分析基于ARM 的紅外光汽車速度管理系統(tǒng)

近來汽車市場出現(xiàn)了一種叫“電子狗”的反雷達(dá)測速裝置，這種裝置在接近雷達(dá)測速區(qū)時，能夠提前捕捉到雷達(dá)測速的信息并發(fā)出報警，使違章車輛逃脫處罰，事故隱患非常嚴(yán)重。本文分析的以紅外光傳感器、ARM 為核心部件的新型測速系統(tǒng)測速時不會被“電子狗”所發(fā)現(xiàn)，不僅能識別汽車速度V 的大小，還能測出其速度超過上限速度（Vmax）的量值（+△V）或低于下限速度（Vmin）的量值（—△V）等信息，據(jù)該信息酌情驅(qū)動取證系統(tǒng)工作，能夠有效地提高交通管制的力度。

1 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)由調(diào)制式紅外光傳感器、飛利浦公司的LPC2294 ARM 嵌入式處理器，帶觸摸屏的彩色液晶顯示器以及報警攝像等系統(tǒng)構(gòu)成，如圖1 所示。圖1 中M、N 兩點是路旁一側(cè)護(hù)欄上的兩點，分別安裝著可發(fā)射38KHz 的紅外發(fā)光管，一直向外發(fā)射調(diào)制式紅外光。調(diào)制式紅外光被另一側(cè)護(hù)欄上相應(yīng)的兩點M’、N’處安放的光電接收器接收，共同組成一個光控測速區(qū)。當(dāng)汽車達(dá)到N 點時，第二個光電探測器N-N’將光信號轉(zhuǎn)換為電信號經(jīng)信號調(diào)理電路送至ARM 處理器使計數(shù)器停止計數(shù)，t 的值就確定了。由M、N 兩點間的距離L 除以t 便得到速度V。如果計算得到的V 值在設(shè)定的安全速度范圍之內(nèi)，顯示屏則顯示當(dāng)前安全速度值，攝像、報警電路就不工作；如果V 值超出設(shè)定范圍之外，則計算速度偏移量△V =Vmax—V，同時顯示該車輛超速行駛，并讓攝像、報警電路啟動工作。同理，若車輛以V《Vmin 的低速狀態(tài)通過光控測速區(qū)時，照相及報警系統(tǒng)亦啟動工作，顯示屏顯示超速信息，提示此時車輛處于超低速行駛狀態(tài)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 光電發(fā)射接收系統(tǒng)

光電發(fā)射接收系統(tǒng)原理如圖2 所示。振蕩器產(chǎn)生頻率為38KHz 的信號， 驅(qū)動紅外發(fā)光管發(fā)光。光電接收器則接收紅外發(fā)光管射出的光脈沖，接收到的光脈沖信號經(jīng)調(diào)節(jié)電位器連接到檢測器的輸入端。將接收到的調(diào)制式光脈沖信號送入放大器進(jìn)行放大，經(jīng)閾值檢測后變成與同步振蕩器同步輸出的邏輯電平脈沖，再通過脈沖同步解調(diào)，得到與車輛運動狀態(tài)相關(guān)的光電信號，并經(jīng)緩沖輸出。
 

2.2 信號接收與定時器工作

如圖3 所示，在沒有車輛經(jīng)過光控測速區(qū)時，M’、N’兩點一直能接收到38KHz 的調(diào)制紅外光，均輸出高電平，暫穩(wěn)態(tài)電路均處在穩(wěn)態(tài)。門G 的輸出為邏輯1，UL 始終為高電平。當(dāng)有車輛通過光控測速區(qū)時，M 點發(fā)出的光線首先被阻斷，UM 由高電平先變?yōu)榈碗娖?，暫穩(wěn)態(tài)電路1 被觸發(fā)而進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)，如圖4 中的t1 時刻之后所示。
 

2.3 ARM 核心板及觸摸顯示系統(tǒng)

系統(tǒng)核心板采用DEVICEARM2200 工控板， 其內(nèi)嵌飛利浦公司的LPC2294ARM7TDMI-S 嵌入式處理器，最高頻率60MHz，并帶有8M PSRAM 存儲器和16M NANDFlash，性能完全滿足高速車速測量系統(tǒng)的要求。由于其較小的封裝、極低的功耗，可使用電池供電，因此十分適合于野外無外接電源的情況下工作。電路連接如圖 5 所示：顯示屏選用320×240 彩色液晶屏，將液晶控制器S1D13503 的AB0 至AB16 與LPC2294 的地址總線A1 至A17 相連，以16 位總線方式操作；S1D13503的數(shù)據(jù)總線DB0 至DB7 接LPC2294 的外部存儲器數(shù)據(jù)線D0 至D7， DB8 至DB15 接VDD，實現(xiàn)與LPC2294 的8 位數(shù)據(jù)總線連接；其硬件配置由兩片高速CMOS 靜態(tài)存儲器IS61C1024對S1D13503 的VD0 至VD15 來完成。四線電阻式觸摸屏可檢測到觸摸信號并通過觸摸屏控制器FM7843 將模擬信號轉(zhuǎn)換為位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)，傳遞給LPC2294 進(jìn)行處理。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 uclinux 系統(tǒng)移植

雖然當(dāng)前 uclinux 已經(jīng)支持無MMU 的ARM 體系結(jié)構(gòu)，但由于具體使用的ARM 處理器芯片存儲系統(tǒng)不同、片內(nèi)的外設(shè)不同、中斷系統(tǒng)也不同，因此需添加或修改LPC2294 芯片相關(guān)的具體代碼。

3.2 設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)計

由于uclinux 2.4.x內(nèi)核為非搶占式，進(jìn)程時間片為10ms，本身實時性并不高。設(shè)備信息結(jié)構(gòu)體用來描述該設(shè)備的open、release、read等操作方法：其中，在系統(tǒng)和應(yīng)用程序首次使用此定時器時，首先執(zhí)行timer1_open（struct inode *inode， struct file *filp） 方法調(diào)用request_irq（IRQ_timer1， timer1_irq_handle， SA_INTERRUPT， “my” DEVICE_NAME， NULL）函數(shù)進(jìn)行中斷響應(yīng)函數(shù)注冊，配置定時器T1IR、T1PR、T1TC、T1TCR等寄存器完成定時器初始化，使用中斷開關(guān)函數(shù)local_irq_save（）和local_irq_restore（）來控制臨界區(qū)；最終由uclinux系統(tǒng)接收硬件中斷并調(diào)用中斷服務(wù)程序；當(dāng)系統(tǒng)和應(yīng)用程序不再使用該定時器時調(diào)用timer1_release（struct inode *inode， struct file *filp）進(jìn)行關(guān)閉和釋放。中斷服務(wù)程序timer1_irq_handle（int irq，void *dev_id，struct pt_regs *regs）完成清除中斷源、定時器計數(shù)器復(fù)位以及通過uclinux提供的宏inl（T1CR）讀取捕獲寄存器中計數(shù)器的值并調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)copy_to_usr（）將數(shù)據(jù)從內(nèi)核空間拷貝至用戶空間。最后，將設(shè)備驅(qū)動程序timer1. c復(fù)制到linux-2.4.x/driver/char目錄下，在timer1.c中加入函數(shù)timer1_init（）完成設(shè)備的注冊。在mem.c文件中添加timer1_init（）外部函數(shù)說明，在chr_dev_init（）函數(shù)添加timer1_init（）調(diào)用，編譯得到新內(nèi)核。

3.3 MiniGUI 移植

MiniGUI 為實現(xiàn)其跨平臺特性，采用GAL（圖形抽象層）和IAL（輸入抽象層）將MiniGUI上層和操作系統(tǒng)隔離開。因此，首先創(chuàng)建lcdgal.c 文件，參考native 圖形引擎數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和Framebuffer 驅(qū)動程序按照GAL 接口編寫接口函數(shù)；然后將液晶驅(qū)動程序lcddriver.clcddriver.h 及LPC2294 的頭文件lpc2294.h 放在libminigui 下的/src/gal/native 目錄下并修改Makefile.am 文件。在libminigui 的/src/ial 目錄下添加ialinput.h 和 ialinput.c 編寫IAL 接口函數(shù)，并添加觸摸屏控制器驅(qū)動程序fm7843.c、fm7843.h 到/src/ial 目錄，同時修改Makefile.am文件。加入MINIGUI 擴(kuò)展庫libmgext 支持，以Threads 模式交叉編譯并將得到的MiniGUI靜態(tài)鏈接庫與交叉編譯后的用戶應(yīng)用程序進(jìn)行鏈接，生成可在目標(biāo)板上運行的目標(biāo)文件，最后在移植好的uclinux 系統(tǒng)上安裝運行MiniGUI 所需的資源文件。

3.4 用戶界面設(shè)計

用戶界面主要包括一個主窗體用來顯示速度信息以及一個為車輛速度報警而設(shè)定的對話框。以MniniGUIMain（ int argc， const char* argv［ ］ ） 為入口，定義顯示區(qū)域，使用CreateThreadForMainWindow（ ）函數(shù)創(chuàng)建了兩個并發(fā)的線程，定義線程的入口函數(shù)地址并返回線程標(biāo)識符；在主線程中配置完成對timer1 的初始化操作，通過hMainWnd =CreateMainWindow（ &Createinfo ） 創(chuàng)建主窗體并配置Createinfo 的各項屬性， 調(diào)用ShowWindows（ hMainWnd， SW_SHOWNORMAL ）函數(shù)顯示窗體作為用戶主界面，最終進(jìn)入消息循環(huán)。監(jiān)視線程和主線程同時啟動，此后，監(jiān)視線程在后臺對車速信息數(shù)據(jù)進(jìn)行實時監(jiān)控，并通過SendMessage（ ）向主線程發(fā)送相應(yīng)的消息。消息的處理與超速報警判定可在主窗體窗口過程函數(shù)SpeedWinProc（ ）中實現(xiàn)。

4 結(jié)語

調(diào)制式紅外光汽車速度識別系統(tǒng)，不僅能準(zhǔn)確測出汽車車速狀況，其測速信息還能避開“電子狗”式的反測速裝置捕捉，對提高交通管制的質(zhì)量、消除事故隱患、保證人民群眾的生命財產(chǎn)安全具有重要作用，并可用于其他測速場合，應(yīng)用前景好。系統(tǒng)采用ARM 嵌入式處理器、uclinux 操作系統(tǒng)以及觸摸屏，不但人機交互性好，而且升級與擴(kuò)展能力強，工作穩(wěn)定，具有強大的應(yīng)用前景。