分析基于ARM 的紅外光汽車(chē)速度管理系統(tǒng)

近來(lái)汽車(chē)市場(chǎng)出現(xiàn)了一種叫“電子狗”的反雷達(dá)測(cè)速裝置，這種裝置在接近雷達(dá)測(cè)速區(qū)時(shí)，能夠提前捕捉到雷達(dá)測(cè)速的信息并發(fā)出報(bào)警，使違章車(chē)輛逃脫處罰，事故隱患非常嚴(yán)重。本文分析的以紅外光傳感器、ARM 為核心部件的新型測(cè)速系統(tǒng)測(cè)速時(shí)不會(huì)被“電子狗”所發(fā)現(xiàn)，不僅能識(shí)別汽車(chē)速度V 的大小，還能測(cè)出其速度超過(guò)上限速度（Vmax）的量值（+△V）或低于下限速度（Vmin）的量值（—△V）等信息，據(jù)該信息酌情驅(qū)動(dòng)取證系統(tǒng)工作，能夠有效地提高交通管制的力度。

1 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)由調(diào)制式紅外光傳感器、飛利浦公司的LPC2294 ARM 嵌入式處理器，帶觸摸屏的彩色液晶顯示器以及報(bào)警攝像等系統(tǒng)構(gòu)成，如圖1 所示。圖1 中M、N 兩點(diǎn)是路旁一側(cè)護(hù)欄上的兩點(diǎn)，分別安裝著可發(fā)射38KHz 的紅外發(fā)光管，一直向外發(fā)射調(diào)制式紅外光。調(diào)制式紅外光被另一側(cè)護(hù)欄上相應(yīng)的兩點(diǎn)M’、N’處安放的光電接收器接收，共同組成一個(gè)光控測(cè)速區(qū)。當(dāng)汽車(chē)達(dá)到N 點(diǎn)時(shí)，第二個(gè)光電探測(cè)器N-N’將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路送至ARM 處理器使計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，t 的值就確定了。由M、N 兩點(diǎn)間的距離L 除以t 便得到速度V。如果計(jì)算得到的V 值在設(shè)定的安全速度范圍之內(nèi)，顯示屏則顯示當(dāng)前安全速度值，攝像、報(bào)警電路就不工作；如果V 值超出設(shè)定范圍之外，則計(jì)算速度偏移量△V =Vmax—V，同時(shí)顯示該車(chē)輛超速行駛，并讓攝像、報(bào)警電路啟動(dòng)工作。同理，若車(chē)輛以V《Vmin 的低速狀態(tài)通過(guò)光控測(cè)速區(qū)時(shí)，照相及報(bào)警系統(tǒng)亦啟動(dòng)工作，顯示屏顯示超速信息，提示此時(shí)車(chē)輛處于超低速行駛狀態(tài)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 光電發(fā)射接收系統(tǒng)

光電發(fā)射接收系統(tǒng)原理如圖2 所示。振蕩器產(chǎn)生頻率為38KHz 的信號(hào)， 驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)光管發(fā)光。光電接收器則接收紅外發(fā)光管射出的光脈沖，接收到的光脈沖信號(hào)經(jīng)調(diào)節(jié)電位器連接到檢測(cè)器的輸入端。將接收到的調(diào)制式光脈沖信號(hào)送入放大器進(jìn)行放大，經(jīng)閾值檢測(cè)后變成與同步振蕩器同步輸出的邏輯電平脈沖，再通過(guò)脈沖同步解調(diào)，得到與車(chē)輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相關(guān)的光電信號(hào)，并經(jīng)緩沖輸出。
 

2.2 信號(hào)接收與定時(shí)器工作

如圖3 所示，在沒(méi)有車(chē)輛經(jīng)過(guò)光控測(cè)速區(qū)時(shí)，M’、N’兩點(diǎn)一直能接收到38KHz 的調(diào)制紅外光，均輸出高電平，暫穩(wěn)態(tài)電路均處在穩(wěn)態(tài)。門(mén)G 的輸出為邏輯1，UL 始終為高電平。當(dāng)有車(chē)輛通過(guò)光控測(cè)速區(qū)時(shí)，M 點(diǎn)發(fā)出的光線(xiàn)首先被阻斷，UM 由高電平先變?yōu)榈碗娖剑瑫悍€(wěn)態(tài)電路1 被觸發(fā)而進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)，如圖4 中的t1 時(shí)刻之后所示。
 

2.3 ARM 核心板及觸摸顯示系統(tǒng)

系統(tǒng)核心板采用DEVICEARM2200 工控板， 其內(nèi)嵌飛利浦公司的LPC2294ARM7TDMI-S 嵌入式處理器，最高頻率60MHz，并帶有8M PSRAM 存儲(chǔ)器和16M NANDFlash，性能完全滿(mǎn)足高速車(chē)速測(cè)量系統(tǒng)的要求。由于其較小的封裝、極低的功耗，可使用電池供電，因此十分適合于野外無(wú)外接電源的情況下工作。電路連接如圖 5 所示：顯示屏選用320×240 彩色液晶屏，將液晶控制器S1D13503 的AB0 至AB16 與LPC2294 的地址總線(xiàn)A1 至A17 相連，以16 位總線(xiàn)方式操作；S1D13503的數(shù)據(jù)總線(xiàn)DB0 至DB7 接LPC2294 的外部存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)線(xiàn)D0 至D7， DB8 至DB15 接VDD，實(shí)現(xiàn)與LPC2294 的8 位數(shù)據(jù)總線(xiàn)連接；其硬件配置由兩片高速CMOS 靜態(tài)存儲(chǔ)器IS61C1024對(duì)S1D13503 的VD0 至VD15 來(lái)完成。四線(xiàn)電阻式觸摸屏可檢測(cè)到觸摸信號(hào)并通過(guò)觸摸屏控制器FM7843 將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)，傳遞給LPC2294 進(jìn)行處理。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 uclinux 系統(tǒng)移植

雖然當(dāng)前 uclinux 已經(jīng)支持無(wú)MMU 的ARM 體系結(jié)構(gòu)，但由于具體使用的ARM 處理器芯片存儲(chǔ)系統(tǒng)不同、片內(nèi)的外設(shè)不同、中斷系統(tǒng)也不同，因此需添加或修改LPC2294 芯片相關(guān)的具體代碼。

3.2 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

由于uclinux 2.4.x內(nèi)核為非搶占式，進(jìn)程時(shí)間片為10ms，本身實(shí)時(shí)性并不高。設(shè)備信息結(jié)構(gòu)體用來(lái)描述該設(shè)備的open、release、read等操作方法：其中，在系統(tǒng)和應(yīng)用程序首次使用此定時(shí)器時(shí)，首先執(zhí)行timer1_open（struct inode *inode， struct file *filp） 方法調(diào)用request_irq（IRQ_timer1， timer1_irq_handle， SA_INTERRUPT， “my” DEVICE_NAME， NULL）函數(shù)進(jìn)行中斷響應(yīng)函數(shù)注冊(cè)，配置定時(shí)器T1IR、T1PR、T1TC、T1TCR等寄存器完成定時(shí)器初始化，使用中斷開(kāi)關(guān)函數(shù)local_irq_save（）和local_irq_restore（）來(lái)控制臨界區(qū)；最終由uclinux系統(tǒng)接收硬件中斷并調(diào)用中斷服務(wù)程序；當(dāng)系統(tǒng)和應(yīng)用程序不再使用該定時(shí)器時(shí)調(diào)用timer1_release（struct inode *inode， struct file *filp）進(jìn)行關(guān)閉和釋放。中斷服務(wù)程序timer1_irq_handle（int irq，void *dev_id，struct pt_regs *regs）完成清除中斷源、定時(shí)器計(jì)數(shù)器復(fù)位以及通過(guò)uclinux提供的宏inl（T1CR）讀取捕獲寄存器中計(jì)數(shù)器的值并調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)copy_to_usr（）將數(shù)據(jù)從內(nèi)核空間拷貝至用戶(hù)空間。最后，將設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序timer1. c復(fù)制到linux-2.4.x/driver/char目錄下，在timer1.c中加入函數(shù)timer1_init（）完成設(shè)備的注冊(cè)。在mem.c文件中添加timer1_init（）外部函數(shù)說(shuō)明，在chr_dev_init（）函數(shù)添加timer1_init（）調(diào)用，編譯得到新內(nèi)核。

3.3 MiniGUI 移植

MiniGUI 為實(shí)現(xiàn)其跨平臺(tái)特性，采用GAL（圖形抽象層）和IAL（輸入抽象層）將MiniGUI上層和操作系統(tǒng)隔離開(kāi)。因此，首先創(chuàng)建lcdgal.c 文件，參考native 圖形引擎數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和Framebuffer 驅(qū)動(dòng)程序按照GAL 接口編寫(xiě)接口函數(shù)；然后將液晶驅(qū)動(dòng)程序lcddriver.clcddriver.h 及LPC2294 的頭文件lpc2294.h 放在libminigui 下的/src/gal/native 目錄下并修改Makefile.am 文件。在libminigui 的/src/ial 目錄下添加ialinput.h 和 ialinput.c 編寫(xiě)IAL 接口函數(shù)，并添加觸摸屏控制器驅(qū)動(dòng)程序fm7843.c、fm7843.h 到/src/ial 目錄，同時(shí)修改Makefile.am文件。加入MINIGUI 擴(kuò)展庫(kù)libmgext 支持，以Threads 模式交叉編譯并將得到的MiniGUI靜態(tài)鏈接庫(kù)與交叉編譯后的用戶(hù)應(yīng)用程序進(jìn)行鏈接，生成可在目標(biāo)板上運(yùn)行的目標(biāo)文件，最后在移植好的uclinux 系統(tǒng)上安裝運(yùn)行MiniGUI 所需的資源文件。

3.4 用戶(hù)界面設(shè)計(jì)

用戶(hù)界面主要包括一個(gè)主窗體用來(lái)顯示速度信息以及一個(gè)為車(chē)輛速度報(bào)警而設(shè)定的對(duì)話(huà)框。以MniniGUIMain（ int argc， const char* argv［ ］ ） 為入口，定義顯示區(qū)域，使用CreateThreadForMainWindow（ ）函數(shù)創(chuàng)建了兩個(gè)并發(fā)的線(xiàn)程，定義線(xiàn)程的入口函數(shù)地址并返回線(xiàn)程標(biāo)識(shí)符；在主線(xiàn)程中配置完成對(duì)timer1 的初始化操作，通過(guò)hMainWnd =CreateMainWindow（ &Createinfo ） 創(chuàng)建主窗體并配置Createinfo 的各項(xiàng)屬性， 調(diào)用ShowWindows（ hMainWnd， SW_SHOWNORMAL ）函數(shù)顯示窗體作為用戶(hù)主界面，最終進(jìn)入消息循環(huán)。監(jiān)視線(xiàn)程和主線(xiàn)程同時(shí)啟動(dòng)，此后，監(jiān)視線(xiàn)程在后臺(tái)對(duì)車(chē)速信息數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并通過(guò)SendMessage（ ）向主線(xiàn)程發(fā)送相應(yīng)的消息。消息的處理與超速報(bào)警判定可在主窗體窗口過(guò)程函數(shù)SpeedWinProc（ ）中實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)語(yǔ)

調(diào)制式紅外光汽車(chē)速度識(shí)別系統(tǒng)，不僅能準(zhǔn)確測(cè)出汽車(chē)車(chē)速狀況，其測(cè)速信息還能避開(kāi)“電子狗”式的反測(cè)速裝置捕捉，對(duì)提高交通管制的質(zhì)量、消除事故隱患、保證人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全具有重要作用，并可用于其他測(cè)速場(chǎng)合，應(yīng)用前景好。系統(tǒng)采用ARM 嵌入式處理器、uclinux 操作系統(tǒng)以及觸摸屏，不但人機(jī)交互性好，而且升級(jí)與擴(kuò)展能力強(qiáng)，工作穩(wěn)定，具有強(qiáng)大的應(yīng)用前景。