（信号与信息处理专业论文）基于arm的高速公路自动收费监控系统设计.pdf

哈尔滨理下大学t 学硕j 二学位论文 基于a r m 的高速公路自动收费监控系统设计 摘要 2 l 世纪，人们将切身体会到公路交通智能化带来的便利。与一般交通 系统相比，智能交通系统是一种先进的区域交通一体化的综合管理系统。依 靠这个系统，管理人员对道路和车辆的行踪时刻保持监控。而汽车牌照自动 识别技术是智能交通系统之核心，为目前交通部门非常重视的科研项目之 一。 车牌识别是一融合数字图像处理、计算机视觉及模式识别等多学科的技 术。它在交通监管和控制中占有极其重要的地位，正将成为当前交通工程领 域罩研究的一大重点。该项技术应用广泛，例如高速公路自动收费系统的逃 费抓拍系统等中的应用。显然，不管是车牌识别速度还是车牌识别正确率， 车牌识别这项技术在当今已经比较成熟。但是围绕这一技术的硬件和软件的 构建却迟迟跟不上，这已经成为许多应用领域的一大瓶颈。为此，本文设计 并实现了以$ 3 c 2 4 4 0 嵌入式处理器为硬件平台和以l i n u x 为嵌入式操作系 统的自动抓拍系统，提供了一种实用且性价比高的车牌自动识别解决方案。 论文首先阐述了视频监控系统的发展现状、发展趋势。在给出了系统设 计的总体架构后，首先分析了硬件设计。系统采用了s a m s u n g 公司生产的 $ 3 c 2 4 4 0 芯片作为嵌入式处理器，再结合系统所需的外围硬件构成基本硬件 电路。主要包括三大部分：处理器和存储器部分；电源时钟复位电路部分； 外围接口电路部分。在对各部分硬件进行详细设计后，接下来详细介绍了嵌 入式软件平台的构建，包括如何移植l i n u x 操作系统；基于嵌入式l i n u x 下 u s b 接口摄像头视频设备采集；移植h 2 6 4 视频压缩库和视频传输程序的 编写以及车牌自动识别子系统的设计。为了增强实时性，减少原始帧的丢 失，本文采用多线程编码机制与多缓冲区交替采集的方案，从而比较好的解 决了图像采集与视频编码的同步问题。 关键词嵌入式系统；三值化；车牌识别；多线程；a r m 哈尔滨理工人学t 学硕士学位论文 t h e d e s i g no fh i g h w a y a u t o m a t i o ne l e c t r o n i ct o l l c o l l e c t i o nm o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do na r m a b s t r a c t i n21s tc e n t u r y , p e o p l ew i l lr e a l l ya p p r e c i a t et h ec o n v e n i e n c eo fi n t e l l i g e n t t r a n s p o r t a t i o ns y s t e m c o m p a r e d w i t ht h et r a d i t i o n a l t r a n s p o r ts y s t e m ， i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e mi sa na d v a n c e di n t e g r a t e dm a n a g e m e n to f i n t e g r a t e dr e g i o n a lt r a n s p o r ts y s t e m i n t h i s s y s t e m ，m a n a g e r s c a nk e e p m o n i t o r i n gv e h i c l e sa n dr o a d s t h ev e h i c l el i c e n s ep l a t ea u t o m a t i cr e c o g n i t i o n t e c h n o l o g yi st h ec o r eo fi n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s i ti so n eo ft h ev e r y i m p o r t a n ts c i e n t i f i cr e s e a r c hp r o j e c t sa t t a c h eg r e a ti m p o r t a n c et ot h et r a n s p o r t s e c t o f f l i c e n s ep l a t er e c o g n i t i o ni st h ec o m b i n a t i o no fd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g ， c o m p u t e rv i s i o n ，p a t t e mr e c o g n i t i o nt e c h n o l o g ya n do t h e rs u b j e c t s i nt r a f f i c r e g u l a t i o na n dc o n t r o li to c c u p i e sa l le x t r e m e l yi m p o r t a n tp o s i t i o n i th a sb e c o m e ar e s e a r c hf o c u sa n dh o ts p o ti nt h ef i e l do fm o d e mt r a f f i c e n g i n e e r i n g t h e t e c h n o l o g yi sw i d e l yu s e d ，s u c h a se l e c t r o n i ct o l lc o l l e c t i o n o b v i o u s l y , r e g a r d l e s so fs p e e do ra c c u r a c y , t h el i c e n s ep l a t er e c o g n i t i o nh a sb e e n t h em a t u r e t e c h n o l o g yc u r r e n t l y h o w e v e r , t h ec o n s t r u c t i o no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r o u n d t h i st e c h n o l o g yh a sb e e nd i f f i c u l tt ok e e pu p ，i th a sb e c o m eam a j o rb o t t l e n e c ki n m a n ya p p l i c a t i o n s s oi nt h ed i s s e r t a t i o n ，a u t o m a t i c a l l yc a p t u r es y s t e mw i t ht h e $ 3 c 2 4 4 0p r o c e s s o rh a r d w a r ep l a t f o r ma n de m b e d d e dl i n u x e m b e d d e do p e r a t i n g s y s t e mh a db e e nd e s i g n e da n da c h i e v e d ip r o v i d e sap r a c t i c a la n dc o s t e f f e c t i v e l i c e n s ep l a t er e c o g n i t i o ns o l u t i o n s i nt h i sd i s s e r t a t i o nt h ev i d e om o n i t o r i n gs y s t e md e v e l o p m e n ts t a t u sa n d t r e n d sw a sf i r s t l ye x p l o r e d a f t e rs h o w i n gt h eo v e r a l la r c h i t e c t u r eo ft h es y s t e m d e s i g n ，ia n a l y z e dt h eh a r d w a r ed e s i g n t h i ss y s t e mu s e sas a m s u n gc o m p a n y s $ 3c 2 4 4 0a st h ee m b e d d e dp r o c e s s o r s ，w i t ht h ep e r i p h e r a lh a r d w a r ec i r c u i ta st h e b a s i ch a r d w a r e m a i n l yi n c l u d e st h r e ep a r t s ，p r o c e s s o ra n dm e m o r y , p o w e rc l o c k i i 哈尔滨理t 大学工学硕j j 学位论文 r e s e tc i r c u i t ，p e r i p h e r a li n t e r f a c ec i r c u i t a f t e rt h ed e t a i l e dd e s i g n m e n to fe a c h p a r to ft h eh a r d w a r e ，d e t a i l e dd e s c r i p t e dt h ec o n s t r u c t i o no fe m b e d d e ds o f t w a r e p l a t f o r m ，i n c l u d i n gh o wt ot r a n s p l a n t l i n u xo p e r a t i n gs y s t e m ，c a m e r av i d e o c a p t u r et h r o u g hu s bi n t e r f a c eb a s e do ne m b e d d e dl i n u x ，t h et r a n s p l a n t a t i o no f h 2 6 4v i d e oc o m p r e s s i o nl i b r a r y , t h ep r e p a r a t i o no ft h ev i d e ot r a n s f e rp r o g r a m a n dt h ed e s i g n m e n to fl i c e n s ep l a t er e c o g n i t i o n i no r d e rt oe n h a n c er e a l t i m e , r e d u c et h el o s so ft h eo r i g i n a lf r a m e ，t h i sd i s s e r t a t i o nu s e st h ep r o g r a mo fm u l t i t h r e a d e dc o d i n gs c h e m ea n dm u l t i b u f f e ra l t e r n a t ec a p t u r e t h e ni ti sab e t t e r s o l u t i o nf o rs y n c h r o n i z a t i o no f i m a g ea c q u i s i t i o na n do fv i d e oc o d i n g k e y w o r d se m b e d d e ds y s t e m ，t h r e s h o l d ，l i c e n s ep l a t er e c o g n i t i o n ，m u l t i t h r e - a d i n g ，a r m i i i 哈尔滨理工人学下学顾一l 学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 随着社会的不断发展和科技的飞快进步，传统的交通系统，特别是公路交 通系统，已经很难满足人们的需求。安全、高效、便捷已成为现代交通系统的 发展趋势。智能交通系统( i t s ) 就是在这样一种需求和趋势下发展成形的， 它是将数据通讯技术、电子传感与控制技术、计算机技术等有效集成运用于整 个交通运输管理体系，而建立起的一种在大范围内、全方位发挥作用的，实 时、准确、高效的综合运输和管理系统【”1 。伴随智能交通设备逐渐进入社会生 活，它正极大地提高人们的生活质量，促进经济的发展，提高社会生产力。 智能交通系统是一项非常综合性的技术，不但包括装备在汽车内的车载技 术，使车辆智能化，而且包括对车辆及车队进行控制、管理、协助、指导、警 示的技术【4 。l ，如城市交通状况的视频监控、路口闯红灯抓拍、城市交通调度 及高速公路不停车电子收费中的违章抓拍等。它能使交通基础设施发挥出最大 的效能，提高服务质量；同时使社会能够高效地使用交通设施和能源，从而获 得巨大的社会经济效益。它不但可以解决交通的拥堵，而且对交通安全、交通 事故的处理与救援、客货运输管理、道路收费系统等方面都会产生巨大的影 响。主要表现在：( 1 ) 增加交通的机动性，提高运营效率；提高道路网的通行能 力，提高设施效率。( 2 ) 提高交通的安全水平，降低事故的可能性，避免事故： 减轻事故的损害程度；防止事故后灾难的扩大。( 3 ) 减轻堵塞，实现低公害化， 降低汽车运输对环境的影响。 车牌识别( l i c e n s ep l a t er e c o g n i t i o n ，简称l p r ) 技术作为交通管理自动化的 重要手段，其任务是在装备了数字摄像设备和计算机信息管理系统等软硬件平 台的基础上分析、处理汽车监控图像，自动识别汽车牌号，并进行相关智能化 数据管理。作为i t s 的一个重要组成部分，车辆牌照的识别速度与准确率在交 通管理、治安处罚等工作中的效率起着极其重要的作用。早在上个世纪9 0 年 代相关研究人员就开始进行汽车牌照自动识别这一技术的研究。其主要途径是 采用计算机图象处理技术对车牌的图象进行分析，自动提取车牌信息，确定汽 车牌号。在车牌识别过程中，有人使用模糊数学理论判别车牌在图象中的位置 和字符，也用神经元网络的算法识别车牌中的字符。原有算法概括一句话就是 哈尔滨理- t 人学下学硕士学位论文 一个比一个好。随着图像越来越复杂，新的算法总能找到图像的差异所在，总 能在原有基础上做到些改进，问题是算法在不断改进，而车牌识别率却没有 得到大的提高这是因为，算法的基础是颜色、灰度、二值化。图像越来越复 杂，是说中间“狄”或图像“扶 像素越来越多，就此要找到一个恰当的阈 值，使这些中间“灰 或图像“灰 像素都分类正确是不容易的，相反可能会 更多地被分类错。一旦中间“灰 或图像“灰”像素被分类错就呈现为干扰。 原有算法没有关注这些最基本的问题，而是想方设法去解决这些基本问题的表 现形式：干扰。结果是算法的鲁棒性越来越差。 时下，我国许多地区的高速公路实行了联网。高速公路监控系统作为收费 系统的重要组成部分，对处理突发事件、确保通行费征收起到了有效的监督管 理作用。但在运行中，目前主要存在的不足有：首先，与车牌识别相对应的软 硬件系统应继续完善；其次，车牌自动识别准确率应提高；最后，各收费计算 机之间应实行资源共享。 在现存的视频监控系统中，有基于a r m 平台的，还有基于d s p 平台的， 这些系统都较好的实现了其功能。本设计采用了性能较优的a r m 9 处理器， 以满足处理速度和数据存储的要求。本系统在基于a r m 和l i n u x 的环境下， 采用了软件压缩与a r m 相结合，在u s b 数字摄像头下实现视频图像的采集、 压缩与传输。通过本系统，我们可以实时监控高速公路自动收费系统，汽车一 旦出现逃费这一状况，系统即可实时发现并报警，实现联网通报逃费信息，可 以高效率的追回过路费，具有很高的经济效益。 1 2 视频监控技术现状 视频监控技术已经从原来的模拟化飞速发展到了数字化、网络化。当前视 频监控及自动识别j 下逐步由模拟化走向数字化，并且向着系统的网络化和管理 智能化方向不断发展m 】。纵观其发展过程，视频监控这一技术发展到今可以分 为三个发展阶段：模拟视频监控到数字化化再到网络化阶段 9 1 。 第一阶段的模拟监视系统是最早发展起来的视频监控系统，大致包括摄像 机、录像机以及监视器等，它们之间是通过电缆视频线连接。系统是以模拟方 式传输，只能传输很短的距离，监控的范围很有限，且只能在控制中心查看监 控的图像。虽然这种监控系统的图像质量不好，控制功能也少，但其直观方 便，成本也低，一直到目前仍有一定的市场。第二阶段的数字监控系统称得上 是计算机发展的产物，它是利用计算机高效的数据处理能力采集与处理视频。 哈尔滨理t 大学工学硕i ：学位论文 和传统的模拟视频监控系统相比，该系统最明显的优点是可以充分挖掘计算机 的能力去处理图像进而对整个系统实现智能化。不管是图像的质量还是保存时 间以及可靠性等都有大大的改进，这种系统已经成为现在视频监控系统的主 流。但是数字监控系统设计的出发点还是基于传统模式，不是针对p c 机的。 通信协议的多样化与专用性在现有的技术还不能得到统一，导致现有的计算机 资源很难能满足众多设备的要求。此外，一台p c 机同时处理图像等数据的速 度有限，这样，网络化的多媒体视频监控系统就诞生了。网络多媒体监控技术 是伴随网络技术、微处理器技术发展起来的。该系统是一种以网络视频服务器 为特征的远程视频监控系统，很好地改进了视频流在网络中的传输问题，图像 采集到开始数字化处理中的传输，可以选择电话线、光纤、无线传输、d d n 、 v s a t 卫星线路等方式传输，从而在传输线路选择中富有多样性l l o l 。 1 3 视频监控技术的发展趋势 监控终端一体化、传输的视频数字化、监控网络化以及管理智能化是视频 监控系统未来发展方向一2 1 。网络化的前提是要数字化，所以视频监控的未来 发展趋势将会是数字化、网络化以及智能化。 数字化技术引导了一场领域广泛的产品革命，是以电子信息技术为代表的 高新技术发展的必然，伴随着时代的发展需求，各种数字产品层出不穷。数字 化就是把模拟形式的数据转化为计算机能执行的数字形式。传统的模拟视频监 控技术是以摄像机技术为基础的闭录电视系统，数字化视频监控将彻底改变模 拟视频监控的结构。在视频监控系统中，从数据采集、传输、处理等过程的结 构形式和方式都将得到根本上的改变。 依靠计算机网络技术的监控系统，在传统的模拟闭路监控系统的基础上， 结合数字视频的压缩、传输、播放和存储等一系列技术发展起来的视频监控系 统。该全新的系统采用的硬件软件设计理念均趋向标准化和模块化，使得系统 设备的配置具有了良好的开放性、可扩展性。系统网络化将有利于整个网络系 统硬件和软件资源的共享，以及任务和负载的共享。 随着社会的发展，监控系统的规模扩大，依靠人员去值守的监控系统将被 淘汰，这样，智能化将越来越多被引入监控系统。即将采用以p c 上位机为控 制中心，结合图像处理技术以及智能控制技术等来实现对现场智能化监测。结 合这些智能化的控制对事件的分析、处理、统计，实现对视频监控的智能化管 理。 一3 一 哈尔滨理工人学丁学硕 ：学位论文 1 4 本论文的主要研究内容 本文主要包括一下几方面的内容： 1 绪论，介绍本课题研究背景及视频监测系统的发展状况，并对本课题中 用到的车牌自动识别系统做了简单的介绍。 2 介绍了本系统的硬件和软件环境的搭建。 3 应用软件的设计，介绍了基于v 4 l 的u s b 数字摄像头的视频采集、 h 2 6 4 压缩算法在本系统中移植与优化、以及视频传输协议的选择与传输程序 设计。 4 l p r 系统是本系统的重要组成部分。对l p r 中的传统二值化带来的问 题给予了改进，提出了从r g b 空间转换到y b 空间，结合我国车牌特点对车 牌进行三值化，研究了在多种复杂环境下车牌识别算法的改进措施。 一4 一 哈尔滨理工人学丁学硕：l ：学位论文 第2 章抓拍系统开发环境的构建 本文所设计的监控系统按功能可划分为嵌入式主控模块、视频采集模块、 网络传输模块、车牌自动识别模块等四大部分。图2 1 为本系统的系统框架 图： 1 u s b 数字摄像头采集图像数据； 2 采集传输应用程序通过摄像头驱动从摄像头获取到采集的图像数据； 3 采集传输应用程序调用h 2 6 4 编码库对图像数据进行压缩； 4 采集传输应用程序将压缩后的图像数据通过网络传输给w i n d o w sp c 上 的显示程序； 5 w i n d o w s 上的显示程序对图像数据进行解码并显示； 6 车牌识别模块对视频进行车牌识别比对。 图2 - 1 软件架构图 f i g 2 - 1a r c h i t e c t u r ed i a g r a mo fs o f t w a r e 本系统的嵌入式主控模块是基于s a m s u n g 公司生产的$ 3 c 2 4 4 0 这款处理 器，主要作用是实现对各模块数据的响应、处理以及控制。在硬件上，主控模 块包括电源、时钟、复位电路、存储模块、以太网接口电路等。在软件上，主 控模块上运行嵌入式l i n u x 操作系统，管理各应用程序模块进程并调度各进 程。 。 哈尔滨理t 大学工学硕l ：学位论文 2 1 抓拍系统的硬件平台设计 系统总体分为现场违章车辆的视频采集和车牌识别子系统。车牌识别子系 统运行于后台控制中心，它实时接收并显示抓拍到的车辆图像数据，并在车牌 自动识别软件模块下得到处理。 本系统的核心处理器为三星公司的$ 3 c 2 4 4 0 ，外扩6 4 m 的s d r a m 存储 器以及6 4 m 的f l a s h 存储器，外围接口电路模块：包括u s b 接口电路，以 太网网卡d m 9 0 0 0 接口电路以及网眼3 0 0 0 的数字摄像头等。本系统的硬件结 构如图2 2 所示。 图2 - 2 系统硬件架构图 f i g 2 - 2t h e h a r d w a r ea r c h i t e c t u r ed i a g r a mo ft h es y s t e m 2 1 1 电源、时钟和复位电路模块设计 系统各部分硬件要求提供1 8 v 和3 v 的电压。其中$ 3 c 2 4 4 0 处理器内核 需要提供1 8 v 电源，n a n d f l a s h 、s d r a m 及d m 9 0 0 0 等芯片需要提供3 v 电 源【b 】，所以本系统采用了l m i l l 7 3 3 和l m l l l 7 1 8 电压转换芯片设计稳压电 源，得到1 8 v 和3 3 v 的所需电压。u s b 控制器需要提供5 v 的电源。本文采 用了5 v 直流电压供电。1 8 v 和3 3 v 电压是通过图2 3 得到。 图中的l m l l l 7 是一个低压差电压调节器系列。其压差在1 2 v 输出，负 载电流为8 0 0 m a 时为1 2 v 。l m l l l 7 有5 个固定电压输出( 1 8 v 、2 5 v 、 2 8 5 v 、3 3 v 和5 v ) 的型号。根据本系统的需要，这里选用了电压输出为1 8 v 和3 3 v 的两型号。 一6 一 v d d 5 v u 4 l l 讧l l l 7 - 3 3v d d 3 3 v v d d 5 v u 1 4 l m l l1 7 1 8 vv d d l 8 v 图2 - 3 系统电源电路图 f i g 2 3p o w e rs y s t e mc i r c u i td i a g r a m w e r 时钟电路为c p u 和其它外围电路提供精准的工作时钟，按照电路中设计 使用的元件特性分为有源和无源晶振，在本系统的设计电路中采用的是无源晶 振。a r m 芯片均提供时钟发生电路，结合一定的辅助电路的配合就可以得到 所需要的时钟信号。基于a r m 9 的这款$ 3 c 2 4 4 0 芯片的时钟控制逻辑可以产 生为c p u 核供给时钟信号的f c l k 、为a h b 总线供给时钟信号的h c l k 、为 a p b 总线供给时钟信号的p c l k 。系统外接晶振如图2 - 4 所示。 图2 _ 4 时钟电路原理图 f i g 2 4c l o c kc i r c u i ts c h e m a t i c 一7 一 哈尔滨理下大学工学硕j ：学位论文 本系统复位电路主要完成两个功能：抓拍上电复位和系统运行时用户自行 按键复位功能。复位系统功能是否稳定将直接关系到系统各个单元是否可以进 入正常工作状态。经过复位，处理器c p u ，还有系统的外围部件都将重新回到 初始状态，系统又从此位置开始运行。复位电路常用简单的r c 电路和复位芯 片电路。本系统采用相对简单且功能比较稳定的复位电路，如图2 5 所示。电 路使用了m a x i m 公司的复位芯片m a x 8 1 1 l 引，此电路可以实现手动复位和上 电复位。引脚3 接手动复位按键及微处理器的供电电源v c c ，当引脚3 的电 压值低于已设定的m a x 8 1 1 的门限阈值时，m a x 8 1 l 内部的定时器将复位到 0 ，输出端持续输出低电平。在引脚3 电压值高于门限阈值时，触发内部定时 器开始计时，定时器溢出时，芯片输出端值变为高电平。 v d d 3 3u 9 图2 5 复位电路 f i g 2 - 5r e s e tc i r c u i t m a x 8 1 1 的复位门限有5 种选择，如表2 1 所示，这里选用了后缀为t ， 即选择了门限值为3 0 8 v 。当电压低于3 0 8 v 时，系统将产生复位动作。 表2 1m a x 8 1 1 的复位门限值 t a b l e2 - lt h er e s e tt h r e s h o l do fm a x 81 1 后缀电压( v ) l4 6 3 m4 3 8 _ t3 0 8 s2 9 3 r2 6 3 哈尔滨理工人学工学硕十学位论文 2 1 2 外部存储器的扩展 s 3 c 2 4 4 0 微处理器存储空间仅有3 2 m ，应用于本系统，需要外扩存储器。 本设计采用两片三星公司的h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 来扩展6 4 m 的s d r a m 。它们均是 4 m * 1 6 b i t * 4 b a n k 的s d r a m 芯片，这样，两片s d r a m 实现了位扩展，数据 总线达到了3 2 b i t ，构成6 4 m 寻址空间。图2 - 6 是s d r a m 和$ 3 c 2 4 4 0 的接口 电路图： 图2 - 6s d r a m 存储系统电路图 f i g 2 - 6s d r a ms t o r a g es y s t e ms c h e m a t i c 常见的f l a s h 扩展有两种：n a n d f l a s h 和n o r f l a s h ，在选择n a n d f l a s h 和 n o r f l a s h 时一般要基于以下几点进行选择：读速度，n o r f l a s h 比n a n d f l a s h 稍 快一些；写入速度，n a n d f l a s h 的比n o r f l a s h 快很多；擦除速度，n a n d f l a s h 的4 m s 远比n o r f l a s h 的5 s 快；在写入操作前需要先进行擦除操作；相对 n o r f l a s h ，n a n d f l a s h 有更小的擦除单元，更少的擦除电路。 比较两者的特性，可以看出，n a n d f l a s h 较适合大规模数据的存储。因此 本监控系统使用一片6 4 m 、8 位数据宽度的k 9 f 1 2 0 8 t ”】的n a n d f l a s h ，用作存 储启动的b o o t l o a d e r 、操作系统的内核代码以及应用程序代码。图2 7 是 s 3 c 2 4 4 0 与n a n d f l a s h 的接口图。 一9 一 哈尔滨理工大学下学硕士学位论文 s 3 c 2 4 4 0 m ”mf l a s h k 9 f 1 2 0 8 d a l r a 7 ：o 删纠 7 ：0 1 r n br d y b n f c ec e n 朋e盹 a l ea l e c l ec l e i i f 髓 r e 图2 - 7s 3 c 2 4 4 0 的存储器扩展框图 f i g 。2 - 7d i a g r a mo f m e m o r ye x p a n s i o no f $ 3 c 2 4 4 0 表2 2 为k 9 f 1 2 0 8 管脚功能说明，从说明中我们可以很清楚地知道各引脚 和$ 3 c 2 4 4 0 芯片的连接及控制功能。 ， 表2 - 2k 9 f 1 2 0 8 管脚定义 m l b l e2 2p i nd e f i n i t i o no fk 9 f12 0 8 管脚功能 ” 数据输入输出口。用于输入命令、地址和数据，并在r e a d 操作中 i 0 0 i 0 7 输出数据。当芯片被取消片选货输出非能时，这毖管脚为高阻状态 命令锁存使能，输入口。当为高电平时，命令在w e 信号的上升 c l e 沿由i o 口锁入命令寄存器 地址锁存使能，输入口。当为高电平时，地址在w e 信号的上升 a l e 沿锁入地址寄存器 c e片选，输入口。当设备处于忙状态时，c e 的高电平将被忽略 瓜e读使能，输入口 、v e写使能，输入口 2 1 3 外围接口电路设计 $ 3 c 2 4 4 0 内部集成了2 个u s bh o s t 和一个u s bd e v i c e 接口。，u s b 的分时 处理机制实现了外设的即插即用。在u s b 接口电路中的d + 、d 均为数据输入 端。u s b 接口中其它两根线接电源和地，设计电路中用到的电感、电阻、电容 主要起滤波作用。其中还用到了起限流作用的电阻，主要是在短路时防止烧毁 供电电路。在选择限流电阻时要注意，限流电阻如果选择过大或者在通电状态 哈尔滨理工大学t 学硕j ：学位论文 下限流电阻增大，均会导致u s b 的供电电压下降，从而将带来不能认出u s b 设备的问题。如图2 8 是u s b 接口电路。 r 2 7l5 k 图2 8u s b 接口电路 抓拍系统将抓拍到的图像数据通过以太网传输到p c 机客户端，管理人员 通过网络实时监测违章车辆。 由于微处理器$ 3 c 2 4 4 0 内部没有集成网络控制器，应本系统网络的需求， 这里使用d m 9 0 0 0 网卡芯片进行扩展。d m 9 0 0 0 快速以太网控制处理器是 d a v i c o m 公司推出的，合成了m m u 、m a c 和p h y 。该款处理器配备了标 准i o m 1 0 0 m 自适应，全双工工作，4 路多功能g p i o ，1 6 k 大容量的f i f o ， 掉电模式等功能f 1 6 1 。图2 - 9 为d m 9 0 0 0 与$ 3 c 2 4 4 0 的连接示意图。 l d a t a 1 5 ：0 ls d 0 5 ：0 l d d i uc m d 3n w a i ti o w a r r 呈r x r x l 荩 n c i ， 丧 盒l n o e i o 蹦量r x 十 阱 慧 o o j t x t x o l n w r e i o w 撑 l a g c s 4 a e n 僻t x o + e 心n 7l n t n i 砸s e tpw - r s t # 图2 - 9 以太网接口电路 f i g 2 - 9e t h e m e ti n t e r f a c e 本设计采用了1 6 位的连接模式。因为d m 9 0 0 0 没有专用的地址线，是通 哈尔滨理下人学+ 丁学顶一i ：学位论文 过地址线与数据线复用来实现。其中的c m d 是命令类型控制信号，如果 c m d 为高，传送的为数据；如果c m d 为低，传送就是地址。其中a e n 是地 址使能信号线，即d m 9 0 0 0 的片选信号线，通过把l n g c s 4 设置为低电平控制 选通d m 9 0 0 0 。中断信号线i n t 占用$ 3 c 2 4 4 0 的7 号中断，使得$ 3 c 2 4 4 0 可 以响应d m 9 0 0 0 的中断。d m 9 0 0 0 与网络之间的连接由发送信号线t x + 、t x 一 和接受信号线砌( + 、r x 通过隔离变压器e 2 0 2 3 与以太网水晶接口r j 4 5 相 连。其中隔离变压器的最主要的作用是将嵌入式系统和外部线路相隔离，防止 干扰以及烧坏元器件，并实现带电插拔功能。 2 2 终端系统软件平台的构建 2 2 1 交叉编译环境的建立 ， 因为在嵌入式系统开发时，不可能有足够的资源提供给开发系统直接运行 开发工具以及调试工具等。通常，嵌入式系统软件开发是采用一种交叉编译调 试的方式进行开发f i 刀。开发时，先使用宿主机上的一些交叉编译、汇编和链接 工具等形成只能在目标板上执行的可执行代码。这里宿主机是安装有r e d h a t l i n u x9 0 虚拟机的p c 机，目标板就是上面构建的硬件。交叉编译工具从 ( h t t p ：g c e g n u o r g ) 上找到，下面是如n l i n u x 4 3 2 工具链的安装过程；t a rz x v f a r n l 1 i n u x g e e 4 3 2 t g z c ( 将工具链放在u s r l o e a l 目录下，解压完成后 u s r l o c a l 目录会增加a i m 子目录，该目录就是工具链的安装目录) 。 为了使整个文件系统下都可以使用交叉编译命令，这里将目录 u s r l o c a l a r m 4 3 2 佑i n 添加到环境变量p a t h 中，只需要在r o o t b a s h r c 文件中 添加如下代码：e x p o r t p a t h = $ p a t h ：u s r l o c a l a r m 4 3 2 b i n 。 为使修改的p a t h 生效，重启终端，在终端输入a n t i ，再用t a b 键补 全，弹出很多相关工具信息，说明安装成功。 2 2 2b o o t l o a d e r 的移植 在交叉工具安装完成以后，需要移植嵌入式操作系统，它为应用程序的开 发提供良好的软件平台。嵌入式l i n u x 系统从上电到运行用户的应用程序，一 般要经历三个过程：一是加载b o o t l o a d e r ；二是启动l i n u x ；三是挂载根文件系 统1 1 8 2 0 】。为了使整个系统顺利运行，接下来做下面三方面的工作：b o o t l o a d e r 移植；制作根文件系统；裁剪内核。下面详细介绍b o o t l o a d e r 的移植： 哈尔滨理t 大学工学硕：卜学位论文 在基于a r m 的嵌入式系统中，当进行上电或复位操作时，执行的第一段 程序就是b o o t l o a d e r 。它主要是初始化硬件、建立内存地址映射表，建立合适 的系统硬件环境，也为最后调用操作系统的内核做好充分的准剖1 6 _ 7 】。 在嵌入式开发中，没有一个标准的b o o t l o a d e r ，因为它是依赖于实际的硬 件和应用环境。下面根据本系统的硬件修改通用的u b o o t 。u b o o t 分为两个 阶段：s t a g e l 汇编部分和s t a g e 2c 语言部分。 s t a g e l 阶段的移植： 1 选择移植参考开发板：首先选择m c u 相同的开发板，在u b o o t 2 0 0 8 1 0 中不支持m c u 为$ 3 c 2 4 4 0 芯片的开发板，如果m c u 没有找到参考开发板， 则选择m p u 相同的作为参考，$ 3 c 2 4 4 0 的m p u 为a r m 9 2 0 t ，u b o o t 一2 0 0 8 1 0 中s m d k 2 4 1 0 开发板其m p u 也为a r m 9 2 0 t ，故选择s m d k 2 4 1 0 作为参考开发 板。 2 在顶层m a k e f i l e 中添加新的配置选项，使用s m d k 2 4 1 0 已有的配置项目 为起点。 3 修改c p u a r m 9 2 0 t s t a r t s ：修改编译条件使其支持$ 3 c 2 4 4 0 在j f i i fd e f i n e d ( c o n f i gs 3 c 2 4 0 0 ) l l d e f i n e d ( c o n f i g $ 3 c 2 4 1 0 ) 的后面添加。i d e f i n e ( c o n f i g $ 3 c 2 4 4 0 ) 、添加寄存器的定义、修改中断禁止和对时钟的设置( $ 3 c 2 4 4 0 主频设置为4 0 5 m h z ) 。 4 在c p u a r m 9 2 0 t s 3 c 2 4 x 0 目录下的文件i n t e r r u p t s c 、s p e e d c 等添加对 $ 3 c 2 4 4 0 的支持及对分频的设置做些修改。 5 选择板级配置：# m a k em z y 2 4 4 0，即选择的是。config b o a r d m z y 2 4 4 0 6 编译u b o o t ：# m a k ec r o s sc o m p i l e = a r m 。l i n u x ，编译成功后会产生 u b o o t b i n 文件，它将被自动复制到当前主目录。 图2 1 0u b o o t 配置后在终端输出图 f i g 2 10u b o o tc o n f i g u r a t i o nd i a g r a mi n t h et e r m i n a lo u t p u t 上面移植的u b o o t 不是很完善，下面在其基础上完善网卡驱动，本系统用 哈尔滨理工人学工学硕十学位论文 到的网卡是d m 9 0 0 0 ，在u b o o t 源码中己支持该芯片驱动( d r i v e r n e t d m 9 0 0 0 c ) ，但并不完善。首先修改软硬件配置文件i n c l u d e c o n f i g s m i n i 2 4 4 0 h ，屏蔽原 来关于网卡的配置( 原有的配置是关于c s 8 9 0 0 网卡) ，添加关于d m 9 0 0 0 的配 蟹 且： 宰拳术：l ：宰木木半木木= l = 木宰术= i ：木木宰牢木半半宰宰宰宰木枣木木木母枣木木木宰木拳术水木木木木木j i c # d e f i n ec o n f i g d r i v e r d m 9 0 0 0l # d e f i n ec o n f i gd m 9 0 0 0u s e16 b i t1 # d e f i n ec o n f i gd m 9 0 0 0b a s eo x 2 0 0 0 0 3o o # d e f i n ed m 9 0 0 01 0o x 2 0 0 0 0 0 0 0 # d e f i n ed m 9 0 0 0d a t ao x 2 0 0 0 0 0 0 4 木木木宰，i 宰木木木木木木拳术半串半宰宰枣木半宰木木木木术宰半孝宰半宰宰宰枣宰木木宰枣木枣木木木 注：通过查看原理图可发现d m 9 0 0 0 网卡基地址为：0 x 2 0 0 0 0 3 0 0 添加对p i n g 命令的支持 宰枣木水木j l c 枣木木木幸木枣术拳术半，| 术半宰宰木半木木枣木木术木：i ：枣木半牢车宰枣木水宰木木宰枣木 # d e f i n ec o n f i gc m dp i n g 木木木宰木宰枣术宰宰宰事木木木木木拳木幸木木串木宰宰宰宰木宰宰木木枣木枣木宰奉宰宰木j i c 拳_ j i c ，i c 宰 修改网卡驱动：在网卡驱动d r i v e r s n e t d m 9 0 0 0 x c 中，有段程序试图连接 网卡驱动的m i i 接口，而实际m i i 接口并未使用，会有十秒的等待时间，然后 报错，可以将此程序注释掉。 重新使用h j t a g 烧写u - b o o t b i n 到n o r f l a s h 中，打开超级终端，并如下 配置端口，测试网络是否可用。 # s e t e n vs e r v e r i p10 0 0 1 # s e t e n vi p a d d r10 0 0 110 嗣翰巴虿隧卫矗j 嘲暖荔l 目驴i d 窖，! 蔓蠹童_ 幽嘣日期。嗍。潮。潮。豳嘲薤坳l 琵嬲l 缓纛弱l l 苫眵耋。置宝m 口芒9 言垒r 嚣“i 倍送瞧帮助粤j ； f m z y 2 4 4 0 特p i n g1 0 0 ，0 i - z ?磐 d m 多0 0 0i 0 o ：| 0 x 2 0 0 0