基于ARM9的交通違章抓拍系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

摘要介紹了基于ARM9 系列芯片S3C2410, 采用可裁減的Linux 操作系統(tǒng)， 構(gòu)建交通違章抓拍系統(tǒng)的方法， 詳細(xì)介紹了USB 接口和以太網(wǎng)接口的電路設(shè)計(jì)， 最后介紹了應(yīng)用程序的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行流程。

1 引言

智能交通系統(tǒng)（ ITS） 將先進(jìn)的信息技術(shù)、數(shù)據(jù)通訊傳輸技術(shù)、電子控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)處理技術(shù)等應(yīng)用于交通運(yùn)輸行業(yè)， 從而實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)輸方式發(fā)展規(guī)劃的現(xiàn)代化、決策的科學(xué)化和管理的智能化。數(shù)碼電子警察是現(xiàn)在應(yīng)用比較廣泛的一種智能交通產(chǎn)品， 利用數(shù)碼相機(jī)技術(shù)和相應(yīng)的車輛檢測(cè)與控制技術(shù)， 自動(dòng)抓拍闖紅燈的車輛。數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、小型化和智能化已經(jīng)成為當(dāng)前電子警察的主要發(fā)展趨勢(shì)。目前國(guó)內(nèi)的產(chǎn)品多以Windows操作系統(tǒng)和x86 硬件體系為核心構(gòu)建， 有成本高、體積大、穩(wěn)定性欠缺的不足之處。

以Linux 操作系統(tǒng)和RAM7 或RAM9 系列芯片為核心構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)是目前最流行的嵌入式開(kāi)發(fā)策略。Linux 是典型的嵌入式操作系統(tǒng)， 發(fā)展最快， 應(yīng)用最廣泛。Linux 是開(kāi)源的、免費(fèi)的， 從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的角度來(lái)看都是最佳選擇。S3C2410 是韓國(guó)三星（ Samsung） 公司設(shè)計(jì)的32 位RISC 嵌入式處理器。該處理器為手持設(shè)備和一般性應(yīng)用提供了一個(gè)高性價(jià)比、低功耗、高性能的解決方案。該芯片基于ARM920T 內(nèi)核， 采用五級(jí)流水線和哈佛結(jié)構(gòu)， 提供1.1MIPS/MHz 的性能。ARM920T 具有全性能的內(nèi)存管理單元MMU（Memory Management Unit） 、獨(dú)立的16KB 指令和數(shù)據(jù)Cache 以及高速AMBA 總線接口。為了減少應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成本， S3C2410 集成了眾多的常用資源， 例如： LCD 控制器、NAND Flash 控制器、SDRAM控制器、系統(tǒng)片選邏輯以及一些常用的通訊接口等資源。

本文針對(duì)交通違章抓拍系統(tǒng)的特點(diǎn)， 以S3C2410 為核心合理設(shè)計(jì)硬件電路， 并提供必須的USB 接口、串口、網(wǎng)絡(luò)接口和JTAG 口； 充分考慮抓拍的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性， 采用裁減的實(shí)用的Linux2.6.12 內(nèi)核， 制作根文件系統(tǒng)， 開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序， 構(gòu)建軟硬件協(xié)作的嵌入式系統(tǒng)。

2 硬件設(shè)計(jì)

圖1 硬件總體結(jié)構(gòu)圖

2.1 基于S3C2410 的電路設(shè)計(jì)

電路設(shè)計(jì)如圖2 所示。

通訊接口部分包括USB 接口、以太網(wǎng)接口、串口。其中串口為常見(jiàn)的接口形式。這里主要說(shuō)明USB 接口和以太網(wǎng)接口。

S3C2410 集成了USB 控制器， 支持兩路USB Host 和一路USB Device.與USB Rev1.1 兼容， 支持低速和全速USB 設(shè)備。

本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)兩路USB, 都作為Host 使用。USB 接口接線圖如圖3 所示。

網(wǎng)絡(luò)接口芯片選用臺(tái)灣DAVICOM 公司的DM9000,DM9000 是帶有通用處理器接口的單片快速以太網(wǎng)MAC 控制器， 并帶有10/100M物理層接口， 內(nèi)部集成4K 字SRAM, 接口支持8 位、16 位、32 位處理器。接口設(shè)計(jì)電路設(shè)計(jì)如圖4 所示。

圖4 Ethernet接口電路設(shè)計(jì)

2.2 檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

通常從交通指揮燈信號(hào)機(jī)中輸出的紅燈信號(hào)是220V/50Hz 的工頻交流電， 需要設(shè)計(jì)一個(gè)整流濾波電路將從信號(hào)機(jī)輸出的交通指揮燈信號(hào)變換為T(mén)TL 電平。交通指揮燈信號(hào)檢測(cè)部分采用一個(gè)光隔隔離內(nèi)外電路， 從交通指揮燈信號(hào)機(jī)輸入至檢測(cè)板的是220V/50Hz 的交流電， 通過(guò)二級(jí)管全波整流后， 得到大約200V 的直流信號(hào)， 再經(jīng)過(guò)電阻分壓， 接著使用100uF 的電容平波， 獲得5V 左右的直流電， 加到4N25 光隔輸入端， 輸出經(jīng)過(guò)一個(gè)反向器獲得5VTTL 電平輸出， 轉(zhuǎn)換電路如圖5 所示。

本系統(tǒng)采用環(huán)形線圈檢測(cè)系統(tǒng)， 環(huán)形線圈檢測(cè)系統(tǒng)目前國(guó)內(nèi)外使用最廣泛的車輛檢測(cè)系統(tǒng)， 它由3 部分組成： 埋設(shè)在路面下的環(huán)形線圈傳感器、信號(hào)檢測(cè)處理單元（ 包括檢測(cè)信號(hào)放大單元、數(shù)據(jù)處理單元和通信接口） 及饋線。檢測(cè)單元、環(huán)形線圈與饋線線路共同組成一個(gè)LC 調(diào)諧電路。此電路中的電感主要決定于環(huán)形線圈的匝數(shù)， 環(huán)形線圈是此電路的電感元件； 電容則決定于檢測(cè)單元中的電容的大小。當(dāng)電流通過(guò)環(huán)形線圈時(shí)， 在其周圍形成一個(gè)電磁場(chǎng)， 當(dāng)車輛行至線圈上方時(shí)， 在金屬車體中感應(yīng)出渦流電流， 渦流電流產(chǎn)生與環(huán)路耦合、但方向相反電磁場(chǎng)， 即互感， 使環(huán)形線圈電感量隨之降低， 因而引起電路諧振頻率的上升。只要檢測(cè)到此頻率隨時(shí)間變化的信號(hào)， 就可檢測(cè)出是否有車輛通過(guò)。振蕩電路設(shè)計(jì)如圖6 所示。

3 軟件平臺(tái)的構(gòu)建和應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)

3.1 構(gòu)建軟件平臺(tái)

系統(tǒng)的引導(dǎo)過(guò)程包括以下步驟：

（ 1） 處理器重新啟動(dòng)以后， 執(zhí)行ROM啟動(dòng)代碼。

（ 2）ROM啟動(dòng)代碼初始化CPU、內(nèi)存控制器以及片上設(shè)備，然后配置存儲(chǔ)映射。隨后執(zhí)行bootloader.

（ 3） bootloader 將內(nèi)核從閃存解壓到RAM中， 然后跳到內(nèi)核的第一條指令處執(zhí)行。

（ 4） 內(nèi)核初始化各種硬件設(shè)備， 掛載根文件系統(tǒng)， 然后執(zhí)行init 進(jìn)程。

（ 5） Init 進(jìn)程裝載運(yùn)行時(shí)共享庫(kù)， 讀取配置文件/etc/inittab,執(zhí)行腳本/etc/rc.d/rcS.

構(gòu)建嵌入式軟件平臺(tái)需要準(zhǔn)備以下工作： 制作內(nèi)核、創(chuàng)建根文件系統(tǒng)和生成啟動(dòng)代碼bootloader.

3.1.1 制作Linux 內(nèi)核

采用Linux2.6.12 的內(nèi)核。在Linux2.6 中， 引入了很多非常有利于嵌入式應(yīng)用的功能。這些新功能包括實(shí)時(shí)性能的增強(qiáng)、更方便的移植性、對(duì)大容量?jī)?nèi)存的支持、支持微控制器和I/O系統(tǒng)的改進(jìn)等。2.6.12 提供了針對(duì)S3C2410 的配置， 使用命令make s3c2410_defconfig, 然后配置內(nèi)核使用命令make menuconfig,配置體系結(jié)構(gòu)（ System Type） , 選擇S3C2410 Implementation,配置處理器類型， 選擇ARM9T, 接著配置通用選項(xiàng)， 支持網(wǎng)絡(luò)、SYSVIPC 機(jī)制、支持ELF 文件格式， 選擇根文件系統(tǒng)為JFFS2, 然后再配置網(wǎng)絡(luò)， 選擇網(wǎng)絡(luò)設(shè)備支持， 選擇串口支持、選擇文件系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)， 配置USB 設(shè)備選項(xiàng)， 由于數(shù)碼相機(jī)是USB 設(shè)備， 我們使用libusb0.1.10 版本的驅(qū)動(dòng)支持， 所以需要修改內(nèi)核源碼usb.c 文件， 不把數(shù)碼相機(jī)作為USB 存儲(chǔ)設(shè)備。編譯內(nèi)核映像使用命令make zImage, 建立模塊使用命令make modules.

3.1.2 創(chuàng)建根文件系統(tǒng)

根文件系統(tǒng)是所有Unix 系統(tǒng)不可或缺的組件， 頂層目錄/bin、/dev、/etc、/lib、/proc、/sbin 和/usr 是必須的。有幾項(xiàng)工作非常重要， 首先是建立安裝GNU C 鏈接庫(kù)， glibc 套件包括若干鏈接庫(kù)， 比如數(shù)學(xué)鏈接庫(kù)libm- 2.2.3.so, 共享c 鏈接庫(kù)libc- 2.2.3.so.

除了鏈接庫(kù)文件， 還要復(fù)制動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)及其符號(hào)連接。再就是建立設(shè)備文件， 按照Unix 的傳統(tǒng)， 任何對(duì)象都可視為文件， 所有設(shè)備節(jié)點(diǎn)都放在/dev 目錄下， 包括zero、random、tty0、tty1、ttyS0、tty、console、mem、null, 另外還需要建立必要的符號(hào)連接：

fd- >/proc/self/fd, stdin- >fd/0, stdout- >fd/1, stderr- >fd/2.然后選擇主要的系統(tǒng)命令， BusyBox 無(wú)疑是最方便的套件， 成功安裝后， /bin 目錄下會(huì)出現(xiàn)二進(jìn)制文件busybox, 對(duì)需要的命令建立對(duì)BusyBox 的符號(hào)連接。

為根文件系統(tǒng)選擇文件系統(tǒng)是很重要的工作。JFFS2 文件系統(tǒng)的特點(diǎn)是可被寫(xiě)入、具有永久性、斷電可靠性而且可以壓縮。JFFS2 會(huì)為垃圾回收功能維護(hù)空間， 提供斷電可靠性和損耗平衡這兩個(gè)對(duì)flash 系統(tǒng)非常重要的特性。由于抓拍系統(tǒng)工作在開(kāi)放式的環(huán)境中， 穩(wěn)定性、可靠性是首先要考慮的， 所以選擇JFFS2.用mkfs.jffs2 工具程序建立文件系統(tǒng)的映像： mkfs.

jffs2- r rootfs/- o images/rootfs- jffs2.image.

3.1.3 Bootloader 代碼。

Bootloader 主要負(fù)責(zé)加載內(nèi)核， 盡管它在系統(tǒng)啟動(dòng)期間執(zhí)行的時(shí)間很短， 但是非常重要的系統(tǒng)組件， 對(duì)嵌入式系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是一件特別的工作。Bootloader 是嚴(yán)重依賴于硬件而實(shí)現(xiàn)的， 目前以ARM為基礎(chǔ)的系統(tǒng)還沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的Bootloader, 針對(duì)本系統(tǒng)的硬件特性， 在ppcboot 的基礎(chǔ)上加以修改， 生成適合本系統(tǒng)的啟動(dòng)代碼。

3.2 應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)

程序主要實(shí)現(xiàn)以下功能： 現(xiàn)場(chǎng)紅燈和線圈信號(hào)的采集； 控制相機(jī)拍照、保存參數(shù)、傳輸照片和刪除照片； 處理按鍵信息并送數(shù)碼管顯示； 通過(guò)以太網(wǎng)遠(yuǎn)程下載照片， 也可以用U 盤(pán)本地下載照片。應(yīng)用程序的總體結(jié)構(gòu)如圖7 所示。

系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)主要是控制相機(jī)的USB 通訊模塊的編寫(xiě)、網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊的編寫(xiě)、信號(hào)采集模塊的編寫(xiě)和串口通訊模塊的編寫(xiě)。其中USB 通訊模塊是關(guān)鍵， 需要嚴(yán)格遵守?cái)?shù)碼相機(jī)的通訊協(xié)議； 網(wǎng)絡(luò)傳輸采用客戶機(jī)服務(wù)器方式， 本機(jī)作為客戶機(jī)， 工控中心設(shè)置為服務(wù)器。檢測(cè)信號(hào)模塊主要是讀取并口信息， 并口的操作使用端口I/O, 簡(jiǎn)單、操作性強(qiáng)， 并且可以清楚說(shuō)明編寫(xiě)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)所必需的底層硬件控制過(guò)程。在Linux 中有一個(gè)用于輸入的命令inb（ address） 和一個(gè)用于輸出的命令outb（ value, address） .C 語(yǔ)言的宏擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)了這兩個(gè)函數(shù)， 而且不涉及任何函數(shù)庫(kù)， 但使用這兩個(gè)函數(shù)需要一些額外的函數(shù)， 函數(shù)ioperm（ ） 從內(nèi)核中申請(qǐng)和釋放端口訪問(wèn)權(quán)。在Linux 下， 串口一般作為一個(gè)終端接口， 即tty 接口， POSIX.1 定義了一個(gè)查詢和操作終端的標(biāo)準(zhǔn)接口， 該接口被稱作termios,在系統(tǒng)的頭文件<termios.h>中定義。termios 是一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和一系列操作這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的函數(shù)， 這些函數(shù)一起構(gòu)成了通用的終端界面， 提供對(duì)終端的有效控制操作， 使得系統(tǒng)具有復(fù)雜的異步串口設(shè)備處理能力。

程序處理流程如圖8 所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

該數(shù)碼電子警察系統(tǒng)采用高分辨率的數(shù)碼相機(jī)， 清晰度高， 在運(yùn)行的過(guò)程中， 抓拍成功率達(dá)到98%, 照片合格率達(dá)到95%, 誤拍率低， 適用于各種惡劣的環(huán)境條件。采用實(shí)時(shí)性高的Linux2.6.12 的內(nèi)核， 提供對(duì)S3C2410 的專門(mén)的支持。該系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠、實(shí)時(shí)性強(qiáng)， 且完全自主開(kāi)發(fā)， 可有效控制成本， 有很強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。結(jié)合圖像處理技術(shù)， 構(gòu)建數(shù)碼視頻電子警察系統(tǒng)有更廣闊的前景， 這將是下一步開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)。