基于ARM9的交通違章抓拍系統(tǒng)的開發(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， 詳細介紹了USB 接口和以太網(wǎng)接口的電路設計， 最后介紹了應用程序的結(jié)構(gòu)和運行流程。

1 引言

智能交通系統(tǒng)（ ITS） 將先進的信息技術(shù)、數(shù)據(jù)通訊傳輸技術(shù)、電子控制技術(shù)、計算機處理技術(shù)等應用于交通運輸行業(yè)， 從而實現(xiàn)各種運輸方式發(fā)展規(guī)劃的現(xiàn)代化、決策的科學化和管理的智能化。數(shù)碼電子警察是現(xiàn)在應用比較廣泛的一種智能交通產(chǎn)品， 利用數(shù)碼相機技術(shù)和相應的車輛檢測與控制技術(shù)， 自動抓拍闖紅燈的車輛。數(shù)字化、網(wǎng)絡化、小型化和智能化已經(jīng)成為當前電子警察的主要發(fā)展趨勢。目前國內(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發(fā)策略。Linux 是典型的嵌入式操作系統(tǒng)， 發(fā)展最快， 應用最廣泛。Linux 是開源的、免費的， 從技術(shù)和經(jīng)濟的角度來看都是最佳選擇。S3C2410 是韓國三星（ Samsung） 公司設計的32 位RISC 嵌入式處理器。該處理器為手持設備和一般性應用提供了一個高性價比、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。為了減少應用系統(tǒng)設計的成本， 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。

本文針對交通違章抓拍系統(tǒng)的特點， 以S3C2410 為核心合理設計硬件電路， 并提供必須的USB 接口、串口、網(wǎng)絡接口和JTAG 口； 充分考慮抓拍的實時性和準確性， 采用裁減的實用的Linux2.6.12 內(nèi)核， 制作根文件系統(tǒng)， 開發(fā)應用程序， 構(gòu)建軟硬件協(xié)作的嵌入式系統(tǒng)。

2 硬件設計

圖1 硬件總體結(jié)構(gòu)圖

2.1 基于S3C2410 的電路設計

電路設計如圖2 所示。

通訊接口部分包括USB 接口、以太網(wǎng)接口、串口。其中串口為常見的接口形式。這里主要說明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 設備。

[!--empirenews.page--]

本系統(tǒng)中設計兩路USB, 都作為Host 使用。USB 接口接線圖如圖3 所示。

網(wǎng)絡接口芯片選用臺灣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。接口設計電路設計如圖4 所示。

圖4 Ethernet接口電路設計

[!--empirenews.page--]

2.2 檢測電路設計

通常從交通指揮燈信號機中輸出的紅燈信號是220V/50Hz 的工頻交流電， 需要設計一個整流濾波電路將從信號機輸出的交通指揮燈信號變換為TTL 電平。交通指揮燈信號檢測部分采用一個光隔隔離內(nèi)外電路， 從交通指揮燈信號機輸入至檢測板的是220V/50Hz 的交流電， 通過二級管全波整流后， 得到大約200V 的直流信號， 再經(jīng)過電阻分壓， 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)過一個反向器獲得5VTTL 電平輸出， 轉(zhuǎn)換電路如圖5 所示。

本系統(tǒng)采用環(huán)形線圈檢測系統(tǒng)， 環(huán)形線圈檢測系統(tǒng)目前國內(nèi)外使用最廣泛的車輛檢測系統(tǒng)， 它由3 部分組成： 埋設在路面下的環(huán)形線圈傳感器、信號檢測處理單元（ 包括檢測信號放大單元、數(shù)據(jù)處理單元和通信接口） 及饋線。檢測單元、環(huán)形線圈與饋線線路共同組成一個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； 電容則決定于檢測單元中的電容的大小。當電流通過環(huán)形線圈時， 在其周圍形成一個電磁場， 當車輛行至線圈上方時， 在金屬車體中感應出渦流電流， 渦流電流產(chǎn)生與環(huán)路耦合、但方向相反電磁場， 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。只要檢測到此頻率隨時間變化的信號， 就可檢測出是否有車輛通過。振蕩電路設計如圖6 所示。

3 軟件平臺的構(gòu)建和應用程序的開發(fā)

3.1 構(gòu)建軟件平臺

系統(tǒng)的引導過程包括以下步驟：

（ 1） 處理器重新啟動以后， 執(zhí)行ROM啟動代碼。

（ 2）ROM啟動代碼初始化CPU、內(nèi)存控制器以及片上設備，然后配置存儲映射。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備， 掛載根文件系統(tǒng)， 然后執(zhí)行init 進程。

（ 5） Init 進程裝載運行時共享庫， 讀取配置文件/etc/inittab,執(zhí)行腳本/etc/rc.d/rcS.

構(gòu)建嵌入式軟件平臺需要準備以下工作： 制作內(nèi)核、創(chuàng)建根文件系統(tǒng)和生成啟動代碼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用的功能。這些新功能包括實時性能的增強、更方便的移植性、對大容量內(nèi)存的支持、支持微控制器和I/O系統(tǒng)的改進等。2.6.12 提供了針對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， 支持網(wǎng)絡、SYSVIPC 機制、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， 選擇網(wǎng)絡設備支持， 選擇串口支持、選擇文件系統(tǒng)與網(wǎng)絡文件系統(tǒng)， 配置USB 設備選項， 由于數(shù)碼相機是USB 設備， 我們使用libusb0.1.10 版本的驅(qū)動支持， 所以需要修改內(nèi)核源碼usb.c 文件， 不把數(shù)碼相機作為USB 存儲設備。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。有幾項工作非常重要， 首先是建立安裝GNU C 鏈接庫， glibc 套件包括若干鏈接庫， 比如數(shù)學鏈接庫libm- 2.2.3.so, 共享c 鏈接庫libc- 2.2.3.so.

除了鏈接庫文件， 還要復制動態(tài)鏈接庫及其符號連接。再就是建立設備文件， 按照Unix 的傳統(tǒng)， 任何對象都可視為文件， 所有設備節(jié)點都放在/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 無疑是最方便的套件， 成功安裝后， /bin 目錄下會出現(xiàn)二進制文件busybox, 對需要的命令建立對BusyBox 的符號連接。

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)的特點是可被寫入、具有永久性、斷電可靠性而且可以壓縮。JFFS2 會為垃圾回收功能維護空間， 提供斷電可靠性和損耗平衡這兩個對flash 系統(tǒng)非常重要的特性。由于抓拍系統(tǒng)工作在開放式的環(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.

[!--empirenews.page--]

3.1.3 Bootloader 代碼。

Bootloader 主要負責加載內(nèi)核， 盡管它在系統(tǒng)啟動期間執(zhí)行的時間很短， 但是非常重要的系統(tǒng)組件， 對嵌入式系統(tǒng)來說是一件特別的工作。Bootloader 是嚴重依賴于硬件而實現(xiàn)的， 目前以ARM為基礎的系統(tǒng)還沒有標準的Bootloader, 針對本系統(tǒng)的硬件特性， 在ppcboot 的基礎上加以修改， 生成適合本系統(tǒng)的啟動代碼。

3.2 應用程序的開發(fā)

程序主要實現(xiàn)以下功能： 現(xiàn)場紅燈和線圈信號的采集； 控制相機拍照、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； 通過以太網(wǎng)遠程下載照片， 也可以用U 盤本地下載照片。應用程序的總體結(jié)構(gòu)如圖7 所示。

系統(tǒng)軟件的設計主要是控制相機的USB 通訊模塊的編寫、網(wǎng)絡傳輸模塊的編寫、信號采集模塊的編寫和串口通訊模塊的編寫。其中USB 通訊模塊是關(guān)鍵， 需要嚴格遵守數(shù)碼相機的通訊協(xié)議； 網(wǎng)絡傳輸采用客戶機服務器方式， 本機作為客戶機， 工控中心設置為服務器。檢測信號模塊主要是讀取并口信息， 并口的操作使用端口I/O, 簡單、操作性強， 并且可以清楚說明編寫設備驅(qū)動程序開發(fā)所必需的底層硬件控制過程。在Linux 中有一個用于輸入的命令inb（ address） 和一個用于輸出的命令outb（ value, address） .C 語言的宏擴展實現(xiàn)了這兩個函數(shù)， 而且不涉及任何函數(shù)庫， 但使用這兩個函數(shù)需要一些額外的函數(shù)， 函數(shù)ioperm（ ） 從內(nèi)核中申請和釋放端口訪問權(quán)。在Linux 下， 串口一般作為一個終端接口， 即tty 接口， POSIX.1 定義了一個查詢和操作終端的標準接口， 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， 提供對終端的有效控制操作， 使得系統(tǒng)具有復雜的異步串口設備處理能力。

程序處理流程如圖8 所示。

4 結(jié)束語

該數(shù)碼電子警察系統(tǒng)采用高分辨率的數(shù)碼相機， 清晰度高， 在運行的過程中， 抓拍成功率達到98%, 照片合格率達到95%, 誤拍率低， 適用于各種惡劣的環(huán)境條件。采用實時性高的Linux2.6.12 的內(nèi)核， 提供對S3C2410 的專門的支持。該系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠、實時性強， 且完全自主開發(fā)， 可有效控制成本， 有很強的市場競爭力。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， 這將是下一步開發(fā)的重點。