物特征，它具有直接、友好、方便 的特点，更易于为用户所接受，因此备受关注。 就传统的工业控制而言，8 位单片机是难以满足网络功能要求的。 随着嵌入式微处理器技术的发展，3 2 位微处理器逐渐成为工业控制 设备的核心。a r m 内核微处理器以体积小、低成本、高可靠性的优 势在众多的3 2 位微处理器中占据了主导地位，基于a r m 9 2 0 t 内核 的芯片$ 3 c 2 4 1 0 x 采用低功耗高性能设计，适合用于中高档手持终端 等应用。因此，课题的设计中选用$ 3 c 2 4 1 0 x 作为面部识别终端硬件 平台的核心，并利用该芯片丰富的外围接口设计了主控单元和外围接 口电路。 嵌入式l i n u x 操作系统具有内核小、可裁剪、源代码开放、易移 植等诸多优点，因此，课题设计中选用嵌入式l i n u x 作为嵌入式操作 系统，并根据实际应用的要求进行剪裁并移植到$ 3 c 2 4 1 0 x 上，课题 选用了a r m 公司的a d s l 2 作为开发工具，建立了集成开发调试环 境和编写了各扩展接口的驱动程序。最后，制定了面部识别嵌入式终 端与l i n u x 面部识别服务器以及w i n d o w s 数据库之间的通信流程， 并编写了相应的应用程序。 关键词：面部识别a r m 嵌入式l i n u x 套接字 北京邮电大学硕士学位论文智能面部识别嵌入式终端的实现 t h er e a l i z a t i o no fi n t e l l i g e n te c l 气l r e c o g n i t i o ne m b e d d e dd e v i c e i nr e c e n t y e a r s ，t h es c o p e o ft h e a p p l i c a t i o n o f d i g i t a li m a g e t e c h n o l o g yb e c o m e sm o r ea n dm o r ew i d e l y , t h er e s e a r c ho fu s ed i g i t a l i m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g yt oa u t h e n t i c a t i o ni se v e nb e c o m eh o ts p o t s i nt h ea r e ao fp a t t e r nr e c o g n i t i o na n da r t i f i c i a li n t e l l i g e n c eb e c a u s eo ft h e e n o r m o u sp r o s p e c t so fa u t h e n t i c a t i o ni nt h ep u b l i co r d e r ( c r i m i n a l i d e n t i f i c a t i o n ，e t c ) ，s e c u r i t y , a u t h e n t i c a t i o ns y s t e m s ，c r e d i t c a r d v e r i f i c a t i o na p p l i c a t i o n a st h eb i o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c si st h ei n h e r e n t c h a r a c t e r i s t i c so fh u m a n ，a n dh a sas t r o n gs e l f - s t a b i l i t ya n di n d i v i d u a l d i f f e r e n c e s ，s oi st h eb e s tb a s i sf o ra u t h e n t i c a t i o n a m o n gt h e s e ，u s e f a c i a lc h a r a c t e r i s t i c st oa u t h e n t i c a t ei st h em o s tn a t u r a la n dd i r e c tm e a n s c o m p a r e dt of i n g e r p r i n t ，r e t i n a ，i r i s ，h u m a ng e n e sa n do t h e rb i o l o g i c a l f e a t u r e s ，i th a sd i r e c t ，f r i e n d l y ，c o n v e n i e n tf e a t u r e s ，a n di sm o r ee a s i l y a c c e p t e db yu s e r s ，t h e r e f o r ec a u s ef o rc o n c e r n a sf a ra st r a d i t i o n a li n d u s t r i a lc o n t r o lc o n c e n t r a t e d ，i ti sh a r dt o a c h i e v en e t w o r kf o r8b i ts i n g l ec h i p w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe m b e d d e d m p u ，3 2m p u i sb e c o m i n gt h ec o r eo ft h ei n d u s t r i a le q u i p m e n t a r mi s g r o w i n gl e a d e ro fa l l k i n d s o f3 2m p uf o rl i t t l e v o l u m e ，l o w c o s t ， 2 北京邮电大学硕十学位论文智能面部识别嵌入式终端的实现 h i g h - r e l i a b i l i t ya n ds oo n a r m 9 2 0 t - b a s e dm i c r o c o n t r o l l e r $ 3 c 2 4 1 0 x u s e sh i g hp e r f o r m a n c ea n dl o wp o w e rd e s i g n ，w h i c hi ss u i t a b l ef o ru s ei n a p p l i c a t i o n ss u c ha sh i g h e n dh a n d s e t s ，s oi ti ss e l e c t e da sh a r d w a r ec o r e o ff a c i a lr e c o g n i t i o ne m b e d d e dd e v i c e ，a n du s i n gr i c hp e r i p h e r a li n t e r f a c e o ft h ec h i pt od e s i g nc o n t r o lu n i ta n dt h ee x t e r n a li n t e r f a c ec i r c u i t e m b e d d e dl i n u xi ss e l e c t e da st a r g e tr t o sa n dm i g r a t e do n $ 3 c 2 4 1 0 xa f t e rc u tb e c a u s eo fs o m es u p e r i o r i t yi nl i t t l ec o r e s ，c u t , o p e n e ds o u n dc o d ea n de a s ym i g r a t i o n a d s l 2d e v e l o p e db ya r mi s u s e da si m p l e m e n t i n t e r g r a d e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n ti sb u i l ta n d d r i v e ra n da p p l i c a t i o np r o g r a mb a s e do ne m b e d d e dl i n u xi sc o m p i l e d a t l a s t ，t h ec o m m u n i c a t i o np r o c e s s e sb e t w e e nf a c i a lr e c o g n i t i o ne m b e d d e d d e v i c ea n dl i n u xr e c o g n i t i o ns e r v e ra n dw i n d o w sd a t a b a s ei se s t a b l i s h e d ， a n dt h ec o m m u n i c a t i o np r o g r a mi sg i v e n k e yw o r d s ：f a c i a lr e c o g n i t i o na r me m b e d d e dl i n u xs o c k e t 3 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处， 本人躲习赴 本人承担一切相关责任。 日期：兰翌墨：；：l 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅：学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位 本人签名： 导师签名： 适用本授权书。 日期：趟：；：1 日期： 毒思弓 北京邮电大学硕士学位论文 智能面部识别嵌入式终端的实现 第一章绪论 近年来，数字图像技术的应用范围越来越广，运用数字图像处理技术的身份 验证则更是由于其在公安( 罪犯识别等) 、安全验证系统、信用卡验证等方面的 巨大应用前景而越来越成为当前模式识别和人工智能领域的一个研究热点。由于 生物特征是人的内在属性，具有很强的自身稳定性和个体差异性，因此是身份验 证的最理想依据。这其中，利用人脸特征进行身份验证又是最自然直接的手段， 相比于指纹、视网膜、虹膜、基因等其它人体生物特征，它具有直接、友好、方 便的特点，更易于为用户所接受，因此备受关注。 在硬件平台上，与通用型计算机系统相比，嵌入式系统功耗低、可靠性高； 功能强大、性能价格比高；实时性强，支持多任务；占用空间小，效率高；面向 特定应用，可根据需要灵活定制的特点，而在操作系统方面l i n t t x 操作系统以价 格低廉、功能强大又易于移植而正在被广泛采用，成为新兴的力量。 1 1 课题研究现状 1 1 1 人脸识别研究现状 从2 0 世纪6 0 年代末至今，人脸识别算法技术的发展经历了如下四个阶段： ( 1 ) 基于简单背景的人脸识别阶段：这是人脸识别研究的初级阶段，始于 6 0 年代末，通常利用人脸器官的局部特征来描述人脸，但由于人脸器官没有显 著的边缘且易受到表情的影响，因此它仅限于正面人脸( 变形较小) 的识别。 ( 2 ) 基于多姿态表情的人脸识别阶段：这是人脸识别研究的发展阶段，始 于7 0 年代末，但到9 0 年代初才被人们真正关注，进行专门研究。 ( 3 ) 动态跟踪人脸识别阶段：这是人脸识别研究的实用化阶段，始于9 0 年 代末，特别是“9 1 1 事件促进了动态人脸跟踪技术的快速发展。 ( 4 ) 三维人脸识别阶段：为了获得更多的特征信息，直接利用二维人脸图 像合成三维人脸模型进行识别也成为该领域的一个主要研究方向。 1 1 2 嵌入式系统的发展现状 嵌入式系统是指以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适合 北京邮电大学硕上学位论文智能面部识别嵌入式终端的实现 应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。它主 要由嵌入式处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户应用软件等部分组 成。嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器。嵌入式软件以v x w o r k s 、 u c d s i i 、l i n u x 、w i n c e 等为代表的嵌入式实时操作系统现已占据主流软件地 位。 目前，就传统的工业控制而言，低端型控制常采用8 位单片机，但是将网络 功能嵌入到工业现场设备中，8 位单片机是难以满足要求的，随着嵌入式微处理 器技术的发展，3 2 、6 4 位微处理器逐渐成为工业控制设备的核心，在3 2 位微处 理器中，a r m 内核具有体积小、低成本、高可靠性的优点，a r m 微处理器技术 以其独特的结构设计、极高的性价比在嵌入式应用领域确立了主导地位：作为 s o c 的典型应用，在p d a 、无线终端、移动设备等网络产品的市场需求越来越 大，基于a r m 的处理器芯片已成为上述产品选用最多的处理器【。 1 2 课题研究工作 面部识别系统旨在构建一个能够根据人脸进行识别的系统，为出入口管理或 身份认证提供方便、高效的检测手段。本课题在以a r m 9 2 0 t 为内核的$ 3 c 2 4 1 0 x 嵌入式微处理器硬件平台上，基于嵌入式l i n u x 操作系统研究开发智能面部识别 嵌入式终端。终端配合面部识别服务器以及数据库服务器，以此构建面部识别系 统。以下为系统总体框图。 一 图1 - 1 面部识别系统总体框图 此系统为三方通信，其中：面部识别嵌入式终端负责通过u s b 摄像头获取 用户图像：l i n u x 面部识别服务器装有面部识别算法，负责用户图像识别； w i n d o w s 数据库为存放用户信息的数据库。三个部分通过t c p i p 连接。总的来 说，本文主要进行以下几个方面的工作： 1 ) 分析嵌入式系统的特点以及发展趋势，分析嵌入式操作系统特点，以此 2 北京邮电大学硕士学位论文 智能面部识别嵌入式终端的实现 选择嵌入式微处理器、嵌入式操作系统。 面部识别嵌入式终端硬件电路的设计以及通过j t a g 对硬件进行调试； 高速p c b 板抗干扰设计。 3 ) 将嵌入式l i n u x 进行改造，编译v i v i 、l i n u x 内核及b u s y b o x ，实现l i n u x 在$ 3 c 2 4 1 0 x 上的移植。 4 ) 在嵌入式l i n u x 操作系统下开发扩展接1 3 设备驱动程序，主要包括 d m 9 0 0 0 驱动程序以及u s b 摄像头驱动程序：同时根据系统的需要进行 基于嵌入式l i n u x 的应用程序的开发。 1 3 论文组织 本论文的章节安排如下： 第一章介绍本论文的背景知识，主要包括人脸识别研究现状及嵌入式系统的 发展现状，同时明确本课题的主要内容和研究工作。 第二章介绍相关的理论知识，主要包括包嵌入式系统概述、a r m 微处理器 介绍、基于a r m 9 2 0 t 的处理器s 3 c 2 4 1 0 x 的介绍。 第三章详尽介绍了面部识别嵌入式终端硬件系统框图以及具体的接口电路， 包括电源电路、时钟电路、复位电路、存储器电路以及网络接口模块电路：同时 介绍了j t a g 调试接口，以及利用j t a g 调试接口对硬件进行调试；最后介绍了 高速p c b 板抗干扰设计。 第四章详尽介绍了面部识别嵌入式终端软件系统的设计，包括v i 的移植、 l i n u x 内核的加载、文件系统的加载、设备驱动程序以及应用程序的设计。 3 北京邮电大学硕十学位论文智能面部识别嵌入式终端的实现 2 1 嵌入式系统概述 第二章嵌入式系统 嵌入式系统通常是面向特定应用的。目前嵌入式计算机系统比较正式的定义 为：以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可裁减，符合应用系统对功 能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统是将先 进的计算机系统、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合的产物。 这决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系 统。 2 1 1 嵌入式系统的特点 与通用p c 机比较，嵌入式系统的突出特点是专用性、成本敏感性及较高的 可靠性。嵌入式系统对系统软件和应用软件的要求也与通用计算机有所不同，一 般要求如下： 1 ) 软件要求固化存储； 2 ) 许多应用要求系统软件具有实时处理能力： 3 ) 多任务操作系统是知识集成的平台，也是走向工业标准化道路的基础。 通用计算机系统具有完善的操作系统和应用程序接口( a p i ) ，应用软件直 接在操作系统平台上运行。嵌入式系统则不同，应用程序可以没有操作系统直接 在芯片上运行，但为了合理的调度多任务、利用系统资源、系统函数以及专用接 口函数，用户必须自行选配嵌入式操作系统( e o s ) 开发平台，这样才能保证程 序执行的实时性和可靠性，并减少开发时间，提高软件质量。一个优秀的e o s 是嵌入式系统成功的关键。 2 1 2 嵌入式系统的发展趋势 近年来，随着计算机技术、通信技术的飞速发展，嵌入式系统已经广泛渗透 到人们的工作、生活中，如家用电器、手持通讯设备、信息终端、仪器仪表、汽 车、航天航空、军事装备、制造工业、过程控制等。今天，嵌入式系统带来的工 4 北京邮电大学硕士学位论文智能面部识别嵌入式终端的实现 业年产值已超过1 万亿美元。据统计，嵌入式处理器的数量占分散处理器的9 4 ， 而p c 机用的处理器只占6 。根据美国嵌入式系统专业杂志r t c 报道，2 1 世纪 初的十年中，全球嵌入式系统市场需求量具有比p c 市场大1 0 至1 0 0 倍的商机。 另一方面，i n t e r n e t 现已成为社会最重要的基础信息设施之一，i n t e r a c t 使全 球化的信息化交流变得非常容易。如果嵌入式系统能够连接到i n t e r n e t 上面，则 可以方便、低廉地将信息传送到几乎世界上的任何一个地方。 可以预言，嵌入式设备与i n t e r a c t 的结合代表着嵌入式系统和网络技术的真 正未来，它具有巨大的市场潜力。目前，包括s i e m e n s 、p h i l i p s 和m o t o r o l a 在内 的数十家公司联合成立了“嵌入式i n t e r a c t 联盟( 阴) 刀，共同推动这一技术 的发展。 2 1 3 嵌入式操作系统 操作系统是管理计算机上的资源，为用户使用计算机及其外部设备提供最基 本接口的程序。自从计算机诞生以来，随着计算机、网络技术的快速发展，操作 系统一直处于不断发展和改进之中，人们将越来越多的功能加入到操作系统中， 导致操作系统越来越大。但是，随着应用领域的扩大，为了适应不同的应用场合， 考虑到系统的灵活性、可伸缩性以及可裁减性，一种以应用为中心、以计算机技 术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗 要求严格的专用计算机系统嵌入式操作系统( e o s ) 便随之延生。与通用操 作系统比较，嵌入式操作系统具有如下特征： 一 1 ) 小巧。嵌入式系统所能够提供的资源有限，所以嵌入式操作系统必须做 到小巧，以满足嵌入式系统硬件的限制。 2 _ ) 实时性。目前，大多数e o s 都具有r t o s 内核，l i n u x 、w i n d o w sc e 的 实时性较弱，但改进后的l i n u x 系统如r t l i n u x 的实时性也很强。 3 l 强稳定性与高可靠性。任务管理与调度策略能保证操作系统上的应用程 序可靠运行。 4 ) 移植性好。大部分嵌入式操作系统 采用固定长度的指令格式，指令归整、简单、基本寻址方式有2 - 3 种。 使用单周期指令，便于流水线操作执行。 大量使用寄存器，数据处理指令只对寄存器进行操作，只有加载存储指令可 以访问存储器，以提高指令的执行效率。除此以外，a r m 体系结构还采用 了一些特别的技术，在保证高性能的前提下尽量缩小芯片的面积，并降低功 耗。 所有的指令都可根据前面的执行结果决定是否被执行，从而提高指令的执行 效率。 可用加载存储指令批量传输数据，以提高数据的传输效率。 可在一条数据处理指令中同时完成逻辑处理和移位处理。 在循环处理中使用地址的自动增减来提高运行效率。 当然，和c i s c 架构相比较，尽管r i s c 架构有上述的优点，但决不能认为 r i s c 架构就可以取代c i s c 架构，事实上，r i s c 和c i s c 各有优势，而且界限 并不那么明显。现代的c p u 往往采用c i s c 的外围，内部加入了r i s c 的特性， 如超长指令集c p u 就是融合了r i s c 和c i s c 的优势，成为未来的c p u 发展方 向之一。 2 ) a r m 微处理器的寄存器结构 a r m 处理器共有3 7 个寄存器，被分为若干个组( & 州k ) ，这些寄存器包 括： 3 1 个通用寄存器，包括程序计数器( p c 指针) ，均为3 2 位的寄存器。 6 个状态寄存器，用以标识c p u 的工作状态及程序的运行状态，均为3 2 位， 目前只使用了其中的一部分。 同时，a r m 处理器又有7 种不同的处理器模式，在每一种处理器模式下均 有一组相应的寄存器与之对应。即在任意一种处理器模式下，可访问的寄存器包 括1 5 个通用寄存器( r 0 - - r 1 4 ) 、一至二个状态寄存器和程序计数器。在所有 的寄存器中，有些是在7 种处理器模式下共用的同一个物理寄存器，而有些寄存 器则是在不同的处理器模式下有不同的物理寄存器。 3 ) a r m 微处理器的指令结构 a r m 微处理器的在较新的体系结构中支持两种指令集：a r m 指令集和 t h u m b 指令集。其中，a r m 指令为3 2 位的长度，t h u m b 指令为1 6 位长度。t h u m b 指令集为a r m 指令集的功能子集，但与等价的a r m 代码相比较，可节省3 0 4 0 以上的存储空间，同时具备3 2 位代码的所有优点。 9 北京邮电大学硕十学位论文智能面部识别嵌入式终端的实现 2 2 2a r m 微处理器的特点 采用r i s c 架构的a r m 微处理器一般具有如下特点： 1 、体积小、低功耗、低成本、高性能； 2 、支持t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 双指令集，能很好的兼容8 位1 6 位器件； 3 、大量使用寄存器，指令执行速度更快； 4 、大多数数据操作都在寄存器中完成； 5 、寻址方式灵活简单，执行效率高； 6 、指令长度固定。 2 2 3a r m 微处理器的应用领域 到目前为止，a r m 微处理器及技术的应用几乎已经深入到各个领域： j 1 ) 工业控制领域：作为3 2 位的r i s c 架构，基于a r m 核的微控制器芯片 不但占据了高端微控制器市场的大部分市场份额，同时也逐渐向低端微控制器应 用领域扩展。a r m 微控制器的低功耗、高性价比，向传统的8 位1 6 位微控制器 提出了挑战。 2 ) 无线通讯领域：目前已有超过8 5 的无线通讯设备采用了a r m 技术， a r m 以其高性能和低成本，在该领域的地位日益巩固。 。 3 ) 网络应用：随着宽带技术的推广，采用a r m 技术的a d s l 芯片正逐步 获得竞争优势。此外，a r m 在语音及视频处理上行了优化，并获得广泛支持， 也对d s p 的应用领域提出了挑战。 舢消费类电子产品：a r m 技术在目前流行的数字音频播放器、数字机顶盒 和游戏机中得到广泛采用。 5 ) 成像和安全产品：现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用a r m 技 术。手机中的3 2 位s i m 智能卡也采用了a r m 技术。 除此以外，a r m 微处理器及技术还应用到许多不同的领域，并会在将来取 得更加广泛的应用。 2 2 4a r m 微处理器的应用选型 鉴于a r m 微处理器的众多优点，随着国内外嵌入式应用领域的逐步发展， a r m 微处理器必然会获得广泛的重视和应用。但是，由于a r m 微处理器有多 达十几种的内核结构，几十个芯片生产厂家，以及千变万化的内部功能配黄组合， 1 0 北京邮电大学硕士学位论文智能面部识别嵌入式终端的实现 给开发人员在选择方案时带来一定的困难，所以，对a r m 芯片做一些对比研究 是十分必要的。 以下从应用的角度出发，对在选择a r m 微处理器时所应考虑的主要问题做 一些简要的探讨。 1 ) 内核选择 从前面所介绍的内容可知，a r m 微处理器包含一系列的内核结构，以适应 不同的应用领域，用户如果希望使用w i n c e 或标准l i n u x 等操作系统以减少软 件开发时间，就需要选择a r m 7 2 0 t 以上带有m m u ( m e m o r ym a n a g e m e n tu n i t ) 功能的a r m 芯片，a r m 7 2 0 t 、a r m 9 2 0 t 、a r m 9 2 2 t 、a r m 9 4 6 t 、s t r o n g - a r m 都带有m m u 功能。而a r m 7 t d m i 则没有m m u ，不支持w i n d o w sc e 和标准 l i n u x ，但目前有u c l i n u x 等不需要m m u 支持的操作系统可运行于a r m 7 t d m i 硬件平台之上。事实上，u c l i n u x 已经成功移植到多种不带m m u 的微处理器平 台上，并在稳定性和其他方面都有上佳表现。 2 ) 工作频率 系统的工作频率在很大程度上决定了a r m 微处理器的处理能力。a r m 7 系 列微处理器的典型处理速度为0 9 m i p s m h z ，常见的a r m 7 芯片系统主时钟为 2 0 m h z 1 3 3 m h z ，a r m 9 系列微处理器的典型处理速度为1 1 m i p s m h z ，常见 的a r m 9 的系统主时钟频率为1 0 0 m h z 2 3 3 m h z ，a r m l 0 最高可以达到 7 0 0 m h z 。不同芯片对时钟的处理不同，有的芯片只需要一个主时钟频率，有的 芯片内部时钟控制器可以分别为a r m 核和u s b 、u a r t 、d s p 、音频等功能部 件提供不同频率的时钟。 3 ) 存储器容量 大多数的a r m 微处理器片内存储器的容量都不太大，需要用户在设计系统 时外扩存储器，但也有部分芯片具有相对较大的片内存储空间，如a t m e l 的 6 唧1 f 4 0 1 6 2 就具有高达2 m b 的片内程序存储空间，用户在设计时可考虑选用 这种类型，以简化系统的设计。 4 ) 片内外围电路 除a r m 微处理器核以外，几乎所有的a r m 芯片均根据各自不同的应用领 域，扩展了相关功能模块，并集成在芯片之中，我们称之为片内外围电路，如 u s b 接口、i i s 接口、l c d 控制器、键盘接口、r t c 、a d c 和d a c 、d s p 协处 理器等，设计者应分析系统的需求，尽可能采用片内外围电路完成所需的功能， 这样既可简化系统的设计，同时提高系统的可靠性。 北京邮电大学硕士学位论文 智能面部识别嵌入式终端的实现 2 2 5a r m 9 微处理器系列 a r m 9 系列微处理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能。具有以下 特点： 5 级整数流水线，指令执行效率更高。 提供1 1 m i p s m h z 的哈佛结构。 支持3 2 位a r m 指令集和1 6 位t h u m b 指令集。 支持3 2 位的高速a m b a 总线接口。 全性能的m m u ，支持w i n d o w sc e 、l i n u x 、p a l mo s 等多种主流嵌入式操 作系统。 m p u 支持实时操作系统。 支持数据c a c h e 和指令c a c h e ，具有更高的指令和数据处理能力。 a r m 9 系列微处理器主要应用于无线设备、仪器仪表、安全系统、机顶盒、 高端打印机、数字照相机和数字摄像机等。 a r m 9 系列微处理器包含a r m 9 2 0 t 、a r m 9 2 2 t 和a r m 9 4 0 t 三种类型， 以适用于不同的应用场合。 2 3 三星删9 2 0 t 处理器$ 3 c 2 4 1 0 x 三星$ 3 c 2 4 1 0 x 处理器采用1 6 3 2 b i t s 的r i s ca r m 9 2 0 t 核，单独的1 6 k 指 令和数据c a c h e ，内存管理单元m m u 以支持w i n c e 、l i n u x 、e p o c 等操作系 统，采用新型总线结构a m b a ( a d v a n c e dm i c r o c o n t r o u e rb u sa r c h i t e c t u r e ) ，运 行频率可达2 0 3 m h z ，2 7 2 f b g a 封装，低功耗高性能设计，适合用于中高档手 持终端等应用。 $ 3 c 2 4 1 0 x 处理器内部集成了丰富的部件接口，减少了增加额外器件的成本， 使产品应用的极具成本效益。它的集成部件接口及其特性如下【2 】： 系统管理器 支持大，j 、e n d i a n 模式 地址空间：每个b a n k 为1 2 8 m b ( 总计1 g 字节) 每个b a n k 可编程为8 1 6 3 2 位数据总线宽度 8 个m e m o r yb a n k ，6 个m e m o r yb a n k 用于r o m 、s r a m 及其它；2 个 m e m o r yb a n k ，用于r o m s r a m 同步d r a m 对所有m e m o r yb a n k 存取周期是可编程的 支持外部等待信号以便扩展总线周期 1 2 北京邮电大学硕士学位论文 智能面部识别嵌入式终端的实现 关闭电源时s d r a m 内部自动更新 支持多种r o m 引导模式( n o r n a n df l a s h 、e e p r o m 等等) n a n df l a s hb o o t l o a d e r 支持从n a n d 映射存储器引导 4 k b 内部引导缓冲器 启动后继续支持n a n df l a s h 格式的存储器 d m a 控制器 4 路d m a 控制器 支持存储器到存储器，i o 到存储器，存储器到i o ，及i o 到i o 转换 b u r s t 转换模式以便提高转换比率 带有p w m 的定时器 4 通道1 6 位定时器带有p w m 1 - c h1 6 位内部定时器基于d m a 或者基于中 断操作 可编程的任务周期，频率 支持外部时钟源 通用输入输出口 2 4 个外部触发端口 1 1 7 个输入输出端口 串口 3 通道u a r t ，基于d m a 或者基于中断操作 支持5 位、6 位、7 位或8 位串行数据发送接收( t x 瓜x ) 支持外部时钟u a r t 操作( u c u ( ) 可编程的波特率 支持i r d a1 0 用于测试的l o o p b a c k 模式 每个通道有内部1 6 字节t xf i f o 和1 6 字节r xf i f o 实时时钟( r t c ) 全面时钟功能：秒、分、小时、日期、天、月、年 功率达3 2 7 6 8k h z 告警中断 t i m et i c k 中断 a d 转换器和触摸屏接口 8 通道a d c 最大5 0 0 k s p s ，1 0 位分辨率 北京邮电大学硕士学位论文智能面部识别嵌入式终端的实现 l c d 控制器 s t nl c d 显示特性 支持三种s t nl c d 面板：4 位双重扫描、4 位单扫描、8 位单扫描显示 支持单色模式、4 级灰度、1 6 级灰度、2 5 6 色和4 0 9 6 色的s t n l c d 支持多种屏幕规格 典型实屏规格：6 4 0 x 4 8 0 、3 2 0 x 2 4 0 、1 6 0 x 1 6 0 等等 虚拟屏幕可达4m b 虚拟屏幕可达2 5 6 色模式：4 0 9 6 x 1 0 2 4 、2 0 4 8 x 2 0 4 8 、1 0 2 4 x 4 0 9 6 等等 1 1 丌l c d 显示特性 支持1 、2 、4 及8b p p 调色板 支持1 6 b p p 无调色板纯色显示 支持2 4 b p p 模式下1 6 m 色丌 支持多种大小的屏幕 典型实屏规格：6 4 0 x 4 8 0 、3 2 0 x 2 4 0 、1 6 0 x 1 6 0 等等 虚拟屏最大可达4 m b 最大彩色模式虚拟屏为6 4 k ：2 0 4 8 x 1 0 2 4 等等 看门狗定时器 1 6 位看门狗定时器 系统在中断请求或在时间结束时复位 i i s 总线接口 基于d m a 操作的单口s 总线用于音频 串行，每通道8 1 6 位数据传输 1 2 8 字节( 6 4 字节+ 6 4 字节) f i f o 用于t x r x 支持i i s 格式和m s b 验证的数据格式 c 总线接口 单通道m u l t i m a s t e ri i c b u s 串行，8 位双向数据传输，在标准模式下可达1 0 0 k 位秒，在快速模式可 达4 0 0 k 位秒。 u s b 主机 双端口u s b 主机 支持o h c ir e v1 0 与u s b 描述版本1 1 兼容 u s b 设备 单口u s b 设备 1 4 北京邮电大学硕士学位论文智能面部识别嵌入式终端的实现 5 端点 与u s b 描述版本1 1 兼容 s d 主机接口 支持s dm e m o r yc a r dp r o t o c o l 版本1 0 支持s d i oc a r dp r o t o c o l 版本1 0 “字节h f o 用于觚 基于d m a 或者基于中断操作 ! 支持m u l t i m e d i ac a r dp r o t o c o l 版本2 1 1 s p i 接口 支持双通道s e r i a lp e r i p h e r a l 接口p r o t o c o l 版本2 1 1 2 x 8 位移位寄存器用于帆 基于d m a 或者基于中断操作 1 5 北京邮电大学硕士学位论文智能面部识别嵌入式终端的实现 第三章硬件系统设计 3 1 终端硬件系统框图 终端系统硬件框图如下图3 - 1 所示，其中w 7 8 e 5 1 6 单片机负责获取射频卡 卡号并将它发送给$ 3 c 2 4 1 0 x ，$ 3 c 2 4 1 0 x 将获取的卡号以及通过u s b 摄像头采 集的图像送往面部识别服务器，并将面部识别服务器返回的处理结果传送给 w 7 8 e 5 1 6 单片机，w 7 8 e 5 1 6 单片机据此控制继电器。本论文中主要介绍 $ 3 c 2 4 1 0 x 及其外围接口电路。 3 2 终端硬件电路 3 2 1 电源电路 图3 - 1 系统硬件框图 在本课题中，终端采用5 v 输入电压，经t i 公司电源转换芯片t p s 7 6 7 d 3 1 8 变换后，为电路板提供1 8 v ( c v d d l 8 v ) 和3 3 v ( c v d d 3 3 v ) 电压。图3 2 为电 源电路原理图。 3 2 2 时钟振荡电路和时钟单元 除了电源之外，时钟就是系统中又一个最重要的单元了。处理器需要有一个 1 6 北京邮电大学硕士学位论文智能面部识别嵌入式终端的实现 时钟振荡电路。时钟控制着c p u 、系统定时器和c p u 机器周期的各种时钟控制 需求。机器周期用于： ( i ) 从存储器中取回代码和数据，然后在处理器上对它们进行译码并运行。 ( i i ) 将结果传回存储器中。 图3 2 电源电路原理图 时钟控制着执行一条指令的时间。时钟电路使用一个石英( 处理器外部) 或 者陶瓷谐振器( 与处理器内部相关) 或者一个与处理器连接的外部振荡器i c 。 ( a ) 对于电路中的温漂，石英谐振器的时钟频率稳定性最高。石英与适当的电 阻并联，并且在共振的两个管脚都串联一对电容，产生的频率等于石英频率或者 石英频率的两倍。此外，石英要尽可能地与处理器的两个管脚接近。( b ) 如果 处理器有内部陶瓷谐振器的话，可以不使用外部石英，并能够产生合理但是稳定 性不高的频率( 陶瓷振荡器的温漂通常是每个月大约1 0 分钟，石英的温漂通常 为每个月1 分钟或者5 分钟) 。( c ) 外部基于i c 的时钟振荡器的功耗明显比内 部处理器谐振器的高。然而，它的驱动能力较强，当需要同时驱动嵌入式系统中 不同的电路时比较有用。例如，一个多处理器系统需要一个具有较强驱动能力的 时钟电路，能够同时驱动所有的处理器p j 。 $ 3 c 2 4 1 0 x 微处理器的主时钟可以由外部时钟源提供，也可以由外部振荡器 提供，如图3 2 所示，采用哪种方式通过引脚0 m 3 ：2 来进行选择。 0 m 3 ：2 = 0 0 时，m p l l 和u p l l 的时钟均选择外部振荡器，如图3 - 3 ( a ) 所示； 0 m 3 ：2 = 0 1 时，m p l l 的时钟选择外部振荡器；u p i j l 选择外部时钟源； 0 m 3 ：2 = 1 0 时，m p l l 的时钟选择外部时钟源；u p l l 选择外部振荡器； 1 7 北京邮电大学硕上学位论文智能面部识别嵌入式终端的实现 o m 3 ：2 = 1 1 时，m p l l 希iu p l l 的时钟均选择外部时钟源；如图3 - 3 ( b ) 所示。 降t e m a l 卜 e r c 扭一 l x t l p l l x t o p n ( a ) x - t a lo s c i u a t i o n ( o m 3 ：2 = 0 0 ) ( b ) e x t e r n a lc l o c ks o u r c e ( o m 3 ：2 1 = 11 ) 图3 - 3 主时钟选择方式 在本课题中，面部识别嵌入式终端选择o m 3 ：2 均接地的方式，即采用外部 振荡器提供系统时钟。外部振荡器由1 2 m h z 晶振和2 个1 5 p f 的微调电容组成。 振荡电路输出接到$ 3 c 2 4 1 0 x 微处理器的x t i p l l 脚，输入由x t o p l l 提供。1 2 m h z 的晶振频率经过$ 3 c 2 4 1 0 x 片内的p l l 电路倍频后，最高可达2 0 3 m h z 。由于片 内的p l l 电路兼又频率放大和信号提纯的功能，因此，系统可以以较低的外部 时钟信号获得较高的工作频率，从而降低因高速开关时钟所造成的高频噪声。系 统所需的r t c 时钟采用相同的方式，如图3 - 4 所示。 ( a ) x - t a l 图3 _ 4 时钟电路 1 8 ( b ) r t cc l o c k 北京邮电犬学硕上学位论文 智能面部识别嵌入式终端的实现 3 2 3 复位电路 复位意味着处理器从起始地址开始执行指令。这个起始地址是处理器程序计 数器( 或者是x 8 6 系列处理器中的指令指针和代码段寄存器) 加电时的默认设置。 处理器复位后，从存储器的这个地址开始去程序指令。在某些处理器中( 例如 6 8 h c l l 和h c l 2 ) 有两个起始地址。一个是作为加电复位向量，另外一个是作 为执行r e s e t 指令后或者发生超时( 例如来自w a t c h d o g 定时器) 之后的复位向 量。 复位电路激活固定的周期数( 几个时钟周期) 后处于无效状态。处理器电路 保持复位管脚处于有效状态，然后使之处于无效状态，使程序从默认的起始地址 开始执行。如果复位管脚或者内部复位信号与系统中其他的单元( 例如i o 接口 或者串行接口) 相连接，它会被处理器再一次激活；它成为一个输出管脚，用于 驱动系统中其他单元处于复位状态。在处理器动作之后使复位信号无效，程序会 从起始地址开始执行。 通过下列方式可激活复位电路： ( 1 ) 外部复位电路，在加电时激活，接通系统的复位或者测试低电压( 例如 当系统需要5 v 电压，而实际电压小于4 5 v 时) 。这个电路的输出端连接到处 理器的复位管脚。这个电路可以是一个简单的r c 电路、一个外部i c 电路