嵌入式技术在电子警察中的应用.doc

《嵌入式系统原理与开发》课程考核论文嵌入式技术在电子警察中的应用论文作者姓名： 作 者 学 号： 所 学 专 业： 电子信息科学与技术 任 课 教 师： 完 成 时 间： 2015年6月 目录摘 要： 30 电子警察概述 30.1电子警察 30.2功能描述 30.3目的与意义 40.4研究背景 51系统整体方案设计 51.1系统结构框图 51.2工作原理 62 硬件部分 72.1各单元电路设计 82.1.1CF卡的接口电路 82.1.2串口接口电路 92.1.3 DM9161的接口电路 92.2视频图像采集 102.3基于视频的车辆检测 142.4基于 CDMA 的无线传输 143结语 15嵌入式技术在电子警察中的应用摘 要：本文首先主要介绍了智能交通系统与电子警察系统作为智能交通系统（Intelligent Transport System,简称ITS）中最重要的子系统之一，其在ITS中的发展和应用越来越得到重视介绍了电子警察系统的概念以及其主要功能和设计背景然后通过一个设计实例来介绍基于 ARM 的嵌入式电子警察系统的方案和系统原理、系统的硬件平台以及各个模块的功能。

在本文中，对方案中的主要硬件功能模块进行分析，阐述了硬件平台的工作原理，并给出了本系统所选定的硬件型号以及性能指标关键词：电子警察系统；ARM；嵌入式技术；ITS；0 电子警察概述0.1电子警察 狭义俗称“闯红灯自动记录系统”，即可安装在信号控制的交叉路口和路段上并对指定车道内机动车闯红灯行为进行不间断自动检测和记录的系统 广义可安装在交叉路口和路段上并对指定车道内机动车行驶行为进行不间断自动检测和记录的系统0.2功能描述 视频检测 利用视频检测中的目标检测算法实时监测视频图像中的目标，在车头到达停止线之前完成车辆检测工作，同时锁定画面中经过每条车道的车辆 车牌识别 相对于单帧画面车牌识别技术，本系统采用“多帧识别技术”，对每一帧画面都进行车牌识别，一方面可提升车牌识别准确率，另一方面有助于对每辆车进行持续跟踪 车辆跟踪 在检测到车辆目标以后，利用车辆跟踪算法锁定目标，并对其进行持续跟踪，为闯红灯、压线、不按导向车道行驶等交通违法行为的取证提供技术基础 交通违法辨识 将车辆跟踪刻画的行驶轨迹与车道属性、信号灯状态（红、黄、绿）相结合，实现分车道、多相位的交通违法辨识 交通参数采集 在车辆检测、车辆跟踪的基础上，结合车道属性统计出分车道、分断面、分时段的车流数据，计算出占有率、饱和度等。

卡口监测 卡口监测指利用多帧识别技术提取通行车辆的号牌特征，利用车牌颜色识别与车辆轮廓分析提取车型特征，用以与黑名单库进行比对、报警 一机两用 高清一体化抓拍单元在完成抓拍的同时可以输出高清视频流，满足高清视频监控的需求，减少监控摄像机投入0.3目的与意义在城市中，城区内人口及车辆众多、道路狭窄，造成交通拥堵、交通事故等问题一直是困扰城市道路交通发展的难题之一近几年来，为解决交通问题，政府投入大量人力物力，在新建改造道路、完善道路设施的同时，加大了对智能交通系统的研究、应用及推广的投入力度电子警察系统作为 ITS 的重要组成部分，在城市交通管理中，从无到有，发展迅速目前，在主城区道路交通路口的使用基本普及，为城市交通的畅通做出了巨大贡献电子警察系统从引进整套设备到现在本地自主研发，发展迅速然而，一些主城区所使用的电子警察系统的设备相对于发达国家和国内的发达地区来说，还有一定差距同时，受气候、地形等环境特点及城市建设发展现状的影响，使电子警察系统在实际应用中暴露出一些问题，这给电子警察系统的稳定性、准确性及实时性提出了更高的要求本文根据电子警察系统应用的实际情况，完成了对基于 ARM 的嵌入式电子警察系统的研究与开发，提出了针对电子警察系统的改进方案，降低了系统的使用成本。

0.4研究背景作为在城市交通的关键点——道路交叉口，往往由于汇聚了多个方向的交通流量，加上等待红灯的时间损失、机非混行等因素，成为城市路网中交通拥堵发生的重点地段而车辆闯红灯，逆行，超速等违法现象，更是成为引发道路交通事故的主要诱因，为此而造成的各种惨剧和悲剧，充斥报端及网络之上 为保障民生安全，疏导交通，各地都持续关注并加大了城市交通电子警察系统的建设及投入力度随着建设的深入，电子警察的发展也是日新月异 回顾电子警察在国内的发展历程，基本上都是为了解决问题在局部功能及性能上所做的提升和发展，而在电子警察的建设模式上仍延续了以往前端设备种类多、架构松散、集成度低的本质，往往造成前期建设容易、后期使用故障多的尴尬局面 另一方面，在电子警察系统的招投标选择上，由于部分用户对系统级产品了解不深入，缺少全面的考评机制，加上厂家和集成商的片面引导，往往单纯的重视系统的功能和技术指标，忽略了系统集成设计在产品稳定性中的重要性，给系统后期的建成使用、维护及升级上带来极大的安全与成本隐患1系统整体方案设计本文基于 ARM 的嵌入式电子警察系统主要由三个模块组成，分别是嵌入式控制单元，嵌入式车辆检测单元，传输单元。

三个模块相互配合，实现了系统对车辆闯红灯行为的监控，并将车辆违章信息及时地传送给公安交通管理部门1.1系统结构框图根据上述分析，系统的硬件结构框图如图1所示：图1 嵌入式电子警察系统框图1.2工作原理电子警察系统是在路口安装摄像机，地下铺埋环形地感线圈，系统主要由PC 机、CCD 摄像机(或数码相机)、检测线圈、红灯信号检测器、光端机/光纤收发器传输设备等组成，如图2 所示：图 2 传统的电子警察系统组成框图系统中，红灯信号由交通路口信号灯检测器提供，车辆经过的信号由专用的环形地感线圈提供交通路口的工业控制计算机在接收到红灯信号和车辆经过信号的同时，判断有车辆闯红灯，立即启动摄像机或数码相机实时地抓拍图像，并将图像和有关交通路口信息保存在存储设备中，再通过传输设备传送至交通管理控制中心的服务器环形线圈检测器具有成本低廉、检测精度和可靠性高、适应性好等优点，为传统的电子警察系统所普遍采用；不过，其在安装与维护的时候需要开挖路面进行施工，这将影响正常的道路通行由于将环形线圈检测器埋在路面下，易受环境气候和车辆碾压等各种因素影响，所以故障率频繁、维护困难，又不能实现多车道无缝覆盖和跨越车道线或双实线进行车辆检测等不足。

2 硬件组成本文采用 AT91RM9200 作为嵌入式电子警察控制系统的控制单元，并以嵌入式 Linux 作为操作系统，如图3所示图 3嵌入式电子警察系统控制单元框图AT91RM9200是 Atmel公司生产的一款工业级 ARM9 处理器，它完全围绕ARM920T ARM Thumb处理器而构建它有丰富的系统与应用外设及标准的接口，从而为低功耗、低成本、高性能的计算机应用提供了一个单片解决方案AT91RM9200包括一个高速片上 SRAM 工作区及一个低等待时间的外部总线接口(EBI)，以完成应用所要求的片外存储器和内部存储器映射外设配置的无缝连接EBI有同步DRAM(SDRAM)、Burst Flash及静态存储器的控制器，并设计了专用电路以方便与Smart Media、Compact Flash及 NAND Flash连接高级中断控制器(AIC)通过多向量，中断源优先级划分及缩短中断处理传输时间来提高ARM920T处理器的中断处理性能2.1各单元电路设计2.1.1 CF卡的接口电路AT91RM9200作为系统控制器，实现了车辆的违章行为的图像抓拍，抓拍来的图像先储存在CF卡中，然后通过CDMA网络传输给公安交通管理部门。

CF卡通过一个50引脚的连接器与主机相连，在CF卡内，有一个集成的片上控制器，这个控制器管理着接口协议、数据存储和恢复、错误处理和诊断、电源管理和时钟控制当主机正确地驱动CF卡后用户就可以像使用磁盘一样方便地利用CF卡存储数据CF卡的接口电路图如图 4 所示图 4 CF卡电路接口图2.1.2 串口接口电路AT91RM9200作为系统控制器还负责对车辆检测单元信息与红灯信号的接收，并且根据接收到的信息判断车辆是否闯红灯系统总体结构中，信号灯检测器和车辆检测单元的结果是通过串口发送的，串口的设置为(波特率115200、数据位 8、停止位 1、无校验、无硬件流控)其接口电路图如图 5所示图 5 串口接口电路AT91RM9200 内部包含了MAC以太网控制器，支持媒体独立接口(MII，Media Independent Interface)或简化独立媒体接口(RMII)，可在半双工或全双工模式下提供 10M/100Mbps 的以太网接入以太网 MAC是OSI参考模型物理层(PHY)和逻辑链路层(LLC)间 MAC子层的硬件工具它使用以太网802.3u数据帧格式，并完成主机与PHY层间的数据交换。

以太网 MAC包括所需逻辑与DMA管理的发送与接收FIFO然而，AT91RM9200并未提供物理层接口，故需外接一片物理层芯片，以提供以太网的接入通道2.1.3 DM9161的接口电路DM9161是一款单芯片、低功耗、物理层传输接口芯片，支持100BASE-TX及 10BASE-T网络应用通过MII，DM9161与 MAC连接，确保从不同厂商的产品之间有高效的互通性，本文就是DM9161通过 RJ45 口，实现与路由器或CDMAMODEM连接的，DM9161的接口电路图如图6 所示图 6 DM9161 接口电路图2.2 视频图像采集从CCD摄像头的光电转换器件得到的视频信号都是模拟信号，将模拟电视信号变成数字电视信号要经过模/数(A/D)转换过程模/数转换包含三个过程，即取样、量化及编码其中，取样的目的是将时间上连续的模拟信号变成时间上离散的信号，量化是将幅度上连续的取样值变成幅度上离散的取样值，而编码的作用是将离散化的取样值编成二进制数码经取样、量化、编码所得到的数字信号即为视频PCM信号，最后将采得的图像传送给交通信息数据库，在进行视频处理时，从摄像头输入模拟信号，这些全电视信号构成极为复杂，其中除了包含图像信号外，还包括行同步信号、行消隐信号、场同步信号、场消隐信号以及槽脉冲信号、前均衡脉冲、后均衡脉冲等。

因而对视频信号进行A/D转换的电路也非常复杂，Philips公司将这些非常复杂的A/D转换电路集成到了一块芯片中，从而生产出功能强大的视频输入处理芯片SAA7113，为视频信号的数字化应用提供了极大的方便1）视频采集芯片 SAA7113 的接口设计本文采用了XC2S100FPGA与SAA7113芯片来对视频信号进行采集，其电路连接关系如图7所示CCD摄像机输出的模拟视频信号从SAA7113 芯片的 AI11管脚输入，SAA7113需要配置一块时钟频率为 24.576MHz的外部晶振XC2S100通过I2C总线来配置SAA7113芯片，SAA7113通过 VPO(8bit)输出YUV4:2:2 格式的视频信号，FPGA 接收到视频信号并保存在SDRAM中，完成前端视频信号的采集图 7 视频图像采集接口电路图I2C总线是Philips公司推出的一种串行外围扩展总线，它用双向数据线(SDA)和串行时钟线(SCL)两根信号线与连接到该总线的器件之间传送信息I2C总线具有以下主要特征。