分析基于A(yíng)RM 的紅外光汽車(chē)速度管理系統

近來(lái)汽車(chē)市場(chǎng)出現了一種叫“電子狗”的反雷達測速裝置，這種裝置在接近雷達測速區時(shí)，能夠提前捕捉到雷達測速的信息并發(fā)出報警，使違章車(chē)輛逃脫處罰，事故隱患非常嚴重。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測速時(shí)不會(huì )被“電子狗”所發(fā)現，不僅能識別汽車(chē)速度V 的大小，還能測出其速度超過(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，據該信息酌情驅動(dòng)取證系統工作，能夠有效地提高交通管制的力度。

1 系統工作原理

系統由調制式紅外光傳感器、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構成，如圖1 所示。圖1 中M、N 兩點(diǎn)是路旁一側護欄上的兩點(diǎn)，分別安裝著(zhù)可發(fā)射38KHz 的紅外發(fā)光管，一直向外發(fā)射調制式紅外光。調制式紅外光被另一側護欄上相應的兩點(diǎn)M’、N’處安放的光電接收器接收，共同組成一個(gè)光控測速區。當汽車(chē)達到N 點(diǎn)時(shí)，第二個(gè)光電探測器N-N’將光信號轉換為電信號經(jīng)信號調理電路送至ARM 處理器使計數器停止計數，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。如果計算得到的V 值在設定的安全速度范圍之內，顯示屏則顯示當前安全速度值，攝像、報警電路就不工作；如果V 值超出設定范圍之外，則計算速度偏移量△V =Vmax—V，同時(shí)顯示該車(chē)輛超速行駛，并讓攝像、報警電路啟動(dòng)工作。同理，若車(chē)輛以V《Vmin 的低速狀態(tài)通過(guò)光控測速區時(shí)，照相及報警系統亦啟動(dòng)工作，顯示屏顯示超速信息，提示此時(shí)車(chē)輛處于超低速行駛狀態(tài)。

2 系統硬件設計

2.1 光電發(fā)射接收系統

光電發(fā)射接收系統原理如圖2 所示。振蕩器產(chǎn)生頻率為38KHz 的信號， 驅動(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經(jīng)調節電位器連接到檢測器的輸入端。將接收到的調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(guò)脈沖同步解調，得到與車(chē)輛運動(dòng)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(shí)器工作

如圖3 所示，在沒(méi)有車(chē)輛經(jīng)過(guò)光控測速區時(shí)，M’、N’兩點(diǎn)一直能接收到38KHz 的調制紅外光，均輸出高電平，暫穩態(tài)電路均處在穩態(tài)。門(mén)G 的輸出為邏輯1，UL 始終為高電平。當有車(chē)輛通過(guò)光控測速區時(shí)，M 點(diǎn)發(fā)出的光線(xiàn)首先被阻斷，UM 由高電平先變?yōu)榈碗娖?，暫穩態(tài)電路1 被觸發(fā)而進(jìn)入暫穩態(tài)，如圖4 中的t1 時(shí)刻之后所示。

2.3 ARM 核心板及觸摸顯示系統

系統核心板采用DEVICEARM2200 工控板， 其內嵌飛利浦公司的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(mǎn)足高速車(chē)速測量系統的要求。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(xiàn)A1 至A17 相連，以16 位總線(xiàn)方式操作；S1D13503的數據總線(xiàn)DB0 至DB7 接LPC2294 的外部存儲器數據線(xiàn)D0 至D7， DB8 至DB15 接VDD，實(shí)現與LPC2294 的8 位數據總線(xiàn)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(lái)完成。四線(xiàn)電阻式觸摸屏可檢測到觸摸信號并通過(guò)觸摸屏控制器FM7843 將模擬信號轉換為位置坐標數據，傳遞給LPC2294 進(jìn)行處理。

3 系統軟件設計

3.1 uclinux 系統移植

雖然當前 uclinux 已經(jīng)支持無(wú)MMU 的ARM 體系結構，但由于具體使用的ARM 處理器芯片存儲系統不同、片內的外設不同、中斷系統也不同，因此需添加或修改LPC2294 芯片相關(guān)的具體代碼。

3.2 設備驅動(dòng)程序設計

由于uclinux 2.4.x內核為非搶占式，進(jìn)程時(shí)間片為10ms，本身實(shí)時(shí)性并不高。設備信息結構體用來(lái)描述該設備的open、release、read等操作方法：其中，在系統和應用程序首次使用此定時(shí)器時(shí)，首先執行timer1_open（struct inode *inode， struct file *filp） 方法調用request_irq（IRQ_timer1， timer1_irq_handle， SA_INTERRUPT， “my” DEVICE_NAME， NULL）函數進(jìn)行中斷響應函數注冊，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(kāi)關(guān)函數local_irq_save（）和local_irq_restore（）來(lái)控制臨界區；最終由uclinux系統接收硬件中斷并調用中斷服務(wù)程序；當系統和應用程序不再使用該定時(shí)器時(shí)調用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)器計數器復位以及通過(guò)uclinux提供的宏inl（T1CR）讀取捕獲寄存器中計數器的值并調用系統函數copy_to_usr（）將數據從內核空間拷貝至用戶(hù)空間。最后，將設備驅動(dòng)程序timer1. c復制到linux-2.4.x/driver/char目錄下，在timer1.c中加入函數timer1_init（）完成設備的注冊。在mem.c文件中添加timer1_init（）外部函數說(shuō)明，在chr_dev_init（）函數添加timer1_init（）調用，編譯得到新內核。

3.3 MiniGUI 移植

MiniGUI 為實(shí)現其跨平臺特性，采用GAL（圖形抽象層）和IAL（輸入抽象層）將MiniGUI上層和操作系統隔離開(kāi)。因此，首先創(chuàng )建lcdgal.c 文件，參考native 圖形引擎數據結構和Framebuffer 驅動(dòng)程序按照GAL 接口編寫(xiě)接口函數；然后將液晶驅動(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(xiě)IAL 接口函數，并添加觸摸屏控制器驅動(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(hù)應用程序進(jìn)行鏈接，生成可在目標板上運行的目標文件，最后在移植好的uclinux 系統上安裝運行MiniGUI 所需的資源文件。

3.4 用戶(hù)界面設計

用戶(hù)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(chē)輛速度報警而設定的對話(huà)框。以MniniGUIMain（ int argc， const char* argv［ ］ ） 為入口，定義顯示區域，使用CreateThreadForMainWindow（ ）函數創(chuàng )建了兩個(gè)并發(fā)的線(xiàn)程，定義線(xiàn)程的入口函數地址并返回線(xiàn)程標識符；在主線(xiàn)程中配置完成對timer1 的初始化操作，通過(guò)hMainWnd =CreateMainWindow（ Createinfo ） 創(chuàng )建主窗體并配置Createinfo 的各項屬性， 調用ShowWindows（ hMainWnd， SW_SHOWNORMAL ）函數顯示窗體作為用戶(hù)主界面，最終進(jìn)入消息循環(huán)。監視線(xiàn)程和主線(xiàn)程同時(shí)啟動(dòng)，此后，監視線(xiàn)程在后臺對車(chē)速信息數據進(jìn)行實(shí)時(shí)監控，并通過(guò)SendMessage（ ）向主線(xiàn)程發(fā)送相應的消息。消息的處理與超速報警判定可在主窗體窗口過(guò)程函數SpeedWinProc（ ）中實(shí)現。

4 結語(yǔ)

調制式紅外光汽車(chē)速度識別系統，不僅能準確測出汽車(chē)車(chē)速狀況，其測速信息還能避開(kāi)“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(chǎng)合，應用前景好。系統采用ARM 嵌入式處理器、uclinux 操作系統以及觸摸屏，不但人機交互性好，而且升級與擴展能力強，工作穩定，具有強大的應用前景。