（计算机应用技术专业论文）汽车黑匣子视频取证系统的研究与实现.pdf

中文摘要 摘要 随着黑匣子在飞机上的成功运用，越来越多的国家也在汽车上运用这种技 术来记录汽车行驶时的各种状态数据。因此，在交通运输日益发达和复杂的环境 下，汽车黑匣子( 也即汽车行驶记录仪) 越来越受到市场的关注。其具备的图像 或数据的记录功能，既为司机保存了行使中的重要信息，又给事故的处理提供了 充分的证据和极大的方便。 本文中所设计的系统主要是将不同车速和车况下的视频图像数据进行实时 采集、压缩和存储，实现了汽车运行视频图像的实时存储功能，而且在必要的时 候可以再将事故发生前后一段时间内的图像和其他重要信息再现，以便于帮助有 关部门迅速准确地分析事故发生的原因。系统所记录的事故发生时的图像、声音 配合系统的其他记录在事故处理时比传统黑匣子的记录更具有说服力和可信度。 该系统特别适用于现在提倡的对轻微交通事故的现场快速处理。 为了更好的实现以上功能，本文首先分析了现在汽车黑匣子视频取证系统的 优缺点j 并研究了汽车黑匣子的发展现状，决定采用比较流行的a r m 2 4 1 0 开发 板和比较有发展潜力的嵌入式操作系统l i n u x 。在视频采集模块中我们采用 l i n u x 自带的v i d e of o rl i n u x 视频接口，外接摄像头，基本满足对现场信息进 行采集的需要。在视频图像压缩模块我们利用了m p e g 一4 标准压缩技术来实现图 像的压缩、解压缩，从而得到了更高的图像压缩率。 关键词：汽车黑匣子；嵌入式系统；图像采集；图像压缩、解压缩； 英文摘要 r e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o na b o u tt h eb l a c kb o xo fv e h i c l e sw i t h t h ev i d e of r e q u e n c ye v i d e n c ec o l l e c t i o ns y s t e m a b s t r a c t a l o n gw i t l lt h es u c c e s s f u lu t i l i z a t i o no fb l a c kb o xo nt h ep l a n e ，m o r ea n dm o r e c o u n t r i e sb e g i nt ou t i l i z et h et e c h n o l o g yt ot h ev e h i c l e st or e c o r dd a t ao ft h et r a v e l i n g s t a t ev e h i c l e s t h e r e f o r e ，t h eb l a c kb o x ( 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 ) h a sa t t r a c t e d m o r ea n dm o r ea t t e n t i o nu n d e rt h ec i r c u m s t a n c e so ft r a f f i cf l o u r i s h i n g t h es h o o t i n g a n dr e c o r d i n gf u n c t i o nn o to n l ya s s i s t si ns a v i n gt h ei m p o r t a n ti n f o r m a t i o nf o rd r i v e r s ， b u ta l s oo f f e r sa b u n d a n te v i d e n c ea n dc o n v i n i e n c ef o ra c c i d e n th a n d l i n g i nt h i sd e s i g n ，t h es y s t e mi sm a i n l yc a r d e do nt oc o l l e c t ，c o m p r e s sa n ds t o r et h e v i d e oi m a g ed a t ar e a l - t i m e l y u n d e rd i f f e r e n tv e h i c l es p e e da n dc o n d i t i o n s ，f i n a l l y c o m i n gt ot h ef u n c t i o no fr e a l t i m ev i d e oi m a g ed a t as t o r a g e i na d d i t i o n ，t h es y s t e m c a na s s i s tt h er e a p p e a r a n c eo ft h ev i d e oa n do t h e ri m p o r t a n ti n f o r m a t i o na r o u n dt h e p e r i o do fa c c i d e n to c c u r r e n c et oh e l pd e a l 、7 l ，i t ht h ea c c i d e n t s t h ev i d e or e c o r d e db y t h es y s t e ma n dt h eo t h e rr e c o r d sf r o mt h es o u n dm a t c h i n gs y s t e ma r em u c hm o r e r e l i a b l ea n dc o n v i n c i n gt h a nt h er e c o r d so ft h et r a d i t i o n a lb l a c kb o x i ti sm o r e s u i t a b l et ob ea p p l i e dt ot h ef a s tm a n i p u l a t i o no fl i g h ta c c i d e n t s i no r d e rt or e a l i z et h ef u n c t i o n sm e n t i o n e da b o v e ，t h i st h e s i sw i l la n a l y z et h e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h eb l a c kb o xo fv e h i c l ew i mf r e q u e n c ye v i d e n c e c o l l e c t i o ns y s t e ma n dt h e nr e v i e w st h ec o n t e m p o r a r yd e v e l o p m e n to ft h eb l a c kb o xo f v e h i c l e s i nt h i st h e s i s ，a r m 2 410a n da ne m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e ml i n u xa r e a d o p t e d i np i c t u r ec o l l e c t i n gm o d u l e s ，t h ea u t h o ru s e st h ev i d e of o rl i n u xi n t e r f a c e o fl i n u xt od r i v et h ec a m e r at om e e tt h en e e db a s i c a l l y i np i c t u r ee m p r e s sm o d u l e s ， t h ea u t h o rm a k e su s eo fm p e g - 4s t a n d a r di m a g ei m p r e s s i o nt e c h n o l o g yt or e a l i z et h e i m a g ec o m p r e s s i o na n dd e c o m p r e s s i o n , t h u so b t a i n e dt h eh i g h e ri m a g ec o m p r e s s i o n r a t i o 英文摘要 k e yw o r d s ：t h eb l a c kb o xo fv e h i c l e ；t h ee m b e d d e ds y s t e m ；i m a g ec o l l e c t i n g ； i m a g ec o m p r e s s i o na n dd e c o m p r e s s i o n 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博d z 硕士学位论文= = 汽奎墨匣王塑麴塑适丕统鲤盟究生塞理：。除论 文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经 公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：弓| 】、日。琵名跏。滓另月2 乡日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法 ，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密田名；在以上方框内打“”) 论文作者徘，翩虢黼罕 日期：如略年刁月衫日 。 汽车黑匣子视频取证系统的研究与实现 第1 章绪论 1 1 课题背景 汽车黑匣子，又称汽车行驶记录仪，也有人将其形象地称之为汽车电子警察。 是将飞机黑匣子的设计思想应用于汽车，它集机械、电子、微电脑于一体，能完 整、准确地记录汽车行驶状态下的有关情况，能将汽车行驶轨迹完整地记录下来， 并通过专用软件在电脑上再现。汽车黑匣子适用于预防事故、监查违例、科学管 理，并为事故分析提供公正、准确、科学的依据。另外，车辆行驶纪录仪还可以 融全球卫星定位系统( g p s ) 、全球数字移动通信系统( g s n ) 和地理信息平台与数据 处理技术( g i s ) 为一体，对车辆运行状况进行实时记录、监控，同时辅以强大的 信息网络为车辆提供科学、合理的高度管理。 由此看出汽车黑匣子对遏止疲劳驾驶、车辆超速等交通违章、约束驾驶人员 的不良驾驶行为、交警路查以及道路交通事故的分析鉴定具有重要的作用。另外， 汽车黑匣子还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，并且对保障道路交通安全 起到了直接的作用。但就国内外研究现状来看，目前所开发出的汽车黑匣子还存 在一些问题，如：对温度湿度的适应性、抗电磁干扰能力、抗碰撞冲击能力等与 国外的同类产品存在一定差距：大都采用显示部分同数据记录部分总成式的总体 式结构设计，一旦车辆发生交通事故记录仪的数据存储部分极易受到破坏。因此 研究开发一种性能稳定、功能强大的汽车黑匣子对于提高辅助交通事故的分析能 力、提高车辆的智能化管理等具有重大的意义。 1 2 课题意义 本课题的主要目的是完成一个汽车黑匣子中的视频取证系统的研究与设计。 传统的汽车左右后视镜存在着许多视野上的死角和盲点，对驾驶员行车、倒车、 停车极为不便，在处理交通事故方面采用的是现场取证，调查了解等老办法，即 不能做到准确无误，又容易造成人为的不公证。本系统提供了一种既能反映出汽 车四周的图像，用于驾驶员监视路面和周围环境，又能将摄取到的数据进行记录 用于在事故后进行调查取证的汽车行驶记录系统。此系统主要完成显示、存储汽 l 第l 章绪论 车周围环境的图像，并记录车内语音功能。本系统的应用将方便汽车驾驶员，大 大减少交通事故，并为事故发生后的调查处理提供准确可靠的事实依据。本系统 要求保持车停前和事故发生前5 分钟的最新数据，并要求黑匣子能处理一些事故 行为并对此做出相应反应，为车辆的检修和事故的责任鉴定提供有力的帮助。 1 3 汽车黑匣子系统的研制在国内外的现状和发展 1 3 1 国外发展现状 汽车黑匣子制造和应用的发源地在欧洲，早在2 0 世纪2 0 年代，行驶记录仪 便伴随着汽车里程表而诞生，当时是和汽车里程表结合在一起的。为了保障道路 交通安全运输，1 9 3 4 年，德国发明了世界上第一台纸盘式行驶记录仪，至今已 有7 0 年的历史，1 9 5 3 年，德国政府开始对载重超过3 5 吨的货车和客车强制推 行纸盘式行驶记录仪。从2 0 世纪7 0 年代开始，国外发达国家陆续开始安装使用 汽车行驶记录仪。欧共体在1 9 7 5 年通过了在汽车上安装行驶记录仪的立法，要 求3 ：5 吨以上货车、9 座以上客车必须安装行驶记录仪。1 9 9 2 年欧盟成立，原欧 共体有关记录仪应用的各项法规继续有效。欧盟在第3 8 2 5 8 5 号法规关于公路 运输车辆的记录设备的第三款中规定：“记录设备应在欧盟成员国使用的客货 运输车辆上安装和使用 。这一立法要求欧洲1 5 个成员国在1 0 年内，给在用的 9 0 0 万辆卡车和轿车安装这一装置，这一做法并很快在美国引起效仿n 儿射。几年 的统计表明，使用汽车行驶记录仪后，交通事故发生率降低了3 7 - 5 2 ，+ 大大减 少了人员伤亡和财产损失，产生了明显的经济效益和社会效益n 3 。 2 0 世纪9 0 年代初，美国和德国首先开发了数字式汽车事故记录仪，用以监 督驾驶员的超速驾驶行为。在美国，主管交通安全的国家安全委员会( n t s b ) 一直 在致力于推广汽车黑匣子的工作。三年前n t s b 正式要求各汽车厂家安装黑匣子， 通用、福特等汽车公司纷纷行动。据报道，仅通用一家公司就为6 0 0 万辆出厂车 安装了黑匣子。 近年来，随着微电子技术和计算机技术的发展，汽车黑匣子将势必与汽车其 它电子系统( 如g p s 定位、g s m 报警、数据向控制中心实时的传输、故障诊断等) 相结合，向大容量、模块化、系统化、数据无线传输和数据集成处理的方向发展。 最终使它成为确保现代道路交通运输安全和高效物流动态营运管理的不可或缺 2 汽车黑匣子视频取证系统的研究与实现 的记录处理、显示和数据传送的综合装置，也必将成为智能交通系统( i t s ) 的重 要组成部分。俄罗斯最新研制出来的汽车黑匣子可以将事故发生时的车辆空间运 动物理量变化记录得一清二楚，从而帮助人们分析事故是怎样发生的，以便汽车 以后进行改进。在嵌入式系统方面，欧洲的i c e 已经成功地把嵌入式系统运用到 了汽车黑匣子上。 1 3 2 国内发展现状 我国对汽车黑匣子的研究晚于国外，有资料显示，我国对行驶记录仪的研究 始于1 9 8 4 年，1 9 8 8 年汽车黑匣子的研究项目曾被国家计委等部门列入国家级重 大新产品试产计划口1 。1 9 9 4 年，国内曾一度出现汽车行驶记录仪热，全国大约有 十几个省市的公安车管部门下达了安装汽车行驶记录仪的通知，同时也出现了近 百家汽车行驶记录仪的生产企业，但这一热潮很快就冷却下去，究其原因，一方 面是当时国家对汽车行驶记录仪的使用没有法规规定，师出无名：另一方面是国 家对汽车行驶记录仪产品没有统一的标准，市场上出现的记录仪五花a i - 、良芳 不齐，影响了功能、性能和使用的效果。 虽然我国的研制工作起步较晚，但是无论在安装、操作、使用方面，还是在 电性能、信息记录存储、数据的下传、上载方式等方面，我国的记录仪都比欧盟 的起点高。欧盟推广使用的汽车行驶记录仪大多以机械式为主，产品价格昂贵、 维护费用高，还需要人工填写数据，使用起来极为不便。而我国的产品均为数字 式的电子设备，能够实时监测并记录车辆行驶的各种状态信息，同时还具备超速 报警功能、具备串口通信接口以及打印输出功能。各类产品体积小巧、价格合理、 无需专人维护且使用方便h 1 。 目前国内已通过国标检测的生产汽车黑匣子的6 0 多家企业，其中2 3 是贴 牌生产，或代理销售其它企业产品：真正有技术、有资金、有生产线的企业只有 1 8 家左右，其中比较著名的是四川大科星、北京伟航、惠州锐神等，但其汽车 黑匣子多是运用8 位或1 6 位单片机作为处理器，基本上都不能满足国际上的 i e e e1 6 1 6 标准。但同时有一些生产厂家加紧技术开发，研发和生产出新一代汽 车黑匣子，在功能、体积和性能等方面已取得较大突破。 虽然在国内，已有很多厂家正在从事汽车行驶记录仪的开发，但是其注意力 大多集中在数值化行车数据的采集、记录和远程传送上，对视频图像方面关注不 3 第1 章绪论 多，至多在采集少量的静态图像如j p e g 图。本系统利用m p e g 4 技术压缩视频图 像，既符合低比特率和存储器容量的限制，又提供了较为清晰的动态视频图像， 同时仍然可以实现汽车行驶记录仪应有的基本功能，与同类产品相比，具有很大 的优势，站在了技术的制高点上。 1 4 论文所做的工作及论文结构 1 4 1 课题主要工作 本课题将要研究并设计一个以$ 3 c 2 4 1 0 微处理器为核心的汽车黑匣子中的 视频取证系统。该系统以韩国三星公司的a r m 9 芯片$ 3 c 2 4 1 0 为主c p u ，同时 采用代码开放的操作系统l i n u x 。系统分硬件和软件，硬件主要论述了$ 3 c 2 4 1 0 与外围设备及有关芯片的接口设计问题；软件首先讨论了嵌入式l i n u x 下对u s b 接口摄像头驱动的实现和如何利用v i d e 0 4 l i n u xa p i 函数实现视频采集问题，接 着论述了根据嵌入式平台的特点和实时性要求如何实现图像的m p e g 4 压缩与 解压缩算法的问题。 论文的研究工作主要集中在以下几个方面： ( 1 ) 系统整体平台的构建；+ ( 2 ) u s b 摄像头驱动的开发； ( 3 ) 基于v i d e 0 4 l i n u x 的视频采集程序的开发； ( 4 ) 基于m p e g - 4 算法的视频数据压缩与解压缩。 1 4 2 论文结构 论文的主要内容和结构如下： 第一章为绪论，简单地介绍了汽车黑匣子的概论，并阐述了本课题的意义、 国内外的现状和发展。 第二章阐述了系统需求分析和系统的总体结构设计，根据本系统的需求以及 所要实现的功能，设计了系统的整体结构，并提出了要完成的任务。 第三章介绍了本系统开发平台的构建，主要是从硬件和软件这两个方面搭建 底层的嵌入式开发平台供整个系统使用。硬件设计包括摄像头的选择、处理器的 选择以及各个部件的接口设计等；软件设计主要包括交叉编译环境的建立、文件 系统的制作、l i n u x 内核的编译配置等。 4 汽车黑匣子视频取证系统的研究与实现 第四章详细讲述了l i n u x 设备驱动程序的基本概念，并采用l i n u x 自带的 v i d e of o rl i n u x 接口外接摄像头对汽车内、外图像数据进行现场采集。本章中 首先修改加载视频驱动，完成u s b 摄像头的驱动，然后编写视频采集应用程序把 重要的数据拍成连续的图像。 第五章详细讲述视频压缩模块的设计。为了满足存储、传输等需要，在一定 像质评定标准下要对原始数据进行压缩，在此我们选择采用m p e g 4 动态压缩技术 对通过摄像头采集到的原始数据进行压缩，主要介绍m p e g 4 标准的基本理论，图 像压缩的基本原理，并阐述了m p e g - 4 编码解码算法的具体实现等。 第六章对课题研究成果做了一个简单的总结，分析了系统设计中的不足，并对以后的发 展方向做了展望。 5 第2 章系统需求分析及总体结构设计 第2 章系统需求分析及总体结构设计 本设计主要采用了嵌入式系统的设计方法，根据嵌入式系统的特点、设计方 法和流程来对本系统进行设计，然后根据这些原则设计出适合要求的嵌入式系统 的汽车黑匣子。本章首先要了解该系统所要实现的功能，从而对其进行需求分析， 然后对系统进行总体设计，在以后的章节中再对系统各个功能模块进行详细的设 计。 2 1 系统需求分析 2 1 1 嵌入式系统 嵌入式系统一般指非p c 系统，有计算机功能但又不称之为计算机的设备或 器材。它是以应用为中心，软硬件可裁减的，适应应用系统对功能、可靠性、成 本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统障1 。简单地说，嵌入式系统 集系统的应用软件与硬件于一体，类似于p c 中b i o s 的工作方式，具有软件代码 小、高度自动化、响应速度快等特点，特别适合于要求实时和多任务的体系。嵌 入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软件系统 等组成；它是可独立工作的“器件。早期它主要应用于军事及航空航天等领域， 以后逐步广泛地应用到工业控制、仪器仪表、汽车电子、通信和家用消费类等领 域。如今，嵌入式系统已成为当今最为热门的领域之一，它迅猛的发展势头引起 了社会各方面人士的关注1 。 从嵌入式系统的定义可以看出，嵌入式系统几乎包括了生活中的所有电器设 备，人们平常所广泛使用的手机、掌上p d a 、m p 3 、数字电视、多媒体、家庭自 动化系统、自动售货机、机顶盒等都属于嵌入式系统设备；而车载g p s 系统，以 及本论文所讨论的汽车黑匣子系统也是属于嵌入式系统。 嵌入式系统的硬件部分，包括处理器微处理器、存储器及外设器件和i 0 端口、图形控制器等。嵌入式系统有别于一般的计算机处理系统，它不具备像硬 盘那样大容量的存储介质，而大多使用e p r o m ，e e p r o m 或闪存( f l a s hm e m o r y ) 作为存储介质。软件部分包括操作系统软件( 要求实时和多任务操作) 和应用程序 编程。应用程序控制着系统的运作和行为：而操作系统控制着应用程序编程与硬 6 汽车黑匣子视频取证系统的研究与实现 件的交互作用1 。 作者在本文中论述了嵌入式系统在汽车黑匣子中的一个应用设计方案，它以 闪存( f l a s hm e m o r y ) 作为存储介质，以比较流行的s a m s u n g 的$ 3 c 2 4 1 0 开发版 为支撑，实现了实时图像数据的采集、存储、压缩及良好的人机界面( 埘i ) 。 2 1 2 嵌入式系统开发流程 由嵌入式系统本身的特性所影响，嵌入式系统开发与通用系统的开发有很 大的区别。嵌入式系统的开发主要分为系统总体开发、嵌入式硬件开发和嵌入 式软件开发3 大部分口1 ，其总体流程图如图2 1 所示。 图2 1 嵌入式系统开发流程图 f i g2 1e m b e d d e ds y s t e md e v e l o p m e n tf l o w c h a r t 在系统总体开发中，由于嵌入式系统与硬件依赖程序非常紧密，往往某些需 求只能通过特定的硬件才能实现，因此需要进行处理器选型，以更好地满足产品 的需求。另外，对于有些硬件和软件都可以实现的功能，就需要在成本和性能上 做出抉择。往往通过硬件实现会增加产品的成品，但能大大提高产品的性能和可 靠性。 再次，开发环境的选择对于嵌入式系统的开发也有很大的影响。这里的开发 7 第2 章系统需求分析及总体结构设计 环境包括嵌入式操作系统的选择以及开发工具的选择等。 嵌入式软件的开发工具根据不同的开发过程而划分，比如在需求分析阶段， 可以选择i b m 的r a t i o n a lr o s e 等软件，而在程序开发阶段可以采用c o d e w a r r i o r ( a d s 的一个工具) 等，在调试阶段所用的m u l t i i c e 等。同时，不同的嵌入式 操作系统往往会有配套的开发工具，比如v x w o r k s 有集成开发环境t o r n a d o ，w i n c e 的集成开发环境w i n c ep l a t f o r m 等此外，不同的处理器可能还有针对的开发工 具，比如a r m 的常用集成开发工具a d s 等。将在第三章中详细介绍嵌入式开发环境。 总之，根据嵌入式开发与硬件结合紧密，产品专用性强，资源有限得自身特 点，嵌入式系统在开发过程中一般都采用“宿主机目标机 开发模式，即利用 宿主机( 即p c 机) 上丰富的软硬件资源及良好的开发环境和调试工具来开发目 标板上的软件；然后通过交叉编译环境生成目标代码和可执行文件；再通过串行 等方式下载到目标机上，利用交叉调试器监控程序运行，实时分析：最后，将程 序下载固化到目标机上，完成整个开发过程。 2 1 3 系统工作原理 本系统设计的是一个满足国家最新的汽车行驶记录仪( g b t1 9 0 5 6 2 0 0 3 ) 标准和在其基础上进行扩展可以很好满足国际上对于汽车行驶记录仪i e e e1 6 1 6 标准的基于嵌入式系统的汽车黑匣子。根据国家最新出台的汽车行驶记录仪的标 准：要求汽车行驶记录仪能够对实时时钟、日期及驾驶时间的采集、记录、储存， 车辆行驶速度、里程的测量、记录、存储等。对于事故疑点数据，记录仪应以不 大于0 2 秒的时间间隔持续记录并储存停车前2 0 秒实时时间对应的车辆行驶速 度值及车辆制动状态信号。 。 2 1 4 选择参考硬件平台 目前半导体供应商提供各种a r m x s c a l e 体系结构的处理器，各种处理器都有 各自的特点，考虑价格、性能、功耗及实习性等因素，本系统采用$ 3 c 2 4 1 0a r m 9 2 0 t 处理器。$ 3 c 2 4 1 0 具有高性能、低消耗、接口丰富、体积小等优良特性并且国内 外参考硬件平台很多，系统大部分模块在硬件平台上可以直接测试。 系统包括c p u 、存储器单元、l c d 模块、触摸屏、键盘、u s b 接口视频采集模 块等部分组成，功能框图如图2 2 所示。 8 汽车黑匣子视频取证系统的研究与实现 图2 2s 3 c 2 4 1 0 功能图 f i 醇2 $ 3 c 2 4 10f u n c t i o nd i a g r a m 根据项目的需求，可以适当调整硬件配置，同时也要考虑软件支持的程度， 驱动程序能否支持新的接口芯片等。本项目的硬件参考配置如下嘲： c p u 单元( $ 3 c 2 4 1 0 x1 6 3 2 _ b i ta r m 9 2 0 t 内核) 存储器单元( 2 m bn o rf l a s h 和3 2 m bn a n df l a s h ，6 4 m bs d r a m ) 复位电路( 包括上电复位和手段复位，至少保持4 个时钟的有效低电平，保 证系统的可靠复位) 电源电路 时钟电路( 外部1 2 m h z 时钟输入，经内部p l l 倍频及3 2 7 6 8 k h z 的r t c 时钟输 入) 。 实时时钟( 内部r t c 带日历功能) l c d 接口 触摸屏接口 键盘接口 2 1 5 选择操作系统和软件 s a m s u n g $ 3 c 2 4 1 0 是最开放的开发设计平台。它的软件和硬件设计资料可以 免费从互联网上获取，并且w i n d o w sc e 和l i n u x 两种操作系统都能支持。在参 考板上一般可以直接对w i n d o w s 和l i n u x 进行测试。 l i n u x 对$ 3 c 2 4 1 0 处理器支持得相当好，操作系统内核和应用程序都是开放 源码的。因此，l i n u x 可以完全按照自己的需要裁减配置系统，使得尺寸更小， 而且l i n u x 操作系统性能比w i n d o w s 操作系统性能更优越。另外，可以避免支付 w i n d o w s 产品的版税。$ 3 c 2 4 1 0 在l i n u x 社区有庞大的用户群，可以获取丰富的 9 第2 章系统需求分析及总体结构设计 开发调试信息。 本系统选择嵌入式l i n u x 作为工程样机的操作系统。由于图形界面要求并不 复杂，可以选o t e m b e d d e d 图形系统。 2 2 系统总体结构设计 汽车黑匣子视频取证系统主要由嵌入式处理器、嵌入式外围设备、嵌入式操 作系统及嵌入式应用软件等几大部分组成的。前面一节简单地对系统进行了需求 分析，明确了系统要完成的功能，现在主要介绍一下本课题的总体设计。根据要 求本系统以$ 3 c 2 4 1 0 目标板为中心，主要包括摄像头及其它设备驱动模块、视频 图像采集模块、图像数据的解压缩模块及图像显示模块。系统结构如图2 3 。 图2 3 系统总体设计结构图 f i 9 2 3s y s t e mw h o l ed e s i g ns t r u c t 1 0 汽车黑匣子视频取证系统的研究与实现 首先移植基于具体硬件功能的嵌入式l i n u x 操作系统到系统平台中，针对汽 车中使用的数码摄像头控制器芯片在操作系统中编写驱动程序实现对摄像头的 驱动，系统平台中操作系统启动后加载摄像头驱动，接着图像采集应用程序实现 对图像数据的采集，$ 3 c 2 4 1 0 再对采集到的图像数据进行m p e g 4 压缩，压缩后 的图像数据保存成文件的形式，将图像采集算法和图像数据压缩算法通过l i n u x 内核编译时动态地加载模块，最后在汽车内的显示器上实现q 图形用户界面的 图像显示。 第3 章系统软硬件开发平台的构建 第3 章系统软硬件开发平台的构建 3 1 系统硬件选择 3 1 1a r m 处理器的选择 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) ，既可以认为是一个公司的名字，也可以认 为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。以a r m 体系结构设 计的微处理器具有高性能、低功耗和低成本的特点，它广泛应用于嵌入式系统设 计领域，是目前使用最广泛的3 2 微处理器阳1 0 1 。 嵌入式系统的核心是处理器，传统嵌入式处理器根据应用可分为两大类：一 是以单片机为主的微处理器，这一类芯片的产品有8 1 6 位的单片机，如i n t e l 的 8 0 c 5 1 等，单片机具有体积小，指令系统简单，抗干扰能力强，成本低廉，控制 能力强等特点。二是注重数字化后的各种快速算法的数字信号处理器d s p , d s p 作为高速的数字信号处理器主要的应用在声音、图像等需要大量的数据计算的领 域，有着功耗小、运算速度快、吞吐量大的特点。 近年来，随着微电子技术、计算机技术、通信以及网络技术的发展，嵌入式 技术渗透到各个领域。由于被嵌入对象的复杂程度变化很大，对嵌入式系统本身 在性能、体系结构等方面要求多样化，导致了嵌入式系统及其应用的多样性。作 为嵌入式系统核心的嵌入式微处理器必须应对嵌入式应用面临的挑战，而 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 嵌入式微处理器，以其完整的体系结构发展系 列，极小的体积、极低的功耗、极低的成本、极高的性能，及时根据嵌入的对象 的不同进行功能上的扩展的优势，在众多种类的嵌入式微处理器中脱颖而出。 a r m 的设计实现了非常小但高性能的结构。a r m 处理器的结构简单使得其内核 十分的小，因此器件的功耗非常低。 以a r m 体系结构设计的微处理器具有高性能、低功耗和低成本的特点，它 广泛应用于嵌入式系统设计领域，是目前使用最广泛的3 2 位微处理器。a r m 体 系结构继承了r i s c 结构中的加载存储体系结构、固定长3 2 位指令和三地址指 令格式。a r m 处理器大量使用寄存器，指令执行速度更快，大多数数据操作都 在寄存器完成。 在a r m 的选择上我们选择了博睿公司的a r m 9 开发板，它是采用s a m s u n g 公司 1 2 汽车黑匣子视频取证系统的研究与实现 的$ 3 c 2 4 1 0 微控制器一款低成本、高性能的a r m 开发板。 3 1 2 $ 3 0 2 4 10 体系结构 系统采用$ 3 c 2 4 1 0 芯片作为核心处理，$ 3 c 2 4 1 0 芯片是基于a r m 9 2 0 t 内核， 采用五级流水线和哈佛结构，提供1 1m i p s m h z 的性能是高性能和低功耗的硬 宏单元。a r m 9 2 0 t 具有全性能的m m u 、指令和数据c a c h e 以及高速a m b a 总 线接口。作为$ 3 c 2 4 1 0 芯片的c p u 芯核，1 6 3 2 位a r m 9 2 0 tr i s c 微处理器采 用o 1 8 1 mc m o s 标准单元结构，具有独立的1 6 k b 指令缓存和1 6 k b 数据缓存。 $ 3 c 2 4 1 0 内部结构较复杂，提供可扩展的功能模块较多，主要有a r m 9 2 0 t 内核( 1 6 3 2 b i tr i s cc p u ) ，独立的1 6 k b 指令和1 6 k b 数据缓存，m m u 虚拟内 存管理单元，l c d 控制器，n a n df l a s hb o o tl o a d e r ，系统管理单元( s d r a m 控 制器等) ，3 通道d a r t , 4 通道d m a ，4 通道具备p w m 功能的定时器，f o 口， r t c ( 实时时钟) ，8 通道1 0 b i t 精度a d c 和触摸屏控制器，i i c 总线接口，i i s 数 字音频总线接口，u s b 主机，u s b 设备，s d m m c 卡控制器，2 通道s p i 和p l l 数字锁相环组成n 。 $ 3 c 2 4 1 0 提供了一套比较完整的通用系统的外围设备，并且使得整个系统消 耗最小。正是因为它具有很多常用的功能模块，所以也免去了添加配置附加设备 的麻烦。片上集成的功能主要包括以下几个方面n2 1 ： 内置外部存储器控制器( s d r a m 控制和芯片选择逻辑) ； l c d 控制器，一个l c d 专业d m a ； 4 个带外部请求线的d m a ； 一个多主i i c 总线，一个i i s 总线控制器； s d 主机接口和兼容的多媒体卡协议： 2 个u s b 主机，一个u s b 设备( u s b l 1 ) ； 4 个p w m 定时器和一个内部定时器； 看门狗定时器； 1 1 7 个通用f o ，2 4 个外部中断，5 6 个中断源； 电源控制：常规、缓慢、空闲和断电模式； 8 通道1 0 位a d c 和触摸屏接口； 具有日历功能的实时时钟r t c 具有锁相环的片上时钟发生器。 1 6 3 2 位r i s c 体系结构，使用a r m 9 2 0 tc p u 核的强大指令集，而且带m m u 的先进的体系结构支持w i n c e 、e p o c 3 2 、l i n u x ；a r m 9 2 0 tc p u 核还支持a r v l 调试的体系结构。 本系统选用的$ 3 c 2 4 1 0 是f b g a 的封装，如图3 1 。 图3 1 $ 3 c 2 4 1 0 封装图 f i g3 1 $ 3 c 2 4 1 0s e a l 系统平台上集成了s a m s u n g 公司的$ 3 c 2 4 1 0 处理器，并扩展了6 4 m b 的1 6 位 f l a s h ，6 4 m b 的3 2 位s d r a m ，一个u s bh o s t 接口。 所选用的开发板如图3 2 所示。 1 4 r f * 十自m “f e 目# 目 3 13 4 * * 目自镕白勺# s 3 c 2 4 1 0 a $ 女# m t i 自# * m i b 镕* 目目# e - n 女 十$ g * | m $ g * g ，t i 目f 自g # h * m - “镕 g * 自。自# * 目 * * m * # ，一 日n f 自镕m f l 寸* 1 2 va m * * m 自n * 自# m 2 4 v m m t 1 h # n h 目m t # t m m # 女臼勺a n q m # * * h ，“a 月t 月臼可 t 。# 4 i 自# # # n 日月n a n df l a s h i r 月月$ d r a m ，l it f 目* 于口“自# ，* 十镕f * 月m * ”# g ，口 十”h 月 # i f l a s hh s d 十u r 月”# i m 。自h m n 镕# 日“ m # # 月p # 。$ e $ 自十m m i 月p m * ”，l c d rj # $ i g 。女* 十t 65 * l c d w h * 目n 日女g 。 # * 日“# m h 自$ 自m * * m 镕h i # 。i # # 自m 镕女m $ - 十目* * m u s b 口、 m 口m m n * * 。 3 l3 l # 镕* i i # 镕4 i g 自镕日十# ：f l f i s h s d r a m 。f l a s h 月十# 女# + 月j fmm 十* * # m m - s i ) r a m 十月“ n 日日匀 # r ，十p c m 十# 。s d u ，t r * i * # # - g # 一g # # # r # ，m p 3 、m * * 8 * g 口* 女* 。 第3 章系统软硬件开发平台的构建 由于汽车黑匣子终端使用了图形用户界面，应用程序再运行时需要使用较多 的容量，因此，系统需要有足够的内存。此外，使用图形界面的l i n u x 文件系统 较大，需要大容量的f l a s h 存储文件系统。在设计中为本系统配置了6 4 m b 的 s d r a m 用于代码的执行，以及6 4 m b 的n a n df l a s h 用于保存代码和各种文件。对 于m p 3 等多媒体文件的存储主要使用s d 卡，方便文件的更新。 f l a s h 是一种非易失闪存技术。i n t e l 于1 9 8 8 年首先开发出n o rf l a s h 技术 之后，彻底改变了原先由e p r o m 和e e p r o m 一统天下的局面。紧接着，1 9 8 9 年东 芝公司发布了n a n df l a s h 结构，强调降低每比特的成本、更高的性能，并且像 磁盘一样可以通过接口轻松升级。 n o rf l a s h 的特点是芯片内执行( x i pe x e c u t ei np l a c e ) ，这样应用程序 可以直接在f l a s h 闪存内运行，而不必再把代码读到系统r a m 中。此外，n o rf l a s h 还具有以下特点：带有s r a m 接口，寻址较为简单：在进行擦除前先要将目标块 内所有的位都写为0 ；擦除时是以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 。n o rf l a s h 的传输效率很高，在1 - ，- - - 4 m b 的小容量时具有很高 的成本效益，但是很低的写入和擦除速度大大影响了它的性能。 n a n df l a s h 的特点是具有极高的单元密度，可以达到高存储密度，成本较 低，并且n a n df l a s h 执行擦除操作是十分简单的，执行一个写入擦除操作只需 要4 m s 。n a n df l a s h 使用复杂的i o 口来串行地存取数据，同时由于制作工艺问 题，n a n df l a s h 的坏块和位反转问题较为明显，使用时需要有相应的驱动程序 并使用e c c e d c 系统以确保其可靠性的n 扣。 根据它们的不同特点可以看出，在容量较大时使用n a n df l a s h 更加合适， 而n o rf l a s h 只在容量较小时具有较高的效益。$ 3 c 2 4 1 0 处理器为用户提供这样 一种的方案，在n a n df l a s h 上引导和启动系统，而在s d r a m 上执行主程序代码。 为了支持n a n df l a s h 的系统引导，$ 3 c 2 4 1 0 配备了一个内部s r a m 缓冲器，叫做 “s t e p p i n g s t o n e ”。当系统启动时，n a n df l a s h 存储器的前面4 k b y t e 字节将被 自动载入到s t e p p i n g s t o n e 中，然后系统自动执行这些载入的引导代码。 3 1 3 2u s b 接口和串口 汽车黑匣子系统终端具有多媒体应用功能，对于图片、视频文件来说系统本 身的存储空间是远远不够的，而且这些文件需要经常更新。为了使系统能够方便 1 6 汽车黑匣子视频取证系统的研究与实现 的同外界交换数据，本系统终端预留了多种通信接口，包括u s b 接口、串口、s d 卡接口等。 $ 3 c 2 4 1 0 目标板中有两个u s bh o s t 接口，一个u s bd e v i c e 接口。其中，u s b h o s t 接口是作为u s b 的主设备，用于连接u s b 外设，如键盘、鼠标、摄像头、 数码相机等设备，而u s bd e v i c e 接口是作为u s b 的从设备，一般与主设备( 宿 主机，如p c 机、工作站等) 连接，用于下载数据和程序等。由于本系统设计为 车用，用不到和p c 机相连，在设计时