PAGE2PAGE電子導(dǎo)盲犬設(shè)計(jì)涉及的主要技術(shù)綜述1嵌入式系統(tǒng)技術(shù)1.1嵌入式系統(tǒng)的簡介嵌入式系統(tǒng)是指一種專門的系統(tǒng)，它充分地嵌入到被控制的裝置中，以滿足具體的應(yīng)用。嵌入式系統(tǒng)一般是按照特定的需求執(zhí)行預(yù)定的工作，由于嵌入式系統(tǒng)僅適合于特殊的工作環(huán)境，所以需要對其進(jìn)行優(yōu)化、縮小和降低成本。嵌入式系統(tǒng)一般都是批量制造，所以當(dāng)產(chǎn)品數(shù)量增加時(shí)，個(gè)體節(jié)約的費(fèi)用可能會(huì)成百上千。嵌入系統(tǒng)是一種對大型機(jī)器、設(shè)備、工廠和其它設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控的系統(tǒng)。在中國，人們普遍認(rèn)為，嵌入式系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的應(yīng)用，能對軟件、硬件進(jìn)行切割，從而達(dá)到對功耗、功能、費(fèi)用、體積和可靠性的高要求。嵌入式系統(tǒng)的內(nèi)核是一種或多種用于完成特殊任務(wù)的微處理器或單片機(jī)。像一般的電腦，它能執(zhí)行使用者所選的軟件，而在嵌入式系統(tǒng)中，軟件一般是臨時(shí)固定的，因此，它被稱為“固件”。內(nèi)嵌式系統(tǒng)是指“設(shè)備、機(jī)器或工廠進(jìn)行控制、監(jiān)控或協(xié)助的設(shè)備”。正如您所見，嵌入式系統(tǒng)既是軟件又是硬件，它可以同時(shí)包含機(jī)器或者其他輔助設(shè)備。中國通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是基于計(jì)算機(jī)技術(shù)，定制硬件、軟件、可靠性、功能、功耗、成本和體積的專用計(jì)算機(jī)。1.2嵌入式系統(tǒng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)嵌入式系統(tǒng)采用了軟硬件相結(jié)合的方式，能夠獨(dú)立工作。這個(gè)軟件僅包含了它的操作環(huán)境和它的操作系統(tǒng)。這些設(shè)備包括：信號處理機(jī)、通信模塊、內(nèi)存等。嵌入式系統(tǒng)是一種以應(yīng)用為核心、以現(xiàn)代電腦技術(shù)為基礎(chǔ)的專業(yè)電腦系統(tǒng)，可以靈活地裁減軟件、硬件（需求有功能、穩(wěn)定性、成本、尺寸、功耗、環(huán)境等）。專業(yè)化：目前嵌入式系統(tǒng)中的大部分應(yīng)用程序都具有較高的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性，這就決定了為特殊應(yīng)用提供服務(wù)的專用系統(tǒng)是目前嵌入式系統(tǒng)的主要支柱，沒有對其進(jìn)行通用和可擴(kuò)展性的規(guī)定。由于它能更有效地改善整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性、降低成本和改善使用者的使用體驗(yàn)，因此，嵌入式系統(tǒng)最終會(huì)成為一個(gè)軟件與硬件的高度整合。嵌入式系統(tǒng)的基礎(chǔ)技術(shù)主要包括：集成電路設(shè)計(jì)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、檢測和檢測、嵌入、實(shí)時(shí)、高可靠性開發(fā)、正式的系統(tǒng)規(guī)范和驗(yàn)證技術(shù)、通信技術(shù)、低耗能、特殊使用領(lǐng)域的分析數(shù)據(jù)和優(yōu)化控制技術(shù)。定制軟體與硬體：因內(nèi)嵌系統(tǒng)具有各種不同的應(yīng)用環(huán)境（功能性能、可靠性、成本和能量消耗），所以在實(shí)際應(yīng)用中，很難找到一套適合實(shí)際應(yīng)用的解決方案。所以，對軟件和硬件進(jìn)行靈活的裁剪，以適應(yīng)不同的需要，最終達(dá)到要求，是一條不可避免的技術(shù)路線。微型化：內(nèi)嵌系統(tǒng)把卡片所完成的多種工作整合到一般的晶片上，便于微型化，并容易在目標(biāo)系統(tǒng)中嵌入系統(tǒng)。1.3嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用情況基于嵌入式技術(shù)的工業(yè)智能設(shè)備將會(huì)得到極大的發(fā)展?，F(xiàn)在已經(jīng)有很多嵌入式8bit、16bit、32bi、32bit的MCU。利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提高生產(chǎn)效率，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度，是一種行之有效的手段。例如工業(yè)控制，機(jī)床數(shù)字，電力系統(tǒng)，電網(wǎng)安全，電網(wǎng)監(jiān)控，石化系統(tǒng)。在傳統(tǒng)的工業(yè)控制系統(tǒng)中，一般采用8比特的單片機(jī)。然而，隨著技術(shù)的進(jìn)步，32位、64位處理器正逐步成為工業(yè)控制系統(tǒng)的核心，并將在未來的幾年中到會(huì)極大的發(fā)展。GPS模塊與GSM模塊的移動(dòng)定位終端在交通監(jiān)控、汽車運(yùn)輸、導(dǎo)航車輛、交通控制等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)在全球定位系統(tǒng)從最前沿的產(chǎn)品走進(jìn)普通家庭，只需數(shù)千元，隨處可尋。（3）水、電、煤氣表的遠(yuǎn)程智能抄表、安全防火、防盜系統(tǒng)，內(nèi)置的特殊控制芯片將取代傳統(tǒng)的手工檢測，達(dá)到更好、更規(guī)范、更可靠的性能。在當(dāng)前的服務(wù)領(lǐng)域，諸如遠(yuǎn)程點(diǎn)餐機(jī)等都顯示出了其優(yōu)越性。2.1關(guān)于STM32芯片的介紹核心配置32位的Cortex-M3arm處理器，使用72mhz的頻率，thumb2的指令集合。只有32位的乘法運(yùn)算和硬件的除法運(yùn)算。64KB的閃存容量。SRAM有20000個(gè)。提供2.0-6V的時(shí)鐘，復(fù)位和供電管理。內(nèi)置電源升降恢復(fù)，可編程電壓探測（PVD).6-16毫赫茲可外接的晶體。設(shè)備內(nèi)裝有8兆赫的RC振蕩器。內(nèi)置40KHz的RC手表參考信號。可與32K的RTC基準(zhǔn)相結(jié)合。低功耗包括睡眠，停止和待機(jī)運(yùn)行。提供RTC和登陸的保護(hù).2個(gè)12位D/A、12路DMA控制器，具有定時(shí)器、ADC、DAC、SPI、i2c、USART等多種功能。調(diào)試方式：JTAG與Cortex-M3的后續(xù)調(diào)試，采用2條串行的方式進(jìn)行調(diào)試。最多80個(gè)高速的輸入/輸出接口。不同的型號有26/37/51/80I/O。所有的輸入和輸出都可以與16個(gè)外部中斷向量相匹配。所有的輸入/輸出都是5V。最多7定時(shí)器，有3個(gè)16位定時(shí)器，均具有4路輸入、輸出比較、PWM或脈沖計(jì)數(shù)，2個(gè)看門狗、1個(gè)窗口，24bit系統(tǒng)定時(shí)器、最多9個(gè)通信接口、SMBus、pmbus、3個(gè)USART、Lin、IrDA、SPI(18mbit/s）、Can2.0B（激活）、USB20（設(shè)備）。性能介紹Stm32f407zg：該核心使用了32比特的Cortex-m4arm處理器，具有時(shí)鐘頻率：168mhz，有輕微的超頻。支持FPU和DSP指令，IO端口有144個(gè)，大多數(shù)都能承受5V（除模擬通道外）的電壓。支持調(diào)試：SWD和JTAG，SWD僅需2條數(shù)據(jù)線路。具有1024K的閃存、192K的SRAM、8-6V的供電及IO電壓、過電復(fù)位、復(fù)位關(guān)斷及可編程電壓監(jiān)測。功能強(qiáng)大的表系統(tǒng)包括4-26兆的高速外接晶體振蕩器、16兆赫的高速RC振蕩器、內(nèi)置鎖相環(huán)（PLL，頻率復(fù)制）。通常，系統(tǒng)時(shí)鐘是通過PLL頻率拷貝的外部或內(nèi)部的高速時(shí)鐘以及32.768k的外低速晶體振蕩器來實(shí)現(xiàn)的，它的主要功能是RTC時(shí)鐘信號源；低功率消耗包括三種低功率模式：休息，停止，等待。RTC和后備記錄可用電池。支援FIFO、突發(fā)、定時(shí)器、ADC、DAC、SDIO、I2S、SPI、I2C、USART；計(jì)時(shí)器最多17個(gè)，普通計(jì)時(shí)器10個(gè)，基本計(jì)時(shí)器2個(gè)，先進(jìn)計(jì)時(shí)器2個(gè)，系統(tǒng)計(jì)時(shí)器1個(gè)，看門狗計(jì)時(shí)器2個(gè)，通訊接口17個(gè)，I2C接口3個(gè)，串口6個(gè)，SPI3個(gè)，can20有2個(gè)，USBOTG2個(gè)，SDIO1個(gè)。2.2STM32的技術(shù)突出優(yōu)勢ARM擁有1.25DMIPS/MHZ的高性能核心“Cortex-M3”，ARM7TDMI僅為0.95DMIPS/MHZ；一流的外觀，12位ADC,4MB/秒的UART，I/O轉(zhuǎn)速18MHz；在72MHz時(shí)，低功率消耗是36毫安（全部外部裝置都在運(yùn)行）,2微安待機(jī)，最大的集成是復(fù)位電路，低壓檢測，穩(wěn)壓器，精密RC發(fā)生器等。2.3STM32的應(yīng)用STM32系列互連產(chǎn)品提高了音頻的性能，并利用了先進(jìn)的鎖相回路技術(shù)，使I2S語音通訊成為可能。STM32與USB主機(jī)或從站的功能相結(jié)合，能夠從USB快閃或MP3播放器中讀取、解碼并發(fā)出聲音信號。設(shè)計(jì)者也可以在新的單片機(jī)系列中，開發(fā)出諸如回放、停鍵、顯示接口等人機(jī)接口。這個(gè)特性使其能夠被應(yīng)用到多種家用音響裝置中，例如聲學(xué)系統(tǒng)，鬧鐘，或者是音樂播放機(jī)，以及家庭影院。新型STM32聯(lián)結(jié)系列微控制器加入了一個(gè)高速USB（OTG）接口，使其可以用作USB主機(jī)和從站；在此基礎(chǔ)上，該協(xié)議采用硬件實(shí)現(xiàn)，減少了CPU資源，提高了程序與系統(tǒng)的通信響應(yīng)。新的產(chǎn)品系列整合了先進(jìn)的互連外圍設(shè)備，標(biāo)準(zhǔn)的STM32外圍設(shè)備（含PWM計(jì)時(shí)器），和32位Cortex-M3arm的高性能CPU，使開發(fā)者能夠整合多種功能到電機(jī)控制，用戶界面控制，設(shè)備互聯(lián)等設(shè)備。還有一些其它的目標(biāo)應(yīng)用程序需要網(wǎng)絡(luò)功能，數(shù)據(jù)記錄或者USB外接裝置，比如患者監(jiān)測、銷售終端、販賣機(jī)和保安系統(tǒng)。3圖像識別圖像識別技術(shù)是對圖像進(jìn)行處理、分析、解釋和識別多種模式下的集合，當(dāng)前的圖像識別技術(shù)有兩大類：一種是面部識別，另一種是商品。面部識別技術(shù)用于安全檢查、身份驗(yàn)證和手機(jī)付款；在無人貨架和智能零售貨架等方面，探討了貨物的鑒別問題。圖3-1圖像識別的過程（1）獲取信息就是通過傳感器把諸如光線或者聲音之類的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成電位信息。就是獲得被識對象的基本資料，并用一定的方法把它轉(zhuǎn)換成機(jī)器能夠了解的內(nèi)容。（2）預(yù)處理尤其指消除噪聲，平滑，變換等。（3）特征抽取與選取是對所需要的特征進(jìn)行抽取與篩選。我們要用不同的方法把這些圖片區(qū)分開來，就需要根據(jù)這些圖像本身的特點(diǎn)進(jìn)行鑒別。從特征選擇中得到的功能也許不一定適合于這個(gè)過程，這時(shí)就需要抽取一些有用的內(nèi)容了。在圖像識別中，特征的提取與選取是關(guān)鍵技術(shù)，因此，正確地把握這一環(huán)節(jié)是關(guān)鍵。（4）分類器的設(shè)計(jì)目標(biāo)是通過訓(xùn)練得到一條能夠?qū)Σ煌奶卣鬟M(jìn)行分類，從而達(dá)到較高的判別效果。（5）分類判定就是將特定對象在自己的空間中進(jìn)行歸類，從而更好地判斷對象的歸屬。4基于嵌入式系統(tǒng)的電子導(dǎo)盲犬的硬件設(shè)計(jì)圖3-2電子導(dǎo)盲犬系統(tǒng)原理框圖STM32微控制器此系統(tǒng)的主要功能是接收外部設(shè)備的反饋，然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，接著把指令發(fā)送到驅(qū)動(dòng)器的電路中，這個(gè)設(shè)計(jì)要求預(yù)留通信接口、時(shí)鐘同步接口、圖像傳輸接口等。主控芯片采用STM32F103R8T6,3個(gè)USART插孔，80個(gè)輸入/輸出接口，頻率為72MHZ；另外一款主控制器是STM32F407ZG，具有FIFO和突發(fā)功能，并具有IIC,SPI,USART等外部設(shè)備，GPIO端口144個(gè)，具有視覺傳感器的功能。選擇這兩種芯片就能達(dá)到本設(shè)計(jì)的需要。外圍設(shè)備該系統(tǒng)采用四輪小車作為支撐，一切功能都是在小車內(nèi)完成，在車的外側(cè)安裝一臺機(jī)械外殼，在后部拖動(dòng)一條機(jī)械桿。外部包括紅外線、超聲波、濕度、視覺等，這些傳感器能夠發(fā)出紅外線，并能根據(jù)紅外線的特點(diǎn)，進(jìn)行跟蹤；超聲波傳感器能在碰到障礙時(shí)，發(fā)出超聲波，并能根據(jù)其反應(yīng)的時(shí)間和情況，自動(dòng)地進(jìn)行反應(yīng)，達(dá)到避障的作用；濕度傳感器是