（检测技术与自动化装置专业论文）集成人眼疲劳识别的行驶记录仪.pdf

摘要 摘要 汽车行驶记录仪是一种使用在各种机动车上的数字式电子记录装置。其功能 主要包括对车辆的行驶速度、时间、里程以及有关车辆行驶的其他状态信息进行 记录存储并可通过接口实现数据输出；能够有效约束驾驶员的不良驾驶行为，如 果存在超速、长时间驾驶等行为，发出警报。汽车行驶记录仪的使用，可以有效 地预防道路交通事故的发生，并为执法人员进行事故的分析、处理提供科学、忠 实的原始数据，在交通运输管理中发挥着十分重要的作用。 本系统利用嵌入式l i n u x 操作系统和y a f f s 文件系统在n a n df l a s h 上的 应用，减少了以往记录仪对铁电存储器的使用，降低了成本。以串口通信的方式 完成了上位机软件的编写，将采集的数据传输到上位机软件中，对记录仪的数据 进行分析。另一方面，首次提出在记录仪上加入对人眼识别的检测，实现疲劳驾 驶的主动预防，从根本上减少交通事故的发生。 系统实现了人眼疲劳检测功能。在车辆行驶过程中驾驶员是否疲劳可以从眼 睛的状态反映出来，利用驾驶员眼睛的状态信息来判断疲劳状况是一种可行的 方法。首先，利用肤色与背景色的不同建立肤色模型，实现人脸区域的图像分割 以缩小眼睛的搜索区域，进一步提高人眼定位的准确性；其次，对图像利用直方 图均值化进行图像的增强，使用坎尼算子成功地对人脸图像进行边缘检测；最后， 结合人眼位置判定准则判定边缘检测图像中眼睛的高度，运用p e r c l o s 疲劳判 定方法判断驾驶员是否处于疲劳驾驶状态。系统的u s b 接口外接一个摄像头来 采集图像，运用交叉编译工具编程实现，实验验证表明，本系统的人眼检测功能 在速度和准确性方面表现了良好的性能，能够快速、有效地识别出驾驶员疲劳状 态。 关键字：汽车行驶记录仪人眼检测肤色模型边缘检测 a b s t r a c t a b s t r a c t v e h i c l et r a v e l i n gd a t ar e c o r d e ri sad i g i t a le l e c t r o n i cr e c o r ds e tw h i c hc a l l c o l l e c ta n ds t o r ev e h i c l e sr u n n i n gv e l o c i t y , t i m e ，d i s t a n c ea n do t h e rs t a t ei n f o r m a t i o n r e l a t e d v e h i c l et r a v e l i n gd a t ar e c o r d e rn o to n l yc a nh o l do u tt r a f f i cv i o l a t i o n s ， r e s t r i c td r i v e r sb a dd r i v eh a b i t ，b u ta l s oc a np r e v e n tt r a f f i ca c c i d e n t sf r o mh a p p e n i n g ， a n dp r o v i d es c i e n t i f i c ，v e r i t a b l eo r i g i nd a t u mf o rf i p s t a f f st oa n a l y z ea n dd i s p o s eo f a c c i d e n t s i tp l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l ei nt r a n s p o r t a t i o nm a n a g e m e n t i nt h i sa r t i c l e ，an e w r e c o r d i n gi n s t r u m e n t a b o u tt h es t a t eo fv e h i c l er u n n i n gb a s e d o nl i n u xa n dy a f f sf i l es y s t e mi si n t r o d u c e d t h ed a t aa n a l y s i ss o f t w a r ec a n a n a l y z eo r i g i n a ld a t e i tc a nr e a do r i g i n a ld a t u mo f t h er e c o r d e r , a n db ep r o v i d e dw i t h q u e r y , s t a t i s t i c ，p a r a m e t e rs e x i n ga n do t h e rf u n c t i o n s i n c l u d i n gc o m m o nd e s i g n ， r e a l t i m e i m a g e s t od e t e c t ，t r a c ka n da n a l y z et h es t a t eo fe y e sa n dp i c k u p c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e ro fe y e si ss u g g e s t e d w h e t h e rad r i v e ri si nf a t i g u es t a t ec a nb er e f l e c t e db yh i se y e sd u r i n gt h ec o u r s e o fd r i v i n g ，i ti sp r a c t i c a lt ou s et h ei n f o r m a t i o na b o u tt h ed r i v e r se y e st om o n i t o r f a t i g u es t a t e ，e y el o c a t i o ni st h ek e yp r o b l e mi nt h ed r i v e rf a t i g u es t a t e f i r s t l y , t h i s a r t i c l ei m p l e m e n t sf a c es e g m e n t a t i o nu s i n gt h ed i f f e r e n c eo fc o l o rb e t w e e nf a c ea n d b a c k g r o u n d s e c o n d l y , e n h a n c et h ei m a g e c o n t r a s tw i t hh i s t o g r a me q u a l i z a t i o n ，d e t e c t t h ei m a g ee d g eu s i n gc a n n ye d g ed e t e c t i o no p e r a t o r l a s t l y , c o u n th e i g h to fe y e s c o m b i n e dw i t he y e sl o c a t i o ng u i d er u l e ，j u d g et h ed r i v e ri sf a t i g u eo rn o tw i t h p e r c l o sg u i d el i n e e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h em e t h o di se f f i c i e n ta n d p r e c i s e k e yw o r d s ：v e h i c l et r a v e l i n gd a t ar e c o r d e r , e y e sd e t e c t i o n ，c o l o rm o d e l ，e d g e d e t e c t i o n i i 论文原创性和授权使用声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作 所取得的成果。除己特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任 何他人已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 所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学 校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名：益苤蕉 时年多月如日 i 习馋。3 酶啤 y 。毋小 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 根据国标中的定义，汽车行驶记录仪就是对车辆行驶速度、时间、里程以及 有关车辆行驶的其他状态信息进行记录存储，并可通过接口实现数据输出的数字 式电子记录装置。 汽车行驶记录仪的使用，可以对驾驶员的行为起到监督作用。对遏止疲劳驾 驶车辆超速等交通违章约束驾驶人员的不良驾驶行为，保障车辆行驶安全以及交 通事故的分析鉴定都具有重要作用。欧盟日本等国家早在2 0 世纪7 0 年代就开始 以立法的形式在部分客运车辆及货车上强制安装使用记录仪，我国从2 0 世纪8 0 年代后期开始，在少数地区也曾试用过由国内一些科研机构及企业自主研制的数 字记录仪( 陈志斌，2 0 0 3 ) 。国内外的使用情况表明记录仪为国家行政管理部门 提供了有效的执法工具，为道路运输企业提供了管理工具，为驾驶员提供了其驾 驶活动的反馈信息，其使用对保证道路交通安全起到了直接的作用。 汽车电子的安全系统包括主动式安全系统和被动式安全系统，其中主动式安 全系统包括车距维持、车道偏离、盲点警示、瞌睡警示等，被动式安全系统包括 智慧型安全气囊和预缩式安全带等。 安全系统属于汽车电子产品中技术含量较高的领域，通过摄像头等配合复杂 的电子元件实现安全预警和故障排除功能，这些电子系统在汽车上的应用将会大 大提升整车的安全性，势必会受到消费者的欢迎。 1 2 研究背景与意义 近年来随着我国国民经济的快速发展，道路交通事故呈上升趋势，尤其是长 途客运车辆的重特大交通事故频发，给国家和人民生命财产带来了巨大损失，其 中5 8 与驾驶员疲劳驾驶有关( 黄平，王亚军，李生才，2 0 0 4 ) 。由此可见，“疲劳 驾驶 的问题是长久以来最让人束手无策的问题。为此，公安部、交通部、国家 安全生产监督管理局于2 0 0 1 年底联合下发了关于加强公路客运交通安全管理 的通告。通告要求：长途客运车辆应当逐步安装使用符合国家有关标准的汽车 记录仪，同时为了在全国范围内继续深入开展预防和减少道路交通事故工作，公 安部国家安全生产监督管理局制定了( ( 2 0 0 2 年预防道路交通事故工作方案，其 中明确规定对疲劳驾驶、车辆超速等8 项违章行为进行集中整治。2 0 0 2 年5 月 第一章绪论 2 7 日交通部下发 2 0 0 2 2 2 6 号文件关于继续进行道路危险货物运输专项整治的 通知，文中对于从事运输剧毒化学品、爆炸品等危害性极大的危险化学品的车 辆，应安装行车记录仪或g p s 卫星定位系统和通讯设备( 杨光，2 0 0 3 ) ，各省市 自治区也纷纷出台了自己的政策。例如湖南省交管局和省运管局联合做出决定凡 未安装车辆行驶记录仪的跨省大型长途客运车辆，高速公路客运车辆及危险货物 运输车辆一律不准参加2 0 0 3 年营运，从2 0 0 4 年1 月1 起，凡是未安装行驶记录 仪的客运车辆一律不准参加营运性旅客运输。 统计资料表明，记录仪的使用使交通事故率显著降低，大大减少了人员伤亡 和财产损失，产生了显著的社会效益和经济效益。总结来说，记录仪的正确使用 可以起到如下作用： 1 为客货运企业的管理提供参考，从而降低其运营成本。通过各项管理报 表，实现对公司员工的绩效考核，提高公司的经济效益；通过改变内部员工的不 良驾驶，习惯减少轮胎等耗材的损耗，降低车辆运行成本；通过防止公车私用等 现象，杜绝因此而造成的公司资本流失。 2 提高行车安全，更好的保障社会群众及乘客的生命安全。通过记录和提 醒司机的不良驾驶行为，可大幅减少车辆违规肇事。遇到交通事故，记录仪上保 存的事故疑点数据为公安交通部门的事故处理、协助破案提供了有效的手段和依 据。 3 为交通管理部门的车辆检验( 如年检) 提供了更全面的参考数据，使交 管部门的车辆检验工作更加客观。 汽车行驶记录仪被认为是作为确保行驶安全的有效手段，可以迅速获取有关 行车数据，提供行之有效的监控手段，改善营运状况，势必成为车辆交通管理必 不可少的设备。 1 3 国内外记录仪的研究现状与分析 国家关于汽车行驶记录仪的标准公布之后，许多企业和科研单位都投入到了 记录仪的研制工作当中。 国内开发行驶记录仪的科研单位有：吉林大学控制理论与控制工程专业、长 春理工大学通信与信息系统专业、华中科技大学、南京大学、东南大学等。 开发行驶记录仪的企业有：北京伟通宝通信技术有限公司、哈尔滨中德威帝 电子有限公司、北京集万讯电子技术有限公司、杭州中导科技开发有限责任公司 等等。( 陈伟，刘志斌，2 0 0 4 ) 2 0 世纪9 0 年代初，美国和德国率先开发了数字式汽车行驶记录仪，实现了 第一章绪论 同步记录、电子采集数据、打印机打印等功能，应用于道路运输安全管理，取得 较明显成效。2 0 0 3 年，欧盟颁布新的规定，从2 0 0 4 年8 月开始，在欧盟注册的 毛重超过3 5 吨以上的商用车必须安装数字式行驶记录仪。在美国、巴西等国， 商用车若没安装行驶记录仪则不可以使用公共道路。( 崔立超，2 0 0 5 ) 国外情况总体与国内类似，在对他们的样机和研究成果进行分析对比之后可 以得出如下结论： 这些记录仪的设计水平良莠不齐，有些记录仪样品已经较为成熟，也进行了 一定程度的功能扩展，也有一些记录仪连基本的使用还存在问题。总结来说，所 有这些记录仪都是以满足国标为设计出发点，可以采集记录的数据信息有限( 仅 采集速度信号和车灯、车门、鸣笛、刹车等8 个开关量状态) ，仅满足国标要求， 或者只是简单的在国标要求的基础上对采集数据的密度进行了提高，功能上较为 单一。 随着半导体技术的发展，微处理器的处理能力越来越强，特别是最近基于3 2 位a r m 核的芯片的发展，基于a r m 核设计的芯片以其低功耗，低成本，高集成性， 高处理能力在各种单片机系统中的应用越来越广，而且也由于嵌入式系统的发 展，a r m 核芯片正在迅速的抢占单片机系统市场。相比其他的集成度高，a r m 核 处理器由于使用渐多，采购价越来越低，可供应用参考的资料也越来越多，在系 统中使用a r m 核芯片，引入嵌入式操作系统己经成为目前小系统应用的趋势。 此外，现有的记录仪的价值主要体现在事故后的数据分析，如果加入人眼疲 劳检测的功能，无疑对事故的主动预防提供了重要的手段。2 0 0 0 年，石坚等人 通过传感器测量驾驶员驾驶时方向盘、踏板等的运动参数来判别驾驶员的安全因 素。我国己有几种结构简单、价格低廉的疲劳程度报警器。如郑州机务南段工程 师董世衍采用近红外线光电技术研制成功的一种打磕睡的警报装置。总体看来， 我国对于车辆驾驶中疲劳驾驶测评方法的研究同发达国家相比，还有很大的差 距。( 钟莹，2 0 0 5 ) 2 0 0 0 年3 月明尼苏达大学的n i k o i a o sp p a p n i k o l o p o u l o s 教授成功开发了一套驾驶员眼睛的跟踪和定位系统，用红外线摄像头并加滤波器 滤除图像的噪声和非脸部图像，使搜索脸部图像的次数减少，加快了系统处理图 像的速度。( 廖文良，褚艺斌，陈文萝，2 0 0 5 ) 采用灰度模式匹配方法追踪输入 图像序列来搜索并确定眼睛区域，然后用同样的模式匹配方法来确定眼睛是睁开 还是闭合，若搜索失败，则自动重新开始搜索。 根据统计，司机所获取的外界信息大约有9 0 是通过视觉得到的，因此测量 眼睛的睁闭、运动或视觉生理是一种很好的检测司机疲劳度的方法，基本原理就 是眼部的行为能够提供很重要的反映司机警惕度的信息，通过测量视觉行为来检 测司机在驾驶车辆时的疲劳度、警惕性和注意力是一种很可行的方法。到目前为 第一章绪论 止有些国家己经开发了许多测量眼睛眨眼频率、眼睛闭合或眼睛运动的监视器。 检测系统主要分为三个部分：人脸检测图像分割；眼睛边缘检测；疲劳识别。 摄像头实时地拍摄司机的脸部图像作为系统的输入部分，对初始帧图像进行处 理，通过肤色模型检测人脸，然后利用灰度直方图的均匀化滤波增强，得到的图 像再进行边缘检测，有效检测出眼睛的饱和度，在处理多帧数据时，运用k a l m a n 滤波器和m e a ns h i f t 算法跟踪眼睛。对于抓取的每一帧图像都重复循环此过程， 如果眼睛连续闭合的帧数超过一定的闽值，即可判断出司机处于疲劳状态，则触 发报警系统警告司机。本文主要是在这方面进行了探讨和研发，取得了较好的科 研成果。 4 第一章绪论 1 4 本文的主要内容 本文的内容和结构如下： 第一章阐述了该课题的研究背景和意义，引出课题，分析了国内外对汽车 行驶记录仪的研究现状，指出其局限性，为本课题的研究奠定基础。 第二章介绍了本系统的部分硬件模块，包括f l a s h 组件、开关量的硬件采 集等。 第三章讲述了系统的软件设计，包括主机的软件设计和上位机的数据处理 软件，给出了主要流程图。 第四章针对驾驶员图像的特殊性，做图像分割，利用边缘检测算法检测到 人眼。 第五章由于必须对多帧图像实现处理，文中利用卡尔曼滤波器和m e a ns h i f t 算法实现人眼的跟踪检测。 第六章对本论文的工作进行总结，对以后的发展方向做了展望。 第二章硬件系统设计 第二章硬件系统设计 2 1 系统的硬件结构设计 2 1 1 系统硬件总体框图 嵌入式汽车行驶记录仪以a r m 9 2 0 t 构架的$ 3 c 2 4 1 0 芯片为核心，连同 n a n df l a s h ，s d r a m 构成一个基本的嵌入式系统，记录仪的特定功能由外加 功能模块实现。系统的硬件总体结构框架如图2 1 所示。 中断 l c d 控制器i 内存控制器 u 卜 a 嵌入式l i n u x r t 计 l 卜 数 器s 3 c 2 4 l o u s b 控制 g p器 i o 内存 n a n d 控制器l 控制器 厂_ 叫 上位机 i 卜匝 图2 1 系统硬件框图 a r m 9 系列处理器在高性能、低功耗、低成本特性方面提供了最佳的性能。 在本系统中选用a r m 9 内核的微处理器是一个非常理想的解决方案。由于a r m 处理器具有高集成度的特点，很多外围功能都被集成到芯片内部，这样大大减小 了系统体积，并且降低了成本。 系统的存储单元主要包括两个部分，n o rf l a s h 用于存储程序文件和l i n u x 系统，n a n df l a s h 用于存储数据文件，相当于p c 机中的外部存储器硬盘。 s d r a m 用于程序运行时代码的装入和运行，相当于p c 机中的内存。 人机接口模块负责用户与系统的信息交互。l c d 显示器将系统的信息以图形 界面的方式直观的反馈给驾驶员，就像p c 机上的显示器。系统还设置了少量按 键，用于部分特殊操作。 6 第二章硬件系统设计 2 1 2 硬件外围电路设计 $ 3 c 2 4 1 0 处理器本身集成了大量功能，其外围电路复杂度相对较低，在设计 需要着重考虑汽车环境的需要，针对车内环境设计外围电路时，要做一些考虑。 设计电源模块时需要考虑汽车提供的电源的特点，一般汽油发动机车内提供的是 1 2 v 直流电源，柴油发动机车内提供的2 4 v 直流电源，主电源模块设计时应选 用输入电压范围较宽的直流电源转换芯片，以适用不同的输入的电压。存储单元 包括存储代码用的n a n df l a s h 和运行程序用的s d r a m ，由于系统所处环境 颠簸和振动较大，并不适于使用硬盘作为外部存储器，设计时使用大容量的 f l a s h 扩展外部存储空间。良好的人机接口模块可以使系统更容被用户接受。 系统的一些特殊功能是通过添加专用模块来实现的，如负责人眼识别检测的模 块。 2 2 大容量n a n df l a s h 电路设计 2 2 1n o r 与n a n df l a s h 由于本系统需要实时、快速、长期地记录状态数据，要求具有容量大速度快 等特点，因此选择一种合适的存储器件尤为重要。现在市场上两种主要的非易失 闪存技术是n o rf l a s h 和n a n df l a s h 两种类型，程序存储器和数据存储器 应该如何选择，下面将对两者做一比较。 n o rf l a s h 可以将程序和数据存放在同一片芯片上，拥有独立的数据总线 和地址总线，能快速随机地读取，允许系统直接从f l a s h 中读取代码执行，而 无需先将代码下载至r a m 中再执行。可以单字节或单字编程，但不能单字节擦 除，必须以块为单位或对整片执行擦除操作，在对存储器进行编程之前需要对块 或整片进行预编程和擦除操作。 n a n df l a s h 以页为单位进行读写操作，1 页为2 5 6 b 或5 1 2 b ；以块为单位 进行擦除操作，1 块为4 k b 、8 k b 或1 6 k b 。具有快编程和快擦除的功能。数据、 地址采用同一总线，实现串行读取。随机读取速度慢且不能按字节随机编程，芯 片尺寸小，引脚少，是位成本( b i tc o s t ) 最低的固态存储器。( h y n i xs e m i c o n d u c t o r ， 2 0 0 3 ) 但是n a n df l a s h 芯片存储位错误率较高，推荐使用e c c 校验，并包含有冗 余块，其数目大概占1 ，当某个存储块发生错误后可以进行标注，并以冗余块 代替。 7 第二章硬件系统设计 1 ) 性能比较 f l a s h 闪存是非易失存储器，可以对称为块的存储器单元块进行擦写和再 编程。任何f l a s h 器件的写入操作只能在空或已擦除的单元内进行，所以大多 数情况下，在进行写入操作之前必须先执行擦除。n a n d 器件执行擦除操作是 十分简单的，而n o r 则要求在进行擦除前先要将目标块内所有的位都写为o 。 由于擦除n o r 器件时是以6 4 1 2 8 k b 的块进行的，执行一个写入擦除操 作的时间为5 s ，与此相反，擦除n a n d 器件是以8 3 2 k b 的块进行的，执行相同 的操作最多只需要4 m s 。 执行擦除时块尺寸的不同进一步拉大了n o r 和n a n d 之间的性能差距，统 计表明，对于给定的一套写入操作( 尤其是更新小文件时) ，更多的擦除操作必须 在基于n o r 的单元中进行。这样，当选择存储解决方案时，设计师必须权衡以 下的各项因素。 n o r 的读速度比n a n d 稍快一些。 n a n d 的写入速度比n o r 快很多。 n a n d 的4 m s 擦除速度远比n o r 的5 s 快。 n a n d 的擦除单元更小，相应的擦除电路更少。 2 ) 接口差别 n o rf l a s h 带有s r a m 接口，有足够的地址引脚来寻址，可以很容易地存 取其内部的每一个字节。 n a n d 器件使用复杂的i o 口来串行地存取数据，共用8 位总线( 各个产品 或厂商的方法可能各不相同) 。8 个引脚用来传送控制、地址和数据信息。n a n d 读和写操作采用5 1 2 字节的页和3 2 k b 的块为单位，这一点有点像硬盘管理此类 操作，很自然地，基于n a n d 的存储器就可以取代硬盘或其他块设备。 3 ) 容量和成本 n a n df l a s h 的单元尺寸几乎是n o r 器件的一半，由于生产过程更为简单， n a n d 结构可以在给定的模具尺寸内提供更高的容量，也就相应地降低了价格， 大概只有n o r 的十分之一。 n o r f l a s h 占据了容量为1 1 6 m b 闪存市场的大部分，而n a n df l a s h 只是用在8 1 2 8 m b 的产品当中，这也说明n o r 主要应用在代码存储介质中， n a n d 适合于数据存储，n a n d 在c o m p a c tf l a s h 、s e c u r ed i g i t a l 、p cc a r d s 和 m m c 存储卡市场上所占份额最大。 4 ) 可靠性和耐用性 采用f l a s h 介质时一个需要重点考虑的问题是可靠性。对于需要扩展m t b f 的系统来说，f l a s h 是非常合适的存储方案。可以从寿命( 耐用性) 、位交换和坏 第二章硬件系统设计 块处理三个方面来比较n o r 和n a n d 的可靠性。 在n a n d 闪存中每个块的最大擦写次数是一百万次，而n o r 的擦写次数是 十万次。n a n d 存储器除了具有1 0 比l 的块擦除周期优势，典型的n a n d 块尺 寸要比n o r 器件小8 倍，每个n a n d 存储器块在给定的时间内的删除次数要少 一些。 5 ) 位交换( 错误率) 所有f l a s h 器件都受位交换现象的困扰。在某些情况下( 很少见，n a n d 发 生的次数要比n o r 多) ，一个比特位会发生反转或被报告反转了。一位的变化可 能不很明显，但是如果发生在一个关键文件上，这个小小的故障可能导致系统停 机。如果只是报告有问题，多读几次就可能解决了。当然，如果这个位真的改变 了，就必须采用错误探测错误更正( e d c e c c ) 算法。位反转的问题更多见于 n a n d 闪存，n a n d 的供应商建议使用n a n d 闪存的时候，同时使用e d c e c c 算法。 这个问题对于用n a n d 存储敏感信息时，必须使用e d c e c c 系统以确保可 靠性。 6 ) 坏块处理 n a n d 器件中的坏块是随机分布的。以前也曾有过消除坏块的努力，但发现成 品率太低，代价太高，根本不划算。n a n d 器件需要对介质进行初始化扫描以 发现坏块，并将坏块标记为不可用。现在的f l s a h 一般都提供冗余块来代替坏块 如发现某个块的数据发生错误( e c c 校验) ，则将该块标注成坏块，并以冗余块 代替。这导致了在n a n df l a s h 中，一般都需要对坏块进行编号管理，让每一 个块都有自己的逻辑地址。 结合以上分析，可以看出，在对嵌入式l i n u x 系统、b o o t l o a d e r 和程序的存 储上n o rf l a s h 占有优势，而在存储大容量的数据时应该优先选择n a n d f l a s h ，下一节将会介绍n o rf l a s h 的使用。 2 2 2 器件功能结构 三星公司的k 9 f 系列n a n df l a s h 存储器有着容量大、功耗低、成本低、 电气性能好的特点，是大容量f l a s h 市场的有力竞争者。本系统采用的n a n d f l a s h 存储器是k 9 f 1 2 0 8 u o m ，单片容量6 4 m b 。该器件采用t s s o p 4 8 封装， 工作电压2 7 3 6 v 。( s a m s u n ge l e c t r o n i c sc o r p ，2 0 0 3 ) k 9 f 1 2 0 8 u o m 的结构由以下几部分构成： 存储阵列。整个存储阵列又可分为四个位面( p l a n e ) ，每个位面含有1 0 2 4 个块和一个5 2 8 字节的页寄存器；每一块分为3 2 页，一页包含5 2 8 字节，这 9 第二章硬件系统设计 5 2 8 字节包含前2 5 6 字节和后2 5 6 字节以及空闲的1 6 字节。 地址译码器。它是一个二维的译码器，a 0 a 7 为y 方向译码器( 列值) ； a 9 a 2 5 为x 方向译码器，选择页号；而a 8 是由命令寄存器决定的，用于选择 页前2 5 6 字节和后2 5 6 字节。 命令寄存器。命令寄存器把输入的命令暂存起来，根据不同的命令和控制 线执行不同的操作。 控制逻辑和高电压产生器。控制逻辑产生各种控制信号及产生用于对存储 阵列进行编程的高压。 i o 缓存、全局缓存及输出驱动。用于对输入及输出进行必要的缓存，以 符合时序的要求；输出驱动加强带载能力。 k 9 f 1 2 0 8 u o m 采用串行工作方式，且8 位i 0 端口采用地址、数据和命令复 用的方法。这样既可减少引脚数，还可使接口电路简洁，为大容量固态文件存储 器嵌入式设备提供了很好的解决方案。图2 2 为本研究设计的f l a s h 存储器与 $ 3 c 2 4 1 0 的实际接口电路。 d 7 ：0 】 卧。7 i o 7 ：0 】 c l ec l e $ 3 c 2 4 1 0 篙 a l ek 9 f 1 2 0 8 u n f r e r n b r n b n f 僵n f w e i l f c e n f c e 图2 2k 9 f 1 2 0 8 与$ 3 c 2 4 1 0 接口电路 k 9 f 1 2 0 8 u o m 的数据总线与s 3 c 2 4 1 0 的数据口d a t a 相连，控制引脚在 $ 3 c 2 4 1 0 中有相应的引脚和控制寄存器，所以连接比较简单。 2 3 状态量的采集 记录仪要对汽车行驶过程中的开关量进行记录，比如左右转向灯、刹车、远 光灯、近光灯、雾灯、倒车灯、喇叭、雨刮器、车门等等。我们使用$ 3 c 2 4 1 0 的通用i o 直接对这些开关量进行测量，使用g p e x 接口来测量这写开关量，在 我们的系统中，$ 3 c 2 4 1 0 还有一些引脚没有用到，这些引脚大都可以功能复用为 i o ，我们还可以根据需要进行扩展，来测量更多的开关量，显示出$ 3 c 2 4 1 0 良 1 0 第二章硬件系统设计 好的可扩展性。 其中一个开关量的采集电路原理图如图2 3 所示。采用7 4 l s 0 4 非门芯片对 电平进行转换，连接到$ 3 c 2 4 1 0 的g p e x 口。 g p e l l 塑 1 一 5 0 0 2 4 本章小结 n 1 k 33 v g n d 图2 3 开关量采集电路 1 4 _ 一 1 3 - 一 1 2 1 1 _ 一 1 0 _ 一 9 8 本章对系统的采集模块、存储模块的结构进行了详细的阐述，硬件的结构设 计遵循了利于系统功能实现，简化电路设计，提高整个系统可靠性、可扩展性的 原则。 第三章软件系统设计 第三章软件系统设计 本系统软件设计主要基于以下方案： 1 ) 主控模块：负责调度以下几个模块的协调运行： 2 ) 信号采集：利用定时器中断和外部中断设计完成信号采集，包括开关量( 前 车灯、刹车等) 及车辆车速的监视、司机连续驾驶时间的监视，当发现有偏离或 超过设定值的情况时，发出报警提示。 3 ) 数据处理：在信号采集过程中，软件伴随着信号处理，在采集车辆速度信 号的同时，计算车辆的一分钟平均速度，根据记录仪的国家标准形成各种数据， 并以一定的格式存储到存储器中，以备其它模块的使用： 4 ) 键盘、显示及打印：利用m i n i g u i 完成显示模块的功能要求。将标准中所 要求的显示内容以画面的方式直观的显示出来。键盘用以支持用户的各种功能操 作。 5 ) 串口通信：利用串口通信完成与p c 机的通信，搭建上位机程序。 6 ) 编写上位机软件，对存储在n a n df l a s h 的数据进行提取分析。 3 1 系统软件结构设计 3 1 i 软件总体设计 嵌入式汽车行驶记录仪的c p u 处理速度在2 0 0 m h z 以上，并具有6 4 m 的大 容量内存，如此丰富的系统资源没有一个操作系统进行统一管理和分配显然是很 难发挥出系统的强大性能的。因此，系统采用了嵌入式l i n u x 操作系统作为底层 软件，为上层的应用程序提供统一的硬件接口，屏蔽了复杂的硬件操作，而且使 多任务并发执行很容易实现。嵌入式m i n i g u i 给l i n u x 操作系统加了一个友好的 图形操作界面。l i n u x 操作系统本身并不具有用户界面，早期的l i n u x 使用的是 命令行界面，用户通过键盘输入命令来操作计算机。现在l i n u x 上已经开发出多 个图形化的用户界面，其精美的画面和人性化的操作方式在一些方面甚至超过 w i n d o w s 的窗口系统。嵌入式m i n i g u i 就是一个专门针对于嵌入式系统设计的 图形用户界面的工具包。处于系统软件结构最上层的用户程序通过使用库，可以 随意设计程序的外观，使程序更容易被用户接受。 在文件系统选择上，我们让负责程序和内核存储器的n o rf l a s h 采取根文 件系统r a m d i s k ，而作为大容量数据存储的n a n df l a s hk 9 f 1 2 0 8 u o m 采取 1 2 第三章软件系统设计 y a f f s 文件系统的策略。这样方面可以保证程序的烧制和内核都集中在n o r f l a s h 中，又能方便的更换更大容量或者其他n a n df l a s h 而不影响系统的 使用。 3 1 2 系统主程序流程图 系统主程序框图如图3 1 。主控模块首先对系统进行初始化操作，包括对芯 片、串口、中断、定时器等等的设置，初始化完成后即进入主程序。主程序形成 一个不断运行的循环。 匦 肛圆 i。一 图3 1 主程序流程图 3 2 文件系统与操作系统设计 3 2 1y a f f s 文件系统 本系统采用y a f f s 文件系统作为n a n df l a s hk 9 f 1 2 0 8 u o m 的文件系统。 y a f f s 意为“y e ta n o t h e rf l a s hf i l es y s t e m ，是目前唯一一个专门为n a n d f l a s h 设计的文件系统。y a f f s 是特别为n a n d 设备设计的，它是一种类似 第三章软件系统设计 于j f f s 2 的日志型文件系统。y a f f s 相对于j f f s 2 ，减少了一些功能，因此速 度更快、占用内存更少，并且对n a n df l a s h 具有很好的保护机制，能够延长 n a n df l a s h 的使用寿命。因此，y a f f s 文件系统的出现，使得价格低廉的 n a n df l a s h 芯片具有高效性和健壮性。目前，大容量的n a n d 闪存器件和基于 它的y a f f s y a f f s 2 文件系统正越来越广泛的运用在嵌入式系统越来越广泛的 运用在嵌入式系统中。基于n a n df l a s h 的y a f f s 文件系统原理框图如图3 2 所示。 y a f f s 文件系统 块设备驱动 m t d 驱动模块 |h 二a n 。闪存 图3 2 基于n a n d 闪存的y a f f s 文件系统原理框图 3 2 2 嵌入式l i n u x 移植 嵌入式l i n u x 系统可应用于多种硬件平台。l i n u x 已经被移植到多种硬件平 台，这对受开销、时间限制的研究与开发项目是很有吸引力的。原型可以在标准 平台上开发然后移植到具体的硬件上，加快了软件与硬件的开发过程。l i n u x 可 以随意地配置不需要任何的许可证或商家的合作关系。它是免费的，源代码可以 得到。这是最吸引入的。毫无疑问，这会节省大量的开发费用。 在系统硬件电路设计完成后，要建立一个嵌入式l i n u x 的软件开发环境。所 有软件都在p c 机上开发，编译通过后再下载到目标系统中进行进一步调试。p c 和目标系统通常被称为h o s t ( 宿主机) 和t a r g e t ( 目标板) 。宿主机需要安装l i n u x 操作系统和一些相关的开发工具。目标板和宿主机主要通过三种方式进行通 信：j t a g 接口、串口、以太网接口。这三种方式在系统的开发过程中都具有重要 作用。一块新的目标板上没有任何代码，这时只能用j t a g 接口将b o o t l o a d e r ( 启 动代码) 烧写到目标板的f l a s h 中。启动代码在目标板上正常运行后，系统的 硬件资源被初始化，此时目标板的串口己经可以和宿主机进行通信了，也有部分 b o o t l o a d e r 支持网络功能，在运行b o o t l o a d e r 后可以通过网络协议与宿主机通 1 4 第三章软件系统设计 信。通过串口，l i n u x 内核、文件系统可以被传输到目标板上并烧写到f l a s h 中。 串口的优点在于其使用简单，但是其缺点也很明显，就是下载速度相当慢，一个 8 0 0 k b 左右的l i n u x 内核镜像文件通过串口下载到目标板上需要3 分钟左右，而 且如果在系统中添加程序必须制作和重新烧写数十兆的文件系统，这在开发过程 中显然是很不方便的。系统启动l i n u x 后便具有了强大的网络功能，此时目标板 与宿主机的通信就非常简单了。通过网络，宿主机的文件目录可以被挂载到目标 板的文件系统中，这个目录的所有文件都可以被目标板使用，与目标板上本身的 文件相同。甚至可以使目标板从网络加载根文件系统，这种开发方式具有很好的 灵活性，在后期开发和调试中主要使用这种方法。 要使得标准l i n u x 能在a r m 嵌入式处理器上运作，势必要经过移植( p o r t i n g ) 的过程。所谓移植，就是让一套软件可以在一套选定硬件平台上正常运作，也就 是要将平台相依( p l a t f o r md e p e n d e n t ) 的部分做适当的修改。内核源码a r c h 子 目录包括了所有和平台体系结构相关的核心代码，它的每一个子目录都代表所支 持的一种体系结构，a r m 就是关于我们所选处理器体系结构的子目录。我们的移 植工作主要集中于此目录下。具体的移植过程可参照相关资料，本文不赘述。移 植工作完成后，再进行如下编译过程，即可得到我们需要的映像文件： m a k ed e p ；m a k ec l e a n ：m a k ez l m a g e 。 除此之外一个完整的嵌入式系统还要有引导代码，如v i v i ，ub o o t 等。 b o o t l o a d e r 也需要移植与编译，在此不详述。然后则是对f l a s h 做好区间的划分， 便可以用f l a s h 烧写工具依次将b o o t l o a d e r ，内核以及根文件系统r a m d i s k 烧写到n o rf l a s h2 8 f 1 2 8 j 3 里。本系统的f l a s h 的地址空间分布如图3 3 。 0 x 0 0 x 4 0 0 0 0 0 x 1 4 0 0 0 0 0 x l0 0 0 0 0 0 引导代码 内核 文件系统 r a m d l s k ，。_ v 图3 3n o rf l a s h2 8 f 1 2 8 j 3 地址空间分布 第三章软件系统设计 3 3 信号采集部分设计 这部分的软件不仅包括各部件的驱动，让这些硬件能够动起来，更要求它能 配合硬件电路实现记录仪主体部分的各项功能： 1 ) 每0 2 秒的采样周期完成对开关量、模拟量的采集、计算、和存储，其 它模拟量包括蓄电池电压、水温、机油压力等量的采集和存储( 这几个量的测量 与否根据车型确定) ；脉冲量的测量，包括车速里程传感器的脉冲计数，( 发动机 的转速脉冲计数根据车型确定是否记录) ，算得车辆实时行驶速度和累计行驶里 程并存储结果： 2 ) 车辆实时车速的监视、司机连续驾驶时间的监视、其它量( 水温、机油压 力等等) 的监视，当发现有偏离或超过设定值的情况时，发出报警蜂鸣提示。 根据记录仪的功能需求，我们使用$ 3 c 2 4 1 0 的以下中断资源： 1 ) 定时器中断0 ：产生记录仪的o 2 秒的采样间隔。 2 ) 外部中断1 ：对速度里程传感器的脉冲数进行计数。 3 ) 串口接收中断0 ：响应上位机的命令，作相应处理。 4 ) 实时时钟( r t c ) 中断：在每天的0 时、0 分、0 秒触发，对当天的累计行驶 里程作处理。 它们的优先级别定为：外部中断1 、定时器中断0 、r t c 中断。 3 3 1 定时中断采集数据 定时中断每0 2 秒触发一次，在定时中断被触发以后，根据车辆行驶状态标 志s t a t e 来判断应该执行怎样的程序，其程序流程图参见图3 4 所示。 s t a t e 在仪表刚刚上电的初始化过程中被置0 ，表示车辆启动并处于停止状 态；s t a t e 在汽车行驶的过程中被置为0 x 5 5 ，如果车辆启动后，行驶一段时间后 又停止了，这时s t a t e 被置为0 x f f ；