基于嵌入式处理器S3C4510B和μCLinux实现电子交警系统的设计

近年来智能交通系统发展迅速，它力图把先进的信息技术、通信技术、计算机技术、电子控制技术等高新技术有效地集成运用于整个交通运输管理体系，在大范围内建立起一种全方位的实时、准确、高教的交通运输综合管理系统。迄今为止，日本、美国、西欧、澳大利亚等国家和地区都建立了相应的机构从事相关的开发应用研究，并取得了一些成果。

闯红灯是造成交通事故的主要原因之一。本电子交警系统的主要功能就是抓拍、处理机动车闯红灯现象，这是现代城市交通监控系统的重要组成部分。目前，由于机动车闯红灯的相关信息还没有实时地接入网络，违章车辆的受理、罚款、办结等后期管理存在着很大的滞后性。因此，本系统采用了基于嵌入式web的方案，保证了系统的实时性，高精度数码相机的使用弥补了CCD摄像机清晰度不足的缺陷。取得了较好的应用效果。

1 设计方案

图1为系统总体设计方案。

1．1 硬件部分

硬件部分的结构如图2所示。

ARM（Adranted RISC Machines）是微处理器行业的世界知名企业，设计了大量高性能、低能耗、廉价的RISC处理器及相关软件。从性价比、实用性等角度出发，本系统使用了Samsung公司基于ARM7内核的嵌入式处理器S3C4510B．外加存储器芯片、主USB接口、以太网芯片、串并口等构建的开发板系统作为整个系统的硬件开发平台。根据实际需要在接口逻辑电路中设置不同的参数，并设置恰当的基地址和中断号，以免发譬冲突。同时按照开发板的说明书对引脚进行分配。

1.2 嵌入式系统软件结构

本系统采用μCLinux操作系统。

目前源码公开的嵌入式操作系统有μC／OS和μCLinux，它们各有特点。μC／OS占用空间少，实时性能优良。μCLinux虽然占用空间相对较大，实时性能一般，但是具有对多种文件系统的支持能力，内嵌了TCP/IP协议，可以借鉴Linux丰富的资源，适用于较复杂的系统。鉴于本系统需要面向以太网，且较为复杂，所以选用μCLinux作为操作系统。μCLinux是Linux的一个变种，主要区别在于两者的内存管理机制和进程调度管理机制。同时为了适应嵌入式应用的需求，μCLinux采用了romfs文件系统，并简化了Linux上的c语言库glibc。

本系统的软件设计包括；μCLinux操作系统的平台移植、嵌入式操作系统μCLinux的裁减、硬件驱动程序、应用程序、人机界面等。

（1）在ARM平台上移植μCLinux，并在PC机上建立μCLinux的开发环境。ARM开发板用于运行操作系统和应用软件，PC机则完成目标板所用到的操作系统的内核编译及应用程序的开发和调试。两者之间一般通过串口、并口或以太网接口建立连接关系。

（2）对系统内核进行裁减，在保证功能的前提下使其所占资源最少。

（3）硬件驱动程序包括USB驱动程序、USB控制器驱动程序、以太网控制器驱动程序等。

（4）应用程序主要负责将USB和串口上传的数据传输到以太网。

（5）人机界面包括本地界面和远程界面。远程界面主要存放在嵌入式服务器中的动态网页，用于管理和查询。

2 系统的组成

本系统由前端车辆拍照控制子系统、信息传输子系统和信息查询管理子系统组成。组成结构如图3。

2．1 车辆拍照控制子系统

前端车辆拍‘照控制系统由嵌入式系统、微电脑芯片地感线圈检测装置、高精度数码相机、相关通信及传输附件组成。违章车辆闻红灯的瞬间，微电脑芯片根据检测地感线圈的信号变化，及时准确地发出车辆违章信号。前端嵌入式控制主机收到检测信号后（闯红灯、逆行等），对数码相机快门进行控制，并随时判断周围环境的光亮度决定是否开启闪光灯。数码相机接到闪光灯和拍照信号后进行拍照。所拍摄信息首先被存储在相机的8M卡（Smart Media Card）中。

2．2 信息传输子系统

信息通过网络进行传输。目前嵌入式系统接入Intcnlet的方法大致有三种：一是通过专用的web服务器：二是通过专用的嵌入式网关；三是把标准网络技术（TCP／IP）扩展到嵌入式设备，由嵌入式系统自身实现Web服务器功能。本文采用第三种方法，只需编写动态网页便可以通过Web浏览器方便地管理和查询相关信息。

信息传输子系统由两部分组成：一是照片等相关信息通过数码相机USB口到以太网控制器的传输过程；二是信息从以太网控制器到以太网的传输过程。

2．2．1 从数码相机到以太阿控制器的信息传输

路口绿灯亮后，嵌入式系统中的照片处理任务判断相机内是否有照片存储。若有，则通过数码相机的USB接口将照片转存到以太阿控制器内，保证数码相机随时有足够的空间进行违章拍摄。同时将违章时间、地点、违章现场数据保存在照片中，便于事后对照片进行处理。

数码相机与以太网控制器通过主USB口进行信息传输。该系统所用主uSB芯片是Cypress公司的SL811HS。该芯片是专门为嵌入式系统开发的，其价格低廉，符合USBl.1规范。

2．2．2 从以太网控制器到以太网的信息传输

将以太网控制器接入以太网，把拍摄下来的违章照片实时传到以太网上，最终实现违章照片等相关信息的实时传输。

2．3 基于B／S结构的信息管理查询子系统

车辆的违章照片是交管部门对违章司机进行处理的依据，因此前端传回的照片还需要管理。监控中心建立一个计算机局域网系统，设置多台工作站对照片进行资料的录入、审核、受理、送达，告知、封锁档案、复考通知、罚款、解封档案、办结等工作。

系统既要与机动车、驾驶员等基础数据库互联．进行严格的查找、比对、转递、封档，又要与外部多个系统互联进行交通违法告知、跟踪罚款执行情况等。其中所涉及的外部系统主要有邮局投递系统、银行收款系统、机动车与驾驶员查询数据库、交通违法数据库。

3 设计中的关键问题

3．1 实现基于嵌入式Web的以太网接入

该系统用S3C4510B嵌入式处理器及以太网接口芯片RTL8201BL组成以太网测控网关。RTL8201BL通过总线与S3C4510B处理器相连接，中断也通过S3C4510B的外部中断接管。

网络层主要完成以太网TCP／IP协议和违章现场总线RS-232等协议的转换，完成以太网与现场总线网络间的互联，实现不同以太网与现场总线网络之间的数据交换。

数据的流向：请求信息从以太网来，通过RJ45接口到RTL820BL，IP包送到S3C4510B，进行拆包，取出数据，再按RS-232等现场总线通信协议重新组成帧；或者将前端拍照系统发送来的数据帧重新打成IP包，向以太网发送。

网络传输的关键是开发负责数据传输和远端命令处理的TCP／IP协议栈。首先选择网络协议的种类。由于照片需要传输的数据量不大，但可靠性要求较高，因此在传输层选用可靠数据传输控制协议TCP，在网络层选用基本数据传输协议IP。

3．2 在嵌入式系统μClinux中编写硬件驱动程序

硬件驱动程序包括USB驱动程序、USB控制器驱动程序、以太网控制器驱动程序等。在Linux中，驱动程序可以按照两种方式编译，一种是静态编译进内核，另一种是编译成模块以供动态加载。由于μCLinux不支持模块动态加载，因此这里选用将设备驱动程序静态编译到μCLinux内核的方式。

Linux内核启动时会调用设备驱动程序的初始化函数对设备进行初始化。需要为该设备分配一个主设备号和从设备号，不能与已有的设备号重复，然后新建一个设备文件。在相应的目录下添加设备驱动文件，修改相应的Config.ini和Makefde文件，在内核编译时加载相应的设备驱动程序，生成的μCLinux二进制文件烧写进闪存，然后，可以使用各种外部设备。驱动程序中的中断处理采用上半部和下半部的处理方法，上半部完成中断注册、中断原因的标定、调度下半部，然后退出。下半部则在相对安全时执行数据处理工作，这样可以使下半部在工作期间，上半部能继续为其他中断服务。

该电子交警系统运用了嵌入式Web、数字通信等高科技手段，把违章车辆信息实时传输到以太网上。监控中心可以方便地对信息进行管理，用户可以随时通过Web浏览器进行查询。现在数码相机技术日新月异，一般数码相机的快门速度可达到1/1 000s，支持多张连拍，完全可以满足高精度和三要素的要求。

嵌入式Web的使用加强了系统的实时性和可靠性，大大减少了违章、缴费以及数据库的更新等一系列流程的延迟时间，它以微控制器和以太网接口芯片取代PC机进行现场控制，只需几台网络计算机进行监控，大大降低了成本。利用数码相机和以太网的丰富资源组建该控制系统是一种实时、低成本、高可靠的技术方案。这一系统的建立有效地提高了对闯红灯车辆的记录和后期管理的效率，提高了交通管理水平，有较好的经济效益和广阔的应用前景。

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