基于ARM 的紅外光汽車速度管理系統(tǒng)研究

引 言

　　車輛在公路上應(yīng)以與路況相符的速度行駛，太快了易出事故, 太慢了將成為后續(xù)車輛的絆腳石。但是，常有個(gè)別司機(jī)不按規(guī)定的速度行駛而違章，導(dǎo)致事故頻生。交管部門為了取證糾違, 目前多采用雷達(dá)測(cè)速系統(tǒng)（利用多普勒效應(yīng)）對(duì)違章車輛進(jìn)行測(cè)速取證，予以處罰。

　　可近期市場(chǎng)上出現(xiàn)了一種叫做“電子狗”的反雷達(dá)測(cè)速裝置，此裝置在接近雷達(dá)測(cè)速區(qū)時(shí)，能提前捕捉到雷達(dá)測(cè)速的信息而報(bào)警，使違章車輛逃脫處罰，事故隱患猶存。因此，研究一套既能準(zhǔn)確測(cè)定汽車速度, 又不會(huì)被“電子狗”所發(fā)現(xiàn)的可靠測(cè)速、管理系統(tǒng)就尤為必要。

　　本文研究的以紅外光傳感器、ARM 為核心部件的新型測(cè)速系統(tǒng)測(cè)速時(shí)不會(huì)被“電子狗”所發(fā)現(xiàn)，不僅能識(shí)別汽車速度V 的大小，還能測(cè)出其速度超過(guò)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(dòng)取證系統(tǒng)（打印、照相）工作，能有效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[1]、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(bào)警攝像等系統(tǒng)構(gòu)成，如圖1 所示。圖1 中M、N 兩點(diǎn)是路旁一側(cè)護(hù)欄上的兩點(diǎn)，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(diǎn)M’、N’處安放的光電接收器接收，共同組成一個(gè)光控測(cè)速區(qū)。當(dāng)有車輛通過(guò)光控測(cè)速區(qū)時(shí)，M 點(diǎn)發(fā)出的光線首先被阻斷，第一個(gè)光電探測(cè)器M-M’將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)送入信號(hào)調(diào)理電路，經(jīng)過(guò)放大、整形，送至ARM 處理器。ARM接到此觸發(fā)信號(hào)，打開內(nèi)部計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，時(shí)間t 的值相應(yīng)不斷增加。當(dāng)汽車達(dá)到N 點(diǎn)時(shí)，第二個(gè)光電探測(cè)器N-N’將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路送至ARM 處理器使計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，t 的值就確定了。由M、N 兩點(diǎn)間的距離L 除以t 便得到速度V。如果計(jì)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(bào)警電路就不工作；如果V 值超出設(shè)定范圍之外，則計(jì)算速度偏移量△V =Vmax—V，同時(shí)顯示該車輛超速行駛，并讓攝像、報(bào)警電路啟動(dòng)工作。同理，若車輛以V<Vmin 的低速狀態(tài)通過(guò)光控測(cè)速區(qū)時(shí)，照相及報(bào)警系統(tǒng)亦啟動(dòng)工作，顯示屏顯示超速信息，提示此時(shí)車輛處于超低速行駛狀態(tài)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　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(hào), 驅(qū)動(dòng)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(hào)經(jīng)調(diào)節(jié)電位器連接到檢測(cè)器的輸入端[2]。將接收到的調(diào)制式光脈沖信號(hào)送入放大器進(jìn)行放大，經(jīng)閾值檢測(cè)后變成與同步振蕩器同步輸出的邏輯電平脈沖，再通過(guò)脈沖同步解調(diào)，得到與車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相關(guān)的光電信號(hào)，并經(jīng)緩沖輸出。

　2.2 信號(hào)接收與定時(shí)器工作

　　如圖3 所示，在沒(méi)有車輛經(jīng)過(guò)光控測(cè)速區(qū)時(shí)，M’、N’兩

點(diǎn)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(guò)光控測(cè)速區(qū)時(shí)，M 點(diǎn)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(shí)刻之后所示。此時(shí)，UM’為低電平，G 門觸發(fā)，

輸出UL 為低電平。ARM 系統(tǒng)的CAP1.0 捕獲到UL 由高電平變低

電平，發(fā)生下降沿捕獲，自動(dòng)裝載T1TC 的值傳輸?shù)讲东@寄存器

T1CR，并產(chǎn)生中斷，進(jìn)入中斷服務(wù)子程序，讀取T1CR 的值而保

存。 [!--empirenews.page--]

　　隨后，當(dāng)汽車達(dá)到N 點(diǎn)時(shí)——即在t2 時(shí)刻，暫穩(wěn)態(tài)電路2

被觸發(fā)，UN’變?yōu)楦唠娖剑?jīng)過(guò)非門變?yōu)榈碗娖経N’’。此時(shí)G

門輸出由低電平變?yōu)楦唠娖剑珹RM 的CAP1.0 捕獲到UL由低電平

變高電平，發(fā)生上升沿捕獲，自動(dòng)裝載T1TC 的值到捕獲寄存器

T1CR，并產(chǎn)生中斷，進(jìn)入中斷服務(wù)子程序。計(jì)算兩次捕獲寄存

器T1CR 的差值N 及計(jì)數(shù)器的工作頻率f，得到車輛通過(guò)兩測(cè)試

點(diǎn)M 點(diǎn)和N 點(diǎn)的時(shí)間差t2-t1。

　　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(chǔ)器和16M NANDFlash，性能完全滿足高速車速測(cè)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(wú)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(chǔ)器數(shù)據(jù)線D0 至D7， DB8 至DB15 接VDD，實(shí)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(chǔ)器IS61C1024對(duì)S1D13503 的VD0 至VD15 來(lái)完成。四線電阻式觸摸屏可檢測(cè)到觸摸信號(hào)并通過(guò)觸摸屏控制器FM7843 將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)，傳遞給LPC2294 進(jìn)行處理[3]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　3.1 uclinux 系統(tǒng)移植

　　雖然當(dāng)前 uclinux 已經(jīng)支持無(wú)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(chǔ)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[6]。包括：添加芯片型號(hào)、啟動(dòng)代碼和描述機(jī)型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；修改中斷系統(tǒng)相關(guān)代碼并在include/asm-armnommu/arch-lpc/目錄下添加irq.h、irq.c 和irqs.h 文件，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中斷；在include/asm-armnommu/arch-lpc/目錄下添加dma.h、memory.h、processor.h 等頭文件，并在hardware.h 文件中定義包括時(shí)鐘、串口、中斷控制器等寄存器地址；在include/asm-armnommu/arch-lpc/目錄下創(chuàng)建文件time.h、timex.h 及serial.h 實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘串口驅(qū)動(dòng)的移植；修改arch/armnommu/config 目錄下的config.in 文件設(shè)定菜單配置以及修改mach-lpc/makefile、linux-2.4.x/makefile 和arch/armnommu/makefile 等文件。 [!--empirenews.page--]

　　3.2 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

　由于uclinux 2.4.x內(nèi)核為非搶占式，進(jìn)程時(shí)間片為10ms，本身實(shí)時(shí)性并不高。但由于本系統(tǒng)中只有一個(gè)高實(shí)時(shí)性任務(wù)----車輛通過(guò)信號(hào)的捕獲，因此，可通過(guò)TIMER1設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序操作LPC2294上的定時(shí)器實(shí)現(xiàn)CAP1.0腳信號(hào)的雙邊沿捕獲。TIMER1設(shè)備驅(qū)動(dòng)由驅(qū)動(dòng)程序初始化函數(shù)、清除函數(shù)、設(shè)備信息結(jié)構(gòu)體，open、release、read、ioctl等方法以及中斷服務(wù)程序等構(gòu)成。uclinux系統(tǒng)在加載內(nèi)核模塊時(shí)首先會(huì)執(zhí)行初始化函數(shù)timer1_init( )，通過(guò)調(diào)用result = register_chrdev (MAJOR_NR, DEVICE_NAME , &timer1_fops)注冊(cè)字符設(shè)備;并依據(jù)返回值result判斷設(shè)備注冊(cè)是否成功；在內(nèi)核卸載模塊時(shí)，執(zhí)行清除函數(shù)timer1_cleanup( )，通過(guò)調(diào)用unregister_chrdev(MAJOR_NR, DEVICE_NAME)注消字符設(shè)備。設(shè)備信息結(jié)構(gòu)體用來(lái)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(shí)器時(shí)，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(cè)，配置定時(shí)器T1IR、T1PR、T1TC、T1TCR等寄存器完成定時(shí)器初始化，使用中斷開關(guān)函數(shù)local_irq_save()和local_irq_restore()來(lái)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(shí)器時(shí)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(shí)器計(jì)數(shù)器復(fù)位以及通過(guò)uclinux提供的宏inl(T1CR)讀取捕獲寄存器中計(jì)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(dòng)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(cè)。在mem.c文件中添加timer1_init()外部函數(shù)說(shuō)明，在chr_dev_init()函數(shù)添加timer1_init()調(diào)用，編譯得到新內(nèi)核[4]。

　　3.3 MiniGUI 移植

　　目前，嵌入式Linux 平臺(tái)下常見(jiàn)的 GUI 系統(tǒng)有： MicroWindows、QT/Embedded、XWindows、OpenGUI、MiniGUI 等多種選擇。從易用性、跨平臺(tái)性以及開發(fā)成本等多方面因素考慮，本文采用飛漫公司的MiniGUI 實(shí)現(xiàn)GUI 人機(jī)交互圖形界面的開發(fā)[5]。為方便調(diào)試，采用VMware 軟件在windows 系統(tǒng)下建立linux 平臺(tái)的宿主機(jī)，進(jìn)入linux 環(huán)境，從www.minigui.com 上下載函數(shù)庫(kù)源代碼包libminigui-str-1.6.2.tar.gz 和資源文件包minigui-res-str-1.6.tar.gz 并展開。

　　MiniGUI 為實(shí)現(xiàn)其跨平臺(tái)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(dòng)程序按照GAL 接口編寫接口函數(shù)；然后將液晶驅(qū)動(dòng)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(dòng)程序fm7843.c、fm7843.h 到/src/ial 目錄，同時(shí)修改Makefile.am文件。加入MINIGUI 擴(kuò)展庫(kù)libmgext 支持，以Threads 模式交叉編譯并將得到的MiniGUI靜態(tài)鏈接庫(kù)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(yùn)行的目標(biāo)文件，最后在移植好的uclinux 系統(tǒng)上安裝運(yùn)行MiniGUI 所需的資源文件。

　　3.4 用戶界面設(shè)計(jì)

　　用戶界面主要包括一個(gè)主窗體用來(lái)顯示速度信息以及一個(gè)為車輛速度報(bào)警而設(shè)定的對(duì)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(gè)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(shí)符；在主線程中配置完成對(duì)timer1 的初始化操作，通過(guò)hMainWnd =CreateMainWindow( &Createinfo ) 創(chuàng)建主窗體并配置Createinfo 的各項(xiàng)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(shí)啟動(dòng)，此后，監(jiān)視線程在后臺(tái)對(duì)車速信息數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并通過(guò)SendMessage( )向主線程發(fā)送相應(yīng)的消息。消息的處理與超速報(bào)警判定可在主窗體窗口過(guò)程函數(shù)SpeedWinProc( )中實(shí)現(xiàn)。主窗體中的SET和About 下拉菜單通過(guò)CreatMenu( )和CreatePopupMenu( )函數(shù)實(shí)現(xiàn)，分別用于彈出速度設(shè)定對(duì)話框和系統(tǒng)說(shuō)明對(duì)話框。將菜單句柄賦給主窗體的hMenu 屬性并在窗體過(guò)程函數(shù)中加入對(duì)應(yīng)菜單的處理代碼，當(dāng)菜單被管理者點(diǎn)擊時(shí)，該窗體會(huì)收到相應(yīng)的MSG_COMMAND 消息，系統(tǒng)根據(jù)消息執(zhí)行相應(yīng)菜單下的速度設(shè)定處理程序或系統(tǒng)說(shuō)明顯示程序。在速度設(shè)定對(duì)話框中，按鈕使用普通“確定/OK”按鈕CTRL_BUTTON，兩個(gè)靜態(tài)框CTRL_STATIC 分別標(biāo)識(shí)兩個(gè)單行編輯框CTRL_SLEDIT的功能：“上限速度設(shè)定”和“下限速度設(shè)定”。兩個(gè)編輯框用來(lái)接收管理者輸入的上限速度和下限速度。編輯框內(nèi)的速度設(shè)定值通過(guò)MSG_GETTEXT 消息由CTRL_COOLBAR 控件實(shí)現(xiàn)的數(shù)字按鈕輸入。各控件的創(chuàng)建通過(guò)以控件類名調(diào)用Createwindow 函數(shù)實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)論

　　調(diào)制式紅外光汽車速度識(shí)別系統(tǒng)，不僅能準(zhǔn)確測(cè)出汽車車速狀況，其測(cè)速信息還能避開“電子狗”式的反測(cè)速裝置捕捉，使違章車輛難以逃避處罰，對(duì)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(cái)產(chǎn)安全具有重要作用，并可用于其他測(cè)速場(chǎng)合，應(yīng)用前景非常廣闊。由于感應(yīng)頭僅對(duì)38 kHz 的調(diào)制紅外光敏感, 其他紅外光對(duì)其幾乎無(wú)作用, 因此，系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力。系統(tǒng)采用了ARM 嵌入式處理器、uclinux 操作系統(tǒng)以及觸摸屏，不但人機(jī)交互性好，而且升級(jí)和擴(kuò)展能力強(qiáng)，工作穩(wěn)定，具有較大的應(yīng)用前景。