（光学工程专业论文）基于arm9的交通事故道路数据采集系统设计.pdf

s y s t e md e s i g n o ft r a f f i ca c c i d e n tr o a dd a t ac o l l e c t i o n b a s e do na r m 9 ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：c h e nc a n s u p e r v i s o r ：p r o f w e il a n g c h a n g a nu n i v e r s i t y , x i a n ，c h i n a 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。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的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 一：雨煳劭锄日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：7 鱼、业曲 乃o 年月了日 导师签名： 讴枷 狲年f 月6 日 摘要 近年来，由于机动车辆急剧增加，而交通设施却没有及时得到改善，导致交通事故 成倍增长，但交通事故处理手段落后，多为人工方法进行，这样费时、费力而且缺乏准 确性，给事故现场数据的采集、事故的后期分析和事故再现都带来很大的不便和困难。 为此，本文结合嵌入式和串口通信技术，基于a r m 9 研制开发了一套适合道路交通事故 现场测绘的高效实用数据采集系统。 本文首先选择开发板，并针对具体需求开发设计多传感器集成模块，为数据采集提 供硬件平台； 然后进行内核的裁剪与移植，完成系统平台的搭建，为用户提供系统平台； 最后在w m d o w sc e 嵌入式操作系统中开发数据采集应用程序，以方便事故勘查人 员的使用，并利用串口通信技术实现传感器与应用程序的数据传输。 采用该系统进行数据采集迅速、准确，克服了漏测、错测等缺点，而且完成整个勘 查工作可在很短的时间内完成，极大地减少重大、特大交通事故现场造成的道路堵塞。 也为快速处理事故现场提供技术保障。 关键字：w m d o w sc e ；嵌入式系统；数据采集；交通事故 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t r a f f i ca c c i d e n t sd o u b l e dd u et os h a r pi n c r e a s ei nm o t o rv e h i c l e s ，w h i l e t h et r a n s p o r ti n f r a s t r u c t u r eh a sn o ti m p r o v e di nt i m e i t su s u a l l yd i f f i c u l tt oc o l l e c tt h ed a t ao f t h ea c c i d e n ts i t e ，p o s t - p e r s o n a l i z et h ea c c i d e n ta n dr e a p p e a rt h ea c c i d e n tf o rt h ea r t i f i c i a l p r o c e s so f t h et r a f f i ca c c i d e n tw h i c ha l s oc a u s e saw a s t eo fm o n e y , t i m ea n dl a c ko fa c c u r a c y t os o l et h i sp r o b l e m , a ne f f i c i e n tp r a c t i c a ld a t ac o l l e c t i n gs y s t e mf o rs u r v e y i n ga n dm a p p i n g t r a f f i ca c c i d e n t so nt h es p o tw a sd e s i g n e db a s e do na r m 9 ，c o m b i n e dw i t ht h es e r i a l c o m m u n i c a t i o n a n de m b e d d e dt e c h n i q u e f i r s t l y , c h o o s ee x p e r i m e n tb o a r d ，a n dd e s i g n e di n t e g r a t e d m u l t i s e n s o rm o d u l et o p r o v i d eh a r d w a r ep l a t f o r mf o rd a q ； s e c o n d l y , c l i p p e da n dt r a n s p l a n t e dt h ec o r eo f t h ew i n d o w sc eo p e r a t i n gs y s t e mt o c o n s t r u c ts y s t e mp l a t f o r m ； t h i r d l y , d e v e l o p e dd a t ac o l l e c t i o na p p l i c a t i o n s i nw i n d o w sc es o 嬲t oe a s et h e m a n i p u l a t i o nf o rt h o s ei nc h a r g eo ft h ea c c i d e n ti n v e s t i g a t i o n a n dt r a n s m i t t e dt h ed a t a b e t w e e ns e n s o r sa n da p p l i c a t i o n s ，u s i n gt h es e r i a lc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e t h ea d v a n t a g e so ft h i ss y s t e m ：q u i c ka n da c c u r a t ec o l l e c t i o n , 1 1 0m i s sd e t e c t i o na n df a l s e d e t e c t i o n ，s h o r t e nt h et i m ef o rt h ew h o l ea c c i d e n ti n v e s t i g a t i o n , a v o i dt h et r a f f i cj a ma sm u c h 勰p o s s i b l ea tt h es c e n eo fs e r i o u s o re x t r a o r d i n a r i l ys e r i o u st r a f f i ca c c i d e n t ，p r o v i d et e c h n i c a l s u p p o r tf o rq u i c ka c c i d e n tm a n a g e m e n t k e y w o r d s ：w i n d o w sc e ；e m b e d d e do s ；d a t ac o l l e c t i n gs y s t e m ；t r a f f i ca c c i d e n t s 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 事故现场勘查国内外现状2 1 2 1 国外交通事故现场勘查设备分析2 1 2 2 国内交通事故现场勘查设备分析4 1 3 本文研究内容5 1 4 论文结构6 第二章硬件平台设计与搭建7 2 1 系统的整体设计7 2 2 嵌入式硬件系统开发板的选择7 2 3 多传感器集成模块开发l o 2 3 1 温度、坡度、电子罗盘集成模块1 l 2 3 2 摄像头模块1 6 2 3 3 距离测量模块1 9 2 3 4 路面附着系数测量模块2 0 第三章w in d o w sc e 嵌入式操作系统的内核裁剪与移植2 2 3 1 嵌入式系统的概念2 2 3 2 嵌入式系统的发展2 4 3 3 嵌入式操作系统简介2 6 3 4w i n d o w sc e 的优点2 9 3 5 嵌入式开发环境介绍3 0 3 6 基于w i n d o w sc e 的嵌入式系统开发流程3l 3 7w m d o w sc e 操作系统裁剪与移植3 2 3 7 1 板级支持包( b s p ) 3 2 3 7 2 启动引导程序的开发3 4 3 7 3o e m 适配层的开发3 9 3 7 4 开发驱动程序4 0 3 7 5 生成w i n d o w sc e 映像文件4 1 第四章基于w in c e 5 0 的数据采集应用程序系统开发4 3 4 1 道路交通事故现场勘查概况4 3 4 2 系统界面设计4 4 4 2 1 基本数据录入界面。4 5 4 2 2 道路数据采集界面4 6 4 2 3 数据保存模块4 7 4 2 4 图像信息采集模块4 9 4 3 串口通信4 9 第五章总结5 4 5 1 总结。5 4 5 2 展望5 4 参考文献5 5 致谢5 6 长安大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 近年来由于经济的发展，机动车辆迅速增加，但是交通设施却没有得到改善，导致 交通事故成倍增长，具统计：全国每年要处理交通事故3 0 万起，但交通事故处理手段 落后，多为人工判断刹车轮胎印迹、卷尺量测刹车距离和各种有关数据。这样易发生漏 测、错测、漏画、错画、精度低等现象，给事故分析带来不便和困难。而交通事故一般 多发生在交通量较大的地段，则必然存在迅速处理交通事故现场恢复交通与尽可能采集 交通事故现场数据以得充分分析事故之间的矛盾。又因为事故现场不能保留，一旦勘查 结束，现场即被撤除。若收集证据不全，欲二次取证则时过境迁，使勘查工作受到无法 弥补的损失，造成交通事故处理陷入困境。所以，我们有必要采取更快捷、更准确、更 方便的测量和绘图方式，及时迅速、细致、完备地完成事故现场的测量【1 2 1 。 道路交通事故现场图是道路交通事故处理工作不可缺少的重要依据，是现场勘查记 录的内容之一，同时，又是事故变化分析、认定、调节以及事故鉴定的原始依据。然而， 由于交通事故发生在道路上，用过长的时间把事故现场上的各种交通元素以及有关的痕 迹、物证和地形、地物、道路、交通设施等进行测量、测绘，制成现场图，会影响正常 的交通。 所以，为了更好地为道路交通事故处理工作服务，减少因交通事故堵塞所造成的无 法估算的经济损失，本文将嵌入式技术应用到交通安全中，基于a r m 9 研制开发了一套 适合道路交通事故现场测绘的高效实用数据采集系统手持设备，它不仅迅速、准确，而 且克服了进行数据采集时发生漏测、错测、漏画、错画等现象，具有便携、测量全面、 集成度高、界面友好等优点。采用该系统，完成整个勘查工作可在几分钟内完成，极大 地减少重、特大交通事故现场造成的道路堵塞，也为快速处理事故现场提供技术保障。 数据采集，是利用一种收发传感器模块将系统外部采集到的数据输入到系统内部的 某个接口。数据采集技术广泛应用在各个领域。本论文开发的手持设备主要用于利用传 感器技术和串口通信技术将事故现场的道路信息采集到设备中，并进行数据保存以便日 后进行事故分析和事故再现时的需要。 第一章绪论 1 2 事故现场勘查国内外现状 交通事故现场是指交通事故发生的空间场所，即发生事故的人员、车辆、牲畜、物 体及其与事故有关的痕迹、物证所在的地点。 交通事故现场勘查是指为了正确判明交通事故案件的性质、获取有关证据、证实事 故发生的经过，事故处理人员运用科学的方法和现代技术手段，对交通事故现场进行实 地调查，以及当场对当事人和有关人员进行调查访问，并将得到的结果客观、完整、准 确地记录下来的工作。现场勘查是交通事故调查取证工作的重要组成部分，是交通事故 处理工作的开端，是交通事故认定工作的基础。现场勘查工作做的好坏直接影响到能否 正确、顺利地处理交通事故，尤其关系到交通事故认定的准确程度。做好现场勘查工作 是提高交通事故处理办案质量的保障。 现场勘查人员到达现场以后，应当首先全面了解现场的概况，然后采取措施保护现 场，防止在现场勘查过程中现场遭到破坏，保证现场勘查工作的顺利进行。在勘察人员 未到达现场之前，现场保护的工作由发生事故的车辆驾驶人负责。交通事故发生以后， 事故现场往往有大量的围观者，给现场勘查工作造成一定的困难，而且可能使现场遭到 破坏，痕迹被践踏而模糊不清，且容易发生连锁事故和偷盗、哄抢现场物品的治安事故。 所以保护现场，并尽可能地在短时间内完成现场勘查工作是必要的。 1 2 1 国外交通事故现场勘查设备分析 美国、日本、欧洲等发达国家注重利用先进的技术和科学的手段获取信息。例如在 德国，他们的事故信息采集系统是一个由专业人员组成、专门从事该方面研究的组织， 因此在采集事故信息时，所使用的设备和方法都非常专业。仅以拍照记录车辆外部损坏 状况为例，德方要求事故采集人员使用高清晰度的数码相机对每部车辆外部的八个水平 方向进行拍摄，还要求对车辆的每一个损坏部位进行不同角度的特写，以保证能够全面 的记录车辆的损坏状况【1 1 】。通过这些照片基本可以复制出事故现场车辆的外部情况，这 对后期的事故研究会有非常大的帮助。这些发达国家在进行事故现场勘查时，所使用设 备和方法主要有： 1 ) 全站仪，即全站型电子速测仪( e l e c t r o n i ct o t a ls t a t i o n ) 。它是一个高技术含量 的测量仪器，该测绘仪器系统集机、光、点子一身，可以用来测量距离( 斜距、平距) 、 2 长安大学硕士学位论文 垂直角、水平角、高差等数据。由于它仅需安置一次仪器就可以把想要的数据全部测到， 所以有时我们也叫它全站仪。最近几年已经有一些事故处理部门使用全站仪进行事故现 场勘查与测量。利用全站仪能够减少一半的数据采集时间，从而使交通延误时间减少了 很多。但这种设备也存在缺点，如造价太高、设备操作复杂等，这都造成该设备的推广 程度不是很高。 2 ) 激光扫描仪，与全站仪不同，激光扫描仪所要扫描的对象是不允许选择的，在 使用激光扫描仪时需要去收集大量的数据，以及繁琐而复杂的软件处理，但使用它的优 点是能够提供较高质量的现场三维图。激光扫描仪价格十分昂贵，一般情况下只有国外 大的事故勘查机构和实验室中能会被采用。但普通的一些地方区域的事故处理机构则希 望能够在提供较少资金的情况下得到自己想要的结果，这就要涉及到交通事故现场重 建，基于这种需求，摄影测量技术应运而生。 3 ) 摄影测量，就是指能够用几何学和投影原理从照片获取实际距离信息的测量方 法，应用到交通事故现场测量中，帮助事故勘查人员进行现场的快速数据测量，减少了 现场勘查和测量时间，使得由于事故勘查造成的交通阻塞得到缓解。摄影测量方法可以 把现场事实状况永久视觉效果记录下来，使用者可以在任何时间调取三维数据信息，而 且可以不断进行重新审核。在使用过程中我们可以看到摄影测量有很多优点，例如测量 精度高、需要更少的工作人员等。一些3 d 测量工具应用于交通事故现场，国外软件如 1 w i t n e s s 、p c r e c t 、p h o t o m o d e l e r 、s h a p e c a p t u r e ( 如图1 1 所示) 等已经实际应用在国外 许多国家【”j 。 第章绪论 qj v 囊瓣矽 l _ lj b l ”聊嘲鞴辫臻爨搿g 一1 ：i 琏缸a _ 矿斜。 ” ，一。删 l 丽望自翻： 一一骨一栽誓 l 匿骚 弛圆 | 隧磊 f ? t ”= ，t i - - 誓誓 一攫： 嚣x ：羔泸 霸圈 谣 r 移口p 。墨 l 豳 n - ； 羹璧二二鳖蠹蠢 ，。一，曩 - f 一 i 骗# t 谚 戳暴9 。 一- l 一，雹 嗣 盆一l “ “1 彩一一碍 毯圈 ；。i l - 【盆羔- i ! 毯茏萏 ； o 暑号 长安大学硕士学位论文 处理速度。缺点是只能完成对距离的测量，集成程度不高。 2 ) 2 0 0 3 年1 0 月，由清华大学汽车研究所与云南省道路交通管理科学技术研究所合 作共同开发的“道路交通事故再现分析系统”，它由“道路交通事故现场信息采集”、“道 路交通事故再现”、“道路交通事故处理及原因分析 三个子系统组成。交警在应用这一 系统处理交通事故，采集到事故现场信息数据，输入这些数据后，系统可以很快以三维 方式再现出交通事故的发生过程，并自动分析出原因，然后交警再通过计算机无线连接 公安专用网络现场办公，在现场即可实现交通事故处理文书的审核、审批和电子签名。 在处理过程中，交警还可随时通过网络查询有关法规，同时，事故当事人在现场还可通 过这个系统的警务公开模块，随时了解事故处理进程，大大提高了交通事故处理速度和 质量。但对于现场信息采集采用的摄影测量技术，采集完成后仍需要进行大量的工作以 获取现场信息。 3 ) 2 0 0 7 年，大众汽车与同济大学合作开发交通事故研究项目，研制的交通事故勘 查专用车已经全面启用它可以让事故组在第一时间到达事故现场，采集更加准确完备的 事故数据。不足之处在于比较笨重，不易便携。 综上所述，目前我国的道路交通事故信息采集内容设置的合理性、覆盖研究学科的 广度、采集信息的深度等都远远落后于发达国家。这就造成了目前我国缺乏足够的基础 数据来支持交通安全的深入研究，更令有关政府部门在制定改善交通安全状况的政策时 缺乏足够的依据。为此，在我国建立一个专业、科学的道路交通事故信息采集系统成为 社会、政府、研究机构及汽车厂商等共同的需求。而且利用嵌入式技术，开发一种便携、 测量全面、集成度高、界面友好的数据采集系统，这在国内几乎是个空白，而本论文就 是致力于开发出一套这样的手持设备。 1 3 本文研究内容 交通事故快速勘查系统开发的意义是交通事故现场勘查、证据收集作为交通事故法 定处理程序中承上启下的最重要环节，要求及时迅速、细致完备、客观全面、依法定程 序对现场进行勘察，以保证快速恢复交通通畅，为交通事故处理程序的以后环节提供精 确、公证、客观的数据和图像，同时方便进行事故现场立体再现和现场恢复。本文正是 依据这种需求，开发了基于a r m 9 的用于道路交通事故现场测绘的高效实用数据采集系 统，主要是对交通事故现场的道路几何参数进行综合测量，论文的具体内容如下： 5 第一章绪论 1 ) 基于扬创科技有限公司的u t u 2 4 4 0 f 实验板裁剪w i n c e 5 0 系统，为数据采集系 统提供硬件和系统平台； 2 ) 在w m c e 5 0 系统之上，利用e m b e d d e dv c + “o 嵌入式应用程序开发平台建立 数据采集系统框架； 3 ) 根据现场勘查需求开发温度、道路斜坡角度、方位参数测量集成模块p c b 板， 用于实现部分道路参数的测量； 4 ) 集成摄像头模块，以实现数据采集时对图像的需求； 5 ) 对距离、路面附着系数的测量进行研究； 6 ) 实现数据存储，以利于后期处理时对采集数据的调用。 1 4 论文结构 本文共分为五个章节，各章内容概述如下： 第一章为论文的叙述部分，主要介绍了道路交通事故现场勘查的研究背景、国内外 现状和本论文的主要工作； 第二章对整个数据采集系统平台进行了总体设计，不仅根据设备需求对硬件设计做 了规划，以实现对现场环境温度、现场道路坡度、方位角、路面附着系数、距离以及图 像信息的数据采集； 第三章对嵌入式系统做了全面性的总结，充分比较了使用w i n d o w sc e 系统进行嵌 入式开发的优势，总结了进行c e 嵌入式系统开发的具体流程和步骤，为基于c e 5 0 的 数据采集系统的开发做铺垫，并完成了c e 系统的内核裁剪和移植、驱动的开发等工作； 第四章为应用程序的开发，即在c e 系统中开发g u i 应用程序，具体包括实现数据 采集界面设计、串口通信、数据保存等内容，以方便现场勘查人员对事故现场进行综合 的测量与记录； 第五章为总结与改进，对本论文的优势做了概括，并提出了其中的不足以利于补充 和改进。 6 长安大学硕士学位论文 2 1 系统的整体设计 第二章硬件平台设计与搭建 在整个硬件平台的实际设计和搭建中，需要根据具体需求并结合软、硬件所能提供 的实际技术条件来对各种功能的实现方法进行选择与比较。 具体选择原则为：为了保证性能的稳定和较高的抗干扰性尽量使用硬件实现；为了 减少成本以及调试的方便尽量选用软件的方法来实现，总的来说就是尽量选用最为经济 适用而且实现简单的方案。 对于系统的功能设计要求，根据市场实际情况和手持设备开发的目的，本论文开发 的系统具有以下功能：运行w i n d o w sc e 系统，该系统与w m d o w s 系统非常相似，界面 友好、易于使用；该手持设备要有液晶屏和触摸屏输入方式，以方便用户的使用；对于 该设备的外围，要具有j t a g 、r s 2 3 2 、s d 卡和u s b 的接口功能；系统要能够与底层 的传感器进行通信，以实现数据的采集；开发嵌入式应用程序，作为数据采集的系统界 面。 2 2 嵌入式硬件系统开发板的选择 选择开发板首先要选择嵌入式的处理器。现在市场上经常使用而且技术成熟的嵌入 式处理器主要有i b m 公司生产的p o w e rp c 处理器系列，m i p s 公司生产的的m i p s 处 理器芯片、s u n 公司生产的s p a r c 处理器芯片和a r m 公司生产的a r m 系列。其中a r m 处理器销量最好，已被广泛的应用在多种领域，比如嵌入控制、消费教育类多媒体、 d s p 和移动式应用等。a r m 公司自从成立以来设计了大量高性能、廉价、耗能低的r i s c 处理器、相关技术及软件技术，具有性能高、成本低和能耗省的特点。该公司一直是只 出售i p 核而不生产具体的芯片，由于它的芯核功耗低、成本低，因此得到许多半导体 厂家以及整机厂的大力支持，在3 2 位嵌入式应用领域获得了巨大的成功。该a r m 系列 从a r m l a r m l l ，高端的a r m ll 可以用于完成较高要求的图像处理，但如果对图 像处理的要求更高则需要增加d s p ，专门用于图像的计算和处理。 目前提供a r m 芯片的厂商主要有英特尔( i n t e l ) 、德州仪器( t i ) 、三星半导体 ( s a m s u n g ) 、摩托罗拉( m o t o r o l a ) 、飞利浦半导体( p h i l i p s ) 、c i r r u sl o g i c 、l i n k u p 7 第二章硬件平台设计与搭建 s y s t e m s 、s o n y 等公司。本系统要求体积小、功耗低、常规处理能力强( 工作频率高) 、 i o 功能强大。鉴于这些要求，并考虑到市场的情况，我们选用s a m s u n g 公司的$ 3 c 2 4 4 0 a 芯片作为我们的c p u 芯片。s 3 c 2 4 4 0 a 采用灿u m 9 2 0 t 内核，集成如下片上功能： 1 2 v 内核，1 8 v 2 5 v 3 3 v 储存器，3 3 v 扩展i o ，1 6 k b 指令c a c h e ( i c a c h e ) 1 6 k b 数据c a c h e ( d c a c h e ) 外部储存控制器( s d r j m 控制盒片选逻辑) 集成l c d 专用d m a 的l c d 控制器( 支持最大4 k 色s t n 和2 5 6 k 色t f t ) 4 路拥有外部请求引脚的d m a 控制器 3 路u r a t ( i r d a l 0 ，6 4 - b y t et xf i f o ，6 4 b y t er xf i f o ) 2 路s p i i i c 总线接口( 多主支持) i i s 音频编解码器接口 a c 9 7 编解码器接口 1 0 版s d 主接口，兼容2 1 l 版m m c 接口 2 路u s b 主机控制1 路u s b 期间控制( v e r l 1 ) 4 路p w m 定时器1 路内部定时器看门狗定时器 8 路1 0 位a d c 和触摸屏接口 具有日历功能的r t c 摄像头接口( 支持最大4 0 9 6 x 4 0 9 6 的输入，2 0 4 8 ) 【2 0 4 8 缩放输入) 1 3 0 个通用i o ，2 4 个外部中断源 电源控制：正常，慢速，空闲，睡眠模式 带p l l 的片上时钟发生器 选好c p u 后，然后就是根据以上需求进行调研，最终确定购买u t u 2 4 4 0 f 开发板， 此开发板为扬创科技有限公司制作的中高端开发板，不仅外型小巧漂亮，而且拥有相当 丰富的接口，图2 1 为此开发板的外观。 8 长安大学硕士学位论文 图2 1u t u 2 4 4 0 f 开发板 下图2 2 为u t u 2 4 4 0 f 开发板的核心板的外型，u t u 2 4 4 0 f c o r e 核心板采用6 层板工 艺，具有极佳的电气性能和抗干扰性能，核心板的外边缘尺寸也仅有：6 5 m i n x4 5 r a m ， 外扩了1 6 8 p i n 管脚，充分扩展了$ 3 c 2 4 4 0c p u 的硬件资源，将能用的管脚都引出来了， 非常合适用户自己根据产品的需求，扩展一个符合自己产品需求的产品扩展板。 图2 2u t u 2 4 4 0 f - c o r e 核心板外型 9 第二章硬件平台设计与搭建 u t u 2 4 4 0 f 开发板拥有丰富的硬件资源，具体如下： 1 ) s 3 c 2 4 4 0 a ：3 2 b i ta r m 9 2 0 t 内核，标称工作频率：4 0 0 m h z 2 ) 系统时钟：内部p l l 产生4 0 0 m h zc p u i 为核工作频率，外部总线频率： 1 0 0 1 3 3 z 3 ) l c d 控制器：c p u 内置s t n c s t n 厂r f tl c d 控制器，支持1 0 2 4 7 6 8 分辨率以下 的各种液晶 4 ) 触摸屏控制器：c p u 内置4 线制电阻式触摸屏控制器 5 ) 1 0 m h z 以太网控制器 6 ) 1 通道5 线制串口，2 通道3 线制串口 7 ) 1 通道u s b l 1 主机接口，可接u s b h u b ，扩充多个u s b 主口 8 ) 1 通道u s b l 1 设备接口 9 ) s d m m c 卡接口 l o ) 音频输入输出接口 1 1 ) l c d 接口，可接3 5 寸7 寸4 3 寸2 8 寸1 0 寸等等尺寸t f t 真彩液晶屏 1 2 ) 专用复位电路 1 3 ) 触摸屏控制器 1 4 ) r t c 实时时钟及大容量后备锂电池 1 5 ) 标准2 0 p i nj t a g 调试接口 1 6 ) 4 只自定义功能l e d 指示灯 1 7 ) 6 只自定义按键，用户可以组合为“上 “下“左 “右“确认 “取消 6 个常见功能键 1 8 ) s p i 接口 1 9 ) 标准配置6 4 m b y t e sn a n d - f l a s h 2 0 ) 标准配置6 4 m b t y e ss d r a m 2 3 多传感器集成模块开发 根据道路交通事故现场勘查的需要，本系统需要采集现场温度、道路纵向坡度和横 向坡度、距离、方位角、路面附着系数、图片等数据信息，所以在开发板中需要集成温 度传感器模块、坡度传感器模块、测距模块、电子罗盘模块和摄像头模块等硬件模块。 l o 长安大学硕士学位论文 本论文采取的方案是：集成温度传感器模块、坡度传感器模块、电子罗盘模块为一个模 块，此集成模块通过串口与开发板进行通信，实现数据的传输和记录；由于对距离的测 量要求较高，不仅量程要能达到数千米，精度有一定的要求，而且需要能测量点对点的 距离，所以建议购买测距仪器( 如激光测距仪) ，也通过串口与开发板进行通信；图片 的获取可通过集成中芯微3 0 1 摄像头得到。 2 3 1 温度、坡度、电子罗盘集成模块 如图2 3 ，2 4 为集成模块的原理图和电路板实物图，为了实现多个传感器共用一个 串口，本模块采用了c d 4 0 5 2 b c m 芯片，它是一个双四选一的多路模拟选择开关，用以 实现设备在采集数据时对多个传感器操作的切换。其使用真值表如下表2 1 所示。 图2 3 集成模块电路图 图2 4 集成模块实物图 表2 1c d 4 0 5 2 真值表 应用时可以通过单片机对舳的控制来选择输入哪一路。例如：需要从4 路输入中 1 2 长安大学硕士学位论文 选择第二路输入，假设使用的是y 组，那么单片机只需要分别给a 和b 送l 和0 即可 选中该路，然后进行相应的处理。但其中的第六脚为使能脚，只用为0 时，才会有通道 被选中输出。下图2 5 为芯片管脚定义。 c d 4 0 $ 2 bi p 纠只c e r d i p 警创c i t o p v i e 妇 v c 姒黼t ： 嘲桕| u1 c o i m o n 絮。o u t t l n 啪n h 舢e i $ 1 1 。： 啪，o u t 绦纠 v e e v 譬宴 浔渊 c o m m o i t ? 冀。o 玎t i n ： x c h a i i 图2 5c d 4 0 5 2 芯片管脚定义 温度传感器采用的d s l 8 8 2 0 数字温度计，它能够指示所测环境或器件的温度。信 息经过单线接口送入d s l 8 8 2 0 或从d s l 8 8 2 0 送出，因此从中央处理器到d s l 8 8 2 0 仅 需连接一条线( 和地) 。读、写和完成温度变换所需的电源可以由数据线本身提供，而 不需要外部电源。d s l 8 8 2 0 只有三根线，即地线g n d 、电源线v d d 和数字输入输出线d q ( 接至单片机p 1 5 引脚) ，测量范围从5 5 。c 至+ 1 2 5 c ，增量值为0 5 c ，应用范围包括 恒温控制、工业系统、消费类产品、温度计或任何热敏系统等，基本上能够满足本设备 所测环境温度的需求。其具体通信协议为通过开发板向串口发送0 x 5 5 信号，单片机从 而确定是要采集温度数据，并完成采集工作后向串口返回6 位a s c i i 码，最后再经过转 换通过串口返回到应用程序中显示出来。 对路面坡度的测量采用的是m m a l 2 6 0 ，它是一个单轴的加速度传感器，不仅可以 用它测量瞬时加速度，而且可以用它来测量静态时的倾斜角度，具体方法参考下图2 6 。 对于倾角和静态加速度之间的转换可以通过以下公式2 1 进行换算。假设道路倾角为0 ， 所测静态时的电压值为l ，o a t 。由此即可得到道路坡度。其具体通信协议为通过开发板向 串口发送0 x s f 信号，单片机从而确定是要采集坡度数据，并完成采集工作后向串口返 回4 位a s c i i 码，此数据为当前坡度的电压值，最后再经过转换通过串口返回到应用程 序中显示出来。 1 3 第二章硬件平台设计与搭建 q 旧 吕 0 咚 占圆 v 黼t 确，il ll v 薯 r s 翁n 塔 v 馨 s t 黼 瞒 眦 眦 解 啦 憾 躲 + t g 肝；3 _ 7 v ( 2 1 ) 三一西一鳓一 - t g = 1 甜 w h e n 阳b 删_ 确喇k 蚀巳时住嗍m s 椭i n a 妒酬涎1 叠。饵u 图2 6 静态加速度测量方法 本道路数据采集系统采用了测量道路与正北方向的夹角，用以实现道路方向数据的 采集。对方向角的测量本模块采用的是深圳富安达智能科技有限公司开发的 f a d d c m r s 2 3 2 电子罗盘模块，它主要由高可靠、强抗干扰工业级单片机和p n i 公司 高可靠性的磁通传感器及驱动芯片组成，集成度非常高，实现了高可靠性、高精度、强 1 4 嘴 竺屹一 5 1 6 酬 = 矾 9 m 础 一 g i 科 钾础 豳 长安大学硕士学位论文 抗磁场干扰的数码电子罗盘功能，非常方便各种产品快速增加电子罗盘功能。电子罗盘 采用r s 2 3 2 接口输出，可输出0 3 5 9 0 角度，并具有设置磁偏角及硬磁补偿功能。电路 图为下图2 7 所示。模块使用半双工的通信方式，具体通信协议为： 1 ) 读出方向数据( 命令9 1 h ) 开发板通过串口向模块发送命令9 1 h ，此时模块将返回一个双字节方向数据。先返 回高字节，后低字节。 2 ) 写入磁偏角( 命令a o h ) a o h 为命令字，m s b 为磁偏角的高字节，l s b 为低字节。模块返回一个5 5 h 。 3 ) 读出磁偏角( 命令a 1 h ) 开发板通过串口向模块发送命令a 1 h ，此时模块将返回当前的磁偏角值。先返回高 字节，后低字节。 4 ) 进入校正模式( 命令c o h ) 开发板通过串口向模块发送c o h 命令后，模块返回一个4 3 h ( 大写字符c ) ，模块 将处于校正状态，为了获得准确的方向数据，在初次使用此模块或周围环境发生变化时， 应发此命令给模块校正一次，在校正模式时，需保证模块水平放置情况下旋转一周。 5 ) 退出校正模式( 命令c 5 h ) 开发板通过串口向模块发送c 5 h 命令后，模块返回一个4 5 h ( 大写字符e ) ，模块 退出校正状态，返回到采集方向数据状态。 图2 7 电子罗盘模块电路框图 如d g n d r 】 t 】 第二章硬件平台设计与搭建 2 3 2 摄像头模块 摄像头模块采用了中芯微3 0 1 摄像头，利用u s b 接口进行图像数据的采集，并实现 了将采集到的数据自动保存到s d 卡中，z c 0 3 0 xs d k 接口函数说明如下表2 2 所示，所 拍图片效果如下图2 8 所示( 清晰程度根据摄像头像素大小而定) 。 表2 2z c 0 3 0 xs d k 接口函数说明 函数名称函数说形式参数参数说明返回值 明 c a p i n i t c a m e r a初始化 v o i d 无当前活 并返回动的摄 当前活象头数 动的摄日，最 象头数多可支 目持8 个 摄象头 c a p g e t c u r r e n t v e r s i o n获得当 i n ti n d e x摄象头索引当前驱 前驱动动程序 u n s i g n e dc h a r用来接收版本信息的字符缓 程序版版本信 幸p b u f o u t 冲区 本信息息字符 h a tl e n o u t字符缓冲区长度 串长度 c a p g e t v i d e o f o r m a t获取当 i n ti n d e x摄象头索引0 表示 前视频调用成 h a t p f o r m a t用来接收视频格式的缓冲区 格式和功，其 h a t 用来接收尺寸模式的缓冲区 尺寸模他值表 幸p s i z e m o d e 式示调用 失败 1 6 长安大学硕士学位论文 二一一 c a p s e t v i d e o f o r m a t设置当 i n ti n d e x 摄象头索引 0 表示 前视频h a tf o r m a t 要设置的视频格式调用成 格式和 ( v i d e op a l e t t e r g b 5 6 5功，其 尺寸模 - v i d e op a l e t t e _ j p e g )他值表 式i n ts i z e m o d e 要设置的尺寸模式 示调用 ( v i d e o _ s i z ev g a ， 失败 v i d e o _ s i z es i f ) 9 c a p g e t p i c t u r e同时获 i n ti n d e x 摄象头索引 0 表示 取一帧 u n s i g n e dc h a r用来接收一帧视频图象的缓调用成 视频图 幸p f r a m e b u f 冲区 功，其 象和 u n s i g n e d i n t p f r a m e b u f 缓冲区长度他值表 j p e g 图 b u f r e r l e n 示调用 片 u n s i g n e dc h a r用来接收一帧j p e g 图片的 失败 p j p g b u f 缓冲区 u n s i g n e di n tp j p g b u f 缓冲区长度 j p g l e n p d w o r d 用来接收返回长度的整型数 p d w a c t u a l o u t组地址 c a p g r a b f r a m e获取一i n ti n d e x 摄象头索引一帧视 帧视频 用来接收一帧视频图象的缓 频图象 u n s i g n e dc h a r 图象 幸p f r a m e b u f 冲区 的实际 u n s i g n e d i n t 缓冲区长度 长度 b u f f e r l e n( 字节 数) 1 7 第二章硬件平台设计与搭建 续表2 2z c 0 3 0 xs d k 接口函数说明 c a p g e t l a s t j p e g获取一 h a ti n d e x摄象头索引一帧 帧j p e g j p e g u n s i g n e dc h a r用来接收一帧j p e g 静态图 静态图静态图 木p f r a m e b u f 片的缓冲区 片片的实 u n s i g n e d h a t缓冲区长度 际长度 b u f f e r l e n ( 字节 数) c a p s t a r t c a m e r a 启动摄 i n ti n d e x摄象头索引 0 表示 象头开调用成 始捕获功，其 视频他值表 示调用 失败 e a p s t o p c a m e r a 停止摄 i n ti n d e x摄象头索引0 表示 象头捕调用成 获视频功，其 他值表 示调用 失败 c a p c l o s e c a m e r a关闭所 v o i d 无无 伺清功 的摄象 头 1 8 长安大学硕士学位论文 2 3 3 距离测量模块 阿飞 k 锡 图2 8 图片效果图 对于距离的测量是通过测距传感器实现的，测距传感器主要有三种类型：超声波测 距传感器、激光测距传感器、红外线测距传感器。下面具体介绍它们各自的特点。 1 ) 超声波测距传感器 超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于 声波的机械波，我们把频率高于2 0 0 0 0 赫兹的声波称为“超声波 ，它具有频率高、波 长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、 固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。可用于 测距，测速，清洗，焊接，碎石等，在医学，军事，工业，农业上有很多的