基于S3C44B0的嵌入式系統在電子警察中設計與應用

　　引言

　　隨著(zhù)城市交通的迅速發(fā)展，機動(dòng)車(chē)流量急劇增加，使得交通管理面臨著(zhù)新的挑戰，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(wú)交警值守的區域，問(wèn)題更為嚴重。電子警察系統，就是將在交通路口抓拍到的違章照片傳回控制中心，進(jìn)行分析處理和保存，并作為違章證據處罰違規的司機。電子警察系統在實(shí)現警務(wù)工作網(wǎng)絡(luò )化、現代化、智能化進(jìn)程中有著(zhù)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，控制器控制數碼相機拍攝違章車(chē)輛照片，并存儲到相機存儲卡上。二是照片傳輸部分；將數碼相機存儲卡中的相片傳送回監控中心。三是照片處理部分；在控制中心，工作人員將照片進(jìn)行統計處理。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(wú)法及時(shí)獲取照片，無(wú)法實(shí)現自動(dòng)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?；贏(yíng)RM的嵌入式系統的出現解決了以上兩種傳送方式中的存在的缺點(diǎn)。

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

　　嵌入式系統的結構

　　嵌入式系統是一個(gè)硬件和軟件的集合體，由嵌入式微處理器、嵌入式操作系統以及承載操作系統的硬件平臺組成。嵌入式系統軟硬兼施，互利互惠，融為一體。

　　嵌入式操作系統

　　嵌入式操作系統是嵌入式系統的控制中心，主要用于對系統軟硬件調度管理和人機界面加以控制。

　　·嵌入式系統的引導程序

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

　　操作系統內核運行之前，引導程序完成加載內核和一些輔助性的工作，然后跳轉到內核代碼的起始地址并執行。引導程序可以初始化硬件、建立內存空間映射，從而將系統的軟硬件環(huán)境帶到一個(gè)合適的狀態(tài)，以便最終調用系統內核。簡(jiǎn)言之，Bootloader為操作系統提供硬件資源信息，并進(jìn)一步加載、引導操作系統。

　　引導程序通常固化在FLASH或ROM中，基于A(yíng)RM內核的CPU在復位時(shí)通常從地址0x00000000取第一條指令。因此，基于A(yíng)RM的嵌入式系統通常都有某種類(lèi)型的固態(tài)存儲設備被映射到這個(gè)地址上。系統上電后首先執行Bootloader程序。如圖1所示是一個(gè)裝有Bootloader、內核參數、內核映像和根文件系統映像的固態(tài)存儲設備空間分配結構圖。

　　·嵌入式系統的硬件系統

　　與PC硬件相比，嵌入式系統的硬件系統具有如下特點(diǎn)：

　　(1) 體積小，成本低，集成度高。嵌入式系統去除冗余，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。

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

　　通常，嵌入式系統硬件平臺主要分為2大部分：一部分為系統主板，為基于A(yíng)RM的最小系統，包括CPU、Flash、SDRAM、串口等最基本部分；另一部分為系統擴展，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。

　　·嵌入式系統中的軟件

　　嵌入式系統軟件包括與硬件相關(guān)的底層軟件、操作系統、圖形界面、通信協(xié)議、數據庫系統和應用軟件等。嵌入式系統的軟件部分具有以下特點(diǎn)：

　　(1) 軟件代碼要求高質(zhì)量、高效率和高可靠性。在嵌入式系統中，軟件的運行空間有限，內存空間十分寶貴，在程序設計時(shí)需要時(shí)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(kāi)發(fā)與硬件緊密聯(lián)系。嵌入式軟件的開(kāi)發(fā)是針對特定的硬件平臺進(jìn)行的，它牽扯到硬件驅動(dòng)方面的一些軟硬件結合部分。

　　(3) 軟件要求固化。為了提高執行速度和系統的可靠性，大多數嵌入式系統軟件需要固化到系統板的Flash或ROM中。

　　此外，嵌入式系統軟件還需要具有異常處理，快速復位的特點(diǎn)。在實(shí)時(shí)系統中，軟性必須具有對實(shí)時(shí)多任務(wù)很強的支持能力，快速響應并將執行時(shí)間減少到最低限度。

　　系統功能與設計

　　系統功能

　　本著(zhù)既能滿(mǎn)足電子警察照片采集傳輸的實(shí)際需要，又盡量節約資源的原則，本系統提供如下功能：

　　(1) 上位機服務(wù)器。向終端發(fā)出數據和命令；接收終端上傳的照片并進(jìn)行保存處理?？蓪?shí)現人工操作、自動(dòng)定時(shí)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(guò)程中不影響數碼相機正常工作。

　　(3) 照片傳送。通過(guò)網(wǎng)絡(luò )將照片傳送至上位機服務(wù)器，實(shí)現傳輸智能化。

　　(4) 網(wǎng)絡(luò )檢測。終端設備能夠檢測網(wǎng)絡(luò )通斷，保證數據傳輸正確。

　　(5) 在線(xiàn)更新。通過(guò)上位機可以對終端設備進(jìn)行參數修改，軟件升級。

　　系統設計

　　此系統設計主要是為了滿(mǎn)足數碼相機中的照片能夠安全、及時(shí)的傳送到控制中心。因此系統采用C/S(客戶(hù)端/服務(wù)器)模式設計，由控制中心的服務(wù)器發(fā)送命令控制終端設備進(jìn)行取圖傳圖操作。系統設計框圖如圖2所示。

　　終端設備CPU選用Samsung公司的基于A(yíng)RM7TDMI核的16/32bit、低功耗、高性?xún)r(jià)比RISC控制器S3C44B0；操作系統選用網(wǎng)絡(luò )功能強大、可靠性好、便于移植裁剪、針對無(wú)MMU(內存管理單元)控制器的開(kāi)源操作系統uClinux。

　　·終端設備硬件設計

　　終端設備硬件設計本著(zhù)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等系統運行的基本要素，組成嵌入式系統的最小系統。

　　(2) 外設模塊：網(wǎng)絡(luò )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2個(gè)UART分別作為操作系統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(luò )芯片RTL8019分別映射于處理器的Bank1、Bank2、Bank4地址空間上，實(shí)現外部模塊與CPU模塊的無(wú)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2個(gè)UART分別作為操作系統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(luò )芯片RTL8019分別映射于處理器的Bank1、Bank2、Bank4地址空間上，實(shí)現外部模塊與CPU模塊的無(wú)縫連接。其中NAND Flash使用復雜的I/O口來(lái)串行地存取數據，8個(gè)引腳用來(lái)傳送控制、地址和數據信息。各個(gè)廠(chǎng)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：軟件結構化、系統可裁剪定制、驅動(dòng)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uClinux移植，驅動(dòng)程序設計，常用API函數封裝，多任務(wù)多進(jìn)程的分解與設計，基于Socket的網(wǎng)絡(luò )編程等。圖4 所示為終端設備的軟件結構化設計。

　　在驅動(dòng)層比較關(guān)鍵的是NOR Flash存儲器驅動(dòng)設計與Kodak Dx6340數碼相機USB驅動(dòng)程序的設計。NOR Flash驅動(dòng)為實(shí)現在線(xiàn)更新功能實(shí)現最底層的支持，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(xiě)有嚴格的時(shí)序，根據CPU主頻不同在擦寫(xiě)過(guò)程中加入適當的延時(shí)函數能保證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(jìn)行操作，換言之不能當作移動(dòng)存儲在uClinux系統下掛載，因此在進(jìn)行設備驅動(dòng)程序設計時(shí)應選擇USB設備類(lèi)驅動(dòng)，通過(guò)廠(chǎng)商標識(Manufacture ID)及產(chǎn)品標識(Product ID)在系統中注冊匹配，進(jìn)而完成驅動(dòng)功能，數據傳輸過(guò)程中采用批量傳輸方式。

　　在應用層，基于Socket的網(wǎng)絡(luò )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(luò )環(huán)境。照片數據傳輸遵守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(wù)器通信采用一個(gè)進(jìn)程，終端獲取圖片使用一個(gè)進(jìn)程因此進(jìn)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，采用共享內存方式。由于在uClinux內存采用實(shí)地址操作，沒(méi)有內存管理機制，因此在軟件設計時(shí)筆者采用共享內存的思想在系統未用的內存區域開(kāi)辟出一塊空間作為共享內存，從而完成進(jìn)程間通信。

　　下面簡(jiǎn)要介紹Kodak DX6340數碼相機USB驅動(dòng)程序設計:

　　(1) 驅動(dòng)程序的注冊：

　　本程序中數碼相機驅動(dòng)以USB字符型設備來(lái)實(shí)現，USB設備驅動(dòng)第一步要做的是通過(guò)usb_driver結構向uClinux內核注冊自己，告訴系統它所支持的設備類(lèi)型及操作類(lèi)型。

　　static struct usb_driver dx6340_driver = {
　　 name: "dx6340",  // 驅動(dòng)程序名稱(chēng)
　　 id_table: dx6340_table,  // 此結構用于保存設備的廠(chǎng)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,   // 驅動(dòng)程序的操作類(lèi)型
 minor: USB_DX6340_MINOR,  // 設備的次設備號
　　};

　　結構成員fops指向一個(gè)file_operations結構。這個(gè)結構提供基本的I/O操作接口函數open、close、read、write的實(shí)現，對中斷的處理、內存映射及對I/O通道的控制函數ioctl的實(shí)現。通過(guò)這個(gè)結構，實(shí)現了系統調用和驅動(dòng)程序的關(guān)聯(lián)。在應用程序中發(fā)出文件操作的相關(guān)命令時(shí)，內核根據這些指針調用相應的函數，從而完成驅動(dòng)與內核間的通信。

　　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(xiě)操作
　　 open: dx6340_open,    // 打開(kāi)相機設備
　　 release: dx6340_release,   // 關(guān)閉相機設備
　　};

　　在數據讀寫(xiě)read、write函數中使用批量傳輸方式，調用函數usb_bulk_msg (struct usb_device *usb_dev, unsigned int pipe, void *data, int len, int *actual_length, int timeout)。

　　(2) 驅動(dòng)程序的在系統中的調用

　　接下來(lái)的工作是將設備驅動(dòng)程序嵌入內核。通常有兩種方式，一種是靜態(tài)編譯進(jìn)內核，另一種是編譯成模塊。后者能夠動(dòng)態(tài)進(jìn)行加載，利于調試。當系統使用該設備驅動(dòng)時(shí)，調用驅動(dòng)初始化函數int __init dx6340_init(void){
  if (usb_register (&dx6340_driver) < 0)
   return -1;
 info(DRIVER_VERSION ":" DRIVER_DESC);
 return 0;
　　}

　　與之對應，當系統注銷(xiāo)該設備驅動(dòng)時(shí)，則調用驅動(dòng)注銷(xiāo)函數void __exit dx6340_cleanup(void){
 usb_deregister (&dx6340_driver);
　　}

　　實(shí)驗研究

　　為了測試該終端設備的工作性能，設計場(chǎng)景進(jìn)行了現場(chǎng)實(shí)驗：

　　(1) 批量傳送測試

　　(2) 網(wǎng)絡(luò )斷開(kāi)測試

　　當終端設備連接到服務(wù)器后，將終端設備網(wǎng)線(xiàn)拔掉，模擬網(wǎng)絡(luò )故障。在網(wǎng)絡(luò )斷開(kāi)后30秒，終端設備檢測到網(wǎng)絡(luò )故障，進(jìn)入重連程序，接好網(wǎng)線(xiàn)后，終端順利連接到服務(wù)器，并正常工作。

　　(3) 異常測試

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

　　b.續傳測試。在設備終端向服務(wù)器發(fā)送圖片過(guò)程中，將服務(wù)器關(guān)閉。這時(shí)終端設備進(jìn)入重連程序，等待與服務(wù)器重新連接后，從發(fā)生中斷時(shí)那張照片開(kāi)始繼續向服務(wù)器發(fā)送圖片。

　　(4) 定時(shí)取圖測試

　　上位機定時(shí)操作，實(shí)現無(wú)人職守自動(dòng)取圖。

　　通過(guò)實(shí)驗表明，該設備具有良好的穩定性，能夠適應不同的網(wǎng)絡(luò )環(huán)境，可以應付不同的異常情況，有較好的通用性。

　　結語(yǔ)

　　本文中設計的電子警察終端設備滿(mǎn)足用戶(hù)設計要求，經(jīng)現場(chǎng)實(shí)際運行，證明了所設計的系統可靠、穩定。所提出的照片采集傳輸方案已用于電子警察實(shí)際系統中，并實(shí)現無(wú)人職守自動(dòng)定時(shí)取圖，服務(wù)器獲取照片信息準確無(wú)誤。對于停電或網(wǎng)絡(luò )問(wèn)題造成的異常，設備可以及時(shí)進(jìn)行處理，很好的驗證了本方案的可行性和實(shí)用性。
　　
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