毕业设计（论文）-湿滑路面阻抗检测与发送终端设计与实现.doc

学 号 2012084121 密 级 哈尔滨工程大学本科生毕业论文湿滑路面阻抗检测与发送终端设计与实现院（系）名称：信息与通信工程学院专业名称：微电子学学生姓名：指导教师：哈尔滨工程大学2016年6月湿滑路面阻抗检测与发送终端设计与实现 余晓舟 哈尔滨工程大学学 号 2012084121 密 级 湿滑路面阻抗检测与发送终端设计与实现Design and realization of the inspection and transmitter system about slippery road surfaces impedance学生姓名：所在学院：信息与通信工程学院所在专业：通信工程指导教师：职称：教授所在单位：哈尔滨工程大学论文提交日期：2016年6月7日论文答辩日期：2016年6月17日 学位授予单位：哈尔滨工程大学45湿滑路面阻抗检测与发送终端设计与实现摘要现代技术发展日新月异，依靠先进精密的仪器设备，能够对道路情报（天气、车流量、突发情况等）进行足够的收集和管理，以此来建立健全的交通安全环境，保证对路面状况的实时监控 ，并将情报传输到相关部门的预案处理中心,可以为交通相关政府职能机关的决策提供及时可靠的参考依据，及时限速控制和发布针对在途的司机的行车建议与警告信息，为行车安全或其他方面的用途提供参考，有效避免因道路湿滑而造成交通事故的发生。本文正是基于GPRS技术及嵌入式技术对湿滑路面检测与发送系统进行了研究和设计。本次课题设计的是以ARM为核心的湿滑路面阻抗检测与发送终端，其中的硬件电路是由ARM控制模块、GPRS无线发射接收模块、触摸液晶屏、温度传感器、路面阻抗检测模块、A/D转换电路所组成的；软件是由数据传输、无线发送模块等的驱动与控制，终端操作的图形化界面等软件程序所构成的，采用C语言对程序进行的编写。关键词：路面湿滑检测；嵌入式；无线通讯；ARMABSTRACTWith the super-high-speed development of modern technology, relying on advanced sophisticated equipment,its allowed to get the road information (weather, traffic, emergency situations, etc.) for a sufficient collection and management, in order to establish and improve the safe traffic environment,and it would ensure road conditions being in real time monitoring and transmit these information to the processing center of the relevant department.Thus,the road monitoring systems can provide timely and reliable reference to relevant government agencies when they need to make decision about transportation,change speed-limit and release advice or warning for drivers on the road on time,help the safe driving or other applications get enough foundation,effectively avoid the traffic accidents associated with slippery roads.This text is just the research design about the inspection and transmitter system of slippery road surface according to GPRS and embedded technology.This paper focuses on the ARM as the core of the inspection and transmitter system to slippery road surface whose hardware ciucuit is formed by ARM control module, GPRS wireless modules, LCD touch screens, temperature sensors, detection module to roads impedance,A/D switching circuit;. And its software is made up of some sortwares like transfer of data, drive and control of wireless modules, graphical interface of controlling terminal,etc,which were coded by C language.Key words：inspection of slippery road surface；embedded device；wireless communications；ARM目录 第一章 绪论51.1路面湿滑检测系统的概念51.2路况检测系统国内外的发展现况51.2.1路况检测系统国内发展现况51.2.2路况检测系统国外发展现况61.3路况检测系统行业现存的问题与发展前景81.4本文研究的主要内容和章节安排81.5 本章小结9第二章 系统的总体方案设计52.1路面湿滑程度概述与主要的影响因子52.2项目的总体设计62.2设计流程简介72.4路面湿滑检测与发送终端的硬件选型82.4.1嵌式系统介绍82.4.2Mini2440开发板82.4.3嵌入式操作系统Linux112.5 本章小结12第三章 路面湿滑检测与发送系统硬件设计133.1温度/湿度传感器133.2 GPRS无线发送模块143.3显示及按键模块173.4系统硬件电路设计173.5 本章小结18第四章 路面湿滑检测与发送系统软件设计174.1路面湿滑检测与发送系统开发平台搭建174.1.1嵌式系统软件组成174.1.2建立Linux开发环境174.1.3Bootloader引导程序移植184.1.4定制Linux内核及制作文件系统194.1.5设备驱动程序214.1.6系统软件开发平台Qt254.1.7QT/Embedded284.2数据采集模块的软件设计284.3无线发送模块控制软件设计304.4基于QT的控制终端显示界面的设计314.5系统软件程序流程框图334.6 本章小结33第五章 系统硬件与软件调试345.1本设计的具体调试345.2本章小结39结论40参考文献41第一章 绪论第一章 绪论1.1路面湿滑检测系统的概念从名字上就能很容易的知道，路面湿滑检测系统便是一类专门应用于检测路面湿滑程度检测并向上位反馈信息的系统。详细地说，路面湿滑检测系统首先需要检测路面的种种参数，包括路面表面的状态(干燥、积水、结冰、冰雪、凝霜、雪水等)、水膜厚度仰或冰层的厚度、路面温度、盐度以及冰点1。如果能够对这些路面相关参数进行精确实时的检测，那么全天候的监控某些事故高发地段或者重要路段（类似岔道口、公路干线、盘山公路等）的路面状况也就能够实现了，交通管理部门就能够更加方便高效地对各种情况作出决策以及对道路进行维护运营，以此成功实现路面气象的管理与预警，大幅度提升对道路交通安全的保障2。事实上，对于某些事故高发地段以及气象环境复杂的地图，保证对路面状况参数的实时监测，能够极大程度的帮助交通管理部门及时作出正确的决策，保护人们的生命财产安全。道路气象信息系统（RWIS）是收集，传递，模拟和传播天气和路况信息多种技术的组合。RWIS的应用将降低不利的天气条件造成的负面影响并保障行车安全.它将有助于道路相关工作者和正常旅行者面对道路上的不利的天气条件并作出正确决定。1.2路况检测系统国内外的发展现况1.2.1路况检测系统国内发展现况由于历史原因，国内的现代化公路无论起步还是发展都较国外发达国家晚，相对应的关于路面气象信息管理系统方面的研究也要少许多，尤其是路面气象检测技术的研究才刚刚开始，而且考虑到我国庞大的疆域、复杂的地形特征、多样的气候条件，不同地区不同路段对于路面气象信息的需求程度和具体要求也不一致，在为路面气象信息系统这个研究领域制定共通的参数标准时既要考虑对不同地区不同情况的契合度也不能放弃数据共享让不同的研究项目能够互相参照的原则，这无疑更大程度上延缓了研究工作的进度，相关领域进展较慢，相关报道也很少，通过查阅资料发现只有少数的高校与研究机构在研究相关的检测技术。多年来，我国一直靠从第三方进口这方面的系统，来满足各行各业的需要，特别是气象行业的需要。然而近些年以来，我国也开始逐渐加大对公路气象站建设的投入力度，着重建立适应我国国情的智能交通管理系统。在2005年7月27日，国家交通运输部、国家气象局气象局共同在首都北京进行会议探讨了这方面的问题，对于公路气象监控的标准化问题取得了共识，会议取得的阶段性结果就是共同开展公路交通气象预报备忘录的签署，这代表着我国在公路气象管理方面终于迈出了关键性的一步3。而在次年年底，隶属于交通运输部与中国气象局之下的相关技术部门联手合作，共同出台了一系列指导性的技术标准，包括公路交通气象预报格式、公路交通气象预警标准等，这些文件的诞生让交通气象服务更加的规范化、公益化。到2007年年末，北京市市政府已经在高速公路上建设了18个基于芬兰ROSA仪器的路面气象监测站，并且针对北京多雾霾天气的情况独立研发了数字化能见度监测仪，用于雾霾天气的监测预警4。几乎同批的，江苏、上海、南京等一线城市也纷纷完成了自身的公路能见度监测网络的设立。但是同时也要注意到，这些路况检测系统和公路气象站的设备大多是进口于欧洲或美国等的国外产品，国内自主独立研发的项目基本集中在能见度监测和雾霾成分分析这一块儿，而对于路面覆盖物、温度变化、各种天气条件下路况的摩擦系数等检测技术的研究相对薄弱许多，整体上要达到世界上发达国家的水平还需要相当的过程。1.2.2路况检测系统国外发展现况路况检测系统是专门对道路路面状况进行检测与预报的系统，无论在军事方面（机场跑道、物资运输等）还是民用领域（高速公路）都有极大的利用价值和必要性，故而一向为发达国家所重视，同时因为在技术上的领先，德国、芬兰等西方国家在这个领域的研制发展向来都处于领先地位。目前西方一些国家正在或已经建立起了完整的气象传感体系，它是为政府交通部门以及公路运营管理者的决策制定提供公路气象信息的重要系统，作为交通调控机制的一部分发挥着作用5。到现在为止，已知30个以上国家或地方组织启动路面气象管理系统的研究及应用。一个成熟的道路气象信息系统(RWIS，road weather information system)包括气象传感器、道路检测器及车辆检测器等多种精确的仪器设备，通过将它们集合联动，实现对天气条件、路面覆盖物或损耗程度、车流量、能见度等路面状况参数的不间断监控，得到的实时数据会被送达到交通管理部门进行分析综合，最后应对各种情况及时作出处理措施，并通过多种方式(手机app、动态信息屏(VMS)、互联网网站、广播电台等)向公众发布道路状况信息乃至行车警告，为公路运营者、出行者面对恶劣天气及时做好预防服务。RWIS与相关的设备互联后，还能够自发的按照紧急处理预案作出反应，比如温度陡降时喷射防冻剂、能见度低时在路口亮起警示牌等，以此最迅速地应对恶劣天气作出处理，减少行车的风险保障人们的生命财产安全。瑞典的道路气象信息系统可以说是现在最全面最完善的RWIS应用范例之一，这是一套主要用于应对雾霾降低能见度和道路结冰后湿滑情况并对此及时作出预警和措施的交通环境检测系统工程。这项工程利用了卫星和雷达利用卫星和雷达得到大体的天气状况而用摄像头具体监测路面获得第一手的气象信息，这样就能在突发恶劣天气来临之始就得到预警和实时信息，公路运营者便可以在路面结冰前就采取足够的防冰措施，同时能高效的组织路面养护工作者进行路面养护与车辆行人的疏通预警，减少在路面管理上的花费。仿佛与此相呼应地，美国土地管理署，美国林业局以及相关的自然保护机构则对重要的公路路段建立了长期的能见度监测工程(MPROVE，interagency monitoring of protected visual environments)，这项工程依靠特殊的摄像头得到的电子图像测定能见度并作出预警和措施；同样是在美国，ASOS工程是最早将重心放在自动路面检测技术发展上的工程项目，这项工程起初就是为了服务于航天工程而设立的，但其在气象环境检测、车辆流量检测和相应的交通辅助系统上的技术积累相当完善，使得后续的交通环境检测与辅助领域的探索从中得到了需求与技术方向上的引导；而在由Clarus机构发起、联邦公路局参与开发的路面天气检测、预报、及信息管理系统的研制项目中，新型的传感器和数据采集应用方法(如VII，vehicle infrastructure integration)都被纷纷研发出来，并且有了基于视频传感器的路面状况检测方法的诞生6。而在日本札晃，以往每年冬天的冰雪都会严重的阻碍交通运输，而在采用一套基于CCTV摄像机监测路面积雪程度、提供公路上车辆资讯、监控诸如路面湿滑度覆盖物等路面信息同时高度自动化能依据收集到的数据进行反馈调整的智能交通信息管理系统之后，这种情况得到了极大程度的改善。日本的路面信息管理系统可以说是最为全面细致的，既会为出行者提供精确实时的路况信息，又会基于自动化高效迅速的作出反馈，让交通管理变得更加有弹性和反应迅速。以上所说的案例只是现代智能交通系统与RWIS高速发展的一个剪影，事实上现在世界大多数现代化国家都在大力度的进行这方面的研究和探索，相关技术日新月异层出不穷。相对而言国内的研发一直落后，广大的公路路面状况检测设备市场被国外的产品所占据着。在这其中，美国一直处于领域的顶尖地位，其多个州的相关部门一直开展着RWIS相关技术和设备的研发。比如美国的Regal公司，这是一家有着大量技术储备、实力强劲的公路检测设备研发制造商，由该公司自主研发并生产的非接触式遥感路面检测器US Regal Sentry 300系列在我国被大范围的采购7。德国LUFFT公司所研发的一体式气象站WS500，可测定空气温湿度（电容式传感器检测空气湿度）、气压和风速风向，也于2010年全面进驻中国市场。1.3路况检测系统行业现存的问题与发展前景我国国土面积广大、作为发展中国家公路建设一直都在持续进行，国内市场需求广大并在可见的未来会一直增长，可以说前景光明、利益丰厚；而与这种强烈且持续增长的市场需求所对应的却是相对于国外明显落后的研制水平、良莠不齐的生产厂商和混乱的技术参数标准。因而现代化公路的建设中，即使是由国内公司承包建设的公路气象站，其采用的各类传感器设备等也基本是进口产品；国内厂家生产的气象传感器不仅受制于研发进度的全面落后，还被高精仪器生产的工艺水平所限制着，精准度和工作的稳定性都难以满足现代公路建设的要求。除却这些硬件与技术方面的缺失，国内的公路运营管理方面也落后于国外先进国家。事实上在国内，还没有现有的成熟的公路运营管理制度能把路况检测站、交通部门、气象部门整合成一个整体，真正意义上实现公路管理和气象检测的互动来往，建设的路况信息监测网点也零零散散的并不成体系。一套完善的公路气象监测及预警系统的方案，能够卓有成效的完成对局部地区突发性气象灾害迅速、精准、实时的检测，在气候多变或季节性现象明显的地区让人们的出行多添加一重保障；在对路面气象监控系统的研究中得到的那些路面摩擦系数、紧急刹车安全距离等交通控制模型，则可以让特殊气象条件时的交通管理有了更多的技术参考，能够得到更为成熟可靠的实行方案；包含了多种形式和途径的信息采集流通方式，则让各个政府职能机关在应对公路突发事件时有着更好的信息交换与联动，从而有效的提升公共交通安全决策的高效性和落实程度以及拓展出更多的公共交通管理机制，譬如对特定地区的远程监控、对出行者全方位的路面状况信息提供等。国内的现代化公路建设一直在持续高速的发展着，可以预见地，路面传感器领域有着前景广阔的市场和巨大的发展空间。1.4本文研究的主要内容和章节安排通过查阅资料，在对湿滑路面检测系统的定义与发展现状有一定了解后，设计了一套具有无线发送功及路面状况检测功能并且能够对得到的数据进行判断处理的湿路面阻抗检测与发送终端。该终端能够按照设定周期性采集温湿度信息，并经由ARM控制终端判断出路面湿滑程度并转换后，传递给无线发送模块以短信的形式发送给目标机。本文结构大致安排如下：第一章是绪论，主要介绍了路面湿滑检测系统的概念、国内外的发展趋势乃至目前行业所面对的问题与窘境。第二章是整体的路面湿滑检测与发送终端的设计。根据系统的需求，分析实现需求的手段，并比较、总结可能的解决方法。再进行具体的软件、硬件选择。第三章是路面湿滑检测与发送终端的硬件设计。介绍所选用的温度传感器、路面阻抗检测、A/D转换、GPRS无线发送等模块以及它们在硬件上功能的实现。第四章是路面湿滑检测与发送终端的软件设计。介绍了软件编程方面的设计，包括数据采集、无线发送模块等的驱动与控制，以及对终端操作的图形化界面。第五章是对于整个设计实现过程的总结和回顾。1.5 本章小结本章首先介绍了路面湿滑检测系统总的概念和研究的意义，然后点明了国内外研究状况和相关领域中已有的研究成果这些背景，最后对选题作出了总的的设想安排，并介绍了接下来章节所要阐述的内容。第二章 系统的总体方案设计第二章 系统的总体方案设计2.1路面湿滑程度概述与主要的影响因子路面湿滑指数表征着路面在众多影响因素（温度、路面覆盖物、湿度、路面本身抗滑性能等）之下实际的防滑程度。只要进行合理的分级，路面湿滑指数就能相当直观简明的反应路面状况，让出行者和交通管理者更好的接受理解，因而具备了极强的实用性和说明性。气象条件是造成路面湿滑的主要原因之一，尤其是降水条件；同时在通常情况下，天气气象的变化是对路面湿滑程度最大的突发性影响因素，对于同一段路面在短期内气象条件与路面湿滑指数是可以大致等价的。因此路面湿滑指数可以相对粗略的划分成干燥、潮湿、积水、雪和冰这五种：干燥路面附着系数约0810；潮湿路面附着系数约0507，在积水较深时，路面与轮胎间的摩擦系数大幅度降低，容易造成车辆打滑；雪路面附着系数02以下；冰路面附着系数01以下。本文选取的5种天气条件下的路面，干路面属于无降水天气条件下的路面，空气湿度相对较小，气温和地温影响相对较小，不作考虑；雨路面属于有降水路面及积水路面，气温为0以上；雨雪混合路面主要求气温和地温为0左右；冰雪混合路面及冰路面要求气温和地温均为0以下8。以上天气条件均属于常见和典型的天气形势。表2.1 2015年不同路面车辆平均制动距离对比List of braking distance for a car on different roads in 2015路面类型各路面不同速度的制动距离与10 kmh-1 速度的制动距离比值各路面平均制动距离与干路面平均制动距离比值10kmh-120kmh-130kmh-140kmh-150 kmh-160 kmh-1干路面雨路面雨雪路面11.52.01.8雪路面冰雪路面冰路面分析10一60kmh-1制动速度下，各种路面的平均制动距离的差别，将雨、雨雪混合、雪、冰雪混合及冰路面进行相邻平均制动距离比较(表2.1)，差值分别为28、26、09m和45m，雨和雨雪混合路面平均制动距离差别较大，雪和雨雪路面平均制动距离差别也较大，冰雪混合和雪路面平均制动距离差别较小，冰和冰雪混合路面平均制动距离差别最大。因此，从以上两个方面分析可知，雪和冰雪混合路面湿滑性相近，可作为一类路面。按照路面湿滑程度划分5个路面湿滑气象等级，冰路面为一级，特严重湿滑；雪、冰雪路面为二级，严重湿滑；雨雪路面为三级，很湿滑；雨路面为四级，较湿滑；干燥路面为五级，不湿滑。以上这些路面状况划分之间有着相对明显的差异同时又不至于太过粗略失去参考价值，故而将其整合成五级，易于有效的为道路管理部门和出行者提供参考。与此同时，在大致相同的条件下空气、水、冰、雪的介电常数都不尽相同，比如同样是在常温常压下，空气的相对介电常数的数约为l，水的相对介电常数约为80，而冰的相对介电常数约为34，雪的相对介电常数约为l2；故而如果我们在路面上嵌入一块形状质地规则、与路面平行表面光滑的半导体材料，同时在该半导体里外侧分别植入导电电极使之接入通电电路，那么当路面（亦即半导体）表面的覆盖物（冰、雪、空气、积水）发生变化时，半导体材料表现出来的阻容特性也会随之改变。由关于电容大小计算的物理公式（2-1） （2-1）可以得知电容的大小取决于介电常数、极板面积s和极板间的距离d。由前述的不同覆盖物的介电常数差异可以知晓，在大致相同条件之下对半导体材料的阻抗特性的检测，可以间接的判断出路面的覆盖物为何，这时再加上对温度的检测，就能相对准确的判断出此时的路面状况进而用于交通管理、出行预警等各方面的应用。另一方面检测频率的高低也会影响介电常数的值：检测频率较低时，冰和水的介电常数相近；而一旦检测频率升高时，水的介电常数大体上保持原状，而冰的介电常数则会迅速减小。此外，温度也会对物质的介电常数和路面湿滑程度产生影响。例如，在冰点时水的相对介电常数大概是879，同时随着温度升高会一定程度上的减小；而冰的介电常数受温度的影响更为明显：温度高于-10时，检测频率升到10kHZ以上时冰的介电常数才会急剧减小，而当温度低于-40时，只要检测频率升到1kHZ以上冰的介电常数就会急剧减小。如图2.1.故而在实际的检测中，只要在知道温度的前提下用不同的检测频率信号对环形电容器进行阻抗检测，就能由阻抗的变化趋势和阻抗值的大小相对精准的判断出路面覆盖物类型亦即路面湿滑状况。图2.11与80纯水的介电常数随检测频率的变化关系2.2项目的总体设计从上面关于路面湿滑指数与气象条件关系乃至路面覆盖物的介电常数差别的介绍，可以看出利用对路面电容器阻抗的测量配合实时温度测量，能够相当程度上完成对路面湿滑程度的检测估量。故而本设计以测量路面等高电容器阻容与温度间接检测路面湿滑程度，并且将湿滑指数分为五级。课题设计的是一种多模块的湿滑路面阻抗检测与发送终端，该系统利用传感器、无线发送模块和ARM控制相结合的技术，包括路况检测模块，无线发送模块、显示与按键模块和主控制模块，当通过显示与按键模块设定完工作参数后，ARM板开始按设定向路况检测模块（路况采集模块包括路面阻抗测量和温度测量，前者需要经过A/D转换，后者则可以与ARM直接相连）、无线发送模块发送工作信号并处理交换由路况检测模块得到的数据，最后达到向目标发送路况湿滑程度信息的要求。图2.2为系统总体框图。以下是各个模块的介绍以及在整个设计中所应起到的作用：主控制模块：控制模块主要有三个功能。一方面,是对数据传输模块送入的数据进行分析处理,按照预设的程式 ,判断出当前路面的状态；另一方面,用于控制对路况检测模块的工作信号的发送，以此控制数据采集频率；最后，将判断出的路面湿滑状况发送到无线发送模块并控制其发送出去。路况检测模块：包含一个接入了与路面等高的环形电容器（内外各有一个金属环作电极，中间为环形的低介电常数材料）的阻抗检测电路和一个测温元件，用于同时测量路面阻抗和温度，并将采集得到的信息传输给主控制模块，用于下一步的分析处理。数据传输模块：包括外加激励电路和模数转換电路,用于对环形电容器阻抗的检测和对结果的模数转换。外加激励电路受主控制模块控制输出方波信号，该信号事先设置好频率和空占比，生成的方波信号加載在路况检测模块的环形电容器内外电极上。环形电容器在激励电路的激励下生成响应信号,所述响应信号交由模数转換电路变換成数字信号,然后再送到主控制模块中的数据处理器,进一步的进行数据分析和处理;无线传输模块：通信模块将主控制模块判断出的路面状态,以字符串的形式发送出去,送达交通部门的处理中心,为行车安全或其他方面的用途提供参考。显示与按键模块：用于初始参数设定和工作信息监测等操作互动。图2.2系统总体框图设计2.2设计流程简介依靠对设计选题以及要求实现功能的分析理解，首先完成了湿滑路面阻抗检测与发送终端的模块功能分配和系统框图的绘制，籍此初步确定了课题总的设计方案和各功能实现的方法。湿滑路面阻抗检测与发送终端的硬件由ARM板、薄膜晶体管液晶显示器、GPRS无线发送模块、温度检测模块、路面阻抗检测模块、数据传输模块等构成。软件由周期、液晶显示驱动、GPRS无线发送驱动、周期性检测、路面湿滑程度判断等软件程序构成。在查阅学习了相关书籍和文献之后，对各个模块的工作机制与数据通讯方法、ARM板上系统的实现方法、系统可视化操作界面的设计等有了更多的了解。故而选用嵌入式Linux作为ARM板上的工作平台，使用QT完成对系统图形化界面的设计和一些判断、设置功能的实现，而对温度模块、无线发送模块的驱动程序则用C语言完成编写，并模块化后加载到嵌入式Linux系统中。最终完成软、硬件的调试，实现预期的湿滑路面检测与发送功能。2.4路面湿滑检测与发送终端的硬件选型2.4.1嵌式系统介绍一般认为，嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专业计算机系统9。其组成部分有四：嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序，以实现对其他设备的控制、管理或监视等的功能。典型的嵌入式系统有基于Inter、ATMEL、Microchip Technology等专用芯片搭设的小系统，在通信设备、仪表仪器以及消费电子领域甚至传统的工业控制计算机上得到了充足的应用发展；另一大类则是广阔应用于各种自动化设备、数字机械产品中的各种使用x86的小型嵌入式工控主板10。嵌入式系统是依靠微处理器、单独的操作系统，去实现比较单一的功能，故而通常情况下不必添加大量的外围设备，因此在体积、功耗上有着优势，能够很好地契合有这方面要求的领域。其次，嵌入式系统的软硬件高度结合，其软件一般固化在存储器芯片或单片机中而非磁盘等载体中，提高了执行速度与系统可靠性；相对的，由于系统资源的限制，嵌入式系统内核比传统的操作系统小得多，系统软件与应用软件没有明显的区分，以此控制系统成本与系统安全11。恰恰是因为嵌入式系统以具体的应用为中心而设计开发，嵌入式系统的市场具有不可垄断性。如今，嵌入式系统已经展现出它强大的竞争性与更新迭代能力，广泛地渗透到航空航天、智能电器、交通、汽车电子、仪器仪表、医疗网络通信、工业控制等各个领域，正在以不同的形式润物细无声改变着人们的生产、生活，已经成为当今计算机领域的一个亮点12。2.4.2Mini2440开发板考虑到本设计需要实现不同模块间的联动工作，以及设计实现时的难易度，本文选用了Mini2440开发板。该开发板具有诸多不同功能的接口，能够满足模块不同的数据通讯方式，同时支持Linux平台来满足软件设计上的要求。Mini2440是一款被Linux社区广泛支持的国产ARM9开发板，支持万能USB摄像头，统一采用支持EABI标准交叉编译器，提供齐全BSP(基于Linux-2.6.29(当前为Linux-)和WindowsCE 5.0/6.0)，全面配有图形界面实用应用程序，完美支持USB烧写更新Linux(support yaffs2)和WindowsCE 5.0/6.0，并且支持整片Nand Flash备份到PC，在国内同类产品中性价比相对较高；其处理器为Samsung S3C2440芯片，同时集成了专CPU内核电源芯片和复位芯片，故而有着稳定的工作性能和较长的持续工作时间。Mini2440作为一款广受欢迎的 ARM9开发板，在国内占据着相当的ARM9用户市场并且能够Linux官方内核，同时其广大的用户数量，积累了相当数量的基于Mini2440的学习资料、经验总结和现成的程序实例供初学者和开发者参考借鉴 13。其外观及硬件资源特性如下：图2.3Mini2440开发板外观及接口布局 Mini2440 开发板硬件资源特性 CPU 处理器-Samsung S3C2440A，主频 400MHz，最高 533Mhz。 FLASH 存储-在板 256M/1GB Nand Flash，掉电非易失（用户可定制 64M/128M/256M/512M/1G）。-在板 2M Nor Flash，掉电非易失，已经安装 BIOS。 SDRAM 内存-在板 64M SDRAM-32bit 数据总线-SDRAM 时钟频率高达 100MHz 接口和资源-1 个 100M 以太网 RJ-45 接口（采用 DM9000 网络芯片）-1 个 USB Host-1 个 USB Slave B 型接口-1 个 SD 卡存储接口-1 路立体声音频输出接口，一路麦克风接口。-1 个 2.0mm 间距 l0 针 JTAG 接口-1 个 PWM 控制蜂鸣器-1 个可调电阻，用于 AD 模数转换测试。-1 个 I2C 总线 AT24C08 芯片，用于 I2C 总线测试。-1 个 2.0mm 间距 20pin 摄像头接口-3 个串行口-4 USER Leds-6 USER buttons（带引出座）-板载实时时钟电池-电源接口（ 5V），带电源开关和指示灯。 扩展接口-1 个 34 pin 2.0mm GPIO 接口-1 个 40pin 2.0mm 系统总线接口 LCD 显示-板上集成 4 线电阻式触摸屏接口，可以直接连接四线电阻触摸屏。-支持黑白、 4 级灰度、 16 级灰度、 256 色、 4096 色 STN 液晶屏，尺寸从 3.5寸到12.1 寸，屏幕分辨率可以达到 1024x768 象素。-支持黑白、 4 级灰度、 16 级灰度、 256色、 64K 色真彩色 TFT 液晶屏，尺寸从 3.5寸到 12.1 寸，屏幕分辨率可以达到 1024x768 象素。-标准配置为统宝 3.5”真彩 LCD，分辨率 240x320，带触摸屏。 系统时钟源-12M 无源晶振 实时时钟-内部实时时钟（带后备锂电池） 规格尺寸- 100x100（ mm） 操作系统支持-Linux+Qtopia-2.2.0+QtE-4.6.1（独创双图形系统共存，无缝切换）-WindowsCE.NET 6.0（ R3）142.4.3嵌入式操作系统LinuxLinux系统在去除掉不必要的扩展部分后，伴随着多功能性和拓展性的降低的是容量的急剧缩小，以此能够固化在容量只有几KB或者几MB字节的存储器芯片或单片机中，为相对单一的功用服务，此既是嵌入式Linux（Embedded Linux）。可以说，嵌入式Linux是标准Linux被删减简化以适应嵌入式需求的版本，在最大程度上保留Linux系统的优点的同时又有着自己独到的优势。以下是嵌入式Linux操作系统相对于传统操作系统的优势：轻量化的规格大概1MB的内存就足够容纳一个功能完备的嵌入式Linux内核，而嵌入式Linux微内核所需的即使算上虚拟内存与全部核心的操作功能也只占大概100KB左右内存 15。因此嵌入式Linux可以说是专门针对嵌入式市场而生的超小型操作系统。开放源代码，无黑箱技术这是一款从诞生起就定义为无偿开源的操作系统，所有人都能从网上或别的渠道无需付费地获取并随意编改其源代码，这一点吸引了世界上无数程序员参与Linux的开发与编写，而布满世界的大量Linux爱好者又成了Linux开发者巨大的后备技术资源库。多用户、多任务一个Linux系统能被多个用户操作使用，而同时每个用户都能被赋予各自不同的权限，保证互不影响的在权限范围内自由发挥；与此类似地，Linux系统同样支持多个程序同时并且独立的运行。充足的网络性能嵌入式Linux继承了Unix以网络为核心的设计思想，在网络方面有着非常完整的内核结构。作为一款类Unix操作系统，它能运行主要的UNIX工具软件、应用程序和网络协议，能够自由地进行登录网页、传送文件等操作，也能够作为服务器为网络上其他用户提供www、 ftp等服务。对于越来越依靠网络的现代嵌入式设备而言，嵌入式Linux无疑是很好的选择。（五）易于开发移植嵌入式Linux操作系统使用的是与传统Linux操作系统同一套的内核代码，只是经过了相对较多的裁剪压缩。因此嵌入式Linux系统大可以先在PC机（Linux系统）上进行编写、试运行，然后再交叉编译后直接移植到相应嵌入式设备上。这样无疑让嵌入式系统的编写开发变得更加方便流畅，省去了相当的工作量。如今，嵌入式Linux已经凭借着自己独特的优良特性，在网络设备、消费类电子、工业控制仪器以及其他领域发挥着自己的作用；依靠着嵌入式Linux这种模块化的实时操作系统，人们在医疗设备、智能家居、交通控制、媒体服务器、GPS导航设备等高端嵌入式产品的开发日新月异蒸蒸日上。2.5 本章小结本章首先介绍了路面湿滑指数与路面阻抗、温度三者之间的关联，这也是本设计完成对路面湿滑程度检测的理论基础，之后则是系统的总体设计方案（包括模块功能划分、整个设计的流程等），最后则是对担任控制终端的ARM板选型以及系统平台的选择，并对它们进行了相应的介绍。第三章 交通灯权限控制系统硬件方案第三章 路面湿滑检测与发送系统硬件设计3.1 路面状况检测模块路面状况检测模块包括两个部分：1.路面阻抗检测电路：依靠环形电容器阻抗特性的变化测试判断路面覆盖物的类型；2.温度传感器：检测路面温度，用作对路面状况的次要判断依据。通过对这两者采集到的数据进行分析综合，控制中枢即可得到相对准确的实时路面湿滑状况。它们的具体硬件设计在接下来将详细介绍。3.1.1 路面阻抗检测电路路面阻抗检测电路包括环形电容器和电容器阻抗检测电路。（1）如下图3.1所示，环形电容器是一个顶端光滑且与路面平齐的柱体：最中央的内芯部分和最外层的部分都为金属电极，且顶端暴露在外的部分被涂上绝缘材料，工作时由此二电极加上激励信号（由控制中枢ARM板控制产生的方波），而夹层部分则是用质地均匀的低介电常数的半导体材料填充。正常工作时，内外的金属电极和会被加上特定频率的方波信号，同时引出响应信号用于对环形电容器阻抗的检测。当低介电常数半导体材料与地面平齐的外露表面覆盖有积水/空气/雪/冰雪/冰等不同物质时，同等条件下，该环形电容器的阻抗特性也会不同，对外加激励的响应信号波形也不尽相同，故而可以以此来判断覆盖物的类型。由此环形电容器，即可将对路面覆盖物的检测转化为对环形电容器阻抗特性的检测。3.1 路面阻抗检测用环形电容器结构示意图（2）电容器阻抗检测电路如下图3.2所示。VCC为在控制中枢（ARM）控制下由数据传输电路产生的特定频率的方波激励信号，R1、R2为定值电阻，串联的Rn与Cn为环形电容器阻抗特性在电路中的等效（Rn在某一温度下视为定值），Vf为环形电容器两端电压，此处电压的变化对应着电容Cn的变化，故而引出作为环形电容器的响应信号。在具体的理论计算中，VCC（方波）经由傅里叶变换化为角频率的正弦量信号Vcc来方便计算。Vcc和Vf的相量分别记作、。由KCL定律（基尔霍夫电流定律）可知阻抗检测电路中各电学量关系如公式（3-1）： （3-1）对于该公式进行整理变形，即可得到公式（3-2）： （3-2）对求解，得到与Cn、的关系表达式（3-3）： （3-3）由此关系式可以得出，在其他条件（、R1、R2等）不变的情况下，仅仅与环形电容器电容Cn有关，只要检测就能得到Cn的大小。而对于某些特定频率、温度下检测的阻抗特性相近的路面状况，只要调整外加激励信号的频率同时配合对温度的测量，就能将它们区分开来（不同覆盖物的状态下Cn的随激励信号频率增大的变化趋势也不同）。3.2电容器阻抗检测电路3.1.2 温度传感器DHTll是由高性能8位单片机统合电阻式感湿元件和NTC测温元件组成的温湿度复合传感器，采用单总线串行的方式通信并且是数字信号输出（感湿元件和测温元件得到的模拟量已由单片机模数转换），因此该传感器与系统的连接简洁明了，使用相对友好无需添加较多中间环节。由于使用了针对性的数字信号采集和温湿度检测方法，DHT11有着很好的工作稳定性和精确性。与此同时DHT11的功耗相当低，而数字信号输出的传输形式使得其传输距离能到20 rfl以上。DHTll的优点有：体积小、数字信号输出、 简单的单总线控制方式、功耗低、超快响应、控制简单、性价比高成本低、长期稳定、抗干扰能力强、超长的信号传输距离、简洁的电路连接、精确校准等，这些独特的优点使DHTll拥有良好的应用前景，能够广泛地于各个领域发挥自己的作用。其外观及基本指标如下：图3.1DHT11温湿度传感器外观温湿度复合传感器；全量程标定校准，单线数字输出；相对湿度测量范围：20RH90RH摄氏温度测量范围：050相对湿度测量精度：4RH5RH摄氏温度测量精度：12响应时间 5 S；供 电： DC 3.35.5V供电电流： 测量 0.3mA 待机 60A采样周期： 每次大于2秒16系统周期性读取DHT11传感器时，只要两次读取的时间间隔在 5 秒以上就能够得到准确的数据。其数据格式为：8位湿度整数数据+8位湿度小数数据+8位温度整数数据+8位温度小数数据+8位校验（皆是2进制数据）。其中校验是其他四类数据的和的后八位，通常情况之下只有整数数据位和校验被使用，小数数据为被闲置（0000 0000）。它使得相关的设计变得简单快捷，对温湿度测量过程的调控变得方便容易实现，在保证传输数据可靠的同时使电路简化，成本降低且具有较好的扩展性。图3.2DHT11温湿度传感器连接电路图3.2数据传输模块 数据传输模块包括两个部分：外加激励电路和模数转換电路。外加激励电路在系统的作用为依靠ARM控制中枢的控制产生一定频率的方波信号并提供足够的功率；而模数转换电路则是用于将路面阻抗检测电路反馈的响应模拟信号转化为数字信号，从而送交给ARM控制中枢进行下一步处理。3.2.1外加激励电路外加激励电路本身并不产生方波，而是将ARM控制中枢的GPB0端口PWN控制输出的方波信号进行功率放大，然后加载到路面状况检测模块的环形电容器两极上。其电路如图3.3所示，由以下元件构成：光耦KPC357NT、定值电阻R1，R2，R3、定值电容C1、外接直流5V电压源VCC。光耦全称光电隔离器或光电耦合器，是一种以光为媒介传导电信号的元件。电路中输入的方波信号所产生的电流驱动光耦元件中的发光二极管发光，而光耦中的光探测器接收到光信号后会产生光电流，从而完成了输入、输出的隔离，可用于下一步的功率放大。整个过程完成了光-电-光的转换，完全单向，故而不必担心负载电流过大烧坏控制中枢芯片。R1、R2为限流电阻；R3为分压电阻，当光探测器接收到光信号增强时光电流增大，R3分出的电压也随着线性增大；C1为微小电容，起到一定的滤出杂波作用，可使波形消除毛刺；Vout即R3两端的电压，随光电流线性增大，因为传递的信号为方波（数字信号），故而对光耦的线性程度要求不高，引出即可作为外加激励信号加在路面状况检测模块的环形电容器两极上。图3.3外加激励电路3.2.2模数转换电路由与Cn、的关系表达式（3-3）可以推断，在外加激励信号（方波）的激励下，环形电容器所产生的响应信号应为锯齿波。且覆盖物的介电常数越大，环形电容器的电容Cn越大，产生的响应信号曲线越接近于平滑。其差别如图3.4、图3.5所示。图3.4积水条件下环形电容器响应信号图3.5 干燥条件下环形电容器响应信号故而在实际的测量中，我们可以先接上一个电容很大的电解电容使响应信号曲线基本趋于平滑，然后就能进行D/A转换，将其转换为数字量送入ARM控制中枢进行下一步的处理。模数转换电路设计如图3.6所示。3.3 GPRS无线发送模块GPRS(General Packet Radio Service)中文全称为“通用分组无线业务”，是一种分组数据承载与传输业务，