（电路与系统专业论文）基于pxa270的手持式被盗车辆稽查系统的研究.pdf

浙江大学研究生学位论文独创性声明 i m y 删1 7 吣5 州1 1 1 l 叭9 叭0 l 1 6 腿 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加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，也不包含为获得逝望盘堂或其他教育机构的学位或 一 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谢意。 学位做作者签名势豁、1 签翔期：咿，。年步帅 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝婆盘堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，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适用本授权书) 学位论文作者虢乃彭、1 签字日期：伊d 年方月l 弓e l 导师签名： ， 名 签字日期：卜年厂月侈日 大 文 的设计阶段，我经常因为一些未知的设计问题而不知从何下手，常常因为计划不 足而增加很多烦恼。章专副教授以清晰地思路提示我下一步该从哪个角度思考这 种问题，以严谨求实的精神告知我对学习的态度，教会我如何做学问，如何做事， 如何做人，使我终身受益。在此我对章专老师表示衷心的感谢。 在生活上，我要感谢我的父母。他们对我的生活上的关怀和精神上的支持， 使我能够坦然面对生活中的种种挫折，能够信心百倍的处理各种问题。 感谢陈偕雄老师、沈继忠老师、徐新民老师、金文光老师、董利达老师、王 柏祥老师的教导和诸多关照。 有幸能在电子电路与信息系统研究所和刘倩师姐，沈勇武师兄，马文强师弟， 申屠粟民师弟、宋万里师弟、连明超师妹一起学习过一段时间，感谢他们对我学 习上的指导和帮助。 感谢所有关心我和帮助我的老师、同学和朋友们。 最后，衷心感谢各位老师对论文的评审! 原建利 2010 年5 月于杭州 摘要 本文依照智能交通系统的发展趋势，针对日益增多的车辆盗抢事件，设计了 适用于执勤交警的手持式稽查系统。 为避免网络信号不好带来实时性差的问题，系统方案选择将图像采集和信息 处理集成在一起。本文首先设计了整个系统的软硬件结构框架，接着选取合适的 微处理器芯片、存储设备、图像采集设备和图像显示设备来进行硬件电路设计。 通过b l o b 和l i n u x 内核的移植来构建软件开发平台。为满足设计需求，u s b 摄 像头采集的车牌图像，经过车牌预处理滤除部分干扰信号，车牌定位确定车牌的 上下左右边界，字符分割得到每个字符的位置信息。另外，论文采用适用于嵌入 式系统的基于特征向量的字符识别算法。通过车牌预处理、定位、分割、识别等 过程处理过的车牌信息在数据库中查找对应的车主信息，同时将信息在硬件平台 上采用图形用户界面显示出来。系统测试表明，该设计能够实现图像的采集、处 理识别和数据查询等功能，满足预期的目标。 论文最后总结了本课题取得的成果和存在的不足之处，提出了下一步的研究 方向和发展目标。 关键字：嵌入式系统，车牌识别技术，车辆稽查系统，p x a 2 7 0 ，a r ml i n u x a b s t r a c t t h i sa r t i c l ef o l l o w st h ed e v e l o p m e n to 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 ma n d d e s c r i b e sap o r t a b l ei n s p e c t i o ns y s t e ms u i t a b l ef o rt r a f f i cp o l i c e m a nt od e a lw i m r o b b e r y a n d t h e f t c a ra c c i d e n t s i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mo fp o o rn e t w o r k ，t h i ss y s t e mi n t e g r a t e di m a g e a c q u i s i t i o na n d i n f o r m a t i o n p r o c e s s i n gt o g e t h e r f i r s t ，h a r d w a r ea n d s o f t w a r e a r c h i t e c t u r ea r eb u i l ti nt h i sa r t i c l e t h ep r o p e rm i c r o p r o c e s s o rc h i p ，t h es t o r a g e d e v i c e ，t h ei m a g ea c q u i s i t i o ne q u i p m e n ta n dt h ei m a g ed i s p l a yi n t e r f a c ea l ec h o s e nt o d e s i g nt h eh a r d w a r ec i r c u i t a n dt h e nb l o ba n dl i n u xk e r n e li sp o r t e da n dc o m p i l e d t ob u i l dt h es o f t w a r ed e v e l o p m e n tp l a t f o r m t h ei m a g ei sg a i n e db yt h eu s bc a m e r a a n dp a s s e dt op l a t ep r e p r o c e s s i n gm o d u l et of i l t e rs o m en o i s es i g n a l t h eb o u n d a r yo f t h ep l a t ea n dt h ec h a r a c t e ri sc a l c u l a t e db yt h ep l a t er e p o s i t i o nm o d u l ea n dt h e c h a r a c t e rs e g m e n t a t i o nm o d u l er e s p e c t i v e l y an e wc h a r a c t e rr e c o g n i t i o na l g o r i t h m u s i n ge i g e n v e c t o ri sd e v e l o p e dt os o l v et h i sp r o b l e m ，w h i c hc a ne a s i l yr e a c ht h e e m b e d d e ds y s t e md e s i g nt a r g e t a f t e ra l lt h o s ep r o c e s s e s ，t h ep l a t ei n f o r m a t i o ni s i n q u i r e di nt h ed a t a b a s et og e tt h ei n f o r m a t i o no ft h eo w n e ra n dt h e ns h o w e db yt h e g r a p h i c a ll l s e ri n t e r f a c e t h es y s t e mt e s tr e s u l ti n d i c a t e st h a tt h i sd e s i g nc a nr e a l i z e t h ef u n c t i o no fi m a g ea c q u i s i t i o n ，r e c o g n i t i o n ，i n f o r m a t i o ni n q u i r y , a n ds oo n ，w h i c h m e e t sr e q u i r e m e n t s t h ea r t i c l es u m m a r i z e st h ea c h i e v e m e n ta n dt h ed e f i c i e n c yi nt h er e s e a r c ha n d p r o p o s e st h er e s e a r c hg o a lo f n e x ts t e pa tl a s t k e y w o r d ：e m b e d d e ds y s t e m ，l i c e n s e p l a t e r e c o g n i t i o nt e c h n o l o g y , v e h i c l e i n s p e c t i o ns y s t e m ，p x a 2 7 0 ，a r ml i n u x i i i 目次 致谢i 摘要i i a b s t r a c t i i i 1 绪论1 1 1 车辆稽查系统的研究意义和现状1 1 2 手持式车辆稽查系统解决方案2 1 3 论文结构3 1 4 本章小结4 2 手持式车辆稽查系统结构设计- 5 2 1 车辆稽查系统硬件结构设计5 2 2 主要硬件模块设计6 2 3 车辆稽查系统软件结构设计1 2 2 4 主要软件模块设计1 3 2 5 本章小结1 7 3 稽查系统电路及p c b 设计1 9 3 1 稽查系统主要电路设计1 9 3 2p c b 设i 十2 6 3 3 本章小结3 0 4 稽查系统平台配置31 4 1a r ml i n u x ：；1 4 2b l o b 启动加载程序移植3l 4 3 嵌入式l i n u x 内核剪裁移植3 7 4 4 本章小结3 9 5 稽查系统软件设计及系统测试4 0 4 0 5 3 5 4 5 6 5 7 5 7 5 9 61 6 5 1 0 8 110 浙江大学硕f j 学位论文 1 绪论 1 绪论 随着世界经济的快速增长，公路基础建设以及汽车工业得到了突飞猛进的发 展。公路上行驶的车辆数量在不断增加中。来自公安部交通管理局的消息显示， 截至2 0 0 9 年8 月底，我国机动车保有量达到1 8 亿辆。其中，北京市机动车保 有量超3 8 0 万辆，约占全国总保有量的2 。与此同时，车辆被盗的数量也逐年 增加。据调查指出，世界上每l o 秒中就有一辆车被盗；西欧被盗汽车数量也是 高达几百万辆；在香港，每年有4 0 0 0 辆高级轿车失窃；而国内的情况也是不容 乐观，平均每年被盗抢的汽车数量约为8 7 万辆，仅北京市一年就有4 千多辆汽 车被盗抢。因此，对于车辆稽查系统的研究不仅具有重要的现实意义，而且能够 遏制交通事故的发生，维护社会安定。 1 1 车辆稽查系统的研究意义和现状 为有效地打击盗抢车辆犯罪行为，减少车主损失，维护有序的交通环境，需 要交通稽查部门上路检查的时间大大增加1 。然而稽查人员在路面值勤时往往无 法实时的查询驾驶员信息和车辆信息，这就造成：一是对无证及假证的驾驶员或 盗抢、假牌及有违章记录的车辆不能及时发现和查处。二是容易造成交通堵塞， 浪费大多数正常车主和乘客的时间。三是按照传统的人工判断，人均每小时查车 不到1 5 台，稽查人员的劳动强度非常大。 如今，世界各国纷纷把大量资金和科技人才投入到智能交通管理系统 ( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r ts y s t e m ，简称i t s ) 。智能交通管理系统是将先进的信息技 术、数据通讯技术、电子传感技术、电子控制技术以及计算机处理技术等有效地 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。智能交通系统包括：交通信息 采集系统( 如光学检测仪、车辆通行电子信息卡、g p s 车载导航仪器等) 、信息 处理分析系统( 如信息服务器、专家系统、g i s ( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ) 应用系统等) 、信息发布系统( 如互联网、手机、车载终端等) 。智能交通系统应 用最为广泛的地区是日本，其次是美国和欧洲，在我国北京、上海等地也已广泛 浙江人学硕士学位论文 1 绪论 使用卜1 。 目前，在城市交通智能化管理中，大量采用固定式检测手段，即在重要路段 或卡口设置监测站，架设车牌识别监控设备。这种方式的优点是可进行联网管理， 可针对重点路段实行2 4 小时不问断监控。但这种监测也存在局限性，它不可能 覆盖整个城市的大小路段，且投入多，灵活性差。为了弥补联网固定监控的弱点， 移动式交通稽查系统得到广泛的关注。移动式交通稽查系统分为车载式监控系统 和便携式稽查系统两大类。车载流动式监控，是将车牌识别系统设备安装在稽查 车辆上，在行驶过程中实时地对稽查车辆所经过的路段进行监控。系统的主要特 点是移动监测。但是它面临的主要问题有：首先是镜头晃动，摄像头架设在行驶 的车辆内，拍摄时难免会产生晃动；其次是触发问题，移动式监控不可能像卡口 监测一样在某一固定地点安装触发线圈来提供触发信号控制车辆的抓拍和牌号 的识别；最后就是联网问题，识别后的车牌号码需要与交通控制中心的数据库进 行比对查询，对网络状况依赖性高p 1 。便携式稽查系统主要由三部分组成：摄像 系统，包括数码摄像机、支架等组成；主机，主要是笔记本电脑；软件， w i n d o w s x p 2 0 0 0 操作系统、车牌识别软件等。该系统面临的主要问题有：首先 是成本较高；其次是触发问题；最后是联网问题。同时车辆的信息种类繁多，例 如车型，吨位，是否违章，缴费情况等等，主机内的数据库所能存放的资源数量 有限。 1 2 手持式车辆稽查系统解决方案 采用手持式设备来设计稽查系统，能够有效地解决上述问题。行之有效的解 决方案有两种： ( 1 ) 是设计的稽查系统前端的图像采集系统采集所需要的信号，通过无线 网络发送到主机，主机对信号进行相应的处理，并将处理结果通过无线网络返回 设备前端h ，5 1 。系统结构如图1 1 所示： ( 2 ) 是设计的稽查系统前端的图像采集系统采集所需要的信号，同时对信 号进行处理，显示处理结果。系统前端的存储器内需保存有供查询的数据库，和 主机通过有线接i = i 进行数据库的更新。系统结构如图1 2 所示： 浙江人学硕二l ：学位论文 1 绪论 从前端： 过无纺 稽查系统 前端 一 主机； 一 线网 图1 1 解决方案1 的框架图 稽查系统前端( 采集 模块采集信号，处理 通过有线接口和主机进行 主机 模块处理该信号，同 数据库的更新 时对结果进行显示) 图1 2 解决方案2 的框架图 由图1 1 和图1 2 可知，方案1 的系统前端的硬件设计比较简单，主要是图 像采集模块和无线传输模块，只需要负责信号的传输，信号的处理在主机完成。 方案1 对无线网络的依赖较强，实时性不强。方案2 的系统前端负责所有的信号 采集、处理等工作，因而实时性较强，其和主机的交流只需要进行数据库的更新， 故对网络的要求不高，但其前端的硬件设计比较复杂，且受限于存储单元的大小， 其数据库内只能包含部分有用的信息。 考虑到现实的网络情况，方案2 具有较强的可操作性。本文根据方案2 的框 架图，以我国平均每年被盗抢的汽车数量在8 7 万左右为设计参考标准，设计的 数据库内存放被盗抢汽车的车辆信息及车主的相关信息。每辆汽车的信息占用 2 k b i t 的存储空间，那么数据库的总大小为2 0 0 m b 左右。考虑到汽车使用数量的 不断增长，采用容量较大外接存储设备存放所需要的数据库，并负责和主机内数 据库进行更新。 1 3 论文结构 本文第二章将分析设计整个系统的软硬件的框架结构，选择实现系统各个模 块功能的器件芯片，介绍所选择的各个芯片的性质功能，并确定软件的开发方式 浙江人学硕j ：学位论文 1 绪论 及流程。关于具体的硬件电路设计将在第三章中进行介绍，其中包含p x a 2 7 0 与闪存( f l a s hm e m o r y ) 、s d r a m ( s y n c h r o n o u sd y n a m i cr a n d o ma c c e s sm e m o r y , 同步动态随机存取存储器) 、s d ( s e c u r ed i g i t a lm e m o r yc a r d ) 卡以及图像采集 芯片的接口电路，液晶显示电路，键盘电路以及p x a 2 7 0 的电源电路。在本章最 后介绍了p c b 的设计。第四章中将主要介绍启动引导加载程序b o o t l o a d e r 的相 关配置和l i n u x 内核的剪裁移植。第五章中在介绍车牌识别程序、数据库相关程 序、界面显示程序等的基础上得到系统的稽查程序，并对系统进行了测试。在最 后第六章中分析本文的不足之处以及对将来的展望。 1 4 本章小结 本章首先介绍了车辆稽查系统的研究意义和现状，对现今常用的方法进行了 总结，同时分析了其中存在的问题。在此基础上，确定了本文的研究方向和解决 思路，最后简单介绍了本文的结构安排。 4 浙江大学硕- j ：学位论文 2 手持式车辆稽查系统结构设计 2 手持式车辆稽查系统结构设计 通过第一章中对车辆稽查系统的分析，本章将进行系统的整体软硬件架构设 计，并根据结构框图设计各个模块。 2 1 车辆稽查系统硬件结构设计 按照方案2 的设计思路，车辆稽查系统要具备采集图像信息，处理图像信息， 显示处理结果，和主机进行数据更新的功能，这就要求硬件系统中必须具备图像 采集设备、图像处理设备、图像显示设备及数据库的存放设备。图像采集设备可 以采用图像采集芯片搭配相关的电路进行设计。对于图像处理设备，目前嵌入式 系统中的核心处理器件均采用微处理器实现。图像显示设备则采用小巧方便的液 晶模块实现。考虑到数据库容量的大小及更新的方便，数据库一般采用外部存储 设备实现。 以上模块可以实现手持式稽查系统的基本功能，然而微处理器要正常工作， 必须配合外部接口( 用于下载启动代码和应用程序) 、f l a s hr o m ( 存放启动运 行代码及系统运行相关程序) 和s d r a m ( 进行代码实际运行位置) 协同工作。 同时，为方便用户使用系统资源，需要设计用户输入接口，通过用户的操作使用 系统所具备的功能。由此得到的系统硬件结构框图如图2 1 所示： 从图2 1 中中可以看出，系统上电后，首先通过外部接口进行系统初始化的 相关设置。系统正常工作后，根据用户输入信号，微处理器向图像采集模块发送 控制信号，控制图像采集模块采集系统要处理的图像信息。然后微处理器将存储 器模块中f l a s hr o m 中的应用程序，拷贝到存储器模块中的s d r a m 中运行， 处理采集的图像，并将处理结果送到液晶显示模块中显示。最后根据用户要求， 将处理结果在数据库模块中进行查找匹配，得到所需要的信息。 浙江大学硕士学位论文 2 于持式车辆稽查系统结构设计 2 2 主要硬件模块设计 图2 1 稽查系统硬件结构框图 系统结构设计完成后，就要进行各个模块的搭建和芯片的选择过程。一般芯 片按照性价比高、易获取、设计简单、资料丰富等原则进行选择。 2 2 1 微处理器模块设计 在此系统中，微处理器控制着各种设备协同工作，同时也要进行图像的处理， 因此，微处理器在整个系统中担任非常重要的角色，是系统设计的关键所在。目 前市场上的微处理器芯片均采用集成度高的c m o s 设计实现，但随着集成度的 进一步提高，c m o s 开断时的漏源之间的电容的影响越来越大，不能满足微处理 器的发展要求。而传统的e c l 电路可以避免芯片内部电容的影响，在芯片设计 领域得到越来越多地关注h 。满足本系统设计要求的微处理器主要有两种：一是 对数据具有较强处理能力的d s p 芯片；另外一种是低成本、低功耗、高性能的 a r m 芯片。下面将对这两种芯片进行分析比较u 1 ： d s p 芯片，也称数字信号处理器，是一种具有特殊结构的微处理器。d s p 芯片的内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用 流水线操作，提供特殊的d s p 指令，可以用来快速的实现各种数字信号处理算 6 浙江人学硕i ：学位论文2 手持式车辆稽查系统结构设计 法。d s p 芯片的主要特点有p 1 ：( 1 ) 在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加 法；( 2 ) 程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据；( 3 ) 片内具有快速 r a m ，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问；( 4 ) 具有低开销或无开 销循环及跳转的硬件支持；( 5 ) 快速的中断处理和硬件i o 支持；( 6 ) 具有在单 周期内操作的多个硬件地址产生器；( 7 ) 可以并行执行多个操作；( 8 ) 支持流水 线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。与其他微处理器相比，d s p 芯片的数据处理能力强，适用于对算法任务要求比较高的场合。 a r m 芯片是由a r m 公司提供a r m 内核，而由半导体生产商生产加工的 3 2 位r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ，精简指令集计算机) 微处理器。 a r m 芯片的主要特点有p 1 ：( 1 ) 支持t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 双指令集； ( 2 ) 大量使用寄存器，指令执行速度快；( 3 ) 大多数数据操作都在寄存器中完 成；( 4 ) 寻址方式灵活简单，执行效率高；( 5 ) 指令长度固定；( 6 ) 芯片上外设 种类丰富，有u s b 接t ：l 、通用i o 口、中断控制器、集成音频接i ：i 、r t c 模块、 l c d 控制器、a d 和d a 转换、扩展总线、u a r t 、计数器和看门狗、d m a 控 制器等等，适用于各种嵌入式操作系统。与其他微处理器芯片相比，a r m 芯片 获得许多实时操作系统的支持。 比较这两种芯片，d s p 芯片的特点说明其能有效地提高运行速度和处理能 力，而a r m 芯片由于集成了各种不同的外设，可以大大简化系统的硬件设计， 且a r m 芯片低功耗、低成本而高性能，因而是嵌入式应用系统和手持设备的首 选芯片。本文选用基于i n t e lx s c a l e 架构的p x a 2 7 0 嵌入式微处理器。 p x a 2 7 0 是i n t e l 公司推出的基于i n t e lx s c a l e 内核技术的嵌入式微处理器芯 片p x a 2 7 x ( 开发代号b u l v e r d e ) 系列产品。p x a 2 7 x 系列处理器主频最高可达 6 2 4 m h z ，它内置了i n t e l 公司的无线m m x 技术，能够为3 d 游戏与影片应用提 供更高的效能，显著地提升了多媒体性能。3 1 2 m h z 的c p u ( p x a 2 7 x 系列中最低 时钟频率的产品) 将达到5 2 0 m h z 普通a r mc p u 的多媒体处理效能，而时钟频 率达到6 2 4 m h z 则可以具备7 7 5 m h z 普通a r mc p u 的表现。 p x a 2 7 x 的突出的技术特点有1 仉12 1 ： ( 1 ) q u i c k c a p t u r e 浙江人学硕 ：学位论文 2 于持式车辆稽查系统结构设计 q u i c kc a p t u r e 为成像设备与无线设备提供接口，有助于改进图像质量以及 降低产品整体成本，该项技术包括快速浏览、快速拍照和快速视频拍摄三种操作 模式。该技术使得b u l v e r d e 最高可以支持2 0 4 8 2 0 4 8 分辨率的4 0 0 万像素的照 片拍摄和处理器，同时也支持这个分辨率下的高速实时回放和最大4 1 6 m b s 的数 据传输速率。 ( 2 ) s p e e ds t e p s p e e ds t e p 技术能够结合处理器根据系统运行的需要，自动改变工作频率和 电压，实现智能切换空闲、待机和深层睡眠三种低功耗状态，以提高动态电压管 理性能，可在一定程度上缓解目前手持设备普遍存在电池续航能力较弱的现象， 在保证c p u 性能的情况下，最大限度地降低移动设备功耗。 ( 3 ) p e n t i u m sm m x p e n t i u m sm m x 是一种基于i n t e lm m x t 先进的多媒体指令集m m x 技术， b u l v e r d e 内置i n t e l 公司的无线m m x 技术使得基于它的无线设备在拥有堪与p c 相比的多媒体性能同时，能够最大限度减轻系统功耗，另一方面，也有助于软件 开发商提供类似游戏、m p e g 4 视频文件以及语音识别等应用服务。该款芯片把 x 8 6 架构奔腾4 系列上的多媒体扩展功能引入了x s c a l e 芯片组的产品线中，用 户通过这个无线多媒体扩展技术( m 懈) 可以在掌上设备上播放高质量的视频和 玩三维游戏。 i n t e l 公司还在p x a 2 7 x 中新增集成了一种针对手持装置无线环境的安全特 性w t p ( w i r e l e s st r u s t e dp l a t f o r m ) ，提供如通过信任状态的开机确保开机时的安 全状态( t r u s t e db o o t ) 、安全地储存私人资讯与加密金钥，以及支持s s l ，v p n 等各种通用安全协议等服务，强化手持装置无线网络交易的安全性。i n t e l 公司在 发布此系列处理器的同时，还发布了配合p x a 2 7 x 使用的图形协处理器一一 d d 2 7 0 0 g 多媒体加速器( m u l t i m e d i aa c c e l e r a t o r ) 。它专为辅助i n t e l 公司 p x a 2 7 x 系列处理器所设计，能提供每秒9 9 4 ，0 0 0 个多边形的处理能力，提供 最高s x v g a 的分辨率( 1 6 0 0 1 2 0 0 ) 、可以以每秒3 0 帧的速度播放高品质的视频 图像，并同时支持多种形式的视频多媒体内容，女l j ：m p e g 一2 ，m p e g 一4 以及 m i c r o s o f tw i n d o w sm e d i av i d e o9 。它的出现使p x a 2 7 0 的多媒体性能得到极大 提升。p x a 2 7 0 的内部结构如图2 2 所示： 浙江大学硕一 ：学位论文2 手持式车辆稽查系统结构设计 外 围 总 线 2 2 2 存储器模块设计 图2 2p x a 2 7 0 的内部结构图 存储器模块主要包含f l a s hr o m 和s d r a m 两大块。n o rf l a s h 和n a n d f l a s h 是现在市场上两种主要的非易失闪存技术。简单地归纳，n o r 和n a n d 的区别有：内部m e m o r y 架构不同；接口不同( n o r 是属于s r a m 型接口，n a n d 属于i o 接口) ；随机读取速度不同，决定其应用场合不同。n o rf l a s h 可以取 代e e p r o m ，多用于b o o t r o m ；n a n d 由于其高密度，多用于大量数据存储， 如u 盘等。 在嵌入式计算设备中n o rf l a s h 一般都用来存储相对少量的可执行代码。正 因为它的可靠性、读取速度快和随机访问能力强，使得n o rf l a s h 非常适合用在 代码存储方面。因为代码要在芯片里直接执行( x i p ) ，它主要被考虑用在存储启 动代码、操作系统和其他的很少被修改的数据上。而n a n df l a s h 在存储大量的 数据上成为首选的格式。高密度、低价格、较快速的写以及擦除次数、较长的复 写寿命使得n a n df l a s h 特别适合那些连续的大量数据需要被快速载入到内存中 以及重复的被新文件替换的消费媒体应用。考虑到实现的简单和n o rf l a s h 的高 可靠性，本文采用i n t e l 的n o rf l a s h 来存储系统启动和应用软件的代码。芯片 型号是j s 2 8 f 1 2 8 j 3 d 7 5 ，它采用0 1 8 u r n 工艺，3 3 v 供电，5 6 脚t s o p 封装，容 9 浙江人学颀= ：学位论文 2 手持式卞辆稽查系统结构设计 量为1 2 8 m b i t s ，1 6 位总线宽度，最低可擦写1 0 万次。 因为系统启动程序及稽查程序都不能直接在f l a s hr o m 里面运行，它们需 要加载到s d r a m 里面执行。本系统需要s d r a m 作为运行空间。本文选用的 s d r a m 芯片是h y n i x 的h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 e t p - 7 ，3 3 v 供电，5 4 脚t s o p 封装， 1 4 3 m h z 的总线频率，容量为4 m 1 6 b i t s 。 2 2 3 图像采集模块设计 目前用于图像采集的器件主要有c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ，电荷耦合器 件) 和c m o s ( c o m p l e m e n t a r ym e t a l o x i d es e m i c o n d u c t o r ，互补性氧化金属半 导体) 两大类。c c d 器件使用一种高感光度的半导体材料制成，能把光线转变 成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号，数字信号经过压缩以后由内部的 闪速存储器或内置硬盘卡保存，因而可以轻而易举地把数据传输给计算机，并借 助于计算机的处理手段，根据需要来修改图像。c c d 由许多感光单位组成，通 常以百万像素为单位。当c c d 表面受到光线照射时，每个感光单位会将电荷反 映在组件上，所有的感光单位所产生的信号加在一起，就构成了一幅完整的画面。 c m o s 和c c d 一样可记录光线变化的半导体。c m o s 的制造技术和一般计算机 芯片没什么差别，主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体，使其在c m o s 上共存着带n ( 带负电) 和p ( 带正电) 级的半导体，这两个互补效应所产生的 电流即可被处理芯片记录和解读成影像。然而，c m o s 由于电流变化过于频繁而 会产生过热的现象。 由于数据传送方式不同，因此c c d 与c m o s 传感器在效能与应用上也有诸 多差异，如表2 1 所荆13 1 4 ： 1 0 浙江人学颁j ：学位论文2 予持式乍辆稽衡系统结构设计 表2 1c c d 和c m o s 的比较 c c dc m o s 灵敏度传感器灵敏度高c m o s 传感器电压转换率略优于c c d 传感器。 3 0 - 5 0 。 响应速度需要一次性读出整行或整列的允许从整个排列，部分甚至单元来 像素数据，速度较慢。读取数据，寻址速度高。 噪声采用专属通道，充分保持信号每个像素先放大再整合各个像素 传输的不失真。的资料，图像品质不如c c d 。 成本对每一个像素的要求高，成本采用半导体电路常用的c m o s 工 高于c m o s 。艺，易于集成到片上系统中，节省 电路成本。 本文采用美国m i c r o n 公司的1 4 英寸的有源像素数字图像传感器m t 9 v 0 1 1 。 它的基本特性有o 采用d i g i t a l c l a r i t yc m o s 成像技术；低电压；低成本；可编 程控制增益、帧率、窗1 ：3 大小和格式等。m t 9 v 0 1 1 广泛用于手机、p d a 、电脑 摄像头以及其它低电压产品上。 2 2 4 系统电源管理模块设计 由图2 2 可以看出，p x a 2 7 0 除了带有i n t e lx s c a l e 的运算处理核和无线m m x 处理单元外，还集成了s r a m 、u s b 主控制器、l c d 控制器和内存控制器等， 所以p x a 2 7 0 需要有多种外部电压进行驱动。同时，由于本系统中包含众多模块， 各个模块的电压也不尽相同，因此本系统需要采用具有多路电压输出和控制的芯 片。m a x l 5 8 6 是m a x i m 公司专为x s c a l e 架构处理器设计的电源管理器。它集 成了7 路高性能、低工作电流的电源，具有监测和管理功能。其中3 个为降压型 d c d c 输出，3 个为线性稳压器，1 个为常开的电源输出。d c d c 转换器输出 采用快速的lm h z 脉宽调制( p w m ) 开关，可为i o ，c p u 内核提供电压输入 和驱动电流。d c d c 转换器的输出电压可以预置，也可以通过外围电路调整 输出。线性稳压输出可以为s r a m ，p l l ，u s i m 供电。电源管理器的主电源输 入由稳定的+ 5 v 的电源提供，备用电源d j + 3 v 的锂电池提供。m a x l 5 8 6 可最大 限度地减小休眠时的静态电流，同时m a x l 5 8 6 体积小( 仅为7 m m 7 m m ) ，非 浙江大学硕1 ：学位论文2 手持式车辆稽齿系统结构设计 常适合用于嵌入式系统。 2 3 车辆稽查系统软件结构设计 系统功能的实现离不开软件和硬件的协同工作，软件的设计要以能充分发挥 硬件的性能为前提。微处理器上电后需要对其进行相关的初始化设置。这部分设 置在b o o t l o a d e r 中完成的。b o o t l o a d e r 是用来完成系统启动和软件加载工作的 程序。它是底层硬件和上层应用软件之间的一个中间软件，它完成处理器和周边 电路正常运行所要的初始化工作；它可以屏蔽底层硬件的差异，使上层应用软件 的编写和移植更加方便；具有基本输入、输出系统监控程序功能和一定的调试、 下载、网络更新等功能。然而，b o o t l o a d e r 程序与需要载入的操作系统、系统的 c p u 型号、系统内存的大小、具体芯片型号、系统的硬件设计都有关系。每种 不同的c p u 体系结构都有不同的b o o t l o a d e r 。除了依赖于c p u 的体系结构外， b o o t l o a d e r 也依赖于具体的嵌入式板级设备的配置。因此，对于不同的嵌入式设 备，即使它们是基于同一种c p u 而构建的，b o o t l o a d e r 通常也不能直接通用。 在软件开发中，b o o t l o a d e r 的移植的优先级最高。 b o o t l o a d e r 移植完成后，软件需要在专门的嵌入式操作系统上进行开发。嵌 入式操作系统常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通 讯协议、图形界面等。嵌入式操作系统具有通用操作系统的基本特点，如能够有 效地管理复杂的系统资源；能够把硬件虚拟化，使得开发人员从硬件驱动中解脱 出来；能够提供库函数、驱动程序、工具集以及应用程序开发接口( a p i ) 等。 嵌入式操作系统还具有实时性、可剪裁性、可配置性、可移植性、可靠性、功耗 可控性等特点。 在配置好嵌入式操作系统，根据稽查系统的任务目标，开发实现图像采集、 处理、定位、分割、识别、查找、显示等功能的软件。由此得出的系统软件结构 框图如图2 3 所示： 浙江大学顾： ：学位论文2 于持式车辆稽查系统结构改计 b o o t l o a d e r 的移植 0 嵌入式操作系统平台配置 上 信 图 圭 字字数结 息 像 牌符符据 果 采 预 定 分 + 处 识 查显 集 位 割别 找 一 理 不 l 一。一一一一一一一一一一一一，一。一一一一一一 图2 3 稽查系统软件结构框图 2 4 主要软件模块设计 按照图2 3 的软件结构设计框图，系统软件设计主要分b o o t l o a d e r 的移植、 嵌入式操作系统的配置和稽查程序的设计。 2 4 1b o o t l o a d e r 的移植 由于b o o t l o a d e r 的实现依赖于系统的硬件结构，不同结构的系统平台将需 要不同的b o o t l o a d e r ，为了便于b o o t l o a d e r 的移植工作，大多数b o o t l o a d e r 都 分为s t a g e l 和s t a g e 2 两大部分。s t a g e l 中一般放置依赖于c p u 体系结构的代码， 比如设备初始化代码等，这些代码通常由汇编语言和c 语言共同实现，以达到 短小精悍的目的。而s t a g e 2 则放置与系统平台无关的代码，例如t f t p 协议，这 些代码通常用c 语言来实现，这样可以实现复杂的功能，而且代码具有更好的 可读性和可移植性。通常b o o t l o a d e r 的s t a g e l 依次完成以下功能：硬件设备初 始化；为加载b o o t l o a d e r 的s t a g e 2 准备r a m 空间；拷贝b o o t l o a d e r 的s t a g e 2 到r a m 空间中；设置好堆栈；跳转到s t a g e 2 的c 入口点。b o o t l o a d e r 的s t a g e 2 则依次完成以下功能：初始化本阶段要使用到的硬件设备；检测系统内存映射； 将k e r n e l 映像和根文件系统映像从f l a s h 上读到r a m 空间中；为内核设置启动 参数；调用内核。 因此，开发一个全新的b o o t l o a d e r 是困难的。然而幸运的是，现在有很多 浙江人学硕二【：学位论文 2 手持式车辆稽查系统结构设计 成熟的b o o t l o a d e r 可以选择，通过修改部分代码实现b o o t l o a d e r 的移植工作。 目前，嵌入式系统中广泛使用的b o o t l o a d e r 有u b o o t 、v i v i 、b l o b 、a r m b o o t 等。 本文采用b l o b 作为本系统移植的b o o t l o a d e r 。 b l o b 是b o o tl o a d e ro b j e c t 的缩写，是常用的a r ml i n u x 的b o o t l o a d e r 程 序。它遵循g p l ，源代码完全开放，结构简单，功能完整；支持x m o d e m 、t f t p 传输；f l a s h 编程和分区；支持l i n u x 内核引导，可传递内核参数。b l o b 既可以 用来简单的调试，也可以启动l i n u xk e r n e l 。b l o b 最初就是在i n t e l 公司的s t r o n g a r m 上实现的，所以b l o b 很容易被移植到a r m 、x s c a l e 等体系结构的处理器 上，如p x a 2 7 0 8 1 。 2 4 2 嵌入式操作系统配置 随着嵌入式处理器的迅速发展，嵌入式操作系统的种类也越来越多，其中著 名的有w i n d o w sc e 、v x w o r k s 、p s o s 、q n x 、p a l mo s 、o s 一9 、l y n x o s 、l i n u x 等。 1 w i n d o w sc e m i c r o s o f tw i n d o w sc e 是从整体上为有限资源的平台设计的多线程、完整优 先权、多任务的操作系统。它的模块化设计允许它对从掌上电脑到专用的工业控 制器的电子设备进行定制。操作系统的基本内核需要至少2 0 0 k 的r o m 。 2 v x w o r k s v x w o r k s 是目前嵌入式系统领域中使用最广泛、市场占有率最高的系统。它 支持多种处理器，如x 8 6 、i 9 6 0 、s u ns p a r e 、m