基于嵌入式系統(tǒng)的電子警察終端設備設計概述

引 言

隨著城市交通的迅速發(fā)展，機動車流量急劇增加，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淡薄，為達目的闖紅燈行駛，特別是在無交警值守的區(qū)域，問題更為嚴重。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，進行分析處理和保存，并作為違章證據(jù)處罰違規(guī)的司機。電子警察系統(tǒng)在實現(xiàn)警務工作網(wǎng)絡化、現(xiàn)代化、智能化進程中有著重要作用。電子警察一般由三大部分組成，一是照片拍攝部分；在紅燈信號期間，控制器控制數(shù)碼相機拍攝違章車輛照片，并存儲到相機存儲卡上。二是照片傳輸部分；將數(shù)碼相機存儲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，工作人員將照片進行統(tǒng)計處理。照片傳輸部分常用的方法有人工取圖、基于PC的工控機傳送兩種。人工取圖方式耗費大量人力，無法及時獲取照片，無法實現(xiàn)自動化操作；基于PC的工控機傳送方式，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。

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

嵌入式系統(tǒng)的結(jié)構

嵌入式系統(tǒng)是一個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，主要用于對系統(tǒng)軟硬件調(diào)度管理和人機界面加以控制。

嵌入式系統(tǒng)的引導程序

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

操作系統(tǒng)內(nèi)核運行之前，引導程序完成加載內(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)境帶到一個合適的狀態(tài)，以便最終調(diào)用系統(tǒng)內(nèi)核。簡言之，Bootloader為操作系統(tǒng)提供硬件資源信息，并進一步加載、引導操作系統(tǒng)。

引導程序通常固化在FLASH或ROM中，基于ARM內(nèi)核的CPU在復位時通常從地址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)存儲設備被映射到這個地址上。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)存儲設備空間分配結(jié)構圖。

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：

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

（2） 功耗低，電磁兼容性好，能在惡劣的條件下工作，死機后能夠快速重啟。

（3） 面向特定的應用。

嵌入式系統(tǒng)的硬件平臺在價格、功能、體積、能耗等方面都有嚴格限制。

通常，嵌入式系統(tǒng)硬件平臺主要分為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)擴展，提供用于完成各種不同功能的硬件模塊。如存儲設備，閃存（Flash Memory）；通信設備以太網(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的底層軟件、操作系統(tǒng)、圖形界面、通信協(xié)議、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和應用軟件等。嵌入式系統(tǒng)的軟件部分具有以下特點：

（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，軟件的運行空間有限，內(nèi)存空間十分寶貴，在程序設計時需要時刻考慮軟件的運行效率。由于嵌入式設備的工作環(huán)境多變，因此嵌入式軟件設計需要有質(zhì)量高、可靠性高的代碼作為保障。

（2） 嵌入式軟件開發(fā)與硬件緊密聯(lián)系。嵌入式軟件的開發(fā)是針對特定的硬件平臺進行的，它牽扯到硬件驅(qū)動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，快速復位的特點。在實時系統(tǒng)中，軟性必須具有對實時多任務很強的支持能力，快速響應并將執(zhí)行時間減少到最低限度。

系統(tǒng)功能與設計

系統(tǒng)功能

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

（1） 上位機服務器。向終端發(fā)出數(shù)據(jù)和命令；接收終端上傳的照片并進行保存處理?？蓪崿F(xiàn)人工操作、自動定時操作、單終端控制、所有終端控制功能。

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

（3） 照片傳送。通過網(wǎng)絡將照片傳送至上位機服務器，實現(xiàn)傳輸智能化。

（4） 網(wǎng)絡檢測。終端設備能夠檢測網(wǎng)絡通斷，保證數(shù)據(jù)傳輸正確。

（5） 在線更新。通過上位機可以對終端設備進行參數(shù)修改，軟件升級。

系統(tǒng)設計

此系統(tǒng)設計主要是為了滿足數(shù)碼相機中的照片能夠安全、及時的傳送到控制中心。因此系統(tǒng)采用C/S（客戶端/服務器）模式設計，由控制中心的服務器發(fā)送命令控制終端設備進行取圖傳圖操作。系統(tǒng)設計框圖如圖2所示。

終端設備CPU選用Samsung公司的基于ARM7TDMI核的16/32bit、低功耗、高性價比RISC控制器S3C44B0；操作系統(tǒng)選用網(wǎng)絡功能強大、可靠性好、便于移植裁剪、針對無MMU（內(nèi)存管理單元）控制器的開源操作系統(tǒng)uClinux。

終端設備硬件設計

終端設備硬件設計本著接口標準化、功能模塊化、擴展性好、可靠性高的原則，劃分為CPU模塊和外設模塊。

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

（2） 外設模塊：網(wǎng)絡接口、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UART分別作為操作系統(tǒng)控制臺及與相機控制板的通訊接口。將海量存儲器NAND Flash、USB控制器SL811、網(wǎng)絡芯片RTL8019分別映射于處理器的Bank1、Bank2、Bank4地址空間上，實現(xiàn)外部模塊與CPU模塊的無縫連接。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UART分別作為操作系統(tǒng)控制臺及與相機控制板的通訊接口。將海量存儲器NAND Flash、USB控制器SL811、網(wǎng)絡芯片RTL8019分別映射于處理器的Bank1、Bank2、Bank4地址空間上，實現(xiàn)外部模塊與CPU模塊的無縫連接。其中NAND Flash使用復雜的I/O口來串行地存取數(shù)據(jù)，8個引腳用來傳送控制、地址和數(shù)據(jù)信息。各個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存儲器。終端設備的硬件框圖如圖3所示。

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

終端設備軟件設計

終端設備軟件設計遵循的原則是：軟件結(jié)構化、系統(tǒng)可裁剪定制、驅(qū)動標準化、應用程序模塊化。軟件設計的主要工作是引導程序Uboot移植，操作系統(tǒng)uClinux移植，驅(qū)動程序設計，常用API函數(shù)封裝，多任務多進程的分解與設計，基于Socket的網(wǎng)絡編程等。圖4 所示為終端設備的軟件結(jié)構化設計。

在驅(qū)動層比較關鍵的是NOR Flash存儲器驅(qū)動設計與Kodak Dx6340數(shù)碼相機USB驅(qū)動程序的設計。NOR Flash驅(qū)動為實現(xiàn)在線更新功能實現(xiàn)最底層的支持，保證Bootloader、Kernel、Root filesystem在存儲器中準確存放。值得注意是NOR Flash的擦寫有嚴格的時序，根據(jù)CPU主頻不同在擦寫過程中加入適當?shù)难訒r函數(shù)能保證Flash正常工作。由于柯達相機的存儲卡在Linux下不能當作大容量存儲設備（Mass Storage Device）進行操作，換言之不能當作移動存儲在uClinux系統(tǒng)下掛載，因此在進行設備驅(qū)動程序設計時應選擇USB設備類驅(qū)動，通過廠商標識（Manufacture ID）及產(chǎn)品標識（Product ID）在系統(tǒng)中注冊匹配，進而完成驅(qū)動功能，數(shù)據(jù)傳輸過程中采用批量傳輸方式。

在應用層，基于Socket的網(wǎng)絡編程支持TCP/IP協(xié)議有較好的通用性，能應用于RJ45接口的各種網(wǎng)絡環(huán)境。照片數(shù)據(jù)傳輸遵守PTP協(xié)議（PIMA 15740:2000），便于移植。由于應用程序采用模塊化設計，終端與服務器通信采用一個進程，終端獲取圖片使用一個進程因此進程間通信顯的尤為重要。首先，采用信號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)存采用實地址操作，沒有內(nèi)存管理機制，因此在軟件設計時筆者采用共享內(nèi)存的思想在系統(tǒng)未用的內(nèi)存區(qū)域開辟出一塊空間作為共享內(nèi)存，從而完成進程間通信。

表1 批量傳送圖片測試

下面簡要介紹Kodak DX6340數(shù)碼相機USB驅(qū)動程序設計：

（1） 驅(qū)動程序的注冊：

本程序中數(shù)碼相機驅(qū)動以USB字符型設備來實現(xiàn)，USB設備驅(qū)動第一步要做的是通過usb_driver結(jié)構向uClinux內(nèi)核注冊自己，告訴系統(tǒng)它所支持的設備類型及操作類型。

static struct usb_driver dx6340_driver = ｛

name： “dx6340”， // 驅(qū)動程序名稱

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

probe： dx6340_probe， // 用于USB設備探測枚舉例程

disconnect： dx6340_disconnect， // 用于設備的卸載

fops： &dx6340_fops， // 驅(qū)動程序的操作類型

minor： USB_DX6340_MINOR， // 設備的次設備號

｝;

結(jié)構成員fops指向一個file_operations結(jié)構。這個結(jié)構提供基本的I/O操作接口函數(shù)open、close、read、write的實現(xiàn)，對中斷的處理、內(nèi)存映射及對I/O通道的控制函數(shù)ioctl的實現(xiàn)。通過這個結(jié)構，實現(xiàn)了系統(tǒng)調(diào)用和驅(qū)動程序的關聯(lián)。在應用程序中發(fā)出文件操作的相關命令時，內(nèi)核根據(jù)這些指針調(diào)用相應的函數(shù)，從而完成驅(qū)動與內(nèi)核間的通信。

static struct file_operations dx6340_fops = ｛

owner： THIS_MODULE， // fops所屬范圍

read： dx6340_read， // 相機的讀操作

write： dx6340_write， // 相機的寫操作

open： dx6340_open， // 打開相機設備

release： dx6340_release， // 關閉相機設備

｝;

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)動程序的在系統(tǒng)中的調(diào)用

接下來的工作是將設備驅(qū)動程序嵌入內(nèi)核。通常有兩種方式，一種是靜態(tài)編譯進內(nèi)核，另一種是編譯成模塊。后者能夠動態(tài)進行加載，利于調(diào)試。當系統(tǒng)使用該設備驅(qū)動時，調(diào)用驅(qū)動初始化函數(shù)int __init dx6340_init（void）｛

if （usb_register （&dx6340_driver） 《 0）

return -1;

info（DRIVER_VERSION “：” DRIVER_DESC）;

return 0;

｝

與之對應，當系統(tǒng)注銷該設備驅(qū)動時，則調(diào)用驅(qū)動注銷函數(shù)void __exit dx6340_cleanup（void）｛

usb_deregister （&dx6340_driver）;

｝

實驗研究

為了測試該終端設備的工作性能，設計場景進行了現(xiàn)場實驗：

（1） 批量傳送測試

（2） 網(wǎng)絡斷開測試

當終端設備連接到服務器后，將終端設備網(wǎng)線拔掉，模擬網(wǎng)絡故障。在網(wǎng)絡斷開后30秒，終端設備檢測到網(wǎng)絡故障，進入重連程序，接好網(wǎng)線后，終端順利連接到服務器，并正常工作。

（3） 異常測試

a.模擬串口通信異常實驗。將設備與相機控制板連線斷開，設備終端向控制板發(fā)送命令嘗試3次，若無響應則發(fā)送信息至服務器，需要人工查看控制板/相機狀況。

b.續(xù)傳測試。在設備終端向服務器發(fā)送圖片過程中，將服務器關閉。這時終端設備進入重連程序，等待與服務器重新連接后，從發(fā)生中斷時那張照片開始繼續(xù)向服務器發(fā)送圖片。

（4） 定時取圖測試

上位機定時操作，實現(xiàn)無人職守自動取圖。

通過實驗表明，該設備具有良好的穩(wěn)定性，能夠適應不同的網(wǎng)絡環(huán)境，可以應付不同的異常情況，有較好的通用性。

結(jié) 語

本文中設計的電子警察終端設備滿足用戶設計要求，經(jīng)現(xiàn)場實際運行，證明了所設計的系統(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際系統(tǒng)中，并實現(xiàn)無人職守自動定時取圖，服務器獲取照片信息準確無誤。對于停電或網(wǎng)絡問題造成的異常，設備可以及時進行處理，很好的驗證了本方案的可行性和實用性。