（信号与信息处理专业论文）基于arm的电子警察车辆检测系统设计.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 交通拥挤与交通安全等问题已经成为世界各国面临的共同问题。为了解决交通 存在的问题，智能交通系统( i t s ) 随之诞生。电子警察系统作为i t s 中最重要的 子系统之一，它在规范驾驶人员行为、杜绝交通事故、提高交通执法水平及道路 通行能力等方面起到了重要作用。车辆检测技术作为电子警察系统中的关键技术， 车辆检测能力直接影响到电子警察系统的性能。 目前电子警察系统中已实用化的车辆检测技术是基于环形线圈的，系统设备的 安装、调试、维护等方面都存在不便。基于视频的车辆检测技术引起各方面研究 人员的关注。但基于视频的运动物体检测采用的算法大都是背景差法，而背景差 法关键在于背景提取和背景更新，需要处理的数据量十分庞大，检测实时性不强， 同时基于视频的车辆检测技术由于车辆目标分类复杂，误检率、漏检率较高。本 文针对此问题提出了一种基于虚拟线圈的车辆检测改进算法，此改进算法的处理 的视频对象区域和整个视频图像的面积相比很小，大大减小了信息的处理量，车 辆检测的实时性得到极大的提高，且降低了误检率和漏检率，同时降低了系统安 装和维护的成本。 文中的车辆检测系统采用通用a r m 9 ( a t 9 l r m 9 2 0 0 ) 处理器和x i l i n x 低成本 f p g a ( x c 2 s 1 0 0 ) 的硬件结构，a r m 9 通过串行方式配置f p g a ，f p g a 对视频 图像进行实时采集，并把图像传送到a r m 9 中进行处理。该系统结合路v i 的交通 信号灯检测器，对违章闯红灯的车辆进行检测。系统的开发基于嵌入式技术，软 件的设计基于嵌入式l i n u x 操作系统。 本文搭建实验平台，通过实验证明，该车辆检测系统的图像处理速率达到1 0 帧s ，车辆检测准确率约9 2 ，具有良好的实时性和准确性，在电子警察系统中具 有良好的实用价值。同时本系统采用廉价的a r m 9 与低成本的f p g a ，相对于基 于d s p 的视频检测系统大幅度降低系统成本。 关键词：电子警察，车辆检测，虚拟线圈，嵌入式系统，a r m 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t m a n yc o m m o np r o b l e m ss u c h 硒t r a f f i cj a m ，r o a ds a f e t y , e t c h a v eb e c o m e c o n c e r l l sa r o u n dt h ew o r l d i no r d e rt os o l v es u c ht r a 伍cp r o b l e m s ，i 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 ( i t s ) a p p e a r s a so n eo f t h em o s ti m p o r t a n ts u b s y s t e mo fi t s ， e l e c t r o n i cp o l i c es y s t e mp l a y sa ni m p o r t a n tr o l e i nc o r r e c t i n gt h ea c t so fd r i v e r s ， p u t t i n ga ne n d t ot r a 伍ca c c i d e n t s ，r a i s i n gt h el e v e lo fe x e c u t i n gt r a f f i cl a w , i m p r o v i n g t h er o a dc a p a c i t y , e t c a n da st h ek e yt e c h n o l o g yo fe l e c t r o n i cp o l i c es y s t e m ，v e h i c l e d e t e c t i o nt e c h n o l o g yd i r e c t l yi m p a c t so nt h ep e r f o r m a n c eo fe l e c t r o n i cp o l i c es y s t e m p r e s e n t l y , v e h i c l ed e t e c t i o nt e c h n o l o g yi sb a s e do ni n d u c t i o nc o i l i np r a c t i c a l e l e c t r o n i cp o l i c es y s t e m i ti sv e r yi n c o n v e n i e n ti ni n s t a l l i n g ，d e b u g g i n ga n d m a i n t e n a n c e s ov e h i c l ed e t e c t i o nt e c h n o l o g yb a s e do nv i d e oc a u s e sm a n yr e s e a r c h e r s c o n c e r n v i d e o - b a s e db a c k g r o u n dd i f f e r e n c ea l g o r i t h mi su s u a l l yu s e di nm o v i n g o b j e c t sd e t e c t i o ns y s t e m ，w h i c hl i e so nb a c k g r o u n da c q u i s i t i o na n db a c k g r o u n dr e f r e s h 、) l ，i t hm a s sd a t ac o m p u t i n g s ot h er e a l - t i m ec h a r a c t e r i ci sn o tg o o de n o u g h a n dt h e f a l s er a t ea n du n d e t e c t e dr a t ea r eh i g h e r , b e c a u s eo ft h ec o m p l e x i t yo fv e h i c l eo b j e c t s t h i sp a p e rp u t sf o r w a r dav e h i c l ed e t e c t i o ni m p r o v e dm e t h o dw i t hv i r t u a lc o i l s u c h m e t h o dp r o c e s s e sl e s sd a t a , b e c a u s et h eo b j e c ta r e ai sn e g l i g i b l ec o m p a r i n gw i t ht h e w h o l ei m a g e i tm a k e st h er e a l t i m ec h a r a c t e r i ch i g h e ra n dt h ef a l s ea n du n d e t e c t e dr a t e l o w e r , r e d u c i n gt h ec o s to fi n s t a l l m i o na n dm a i n t e n a n c ea tt h es a m et i m e f r o mt h es y s t e mh a r d w a r ec o s tp o i mo fv i e w , t h eh a r d w a r ea r c h i t e c t u r eo fs u c h v e h i c l ed e t e c t i o ns y s t e mi sm a d eu po fa r m 9 ( a t 9 1r m 9 2 0 0 ) g e n e r a lp r o c e s s o ra n d x i l i n xl o w c o s tf p g a ( x c 2 s 10 0 ) i nt h i sp a p e r , a r m 9c o n f i g sf p g ai ns l a v e - s e r i a l m o d e r e a l - t i m ei m a g ec o l l e c t i o ni sc o n t r o l l e db yf p g aa n di m a g ei sp r o c e s s e db y a r m t h i sv e h i c l ed e t e c t i o ns y s t e mc o u l dd e t e c tv e h i c l e sw h i c hv i o l a t er e d - l i g h t , c o o p e r a t i n gw i t ht r a f f i cs i g n a lc o n t r o l l e r s u c h d e t e c t i o ns y s t e mi s d e v e l o p e db y e m b e d d e dt e c h n o l o g y , a n dt h ed e s i g no fs o f t w a r ei sb a s e do ne m b e d d e dl i n u x o p e r a t i o ns y s t e m t h i sp a p e rb u i l d st h ee x p e r i m e n tp l a t f o r m f r o mt h er e s u l to fe x p e r i m e n t s ，t h i s v e h i c l ed e t e c t i o ns y s t e mw e l lp e r f o r m e di nr e a l - t i m ec a p a c i t ya n dv e r a c i t y t h er a t eo f i m a g ep r o c e s s i n gr e a c h e s10f r a m e sp e rs e c o n d ，a n dt h er a t eo fa c c u r a c yi sn e a r l y9 2 i tw i l lb es i g n i f i c a t i v et h a ta p p l y i n gs u c hd e t e c t i o ns y s t e mt oe l e c t r o n i cp o l i c es y s t e m c o m p a r i n gw i t hv i d e od e t e c t i o ns y s e mb a s e do nd s p , a r m b a s e dd e t e c t i o ns y s t e m 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s o l u t e l yl o w e rs y s t e mc o s tb e c a u s eo ft h ea r c h i t e c t u r eo fc h e a pa r m 9a n dl o w - c o s t f p g a k e y w o r d ：e l e c t r o n i cp o l i c e ，v e h i c l ed e t e c t i o n , x r t r t u a lc o i l ，e m b e d d e ds y s t e m ， i i i 学位论文独创性声明 文 研究 ，论 文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签字吼叶卿 签字日期： 叫，6 、牛 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中 糕鬻怒趁鬣嚣莲露耀溯例下简称“章程”) ，愿意将本人的丛翌士学位论文攫亟燮堕塑丝殛生型i 努提 交中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社( c n k i ) 在中国博士学位论文全文数据 库、中国优秀硕士学位论文全文数据库以及重庆大学博硕学位论文全文数 据库中全文发表。中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文 全文数据库可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入c n k i 中国知识资源总库，在中国博硕士学位论文评价数据库中使用和在互联 网上传播，同意按“章程”规定享受相关权益和承担相应义务。本人授权重庆大学 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公开论文的全部或部分内容。 作者签名： 导师签 备注：审核通过的涉密论文不得签署“授权书，须填写以下内容： 该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至 年一月一日。 说明：本声明及授权书! 缝装订在提交的学位论文最后一页。 牛 q 弘 jl1 一螺中 名粼日 者彳 作 ： 文 名 论 签 位 师 学 导 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 1 课题背景及研究意义 随着我国国民经济的发展，人民生活水平得到了进一步的提高，使城市人口、 机动车拥有量和交通流量大幅度增长。相比之下，交通基础设施的增长速度却相 对缓慢很多。因此如何发挥现有的道路交通设施的最大效益和提高交通管理效率， 实现交通管理的自动化和智能化成为了解决日益严重的交通管理问题的重要课 题。由此产生了一个新的研究和应用领域智能交通系统( i 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 ，简称i t s ) 【l l 。 i t s 产生于上世纪6 0 年代末，初始阶段的研究是在各国政府的大力支持下展 开的，大量研究机构和高校合作研制了多个模型系统和大量的解决方案。该阶段 的主要成果是深入分析了i t s 问题，进行了大量可行性研究，了解了i t s 技术应 用的要求和可能带来的效益。进入9 0 年代以后，美国、日本、欧洲等国家对i t s 的研究给予了高度重视，投入了大量的人力和物力，分别取得了丰硕的成果。 智能交通系统在世界各地迅速推进，已成为现代交通的重要标志。但是，对于 i t s 这个专用名词，国际上至今还没有一个明确的定义。虽然各国关于i t s 概念的 理解各有差异，但共同点是主要的。归纳地说：智能交通系统是人们将先进的信 息技术、数据通信技术、电子控制技术、传感器技术以及计算机处理技术等有效 地综合运用于整个交通运输系统，从而建立起一种在大范围内、全方位发挥作用 的实时、准确、高效安全的综合运输管理系统。其目的是使人、车、路密切地配 合、和谐地统一，极大地提高交通运输效率、保障交通安全、改善环境质量和提 高能源利用率【2 】【3 】。 在我国智能交通系统研究报告中，确定了8 个服务领域，3 4 项服务，总共1 3 8 个子系统。作为最终实现上述目标的第一步和基础研究支撑，国家科技部在“十五” 期间建立了“十五”国家科技攻关重大专项“智能交通系统关键技术开发和示范工 程”，主要研究包括： 智能交通系统项目评价方法； 快速路系统通行能力； 基础交通信息采集与融合技术； 城市公共交通系统优化技术； 智能交通系统数据管理技术； 智能交通系统应用试点示范工程； 北京“科技奥运”智能交通系统技术； 重庆大学硕七学位论文 1 绪论 跨省市和国道主干线电子( 收费) 支付系统； 具有我国自主知识产权的面向i t s 领域的应用软件开发等等。 电子警察是i t s 中不可缺少的一部分。其在i t s 的发展和应用中，越来越得到 重视。电子警察可以规范人们的驾驶行为，提高路网安全和通行能力，从而起到 保障生命安全、提高运输效率和经济效益的作用。 车辆检测技术作为电子警察系统中的关键技术，在电子警察中起到了非常重要 的作用。目前使用的车辆检测器一般采用环形物理感应线圈检测器、微波检测器 以及光电式检测器等。无论是哪种检测方式，都存在着工作寿命、使用环境及可 靠性问题。随着计算机高性能处理器，大容量存储器及图像处理技术的快速发展， 基于视频检测与图像处理的识别技术成为研究重点。 从不同的检测技术角度可以将电子警察系统的发展分为三个阶段：传统的电子 警察系统、已实用化的电子警察系统和基于视频的电子警察系统。 传统的电子警察系统抓拍取证方法主要有两种。一种是在路口安装专用的 传统照相机，地面埋设物理感应线圈。另外一种就是利用在路口安装视频系统， 在控制中心由人工监控并录入闯红灯车辆的有关信息。 现在已经实用化的电子警察系统是由p c 机、c c d 摄像机( 或数码相机) 、 检测线圈、红灯信号检测器、光端机光纤收发器等传输设备组成，如图1 1 所示： 路口信 控制抓 及图像 图1 1 已实用化的电子警察系统框图 f i g 1 1f r a m eo fp r a c t i c a le l e c t r o n i cp o l i c es y s t e m 基于视频的电子警察系统是近年来在视频图像处理交通检测技术基础上逐 2 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 步发展起来的一种新型车辆检测技术。与前两种电子警察系统相比，基于视频的 电子警察系统结构简单、灵活性好、同时提供3 张违章照片，更具有说服力，减 少了处罚过程中所产生的争执，如图1 2 所示。 图1 2 基于视频的电子警察系统框图 f i g 1 2f r a m eo fe l e c t r o n i cp o l i c es y s t e mb a s e do nv i d e o 从电子警察系统的发展趋势可见，将基于视频检测技术用来取代传统的磁感应 线圈，对于未来电子警察系统的发展，具有重要的研究意义和价值。 1 2 国内外研究现状 交通信息的采集主要是通过交通检测器来实现。车辆检测器的种类很多，其工 作原理主要有三种【4 j ： 检测能使某种开关的触点闭合的机械力，有橡皮管道； 检测因汽车的运动或存在而引起的能量变化，有雷达、微波、磁感应环路 检测装置； 检测摄像机影像范围内的图像变化； 其中雷达主要用来进行精确的车速检测，目前在许多城市的环城公路以及高速 公路上的雷达测速区都是采用该检测技术进行车速检测；微波检测器通常安装在 横跨公路的人行天桥上，安装时必须垂直于待检测的车道( 正上方处) ，该装置通 过发射微波，然后检测遇障碍后返回的微波变化来检测是否有车辆通行( 路面返 回的微波强度与微波遇到车辆后返回的强度存在差异) ；横跨车道的橡皮管是最原 始的管道( t u b e ) 检测装置。该橡皮管一端封闭，另外一端连接到压力检测装置 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 上。当车轮驶过该管道时将导致管内的压力发生波动，由于每次发生压力波动就 表明有车辆驶过该传感器，因此该装置可以测定特定位置处通过的车辆数目，同 时也可以推算出车辆长度和车型；磁感应环路检测器拥有一个埋设在路面下的大 线圈。当车辆驶过该线圈时，线圈的感应电流将发生变化，根据感应电流的变化 可以检测到是否有车辆通过。在以上这些传感装置中，磁感应线圈检测装置的作 用最为突出，目前几乎所有的城市交通灯系统都是采用该装置进行车辆检测。尽 管单个检测装置只能检测到路面是否有车辆驶过，但是通过使用多个就可以推导 出诸如车辆速度、车长、车流以及车辆密度等交通信息。 以上装置存在需多个检测装置、使用麻烦、需要破坏路面等不足，而通过检测 摄像机视野范围内的交通信息，即视频检测技术具有以下几个优点： 安装方便，不破坏路面，施工时基本不影响交通，维护方便； 探测器设置方便、灵活； 系统采用模块化、结构化设计，可扩展性好、系统运行效率高； 实时进行各种车辆违章行为的采集，如超速、闯红灯、逆行、违章停车、 违章占用车道等； 视频传感器能检测更大的交通场景面积，减少传感器的安装数目，投资少、 费用低。 由于基于视频的车辆实时检测有着很高的实用价值和广阔的市场前景，各个国 家的科学家、学者、商人对它进行研究。1 9 8 7 年，i s s ( i m a g es e n s i n gs y s t e m , i n c ) 研制出第一台原型机，首次验证了视频检测技术在交通领域的应用。其后于1 9 8 9 年正式推出了用于外场车辆检测的a u t o s c o p e 2 0 0 2 视频车辆检测系统。1 9 9 2 年，i s s 公司研制出a u t o s c o p e 2 0 0 3 ，产品的各项性能趋于成熟，实现了全天候检测。 a u t o s c o p e t m 技术通过在北美、欧洲和亚洲数以千计的运行系统中，得到了实践的 验证。而该公司的2 0 0 4 系列a u t o s c o p c z m s o l o ( a u t o s c o p e l l m 2 0 0 4 ) 和p e e k 公司 的v i d e ot r a c k 9 0 5 ，普遍用于基于视频的电子警察系统上。 在国内，对智能交通的研究比较晚，虽然较国外起步晚，但发展迅速。对电子 警察系统的研究是先从国外引进，然后学习别人的技术并和自己的交通系统特点 相结合来开发自己的产品。目前，国内的电子警察系统主要采用环形线圈的方式 来检测车辆。从上面对车辆检测方式的分析，采用基于视频的电子警察系统，不 用物理检测线圈，将会被普遍使用，是未来的发展方向。 1 3 本文的主要工作及章节安排 重庆市电子警察系统从引进整套设备到现在本地自主研发，发展非常迅速。然 而，重庆市所使用的电子警察系统的设备相对于发达国家、发达地区来说，还有 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 一定差距。同时，重庆特有的气候、地形等环境特点及城市建设发展现状，使电 子警察系统在实际应用中暴露出一些问题，这给电子警察系统的稳定性、准确性 及实时性提出了更高的要求。本文根据电子警察系统应用的实际情况，结合重庆 环境特点，提出基于视频检测的电子警察系统的改进方案，降低系统硬件成本。 本文主要工作集中在嵌入式车辆检测系统的设计。在重庆市现有的基于环形感 应线圈的电子警察系统基础上，设计一个基于视频虚拟线圈的车辆检测系统来代 替环形感应线圈方案。该检测系统采用目前流行的嵌入式系统设计，本文的主要 工作包括软、硬件系统设计两方面，硬件采用基于通用a r m 9 ( a t 9 l r m 9 2 0 0 ) 处 理器和x i l i n x 低成本f p g a ( x c 2 s 1 0 0 ) 的结构，f p g a 完成视频图像的前端采集 工作，a r m 9 从f p g a 中获取视频图像，运用虚拟线圈检测技术，采用帧间差分 算法( 帧差法) 检测运动车辆。检测算法的软件实现是基于嵌入式l i n u x 操作系统 设计的，包括图像获取的驱动程序设计，以及车辆检测算法的应用程序设计。 在导师的悉心指导下，并在重庆易博数字技术有限公司的帮助下，本文完成了 基于视频车辆检测系统的设计。本论文主要内容及结构如下： 第一章绪论：主要研究了智能交通系统与电子警察系统的研究背景、研究 意义和国内外研究现状。电子警察系统作为i t s 最重要子系统之一，对电子警察 系统各个部分功能进行介绍，详细分析了电子警察系统中的车辆检测技术。 第二章系统硬件平台：主要介绍了整个系统的方案和系统框图、系统的硬 件平台以及各个模块的功能。在本章中，对方案中的主要硬件功能模块进行分析， 阐述了硬件平台的工作原理，并给出了本系统所选定的硬件型号以及性能指标。 第三章基于视频的车辆检测算法研究：在本章中，先介绍了常见的集中视 频检测方法：光流法、像素递归法、帧间差分法以及背景差法。详细分析了各种 算法的优缺点，然后结合本课题实际情况，本文采用改进的帧间差分法，针对经 常出现的误检、漏检等状况，对算法改进以保证系统检测的准确度，同时该算法 节省了大量的数据处理时间，使系统能够对车辆进行实时检测。 第四章系统软件开发：该系统的软件开发是基于嵌入式l i n u x 操作系统的。 在本章中，首先简单介绍了嵌入式l i n u x 操作系统的特点，嵌入式软件的工作原理 以及嵌入式软件的开发流程，然后详细阐述了车辆检测算法的软件实现，最后给 出了实验结果及分析。 第五章总结与展望：对本文提出的电子警察系统和实验结果以及性能做出 总结并展望了该系统未来可能的发展方向。 重庆人学硕士学位论文 2 车辆检测系统方案设计 2 车辆检测系统方案设计 2 1 电子警察系统 本文中设计的车辆榆测系统是应用在电子警察系统中，检测系统包括前端视频 数据的采集、嵌入式车辆检测器和系统检测结果的输出部分。奉文 l 基丁a r m 的 电子警察系统的总体架构如图21 所币。 m 镕n _ 9 i 4 镕e 2 臼 m n 3 口 镕d ”国 ， m “ 幽21 基y - a r m 的电f 警察系统的总体架构 f i g2 lt o 诅lf r a m e o f e l e c t r o n i cp o l i c es y s t e mb a s e d o n a r m 文巾基于视频的电子警察系统工作原理如下：以t 字路口为倒，信号灯检测器 检测出网个方向各个车道的红灯信号，将红灯信息组成一定的数据帧，通过r s - 2 3 2 串印通信方式发送到嵌入式车辆检测器，车辆检测器市即将改数据帧转发至主机； 同时采集卡采集到十字路口四个方向的视频全景图像，通过车辆检测算法检测出 各个车道是否有车辆经过，并将车辆经过信息组成另外一个数据帧，通过串口通 信方式发送至主机：毛机得到两帧数据后就能够判断出是否有车辆闯红灯，如果 检测出有车辆闯红灯，则立即通知相应的车道特写摄像机( 或数码相机) 对年辆 进行抓拍同时控制补光灯补光，使得违章特写图像清晰；主机将车辆违章记录 进行存储，并与交通控制中心交互通信。 基于a r m 的电子警察系统属于基丁视频的电子警察系统。目前，已经实用化 的电r 警察系统对车辆信息的获取是通过感应线圈得到的，感应线圈检测方式件 恤曩一i_1 一 重庆大学硕士学位论文2 车辆检测系统方案设计 能可靠，应用比较广泛，但感应线圈在路面变形、维修时易损坏，易受震动和腐 蚀，很不利于维护，一般寿命为2 5 年。而基于视频的车辆检测不仅克服了传统检 测方式的缺点，而且大大降低了安装和维护成本。目前大多数图像检测系统都是 基于d s p 平台，而专用于多媒体处理的d s p 成本非常高，如t i 公司的c 6 0 0 0 系 列d s p 。从系统低成本角度，本课题采用a t m e l 公司的a t 9 1 r m 9 2 0 0 ( 删9 ) 和x i l i n x 公司的低成本x c 2 s 1 0 0 ( f p g a ) 芯片为核心，运用先进可靠的虚拟线圈 技术，实现车辆运动检测、数据传输等功能。系统的设计采用a r m 9 + f p g a 的嵌 入式结构取代传统的工业控制机，使得系统集成度高、功耗小、成本低，稳定性 和实时性都有较大的提高。 该系统方案的电子警察系统的总体架构包括以下三大部分。 路口全景视频检测系统 路口全景视频检测系统由a r m 板卡与采集卡构成，通过图像采集、自动识别 等模块，实现红灯期间违章车辆检测以及路口交通参数的采集。当交通灯为红灯 时，信号灯检测器检测出红灯信号；此时，采集卡通过c c d 摄像机获取路口全景 图像，a r m 9 对全景图像的灰度信息进行处理，采用改进的帧间差分法检测运动 车辆：结合车辆信号与红灯信息判断出违章车辆。 违章车辆抓拍控制系统 路口各个车道都安装了特写摄像机，能够清晰抓拍到车辆的车牌等信息。检测 系统输出各个车道车辆违章信息，如果有车辆闯红灯，通知该车道特写摄像机进 行抓拍，同时，根据当时的天气、能见度等情况决定是否启用补光灯补光，获得 可靠的违章证据。 视频图像存储及传输系统 视频图像存储及传输系统用于连接路口和监控中心，将路口检测系统所获得的 车辆图像数据存储及传送到监控中心进行处理。一般可采用以下几种方式：人工 传输、电话线传输、光纤传输、无线传输等。该系统车辆特写图像数据存储到硬 盘中，并通过网络与服务器进行路口信息交互。 2 2 检测系统硬件设计 本文中基于a r m 的电子警察检测系统主要由三部分组成：视频采集单元、图 像处理及控制单元、网络传输单元。如图2 2 所示。 7 重庆大学硕士学位论文 2 车辆检测系统方案设计 c c d 摄像头 s a a 7 1 1 3 视频芯片 视频采集单元 x c 2 s 1 0 0 f p g a 图像处理及控制单元 d m 9 1 6 li r j 4 5 网络传输单元 图2 2 基于a r m 的电子警察检测系统 f i g 2 2d e t e c t i o ns y s t e mo fe l e c t r o n i cp o l i c es y s t e mb a s e do na p j f p g a 是整个系统数据交换的中心。a t 9 1 r m 9 2 0 0 通过从串的方式配置 x c 2 s 1 0 0 ，a t 9 1 r m 9 2 0 0 使用p b 口来模拟从串配置时序，x c 2 s 1 0 0 通过模拟1 2 c 时序对s a a 7 11 3 进行初始化；s a a 7 11 3 的v p o 总线输出i t u 6 5 6 标准的y u v 4 ：2 ：2 格式视频数据，f p g a 将s a a 7 1 1 3 h 输出的视频图像数据保存到s d r a m 中， a t 9 1 r m 9 2 0 0 通过f p g a 读出图像数据并进行处理。文中f p g a 来对视频图像进 行采集，因为a r m 对图像的处理不需要完整的一帧图像，只需要其中的一部分， 因此采用f p g a 将一帧完整图像采集下来，a r m 从f p g a 中读取完整图像一部分 即可，从而节省系统处理时间。a r m 处理器对连续的图像进行处理，如果检测出 有车辆闯红灯，系统将给出抓拍信号通知相应车道特写摄像机进行抓拍取证。 2 2 1a t 9 1 r m 9 2 0 0 简介 a t 9 1 r m 9 2 0 0 t 5 j 是完全围绕a r m 9 2 0 t a r mt h u m b 处理器构建的系统。它有丰 富的系统与应用外设及标准的接口，从而为低功耗、低成本、高性能的计算机宽 范围应用提供一个单片解决方案。 a t 9 1 r m 9 2 0 0 包括一个高速片上s r a m 工作区及一个低等待时间的外部总线 接口( e b i ) ，以完成应用所要求的片外存储器和内部存储器映射外设配置的无缝 连接。e b i 有同步d r a m ( s d 洲) 、b u r s tf l a s h 及静态存储器的控制器，并设 计了专用电路以方便与s m a r t m e d i a 、c o m p a c t f l a s h 及n a n df l a s h 连接。 高级中断控制器( a i c ) 通过多向量，中断源优先级划分及缩短中断处理传输 时间来提高a r m 9 2 0 t 处理器的中断处理性能。 外设数据控制器( p d c ) 向所有的串行外设提供d m a 通道，使其与片内或片 外存储器传输数据时不用经过处理器。这就减少了传输连续数据流时处理器的开 销。包含双指针的p d c 控制器极大地简化了a t 9 1 r m 9 2 0 0 的缓冲器链接。并行i o ( p i o ) 控制器与作为通用数据的i o 复用外设输入输出口线，以最大程度上适应 8 重庆大学硕士学位论文2 车辆检测系统方案设计 器件的配置。每条口线上包含有一个输入变化中断、开漏能力及可编程上拉电阻。 电源管理控制器( p m c ) 通过软件控制有选择的使能禁用处理器及各种外设来 使系统的功耗保持最低。它用一个增强的时钟产生器来提供包括慢时钟( 3 2 z ) 在内的选定时钟信号，以随时优化功耗与性能。 a t 9 1 r m 9 2 0 0 集成了许多标准接口，包括u s b2 0 全速主机和设备端口及与多 数外设和在网络层广泛使用的1 0 1 0 0 b a s e t 以太网媒体访问控制器( m a c ) 。此 外，它还提供一系列符合工业标准的外设，可在音频、电信、f l a s h 卡红外线及智 能卡中使用。 为完善性能，a t 9 1 r m 9 2 0 0 集成了包括j t a g i c e 、专门u a r t 调试通道 ( d b g u ) 及嵌入式的实时追踪等一系列的调试功能。这些功能使得开发、调试所 有的应用，特别是受实时性限制的应用成为可能。 2 2 2 视频解码芯片s a a 7 11 3 s a a 7 113 t 6 j 是一种视频解码芯片，它可以输入4 路模拟视频信号，通过内部寄 存器的不同配置可以对4 路输入进行转换，输入4 路c v b s 或2 路s 视频( y c ) 信号，输出8 位 v p o ”数据总线。通过设置寄存器的值，可以输出标准的 i t u r b t 6 5 6 、y u v 4 ：2 ：2 格式。 s a a 7 113 具有双通道模拟预处理电路，包括信号源选择，两个模拟抗混迭滤 波器和模数转换器，一个自动钳位和增益控制电路，一个时钟发生电路( c g c ) ， 一个数字多制式解码器，一个亮度对比度饱和度控制电路和一个色彩空间转换矩 阵。主要应用于多媒体、可视电话、图像处理及安防等方面。 s a a 7 11 3 的特点主要包括： 4 路视频信号输入源( a l l ，a 1 2 ，a 2 1 ，a 2 2 ) ，片内信号源选择，如4 x c v b s 或2 x y c ( 或1 x y c 、2 x c v b s ) 。通过i 2 c 总线对寄存器子地址0 2 h 进行配置， 可以得到想要的片内信号源。 主通道完全可编程静态增益控制或者对所选的c v b s 或者y c 通道的自动 增益控制。 两个9 比特视频信号c m o s a d 变换器( a d l 、a d 2 ) ，通过i 2 c 总线控制 可以在v p o 端口得到数字化的c v b s 或y c 信号。 系统只需要一个外部晶振( 2 4 5 7 6 m h z ) 。 s a a 7 1 1 3 可以输出多种数据格式，通过1 2 c 总线控制，可以输出标准的 i t u rb t 6 5 6y u v 4 ：2 ：2 格式( s b i t ) ，从v p 0 数据总线输出。 由1 2 c 控制的两个多功能实时输出端口r s t 0 、r s t i ，可以在端口上输出 场信号及同步信号等等。 自动侦测5 0 h z 6 0 h z 的场频，并且可以自动或者手动控制在p a l 、n t s c 、 9 重庆大学硕士学位论文 2 车辆检测系统方案设计 s e c a m 标准间的切换。 受1 2 c 总线控制，通过外部控制器可以实现全读回功能，用来校验是否写 入操作正确，比特率可达4 0 0 k b p s 。 低功耗( j 是否配置完成， 上y 配置完成 图2 81 2 c 配置流程 f i g 2 8f l o wo f1 2 cc o n f i g u r a t i o n 2 3 2a t 9 1 i 洲9 2 0 0 从串配置x c 2 s 1 0 0f p g a x i l i n x 公司的s p a r t a n - i i 系列x c 2 s 1 0 0f p g a 可采用从串、主串、从并、j t a g 等模式对其进行配置。配置模式由配置引脚( m 2 、m 1 、m o ) 决定，在f p g a 的 i o 口上拉情况下，通过配置m 2 i 0 来选择配置模式，配置如表2 1 所示。 表2 1f p g a 的配置模式 里坐! 曼兰：! 堡旦堂嫂! i 壁垒丛唑 配置模式( c o n f i g u r a t i o nm o d e ) m 2 m im 0数据宽度 重庆大学硕士学位论文2 车辆检测系统方案设计 本文采用从串模式配置x c 2 s 1 0 0 i 1 0 1 ，即m 2 、m 1 、m 0 都配置为高电平。与 从串配置有关的引脚以及与a t 9 1 r m 9 2 0 0 的p b 口连接如图2 - 9 所示，主要引脚 功能如下： m 【2 ：0 - 配置模式选择。m 2 、m 1 、m 0 均接上拉电阻，即m 2 - 0 - 1 1 1 为从串模式； c c l k = 配置时钟，微处理器提供时钟源，且上升沿有效； d i n ：串行配置数据输入： d o u t ：串行数据输出，用于菊花链式配置； p r o gb ：低电平异步复位f p g a 内部逻辑，内部可配置：m e m o r y 完全 复位后，该引脚指示高电平。当此引脚为高时，才能配置f p g a ； 1 n i tb ：由低电平到高电平跳变时，采样配置模式，即m 2 ：o 】的值确定 配置方式；配置过程中若出现配置错误，i n i tb 将呈现低电平； d o n e ：复位时为低电平。若配置成功，则为高电平。 a t 9 1 r m 9 2 0 0 使用p i o 口来模拟从串配置时序，接口连接如图2 9 所示： 图2 9a t 9 1 r m 9 2 0 0 从串配置x c 2 s 1 0 0 电路图 f i g 2 9s l a v e - s e r i a lc o n f i g u r a t i o no fx c 2 s 10 0 a t 9 1 r m 9 2 0 0 使用p b 的五个i o 口来模拟从串配置时序。系统上电后，将 p r o gb 拉低以复位f p g a 内部逻辑重新配置f p g a ，充分复位内部逻辑后( 约 1 0 0 u s ) ，将p r o g 置高。矾i tb 为低电平，p r o gb 拉高保持3 0 0 璐后，f p g a 将i n i tb 置高。在i n i tb 由低向高跳变的瞬间，采样配置模式m 2 ：0 】。此系 统f p g a 采用从串配置模式。在f p g a 采样配置模式后，微处理器就可以向f p g a 配置时钟c c l k 和数据，在c c l k 的上升沿，传输数据至d i n ，数据字节先发送低 位，再发送高位。配置过程中若发生错误，则i n i tb 为低电平。所有的配置数据 1 6 重庆大学硕十学位论文 2 车辆检测系统方案设计 传送完成，c r c 校验无误。则d o n e 为高电平，否则为低电平。d o n e 为高电平， f p g a 释放全局三态( g t s ) ，激活i o 引脚，释放全部置位复位( g s r ) 和全局 写使能( g w e ) 有效，开始执行配置区的逻辑。从串配置时序实现流程如图2 1 0 。 图2 1 0 从串配置时序流程 f i g 2 10f l o wo fs l a v e - s e r i a lc o n f i g u r a t i o nt i m i n g 2 4 系统控制单元 系统控制部分是整个电子警察系统的核心，其主要工作为： 获取f p g a 截取的视频图像，并对图像进行处理，检测是否有车辆违章闯 红灯的行为； 当有车辆闯红灯违章行驶时，对车辆违章行为进行抓拍，并在车辆违章图 像中添加相应信息( 车辆违章地点、违章时间等) ； 控制车辆违章图像及信息的传输。 2 5 网络传输单元 a t 9 1 r m 9 2 0 0 内部包含了m a c 以太网控制，支持媒体独立接口( m i i ，m e d i a i n d e p e n d e n ti n t e r f a c e ) 或简化独立媒体接口( r m i i ) ，可在半双工或全双工模式下 提供1 0 m 1 0 0 m b p s 的以太网接入。以太网m a c 是o s i 参考模型物理层( p h y ) 和逻辑链路层( l l c ) 间m a c 子层的硬件工具。它使用以太网8 0 2 3 u 数据帧格式 控制在主机与p h y 层间的数据交换。以太网m a c 包括所需逻辑与d m a 管理的 发送与接收f i f o 。然而，a t 9 1 r m 9 2 0 0 并未提供物理层接口，故需外接一片物理 1 7 重庆大学硕士学位论文2 车辆检测系统方案设计 层芯片，以提供以太网的接入通道。 d m 9 1 6 1 1 1 】是一款单芯片、低功耗、物理层传输接口芯片，支持1 0 0 b a s e t x 及1 0 b a s e t 网络应用。通过m i i ，d m 9 1 6 1 与m a c 连接，确保从不同厂商的产 品之间有高效的互通性。 d m 9 1 6 1 采用低功耗、高效率c m o s 处理器。它包含了由i e e e 8 0 2 3 u 规定的 1 0 0 b a s e t x 所有物理层功能，包括物理代码子层( p s c ，p h y s i c a lc o d i n g s u b l a y e r ) 、物理媒体捆绑( p m a ，p h y s i c a lm e d i u ma t t a c h m e n t ) 、双绞线物理媒体 依赖子层( t p p m d ，t w i s t e dp a i rp h y s i c a lm e d i u n ld e p e n d e n ts u b l a y e r ) 、 1 0 b a s e t x 编码解码( e n