基于嵌入式系統(tǒng)的電子警察終端設(shè)備設(shè)計(jì)概述

引 言

隨著城市交通的迅速發(fā)展，機(jī)動(dòng)車流量急劇增加，使得交通管理面臨著新的挑戰(zhàn)，由于某些駕駛員交通法律意識(shí)淡薄，為達(dá)目的闖紅燈行駛，特別是在無(wú)交警值守的區(qū)域，問(wèn)題更為嚴(yán)重。電子警察系統(tǒng)，就是將在交通路口抓拍到的違章照片傳回控制中心，進(jìn)行分析處理和保存，并作為違章證據(jù)處罰違規(guī)的司機(jī)。電子警察系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)警務(wù)工作網(wǎng)絡(luò)化、現(xiàn)代化、智能化進(jìn)程中有著重要作用。電子警察一般由三大部分組成，一是照片拍攝部分；在紅燈信號(hào)期間，控制器控制數(shù)碼相機(jī)拍攝違章車輛照片，并存儲(chǔ)到相機(jī)存儲(chǔ)卡上。二是照片傳輸部分；將數(shù)碼相機(jī)存儲(chǔ)卡中的相片傳送回監(jiān)控中心。三是照片處理部分；在控制中心，工作人員將照片進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理。照片傳輸部分常用的方法有人工取圖、基于PC的工控機(jī)傳送兩種。人工取圖方式耗費(fèi)大量人力，無(wú)法及時(shí)獲取照片，無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作；基于PC的工控機(jī)傳送方式，成本高，體積大，安裝不方便?；?a target="_blank">ARM的嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn)解決了以上兩種傳送方式中的存在的缺點(diǎn)。

本文主要研究介紹：（1）嵌入式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)；（2）如何利用嵌入式操作系統(tǒng)和ARM處理器構(gòu)建電子警察照片傳輸設(shè)備；（3）介紹此設(shè)備的實(shí)際應(yīng)用。

嵌入式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

嵌入式系統(tǒng)是一個(gè)硬件和軟件的集合體，由嵌入式微處理器、嵌入式操作系統(tǒng)以及承載操作系統(tǒng)的硬件平臺(tái)組成。嵌入式系統(tǒng)軟硬兼施，互利互惠，融為一體。

嵌入式操作系統(tǒng)

嵌入式操作系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)的控制中心，主要用于對(duì)系統(tǒng)軟硬件調(diào)度管理和人機(jī)界面加以控制。

嵌入式系統(tǒng)的引導(dǎo)程序

嵌入式系統(tǒng)中引導(dǎo)程序（Bootloader）的作用與PC的BIOS（Basic Input Output System）相似，通過(guò)引導(dǎo)程序可以完成對(duì)ARM板上的主要部件CPU、SDRAM、Flash、串口等進(jìn)行初始化操作，并能完成下載文件，F(xiàn)lash擦寫等操作。一個(gè)功能完善的引導(dǎo)程序相當(dāng)于一個(gè)微型的操作系統(tǒng)。

操作系統(tǒng)內(nèi)核運(yùn)行之前，引導(dǎo)程序完成加載內(nèi)核和一些輔助性的工作，然后跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核代碼的起始地址并執(zhí)行。引導(dǎo)程序可以初始化硬件、建立內(nèi)存空間映射，從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個(gè)合適的狀態(tài)，以便最終調(diào)用系統(tǒng)內(nèi)核。簡(jiǎn)言之，Bootloader為操作系統(tǒng)提供硬件資源信息，并進(jìn)一步加載、引導(dǎo)操作系統(tǒng)。

引導(dǎo)程序通常固化在FLASH或ROM中，基于ARM內(nèi)核的CPU在復(fù)位時(shí)通常從地址0x00000000取第一條指令。因此，基于ARM的嵌入式系統(tǒng)通常都有某種類型的固態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備被映射到這個(gè)地址上。系統(tǒng)上電后首先執(zhí)行Bootloader程序。如圖1所示是一個(gè)裝有Bootloader、內(nèi)核參數(shù)、內(nèi)核映像和根文件系統(tǒng)映像的固態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備空間分配結(jié)構(gòu)圖。

嵌入式系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)

與PC硬件相比，嵌入式系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：

（1） 體積小，成本低，集成度高。嵌入式系統(tǒng)去除冗余，力爭(zhēng)用最少的硬件資源完成目標(biāo)功能。

（2） 功耗低，電磁兼容性好，能在惡劣的條件下工作，死機(jī)后能夠快速重啟。

（3） 面向特定的應(yīng)用。

嵌入式系統(tǒng)的硬件平臺(tái)在價(jià)格、功能、體積、能耗等方面都有嚴(yán)格限制。

通常，嵌入式系統(tǒng)硬件平臺(tái)主要分為2大部分：一部分為系統(tǒng)主板，為基于ARM的最小系統(tǒng)，包括CPU、Flash、SDRAM、串口等最基本部分；另一部分為系統(tǒng)擴(kuò)展，提供用于完成各種不同功能的硬件模塊。如存儲(chǔ)設(shè)備，閃存（Flash Memory）；通信設(shè)備以太網(wǎng)卡，USB控制器等。

嵌入式系統(tǒng)中的軟件

嵌入式系統(tǒng)軟件包括與硬件相關(guān)的底層軟件、操作系統(tǒng)、圖形界面、通信協(xié)議、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)和應(yīng)用軟件等。嵌入式系統(tǒng)的軟件部分具有以下特點(diǎn)：

（1） 軟件代碼要求高質(zhì)量、高效率和高可靠性。在嵌入式系統(tǒng)中，軟件的運(yùn)行空間有限，內(nèi)存空間十分寶貴，在程序設(shè)計(jì)時(shí)需要時(shí)刻考慮軟件的運(yùn)行效率。由于嵌入式設(shè)備的工作環(huán)境多變，因此嵌入式軟件設(shè)計(jì)需要有質(zhì)量高、可靠性高的代碼作為保障。

（2） 嵌入式軟件開(kāi)發(fā)與硬件緊密聯(lián)系。嵌入式軟件的開(kāi)發(fā)是針對(duì)特定的硬件平臺(tái)進(jìn)行的，它牽扯到硬件驅(qū)動(dòng)方面的一些軟硬件結(jié)合部分。

（3） 軟件要求固化。為了提高執(zhí)行速度和系統(tǒng)的可靠性，大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)軟件需要固化到系統(tǒng)板的Flash或ROM中。

此外，嵌入式系統(tǒng)軟件還需要具有異常處理，快速?gòu)?fù)位的特點(diǎn)。在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，軟性必須具有對(duì)實(shí)時(shí)多任務(wù)很強(qiáng)的支持能力，快速響應(yīng)并將執(zhí)行時(shí)間減少到最低限度。

系統(tǒng)功能與設(shè)計(jì)

系統(tǒng)功能

本著既能滿足電子警察照片采集傳輸?shù)膶?shí)際需要，又盡量節(jié)約資源的原則，本系統(tǒng)提供如下功能：

（1） 上位機(jī)服務(wù)器。向終端發(fā)出數(shù)據(jù)和命令；接收終端上傳的照片并進(jìn)行保存處理。可實(shí)現(xiàn)人工操作、自動(dòng)定時(shí)操作、單終端控制、所有終端控制功能。

（2） 采集照片。終端設(shè)備從數(shù)碼相機(jī)中將照片采集到本地存儲(chǔ)器中，以保證在照片傳輸過(guò)程中不影響數(shù)碼相機(jī)正常工作。

（3） 照片傳送。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將照片傳送至上位機(jī)服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)傳輸智能化。

（4） 網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)。終端設(shè)備能夠檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)通斷，保證數(shù)據(jù)傳輸正確。

（5） 在線更新。通過(guò)上位機(jī)可以對(duì)終端設(shè)備進(jìn)行參數(shù)修改，軟件升級(jí)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)

此系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要是為了滿足數(shù)碼相機(jī)中的照片能夠安全、及時(shí)的傳送到控制中心。因此系統(tǒng)采用C/S（客戶端/服務(wù)器）模式設(shè)計(jì)，由控制中心的服務(wù)器發(fā)送命令控制終端設(shè)備進(jìn)行取圖傳圖操作。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

終端設(shè)備CPU選用Samsung公司的基于ARM7TDMI核的16/32bit、低功耗、高性價(jià)比RISC控制器S3C44B0；操作系統(tǒng)選用網(wǎng)絡(luò)功能強(qiáng)大、可靠性好、便于移植裁剪、針對(duì)無(wú)MMU（內(nèi)存管理單元）控制器的開(kāi)源操作系統(tǒng)uClinux。

終端設(shè)備硬件設(shè)計(jì)

終端設(shè)備硬件設(shè)計(jì)本著接口標(biāo)準(zhǔn)化、功能模塊化、擴(kuò)展性好、可靠性高的原則，劃分為CPU模塊和外設(shè)模塊。

（1） CPU模塊：包括S3C44B0、SDRAM、NOR Flash等系統(tǒng)運(yùn)行的基本要素，組成嵌入式系統(tǒng)的最小系統(tǒng)。

（2） 外設(shè)模塊：網(wǎng)絡(luò)接口、USB HOST接口、RS232通訊接口、NAND Flash。

S3C44B0芯片本身集成了一些通用的外圍器件，如UART則直接利用控制器的資源。片內(nèi)2個(gè)UART分別作為操作系統(tǒng)控制臺(tái)及與相機(jī)控制板的通訊接口。將海量存儲(chǔ)器NAND Flash、USB控制器SL811、網(wǎng)絡(luò)芯片RTL8019分別映射于處理器的Bank1、Bank2、Bank4地址空間上，實(shí)現(xiàn)外部模塊與CPU模塊的無(wú)縫連接。其中NANDS3C44B0芯片本身集成了一些通用的外圍器件，如UART則直接利用控制器的資源。片內(nèi)2個(gè)UART分別作為操作系統(tǒng)控制臺(tái)及與相機(jī)控制板的通訊接口。將海量存儲(chǔ)器NAND Flash、USB控制器SL811、網(wǎng)絡(luò)芯片RTL8019分別映射于處理器的Bank1、Bank2、Bank4地址空間上，實(shí)現(xiàn)外部模塊與CPU模塊的無(wú)縫連接。其中NAND Flash使用復(fù)雜的I/O口來(lái)串行地存取數(shù)據(jù)，8個(gè)引腳用來(lái)傳送控制、地址和數(shù)據(jù)信息。各個(gè)廠商的方法可能不一樣。因此在0x00200000-0x00400000空間中完全可以使用64M×8Bit的NAND Flash存儲(chǔ)器。終端設(shè)備的硬件框圖如圖3所示。

終端設(shè)備的核心板尺寸為：120mm×80mm，體積小巧，接口標(biāo)準(zhǔn)且安裝方便。既可以獨(dú)立使用，又可以作為模塊嵌入到其他系統(tǒng)中。

終端設(shè)備軟件設(shè)計(jì)

終端設(shè)備軟件設(shè)計(jì)遵循的原則是：軟件結(jié)構(gòu)化、系統(tǒng)可裁剪定制、驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)化、應(yīng)用程序模塊化。軟件設(shè)計(jì)的主要工作是引導(dǎo)程序Uboot移植，操作系統(tǒng)uClinux移植，驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)，常用API函數(shù)封裝，多任務(wù)多進(jìn)程的分解與設(shè)計(jì)，基于Socket的網(wǎng)絡(luò)編程等。圖4 所示為終端設(shè)備的軟件結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)。

在驅(qū)動(dòng)層比較關(guān)鍵的是NOR Flash存儲(chǔ)器驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)與Kodak Dx6340數(shù)碼相機(jī)USB驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)。NOR Flash驅(qū)動(dòng)為實(shí)現(xiàn)在線更新功能實(shí)現(xiàn)最底層的支持，保證Bootloader、Kernel、Root filesystem在存儲(chǔ)器中準(zhǔn)確存放。值得注意是NOR Flash的擦寫有嚴(yán)格的時(shí)序，根據(jù)CPU主頻不同在擦寫過(guò)程中加入適當(dāng)?shù)难訒r(shí)函數(shù)能保證Flash正常工作。由于柯達(dá)相機(jī)的存儲(chǔ)卡在Linux下不能當(dāng)作大容量存儲(chǔ)設(shè)備（Mass Storage Device）進(jìn)行操作，換言之不能當(dāng)作移動(dòng)存儲(chǔ)在uClinux系統(tǒng)下掛載，因此在進(jìn)行設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選擇USB設(shè)備類驅(qū)動(dòng)，通過(guò)廠商標(biāo)識(shí)（Manufacture ID）及產(chǎn)品標(biāo)識(shí)（Product ID）在系統(tǒng)中注冊(cè)匹配，進(jìn)而完成驅(qū)動(dòng)功能，數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中采用批量傳輸方式。

在應(yīng)用層，基于Socket的網(wǎng)絡(luò)編程支持TCP/IP協(xié)議有較好的通用性，能應(yīng)用于RJ45接口的各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。照片數(shù)據(jù)傳輸遵守PTP協(xié)議（PIMA 15740:2000），便于移植。由于應(yīng)用程序采用模塊化設(shè)計(jì)，終端與服務(wù)器通信采用一個(gè)進(jìn)程，終端獲取圖片使用一個(gè)進(jìn)程因此進(jìn)程間通信顯的尤為重要。首先，采用信號(hào)作為主要的通信手段；其次，采用共享內(nèi)存方式。由于在uClinux內(nèi)存采用實(shí)地址操作，沒(méi)有內(nèi)存管理機(jī)制，因此在軟件設(shè)計(jì)時(shí)筆者采用共享內(nèi)存的思想在系統(tǒng)未用的內(nèi)存區(qū)域開(kāi)辟出一塊空間作為共享內(nèi)存，從而完成進(jìn)程間通信。

表1 批量傳送圖片測(cè)試

下面簡(jiǎn)要介紹Kodak DX6340數(shù)碼相機(jī)USB驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)：

（1） 驅(qū)動(dòng)程序的注冊(cè)：

本程序中數(shù)碼相機(jī)驅(qū)動(dòng)以USB字符型設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)，USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)第一步要做的是通過(guò)usb_driver結(jié)構(gòu)向uClinux內(nèi)核注冊(cè)自己，告訴系統(tǒng)它所支持的設(shè)備類型及操作類型。

static struct usb_driver dx6340_driver = ｛

name： “dx6340”， // 驅(qū)動(dòng)程序名稱

id_table： dx6340_table， // 此結(jié)構(gòu)用于保存設(shè)備的廠商ID和產(chǎn)品ID

probe： dx6340_probe， // 用于USB設(shè)備探測(cè)枚舉例程

disconnect： dx6340_disconnect， // 用于設(shè)備的卸載

fops： &dx6340_fops， // 驅(qū)動(dòng)程序的操作類型

minor： USB_DX6340_MINOR， // 設(shè)備的次設(shè)備號(hào)

｝;

結(jié)構(gòu)成員fops指向一個(gè)file_operations結(jié)構(gòu)。這個(gè)結(jié)構(gòu)提供基本的I/O操作接口函數(shù)open、close、read、write的實(shí)現(xiàn)，對(duì)中斷的處理、內(nèi)存映射及對(duì)I/O通道的控制函數(shù)ioctl的實(shí)現(xiàn)。通過(guò)這個(gè)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)調(diào)用和驅(qū)動(dòng)程序的關(guān)聯(lián)。在應(yīng)用程序中發(fā)出文件操作的相關(guān)命令時(shí)，內(nèi)核根據(jù)這些指針調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)，從而完成驅(qū)動(dòng)與內(nèi)核間的通信。

static struct file_operations dx6340_fops = ｛

owner： THIS_MODULE， // fops所屬范圍

read： dx6340_read， // 相機(jī)的讀操作

write： dx6340_write， // 相機(jī)的寫操作

open： dx6340_open， // 打開(kāi)相機(jī)設(shè)備

release： dx6340_release， // 關(guān)閉相機(jī)設(shè)備

｝;

在數(shù)據(jù)讀寫read、write函數(shù)中使用批量傳輸方式，調(diào)用函數(shù)usb_bulk_msg （struct usb_device ＊usb_dev， unsigned int pipe， void ＊data， int len， int ＊actual_length， int timeout）。

（2） 驅(qū)動(dòng)程序的在系統(tǒng)中的調(diào)用

接下來(lái)的工作是將設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序嵌入內(nèi)核。通常有兩種方式，一種是靜態(tài)編譯進(jìn)內(nèi)核，另一種是編譯成模塊。后者能夠動(dòng)態(tài)進(jìn)行加載，利于調(diào)試。當(dāng)系統(tǒng)使用該設(shè)備驅(qū)動(dòng)時(shí)，調(diào)用驅(qū)動(dòng)初始化函數(shù)int __init dx6340_init（void）｛

if （usb_register （&dx6340_driver） 《 0）

return -1;

info（DRIVER_VERSION “：” DRIVER_DESC）;

return 0;

｝

與之對(duì)應(yīng)，當(dāng)系統(tǒng)注銷該設(shè)備驅(qū)動(dòng)時(shí)，則調(diào)用驅(qū)動(dòng)注銷函數(shù)void __exit dx6340_cleanup（void）｛

usb_deregister （&dx6340_driver）;

｝

實(shí)驗(yàn)研究

為了測(cè)試該終端設(shè)備的工作性能，設(shè)計(jì)場(chǎng)景進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)：

（1） 批量傳送測(cè)試

（2） 網(wǎng)絡(luò)斷開(kāi)測(cè)試

當(dāng)終端設(shè)備連接到服務(wù)器后，將終端設(shè)備網(wǎng)線拔掉，模擬網(wǎng)絡(luò)故障。在網(wǎng)絡(luò)斷開(kāi)后30秒，終端設(shè)備檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)故障，進(jìn)入重連程序，接好網(wǎng)線后，終端順利連接到服務(wù)器，并正常工作。

（3） 異常測(cè)試

a.模擬串口通信異常實(shí)驗(yàn)。將設(shè)備與相機(jī)控制板連線斷開(kāi)，設(shè)備終端向控制板發(fā)送命令嘗試3次，若無(wú)響應(yīng)則發(fā)送信息至服務(wù)器，需要人工查看控制板/相機(jī)狀況。

b.續(xù)傳測(cè)試。在設(shè)備終端向服務(wù)器發(fā)送圖片過(guò)程中，將服務(wù)器關(guān)閉。這時(shí)終端設(shè)備進(jìn)入重連程序，等待與服務(wù)器重新連接后，從發(fā)生中斷時(shí)那張照片開(kāi)始繼續(xù)向服務(wù)器發(fā)送圖片。

（4） 定時(shí)取圖測(cè)試

上位機(jī)定時(shí)操作，實(shí)現(xiàn)無(wú)人職守自動(dòng)取圖。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，該設(shè)備具有良好的穩(wěn)定性，能夠適應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，可以應(yīng)付不同的異常情況，有較好的通用性。

結(jié) 語(yǔ)

本文中設(shè)計(jì)的電子警察終端設(shè)備滿足用戶設(shè)計(jì)要求，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行，證明了所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定。所提出的照片采集傳輸方案已用于電子警察實(shí)際系統(tǒng)中，并實(shí)現(xiàn)無(wú)人職守自動(dòng)定時(shí)取圖，服務(wù)器獲取照片信息準(zhǔn)確無(wú)誤。對(duì)于停電或網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題造成的異常，設(shè)備可以及時(shí)進(jìn)行處理，很好的驗(yàn)證了本方案的可行性和實(shí)用性。