（仪器科学与技术专业论文）基于embeddedlinux的视频采集及存储系统研究.pdf

。j ，：糖。”? ： ，篷蘑 州甬访唧rc雹of、厂ho唧o qk岛一a虽o zo一。受。口唧、厂hn跚 叨田o oz田蓉叨田oo田o p h z g 口ortato警口lllitt04一o oathoasunivert、， fiothooadohlic oo翰reo o唧。叶蓉aser o啼哪11汨i1100叶in 季z o q l l i - l i n 111)orviso厶 叼rofeon墨zo毛蒂i-go口n oooo叶h警t1若iloll一ooiloo警ll唧11ilooriil olltho一cilivo叶ty 蓉rc矿noo 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特另1 ) j n 以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 研究生签名：卅 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文 的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档 的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借 阅，可以公布( 包括以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内 容。论文的公布( 包括以电子信息形式刊登) 授权东南大学研究生院办理。 警躲旃，彩避 东南人学硕j 二学位论文 摘要 摘要 车载视频采集与存储系统是汽车主动安全的重要辅助系统，也是未来汽车电子领域在主动安全 方面的关键技术之一。本文所提出的视频采集存储系统实时记录车辆运行过程中由超员、超速、异 常偏离车道等因素造成的不安全行为的视频资料，通过事后视频再现功能，为交通事故的责任认定 提供了形象直观、准确可靠的科学依据。 本文依托江苏省交通科学研究计划项目基丁多源信息融合的长途客车主动安全智能管理系 统r 项目编号：0 8 x 0 9 ) ，在总结车道偏离报警系统的成功经验基础上，针对项目组在视频采集 存储方面的技术难点，以提供一种功能相对独立的低成本视频采集存储方案为主线，设计开发了 基于嵌入式l i n u x 及s 3 c 2 4 4 0 的视频采集与存储系统，包括基于a r m 9 $ 3 c 2 4 4 0 处理器的硬件平 台搭建和配套软件的设计及上位机专用视频播放软件，并开发出基于w e b 的嵌入式视频监控服务 平台。论文完成的主要工作如下： 1 采取动作控制功能和采集存储功能相分离的没计模式，形成m c u + a r m 总体构架结构， m c u 单元负责判别超员、超速、异常偏离等情况并产生触发条件；视频采集存储单元根据触发 条件进行视频分类存储。此构架极大地增加了各功能模块的独立性及系统组建灵活性。 2 选定s 3 c 2 4 4 0 处理器和u s b 摄像头作为视频采集存储系统的硬件平台，将复杂的数据 压缩工作借助u s b 摄像头内置压缩芯片完成，配合$ 3 c 2 4 4 0 强大的控制能力，完成视频采集存 储系统硬件平台的搭建过程。 3 采用开放源码的嵌入式l i n u x 操作系统作为软件平台、开源u b o o t 作为系统引导装载程 序，完成软件系统平台的搭建。引入混合文件系统，在保证视频信息顺利存储的基础上，极大的 提高系统运行速度。 4 针对系统模块间通信功能的实际需要，结合内核编程技术，开发出系统相关硬件的驱动 程序，极大方便了视频采集存储系统与外界环境的信息交换，同时也为用户提供了更多可选择的 存储接口方案。 5 借助l i n u x 系统内部集成的v 4 l 模块，开发出基于管道技术的视频采集存储应用程序以 及专用播放软件，并在此基础上充分利用l i n u x 系统强大的网络支持，创建了嵌入式w e b 服务器， 使车载设备增加了视频信息的远程监控功能，进一步为用户管理提供方便。 关键词：嵌入式l i n u xs 3 c 2 4 4 0 文件系统视频采集存储管道通信w e b a b s t r a c t t h em e t h o df o ro n b o a r dv i d e oc a p t u r i n ga n ds t o r i n gb a s e do ne m b e d d e dl i n u xw a sn o to n l ya n i m p o r t a n tp a r to fv e h i c l ea c t i v es a f e t ys y s t e m ，b u ta l s oi nt h ef i e l do fa u t o m o t i v ee l e c t r o n i c sa so n eo f t h ec r u c i a lt e c h n o l o g i 懿1 1 l i sm e t h o dc a nr e c o r dt h er u n n i n go ft h ev e h i c l ew h e ni tw a so v e r c r o w d e do r e x c e e dt h es p e e dl i m i to rl a n ed e p a r t u r er e s u l to fu n s a f eb e h a v i o r 、m t ht h eh e l po ft h ep o s t - v i d e o r e p r o d u c t i o n ，t h ev i d e oc o u l dp r o v i d eav i s u a la n dr e l i a b l em e t h o r dt om a k ea na c c u r a t ea n ds c i e n t i f i c d e c i s i o n r e l yo nt h ep r o j e c to fj i a n g s ut r a f f i cs c i e n c er e s e a r c hp l a n “公s a f e t ym a n a g e m e n ts y s t e mf o r l o n g - d i s t a n c eb u sb a s e do nm u l t i - s o u r c ei n f o r m a t i o nf u s i o n ( n u m b e r ：0 8 x 0 9 ) o ns u m m i n gu pt h e s u c c e s s f u le x p 喇e n c oa n da c h i e v e m e n t so fl a n ed e p a r t u r ew a r n i n gs y s t e ma n da c c o r d i n gt ot h et e c h n i c a l d i f f i c u l t i e so nv i d e oc a p t u r i n ga n ds t o r i n g ，t h em e t h o do fv i d e oc a p t u r i n ga n ds t o r i n gs y s t e m sb a s e do n e m b e d d e dl i n u xa n d $ 3 c 2 4 4 0w a sp r o p o s e d 1 1 l i sm e t h o di n c l u d e dt h eh a r d w a r ed e s i g na n dt h e d e v e l o p m e n to fa ne m b e d d e dw r e bs e r v e r ，a n da l s oa np l a y e rb a s e d o nd e l p h i n ed i s c u s s i o nc o v c l s ： 1 i no r d e rt oi n c r e a s e st h ei n d e p e n d e n c eo fe a c hf u n c t i o n a lm o d u l ea n dt h es y s t e mf l e x i b i l i t y , t h e c o n t r o lu n i ta n dv i d e oc a p t u r i n ga n ds t o r i n gu n i tw e r es e p a r a t e d 1 1 他c o n t r o lu n i tw a sr e s p o n s i b l ef o r d i s t i n g u i s h i n go v e r c r o w d e d , s p e e d i n g ，e t c o nt h eo t h e rh a n d , t h ev i d e oc a p t u r i n ga n ds t o r i n gu n i tt o o k c h a r g eo f v i d e os t o r i n ga c c o r d i n gt ot r i g g e rc o n d i t i o n sw h i c ht r i g g e r e db yt h ec o n t r o lu n i t 2 t oc o m p l e t et h ed e s i g no fh a r d w a r ep l a t f o r mo ft h ev i d e oc a p t u r i n ga n ds t o r i n gs y s t e m $ 3 c 2 4 4 0 p r o c e s s o ra n du s bc a m e r aw e r es e l e c t e d t h eu s b o a l n e r at o o kc h a r g eo fv i d e oc o m p r e s s i o na n dt h e s 3 c 2 4 4 0a c t e da sac o n t r o lp r o c e s s o rw i t hi t sp o w e r f u la b i l i t yo fc o n t r 0 1 3 t h i sm e t h o dt o o kt h ee m b e d d e d - l i n u xo p e r a t i n gs y s t e ma st h es o f t w a r ep l a t f o r m ，a n du - b o o ta sa s y s t e mb o o tl o a d e rt oc o m p l e t et h es o f t w a r es y s t e ms t r u c t u r e s a n di ta l s om a d eu s eo fm i x e df i l e s y s t e m st oi m p r o v et h es p e e do ft h ev i d e oc a p t u r i n ga n ds t o r i n gs y s t e m 4 t 0m e e tt h er e q u i r e m e n to fc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nd i f f e r e n tu n i t s 。s o m ed r i v e r sw e r ed e v e l o p e d a c c o r d i n gt or e l a t e dh a r d w a r e t h e s es o f t w a r en o to n l ym a d et h ec o m m u n i c a t i o nc o n v e n i e n tw i t ht h e o t h e ru n i t s , b u ta l s op r o v i d e du s e i s 谢t 1 1m o r ea v a i l a b l ei n t e r f a c e s 5 w i t ht h eh e l po f v 4 lm o d u l e sw h i c hw o r ei n t e g r a t e dw i t h i nt h el i n u xs y s t e m ，t h em e t h o do f v i d e o c a p t u r i n ga n ds t o r i n gw a sp r o p o s e db a s e do np i p e l i n ec o m m u n i c a t i o n a n da l s ow i t ht h en e t w o r k s u p p o r to fl i n u x ，a ne m b e d d e dw e bs e r v e r 、) l ，i mv i d e oi n f o r m a t i o nw a sp u tf o r w a r dw h i c hm a d et h e m a n a g e m e n tt ob em o r ec o n v e n i e n t k e yw o r d s ：e m b e d d e d - l i n u x ，s 3 c 2 4 4 0 ，s y s t e mm i g r a t i o n ，f i l es y s t e m ，v i d e oc a p t u r i n ga n ds t o r a g i n g , p i p e l i n ec o m m u n i c a t i o n ，u a r t , w e b i i 东南大学硕士学位论文 日录 目录 摘要i a b s t r a c t 第一章绪论1 1 1 课题背景1 1 2 国内外现有研究水平2 1 3 本课题组的技术积累与研究成果4 1 3 1 车道偏离报警系统4 1 3 2 基于多源信息融合的长途客车主动安全智能管理系统5 1 4 本课题的研究内容和章：审安排6 第二章视频采集存储系统硬件设计8 2 1 嵌入式主控制器的选择9 2 2s 3 c 2 4 4 0 介绍1 0 2 2 1s 3 c 2 4 4 0 特点和资源1 0 2 2 2s 3 c 2 4 4 0 基本工作模式1 l 2 3 系统核心板硬件电路设计1 2 2 3 1 电源电路设计l3 2 3 2f l a s h 扩展电路设计1 4 2 3 3r a m 扩展电路设计1 5 2 4 系统外围接口板硬件电路设计1 7 2 4 1u s b 摄像头采集存储接口电路设计1 8 2 4 2u m 盯接口电路设计1 9 2 4 3 以太网接口电路设计2 0 2 4 4s e c u r ed i g i t a l 存储接i = l 电路设计2 l 2 5 本章小结2 2 第三章嵌入式l i n u x 操作系统研究与移植。2 3 3 1 嵌入式系统开发基本组成2 3 3 1 。1 嵌入式系统开发的硬件基础2 4 3 1 2 嵌入式开发交叉编译环境2 4 3 1 3 嵌入式设备平台2 4 3 2 嵌入式操作系统的引导2 5 3 2 1 系统引导程序u b o o t 简介2 5 3 2 2 系统引导程序u b o o t 的移植2 6 3 3 嵌入式l i n u x 操作系统移植2 8 3 3 1l i n u x 内核源代码版本选择2 8 3 3 2l i n u x 内核裁剪= 2 9 3 3 3 编译l i n u x 内核3 5 3 4 操作系统的文件系统3 6 3 4 1l i n u x 文件系统组成3 6 3 4 2 建立混合文件系统3 8 3 5 本章小结4 0 第四章设备驱动程序设计4 l 4 1 设备驱动程序设计简介。4 l 4 1 1 设备驱动程序概念4 l 4 1 2 设备驱动程序分类4 2 东南大学硕士学位论文 目录 4 2 串口驱动程序设计4 3 4 3u s b 接口驱动程序设计4 7 4 4 本章小结。4 9 第五章视频采集存储及远程监控系统麻 l j 程序设计5 0 5 1 视频采集存储及播放软件程序设计5 0 5 1 1 视频采集与存储程序殴计5 0 5 1 2 视频播放软件程序设计5 4 5 2 基于w e b 的远程视频监控程序设计5 7 5 2 1w e b 系统构架简介5 7 5 2 2b o a 服务器的移植5 8 5 2 3h t m l 语言建立w e b 站点访问页面6 0 5 3 本章小结。6 2 第六章全文总结和展望6 3 6 1 全文总结6 3 6 2 存在问题和进一步改进的建议。6 4 翌i 【谢6 5 参考文献。6 6 硕士期间论文发表情况6 8 i i 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 改革开放以来，我国经济发展迅速，汽车已成为日常生活中不可缺少的交通上具。截止到2 0 0 9 年6 月底，我国个人汽车保有量总数已突破6 9 0 0 万辆，但人均拥有量仍然远远低于发达国家水 平，国内汽车r t 业存在巨大的潜在市场和发展空间，已被国家确定为国民经济的支柱产业、重点 发展产业。按照国家“十二五”规划的要求，交通运输业建设将进一步加快，汽车需求量将继续增 长，全社会汽车化水平将不断提高。 汽车电子简而言之就是半导体和汽车的结合，主要分为两类：一类是汽车电子控制装置，要 和机械系统配合使用，例如电子燃油喷射系统、制动防抱死控制系统、防滑控制系统、悬架控制 系统、动力转向系统等。另一类是车载汽车电子装置，即在汽车环境下能够独立使用的电子装置， 和汽车本身性能无直接关系，包括导航、娱乐系统及车载通信、监控系统等。据统计，平均每辆 车的电子装置约占整车制造成本的2 3 ，在汽车电子的高速发展阶段，这个比例还将随着汽车电 子技术的发展以平均每年9 的速度递增【1 1 。另据中国电子行业投资分析预测，到2 0 1 0 年，中国 汽车电子产品市场规模将达到近2 0 0 0 亿元。到2 0 1 2 年，中国汽车电子市场规模有望突破3 0 0 0 亿元。止如信息产业部电子信息产品管理司副司长赵波所述：“发展汽车电子是发展汽车业的必然 选择，汽车电子正是用电子信息技术改造传统产业的具体应用”。于此同时，为推进汽车电子业 的发展，信息产业部已把汽车电子专项列入电子产业发展基金，将重点发展六项汽车电子产品： 一是汽车计算平台；二是电控燃油喷射系统e c u ；三是汽车行驶监控记录仪；四是车用音频、视 频导航系统；五是汽车用半导体器件及专用芯片；六是智能交通系统。这也反映了在未来技术领 域，中国汽车电子市场的巨大潜力。 发展规划中，汽车行驶监控记录仪之所以受到如此关注绝非偶然，因为伴随着交通及汽车工 业的快速发展，汽车高速行驶引发的交通事故也急剧增加，造成巨大的经济损失和大量人员伤亡。 相关统计数据表明，中国交通事故死亡人数已经连续十余年居世界第一。 道路交通事故的直接或间接原因包括人、车、路等多种环境因素。在绝大多数重大交通事故 之中，由于现场的破坏、发生地点随机性强等导致事故原因难以追踪并加以断定。而事故现场的 图像信息是反映各种事故的媒介中最直观、最生动的材料证据，因此，对事故发生期间图像视频 信息的获取就显得尤为重要。同时，图像信息的采集与存储也是安防监控体系中不可缺少的重要 组成部分。随着处理器技术和软件技术的发展，嵌入式技术也有了长足的发展，引入图像监控系 1 东南大学硕上学位论文 统后，特别是高容量存储器的出现，为图像监控系统的小型化、多功能化的实现提供了必要的基 础。因此，基于嵌入式技术的图像数据采集与存储系统以其内容直观生动、体积小巧、便携等优 点，广泛应用于各种场合。但应用于车载环境的监控系统又有着个性化的要求：需工作于大幅度 震动、供电不稳等特定的环境下，具有很特殊的环境和结构要求，这对监控记录系统的软、硬件 平台提出了很高的要求。 本论文立足于汽车主动安全系统，为更好的总结事故教训并及时的采取针对性的预防措施， 开发出了基于驾驶员不规范驾驶行为的实时提醒与视频采集存储车载设备。该设备是一种适应于 车载环境的低成本解决方案，为汽车主动安全的推j “提供了必要前提。 1 2 国内外现有研究水平 ( 1 ) 国外研究现状 随着全世界交通运输业的蓬勃发展，人们对汽车主动、被动安全的重视上升到前所未有的高 度，对交通_ t 具的关注从完成基本运输功能上升到安全、节能环保、信息智能化的水平。机电一 体化的成熟运用也使人们更加关注操作的友好性。 在西方发达国家，对汽车主动安全非常重视( 有的甚至已上升到法律层面，如按照美国现行 法律，到2 0 11 所有新推出车辆必须配备e v e n td a t ar e c o r d e r 系统 2 1 ，用以记录事故发生前、中、 后的相关信息) ，并在进行了大量的研究基础上推出许多相关产品。欧洲在研究基础上，推出产晶 较多，比如普遍装配于雪铁龙的l d w s 系统踟( 如图1 1 所示) 、具备自动汽车定位、车辆寻痕迹、 地图匹配功能的a u t o m a t i cv e h i c l el o c a t i o ns ) t s t e m s ( a v l ) 系统 4 1 ( 如图1 2 所示) 、v e h i c l ec r a s h d a t ar e c o r d e r ( v c d r ) 系统等。澳大利亚也推出普遍应用于交通紧急事故处理的e n t e r p r i s ec a l l b o x ( e c b ) 系统魄，该系统当汽车安全气袋膨胀或翻车时，e c b 会发送警报，协助交通部门、紧急 事故救援人员和其他部门追踪路面情况和处理交通事故。 图1 1 雪铁龙l d w s 系统装配及功能示意图 2 第一章绪论 飞矗f 气1 l 。，7。 图i 2 欧洲车辆自动定位( a v l ) 系统 飞利浦、微软、瑞萨科技等国际知名公司也纷纷开展针对性研究。在车内网络、汽车无线电、 汽车d s p 和自动门锁解决方案领域处于领先地位的半导体生产商l s 利浦，推出了高度集成的单芯 片模拟汽车无线电解决方案系列及适合汽车前方照明的照明技术；瑞萨科技从控制系统着手，寻 求和国内i c 设计公司以及相关企业紧密合作开发道路安全驾驶系统；i t 巨头微软公司正在以 w i n d o w sc e 软件为基础，研发一个定制版本的操作系统软件，该软件能够控制车上的一切，从 车内娱乐到卫星导航无所不能，争取成为汽车软件市场的最人供应商。 ( 2 ) 国内研究现状 国内对汽车电子的研究尚处于起步阶段，我国于2 0 0 3 年推出汽车行驶记录仪国家标准 ( g b 仃1 9 0 5 6 _ _ 2 0 0 3 ) ，汽车产业起步较晚，在汽车电子应用、主动和被动安全等方面研究成果 积累较少。国内汽车电子产业链存在严重断层，虽然目前国内汽车电子企业约有1 0 0 0 多家，但绝 大部分企业规模都比较小，产品功能单一，并且技术含量不高，规模化大生产还未形成o 。比较 有代表性是深圳华宝公司所推出汽车行驶记录仪，该产品通过读总线数据，监视车速等信息，产 品外形如所1 3 所示。清华大学汽车工程系袁大宏教授也提出，中国汽车电子产品主要以进口为 主，国内合资企业和国内企业的产品所占份额不到3 0 。主要表现在：一方面，发动机电子控制 系统等产品越发供不应求；另一方面，汽车音响和汽车空调等产品供过于求。在车道偏离等相关 主动安全方面，国内处于研究探索阶段，比如东南大学、浙江大学、上海交通大学等都对汽车行 驶过程中的主动安全相关问题进行了深入的研究。 图1 3 深圳华宝电子科技有限公司生产的汽车行驶记录仪 3 东南大学硕士学位论文 1 3 本课题组的技术积累与研究成果 1 3 1 车道偏离报警系统 车道偏离报警装置的研制是金龙联合汽下工业( 苏州) 有限公司和东南大学苏州研究院 共同承担的苏州市科技计划( 工业科技攻关) 项目( 编号：s c 7 2 3 ) 。车道偏离报警系统的目的 是在驾驶员注意力不集中或昏昏欲睡时提醒驾驶员及时纠正行车路线，防止交通事故的发生。车 道偏离报警装置通过实时检查车辆与行驶车道的相对位置，并在汽车偏离行驶车道而司机没有发 出变道信号时，系统就会通过声音警报、座椅抖动、方向盘抖动等方式发出报警，以提醒驾驶员 修正车辆方向从而保持在车道内行驶，该系统是一种新型的汽车主动安全报警系统，其算法模型 的基本假设如图l - 4 所示，假设车辆正常行驶应该在两条e a r l i e s tw a r n i n gl i n e 之间行驶，在无转 向信号前提下，超出此界限后即产生报警信息。图1 5 中( a ) 图表示未发生车道偏离情况，( b ) 图为发生车道偏离时刻系统显示模块做出的提示信息，即( b ) 图中左侧红线所示。按各部分所实 现功能的不同，该系统的硬件组成如图l _ 6 所示，主要包括逻辑判断部分、视频信息输入部分、 视频信息处理部分、报警信息输出部分以及必要的供电模块等。由于车道偏离报警装置对交通运 输安全能起到显著的作用，因此，对它的研究已成为智能运输系统i t s 领域的热点。 r _ 1 w a t a i a ot h 埘l 瑚dp l a 删tz o n e 1 獭笈藏瓤弱荔墨蕊瀚凝戮嬲嬲嬲嬲戮羧貔缀嬲戮嬲嬲缀嬲羧缓戮嬲嬲嬲嬲豹翳缓缀貔翳缀缀缀嬲簇彩魏獭壁爱滢；翻爨强强馏燃 一一一1- o 噜_ 影移翳纛下孵一饧嘲绷嘲一一i i i 。o j 一j | i i | 。一裟 啊n 0 h o l d 8 h o w a r n i n 旧 z c l b e 盯ie 醴 w a r l 1 0 1 1 9 乜垒笺笏莲渤溺黝斛一嗣 ，。土。_ 一_ - - - _ _ - - 1 荔滚妒臀；粥珑戮缁戳磁磁缓缀缓翰缁缮缀缎滋翰缴渤缁缀翰缓磁翰戮翰黝溯戮燃缀鞠暖墨辩弱瞄鞠刻 哪 h w a r n i n t h r o d h op l a c 删z o n e 图1 4 车道偏离系统基本模型假设条件 第一章绪论 ( a ) 正常行驶( b ) 车道偏离信息提示 图l - 5 车道偏离报警系统撤警触发实际场景 图1 - 6l d w s 系统功能模块组成 本项目研究和开发了一套基于机器视觉的车道偏离报警装置，主要针对高速公路环境，采用 机器视觉来提取车道标志线，当系统检测到车辆正在逼近车道标志线而司机并没有发出变线信号 的，系统就会通过液晶显示和声音警报两种方式给司机提供高度智能化的辅助驾驶提示信息，以 提醒司机不要偏离车道而保持在车道内行驶，从而避免车道偏离可能带来的交通事故，此外，该 装置能够自动存储车辆行驶图像信息，便于事后对司机驾驶行为的分析、评判直至交通事故的责 任认定。 1 3 2 基于多源信息融合的长途客车主动安全智能管理系统 基于多源信息融合的长途客车主动安全智能管理系统是由东南大学申报的江苏省交通科 学研究计划项目( 项目编号：0 8 x 0 9 ) 。基于多源信息融合盼长途客车主动安全智能管理系统提出 将驾驶员疲劳驾驶自动监测、客车超员自动监测、车道偏离自动监测等技术运用到长途客运监控 系统中，并在此基础上研究建立合理的实时、动态辅助安全决策模型的综合评价算法，提高监控 系统的智能化与自动化水平，不仅完成向监控中心传输车辆的运行位置、时间、速度等状态信息， 还要为交管部门实时提供全面、客观的客车主动安全行驶信息，既保证车辆的有效管理和调度又 5 东南大学硕上学位论文 保证安全性，从而有效抑制长途客车交通事故的发生。 本课题的提出主要为了克服目前的长途客运车辆监控系统的缺点及不足。目前所运行的监控 系统主要是把g p s 、g i s 、c c d 和现代移动通信技术综合在一起，对客车的运行状态进行人工监 控，但现有监控系统只能监测车辆的运行位置( 经纬度值) 、时间、速度等常规行驶参数，功能单 一，对超载和驾驶员疲劳驾驶完全通过人工手动抽检，效率低下、磊l i 检情况严重等弊端，这些都 严重影响了长途客车的行车安全性。 本课题目标是为长途客车交通管理部门提供一套用于预防事故，检查违章，事故分析的智能 化、自动化的科学管理系统，使：乍辆实时处于管理中心的有效监控之下，并能为事故分析提供准 确、可靠的科学依据，从而减少长途客车交通事故的发生，对维护正常交通管理秩序有着巨大价 值和深远意义。目前此项目正在按计划进行之中。 1 4 本课题的研究内容和章节安排 综合上文所述，在继承原有成果基础上，应成本控制的需求，研制开发出一套针对交通违章、 事故分析的嵌入式视频采集存储系统对汽车安全可靠运行以及事故责任认定有着非常重要的意 义。本系统以嵌入式l i n u x 系统及$ 3 c 2 4 4 0 为软、硬件平台，并开发出基于不规范驾驶行为事件 触发的车载视频采集与存储系统以及监控中心用视频播放软件，并在此基础上加入w e b 服务器功 能，使车载嵌入式设备具备视频信息发布能力。采用采集存储控制模块( 即不规范驾驶行为判决 模块) 和采集存储执行模块相结合( 即嵌入式视频采集存储模块，同时也是本文介绍的重点) 的 硬件构架，在不同触发事件下，系统可对各个事件以不同命名、不同路径来区别存储。结果表明 此方案较传统p c 架构的视频采集存储系统成本低廉，方便可靠，可推广性强。 本论文以开发过程中各模块开发的时间先后为写作顺序，依次介绍了硬件平台搭建、操作系统 移植、驱动程序开发、应用程序开发，最后总结了本文的缺点和不足，并展望了今后工作方向。文 章的组织结构共六章，各章节具体内容安排如下： 第一章“绪论”。本章介绍汽车电子产业在汽车主动安全方面的现状，汽车主动安全在汽车产 业的重要地位。介绍国内外在汽车主动安全方面的研究成果和相关产品，总结课题组近年来已取得 的研究成果，分析其技术现状与研究方向，提出本课题的研究内容。 第二章“基于a r m 9 视频采集存储系统硬件设计”。本章首先结合本系统需求特点，选择中央 处理器，简单介绍了该芯片的特点、片上资源、工作模式等。然后按照嵌入式领域经典的核心板+ 外设板的组成模式详细介绍了嵌入式硬件平台搭建过程。 第三章“嵌入式l i n u x 操作系统研究与移植”。本章主要介绍嵌入式l i n u x 操作系统裁剪、移 6 第一章绪论 植及文件系统建立过程。简述了嵌入式系统开发基本组成、b o o t l o a d e r 移植、操作系统内核的裁 剪与编译。最后提出了应用于本系统的混合文件系统构架。 第四章“设备驱动程序设计”。本章首先整体上介绍了设备驱动程序的概念、所起作用及其 分类等，详细阐述了设备驱动程序的开发流程及方法，然后以串口驱动程序设计、u s b 接口电路 驱动程序设计为载体加以实例验证，最终开发出本系统相关便件模块的驱动程序。 第五章“视频采集存储及远程监控系统应用程序设计”。本章着重介绍该应片j 软件的设计，首 先阐述了视频数据的采集、存储、播放程序设计，然后分析了基于w 曲服务器构架的视频远程监控 原理及软件构成，构建一基t w e b 构架的服务器平台，使用户可以通过i e 浏览器进行远程访问。 第六章“全文总结和展望”。本章对嵌入式视频采集存储设备的软、硬件开发做了总结，并分 析其不足，进一步指出接下来的工作重点。 7 东南大学硕上学位论文 第二章视频采集存储系统硬件设计 在车载环境下，由于行驶过程中车身震动、按动喇叭等导致的电压不稳现象时常发生。针对 这一具体情况，开发出稳定、可靠的硬件平台是一切软件运行的基础。整个人系统的硬件构架采 用两块板叠加的方式组成，其具体框架如图2 1 所示。置于图2 1 左侧虚线框内的部分以8 0 5 1 f 0 4 0 作为中央处理器，负责处理采集到的车速脉冲、转向信号、车门开关信号等，并将处理结果以自 定义协议通过串口发送给视频采集存储系统模块，在后文中称之为“底板”。图2 1 右侧虚线框内 的部分为视频采集存储系统模块，采用a r m 9 做处理器，其功能是根据串口接收到的信息，选择 采集存储策略，此部分是本文介绍的重点，其内部详细硬件模块组成如图2 2 所示。 塞桶韶分 车速脉冲卜- - 电源 8 0 5 1 f 0 4 0 a 雕视频暑 储系 转向信号卜叫 处理器 电源模块卜- - 串【j 编码信息 l ； 图2 1 车载视频采集存储系统与外部控制模块的互联 单片机条件判别系统 网口 音频口 l c d 、 j a t g 接口 u a r t d ip c 机超级终端显示及调试命令输 u a r t l l 入 s 3 c 2 4 4 0 中央处理单元 u s b 0 i s b 摄像头 u s b l u s b 存储设备 备用电源、 s d r a m 图2 - 2 视频采集存储系统内部结构 底板结构较简单，自由度比较大，可根据具体应用场合合理定制，在这里不做具体介绍。本章 主要介绍采集存储系统单元，根据其具体实现功能可以分为核心板、外围i o 接口扩展板两个部分， 其组成如图2 3 所示。下面本章将依次详细描述硬件模块的内部原理及开发过程。 8 第二章视频采集存储系统硬件设计 视频采集 存储系统 圈阳d 圈阳d 7 了一“1 艮鹕8 + 翻一4 57 皇 图2 3 视频采集存储系统硬件模块组成 在图2 3 中，核心板部分主要包含c p u ( a r m 9 $ 3 c 2 4 4 0 ) 、s d r a m 、f l a s h 以及电源芯片等，其 地位是作为整个系统数据处理中心，外围i o 接口扳主要包括$ 3 c 2 4 4 0 芯片内部资源的外扩接口电 路，包括串口、网口、s d 卡接口、u s b 接口等。通过这些外围电路的信号调理，使外接设备可以和 核心板的s 3 c 2 4 4 0 进行信息交换、处理等。 2 1 嵌入式主控制器的选择 嵌入式微处理器好比动物的心脏，是嵌入式系统中最核心的部分，主要负责控制、数据运算 等。按处理器构架及应用场合的不同，目前市场上主要分为以下几个主流方向：m c u 、a r m 、f p g a 、 d s p 、m i p s 、p o w e rp c 等，类型丰富并且各具特点，m c u 即微控制器，其典型代表是单片机，经 历了从4 位、8 位到现在1 6 位甚至更高位的漫长历程，是最早、应用场合最广的控制器，随着技 术的进步和各种不同场合对专业芯片的需求【8 】，相继出现了上述a r m 、f p g a 、d s p 、m i p s 等不 同构架的处理器，其具体功能及优缺点详细比较如下表2 - 1 所示。 综合分析以上产品，在嵌入式微处理器系列中，a r m 微处理器有着众多优点，其低廉的价 格、完备的d 配套、集成方便等诸多因素使其在中低端嵌入式领域应用十分广泛。同时针对不同 的应用场合其分类也非常详细：a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 、a r m l 0 e 、s e c u rc o r e 系列、i n t e l 的 x s c a l e 及s t r o n ga r m 系列等。其中a r m 7 系列处理器内部不含m m u 单元，仅可移植不支持内 存管理单元的较小系统，主频较低，处理能力有限，a r m 9 系列微处理器包含全性能的m m u ， 支持w i n d o w sc e 、l i n u x 、p a l mo s 等多种主流嵌入式操作系统，主频可达4 0 0 兆，控制处理能 力较强，主要应用于无线设备、仪器仪表、安全系统、视频监控等。其中本系统应用的口核即属 于a r m 9 系列，其处理能力完全满足本系统需要，该系列又可细分为a r m 9 2 0 t ，a r m 9 2 2 t 和 a r m 9 4 0 t 三种类型，以适用于不同的应用场合。 9 东南人学硕十学位论文 表2 1 各种嵌入式处理器比较 汰 市场定位优点缺点价格适用场合 m c u ( m i c r o 中低端控制场合控制功能更强集处理能力 低小家电产品、 c o n t r o l l e ru n i t ) 成度高 不强 简单工业控制等 a r m 中低端市场控制功能强犬、低运算能力较低消费电了、汽车电 ( a d v a n c e dr i s c 功耗、市场占有率不突；b子、视频影像等 m a c h i n e s ) 高 f p g a 中高端市场逻辑能力、时序实控制功能中、高适合通信网络、军 ( f i e l d 现能力较强、接口相对较弱 事、航空航天等高速 p r o g r a m m a b l eg a t e阜富、运行速度快 逻辑运算场合 a r r a y ) d s p中高端市场专门编译效率商、指令控制功能中、高数字滤波、f f t 、谱 ( d i g i t a ls i n g n a l 的信号处理方面执行速度相对较弱分析等各种仪器 p r o c e s s o r ) 处理器 m i p s高端市场，讲求高速数据处理能国内应用较高高性能工作站、服务 ( m i l l i o ni n s t r u c t i o n s 高性能、高档次力突 i 不多、参器和超级计算机系 p e rs e c o n d )考资料较统激光打印机等 少 p o w e r p c 高端市场人数据量、高速信不适合低高企业级以上的交换 ( p e r f o r m a n c e 号处理，多用于通端市场 机、服务器等 o p t i m i z e d 、m m信领域 e n h a n c e dr i s c l 基于a r m 9 的上述优点，本系