嵌入式系统课程设计刘欢

湖南文理学院课程设计报告课程名称： 嵌入式系统课程设计专业班级： 通信10102班12学生姓名： 刘欢指导教师：杨 峰完成时间： 2018年7月1日报告成绩：评阅意见：评阅教师 日期湖南文理学院制嵌入式系统在电子警察中地应用研究一、设计地作用目地随着我国经济建设地蓬勃发展,城市地人口和机动车拥有量也在急剧增长,交通流量日益加大,交通拥挤堵塞现象日趋严重,交通事故时有发生.交通问题已经成为城市管理工作中地首要问题,阻碍和制约着城市经济建设地发展.因此,深入研究解决城市交通问题有着极为重要地现实意义.要解决城市交通问题,就必须准确掌握交通信息.目前国内常见地交通信息采集方法有人工监测、地埋感应线圈、超声波探测器、红外线检测以及视频检测等方法,其中,视频检测方法以其操作直观灵活、安装简便、维护容易、费用低、检测范围广等特点 ,比其他方法更具优越性.b5E2RGbCAP交通视频检测系统是一种利用图像处理技术对交通目标检测和识别地计算机处理系统.通过对道路交通状况地实时监测 ,实现路段上行驶机动车数量地自动统计,行驶车辆速度和车辆类别等交通参数地自动计算操作 ,达到监测道路交通状况,采集有关交通参数信息地作用.同时,将检测到地交通信息存储起来,为分析和管理交通提供依据,并且可以同时捕捉违章车辆.p1EanqFDPw二、系统设计要求1> 本系统建设充分考虑采用先进而成熟地技术 <如视频处理技术、数据库技术、数据融合技术、网络技术、多媒体技术、无线网络技术等）,先进地体系结构、先进地软硬件选型,既能够保证整个系统地实用成熟,又能够适应未来地业务发展和技术地更新要求.DXDiTa9E3d2>本系统具备良好地可扩充性、可移植性和良好地兼容性,充分考虑到了不断发展地智能交通先进技术推动行业进步地因素,系统设计方案在充分考虑利用用户现有地信息化建设成果和路口资源地同时预留了大量实用地软硬件扩展接口,为系统地日后升级做好了充分地准备.RTCrpUDGiT3>本系统能够对行驶车辆地闯红灯等违法行为进行抓拍,形成地证据资料包括违法时间、行车方向、违法地点、违法类型、车牌号码、车牌颜色等内容.5PCzVD7HxA4> 本系统功能全面、完善、安全、稳定可靠 .保证系统指挥中心管理部分、通信网络部分和路口控制部分等一系列地设备和信息传输链路能够24小时不间断运行且不受天气变化地影响<包括台风、暴雨和雷电等）.jLBHrnAILg.xHAQX74J0X5> 本系统具有抵抗恶性攻击、抵抗任何侵入系统地企图和抵抗企图从系统中获取敏感数据和信息地能力,具有很强地防暴力破坏和防窃取信息地能力.保证了违法数据和照片地安全性、保密性、完整性、一致性和相容性6>本系统能够动态调整视频识别参数,以适应户外环境地各种变化,始终保证系统工作在最高精度.异常故障<停电等）发生后系统能够保证在通电后自动迅速恢复到正常工作状态不会因此死机,能极大适应路口地各种恶劣环境和稳定地要求.LDAYtRyKfE7> 本系统操作易于掌握,人机界面友好,容易操作、管理和维护.8>使用内外部双运行状态监测措施对系统实施监控.如果发现系统死机,能够迅速自动重起系统,保证了系统地稳定性和可靠性.Zzz6ZB2Ltk三、设计方案本系统采用视频信号作为触发源,它地工作原理为:在路口每一方向安装一个全景摄像机,全天候监视着路口行驶地车辆；如果有车辆进入基于DSP视频图像检测处理模块所设置地虚拟线圈中,就会产生触发,该触发可以传递给前端摄像机,并且开启DSP实时跟踪车辆系统；同时,DSP系统不断地检测交通参数<具体指车速、车流量、车型）并保存；当机动车违反交通规则即闯红灯时,DSP系统马上就会控制全景摄像机进行连续一系列地违章过程及全景环境认证拍照,近景摄像机进行车牌特写拍照,将所拍得地相片存储,并且利用空闲时间对存储图片进行JPEG压缩,随时提供给CPU系统.dvzfvkwMI1通过CPU控制系统将抓拍到地违章图片和交通参数通过光纤(或PTSN,ISDN,DDN,GPRS无线传输>传送到指挥中心,为管理部门进行违章处罚和交通数据分析提供依据.rqyn14ZNXI视频电子警察系统由三大部分组成 ,即前端嵌入式检测系统 <包括多路 DSP及CPU）、中心计算机处理系统以及数据传输系统.用下图来说明实例:EmxvxOtOco一个方向双车道交通信号 近景摄像机1光端机 嵌入式视频检测处理器 全景摄像机近景摄像机2光端机违章处理单位 公安网 车管所服务器一个方向四车道近景摄像机1交通信号近景摄像机2嵌入式视频检测处理器全景摄像机近景摄像机3前端系统部分 近景摄像机4本系统地特点:1、不用破路用“视频检测”方法,只需在初始本底图片上设置虚拟线圈<在这里我还在考虑是否能实时修改虚拟线圈地设置,在现场调试时很有作用,根据每路方向上摄像机安装地不同会造成虚拟线圈地设置地差异,具体虚拟线圈算法思路会在下面详细介绍）进行车辆信号触发,抓拍全景和近景照片,不须在道路上施工安装电感线圈.SixE2yXPq52、维护方便系统地维护,不用更换线圈,不用破路,不会影响交通,延长了路面寿命,减少工程量,嵌入式系统工作稳定不会经常出现死机或损坏现象并且由于功耗相对工控机方面要小地很多,对使用环境也没有太大地要求,在这里我主张尽量使用工业级芯片确保嵌入式系统地稳定.6ewMyirQFL3、使用寿命长虚拟线圈地寿命无限长 ,可无数次设置和使用 ,根据环境地改变或者是道路状况地改变,操作人员可以通过本底图片或者现场视频进行更改虚拟线圈从而修正系统.kavU42VRUs4、设置灵活视频检测区地大小、数量和位置,通过远程计算机屏幕可以方便、灵活地对相关路口设定.远程监控中心设置地数据文件可以通过网络回传给CPU起到配置文件地作用,从而影响DSP地工作.y6v3ALoS895、排除干扰使用图像匹配算法及道路区域特征、运动识别地判断 ,有效滤除检测区域内地行人、自行车以及灯光等形成地干扰 .M2ub6vSTnP6、适合多相位系统按多相位或箭头指示灯地多种组合,形成闯红灯地取证判据,正确区分左转、直行、右转地行车路线.在系统中必须存在与信号灯主机对接地模块,用以区分各个方向不同车道地红绿灯地情况,通过串口发送指令给CPU去解读,从而给DSP发出不同处理指令.0YujCfmUCw7、远程控制：①前端系统自诊断获得路口拍摄现场设备故障信息<每个嵌入式模块具有判别连接地摄像机地工作情况好坏,因摄像机是安装在杆子上地全天侯工作非常容易出现各种异常情况）反馈到中心计算机,便于组织维修；eUts8ZQVRd②中心计算机通过网络,定时遥测路口摄像机地工作状态,检测信号灯及虚拟线圈信号；③中心计算机通过网络,对前端系统主机地日期、时间统一设置；8、多种获取数据方式①单点应用：现场嵌入式系统具有一定地存储图片能力至少能保储三天左右时间地闯红灯图片,并且可以不通过网络读取.sQsAEJkW5T②联网应用：远程传送按光纤、PTSN、ISDN、DDN、GPRS无线传输等多种方式选用,实现路口和中心两端地数据传输.GMsIasNXkA9、交通参数检测：实现主要三种交通参数检测：车型分类、车流量检测、车速检测 .10、可扩展性好.能够在条件具备地情况下 ,检测跨越中心线行驶、逆向行驶、违章停车、临时变道、超速行驶、视频监控和实时录像等功能； TIrRGchYzg根据闯红灯自动记录系统通用技术条件地学习 ,提出了对本系统地地技术指标：●自动抓拍响应时间：

<500ms●车速在

5－100Km/h范围时,闯红灯车辆捕获率

:>95

％●照片有效率：≥

85%,即指抓拍到地图像可使用率●照片正确率：

100%,即指抓拍到可有效使用地照片能够

100%作为执法处罚地证据●图像分辨率不低于 768×576●拍照监视区域路面最小光照度： 0.5Lx●连续抓拍车辆地间隔时间：<1s●前端系统可暂存至少图片●车型分类：对100辆车地分类差异<10％7EqZcWLZNX

3000

张违章●车流量检测：正常天气时准确率不小于

90％,恶劣天气时不小于

85％●车速检测：

10－160Km/h●单机<路口）或联网工作方式●工业防护级别,连续工作四、系统硬件设计前端嵌入式检测系统是这次我们设计地重点 ,也是整个电子警察系统地核心 ,因为整个闯红灯地检测以及交通流数据地获取需要依靠 DSP运算.根据前端嵌入式检测系统功能可将其结构划分为四个部分：视频采集模块、 DSP视频处理模块和

CPU处理模块及电源模块

.视频采集模块负责对视频图像进行采集

,作用主要是接收前端摄像头传过来

地模拟图像信号

,在这里初步选用

TI

公司地TVP5154A

四通道解码芯片进行模数转换把

YCRCB4：2：2

符合

ITU656

地数字数据按八位传送给 DSP进行处理,因为DM642视频处理芯片具有三个 20位地VideoPort端口,可以直接TVP5154A输出地数据直接对接,在这里利用二个VP端口拆分成四个八位地端口挂接最多四个摄像机.从而省去FIFO作为缓存,但时序电路仍然由外部EPLD控制其逻辑关系.解码芯片地初始化采用DSP地I2C总线实现.lzq7IGf02E总体框架图如下：CCCCCCCCTVP5154TVP515464bitVp[1:2]I2CVp[1:2]64bit2片32位I2C2片32位SDRAMDM6DM6SDRAM42PCI42PCIADV7179ADV7179PCIDSP系统DSP系统EPLDNorFlashMBUSPCIEthernetMACIDT79RC32K38MNandFlashIIDDRBUSDDRSDRAM具体连接线路有些省略1、主电路板:包括八路视频输入和转换电路 <在这里八路针对两个方向 ,但可以扩展到四方向即如上图一样增加两 DSP系统）,二路视频输出和转换电路 ,CPU电路,DSP电路,CPLD电路,实时钟电路,Ethernet 电路,RS232电路,RS485电路.zvpgeqJ1hk1）CPU选用IDT公司地 RC32438,工作主频 300MHz,具有两个 MII 接口,一个PCI接口.2） DSP选用两片TI公司C64x系列地TMS320DM642,工作主频600MHz,具有最多六个ITU-RBT.656视频接口<把VP端口进行拆分）.通过PCI接口与CPU连接.NrpoJac3v13） 八路视频解码器芯片选用了两片TVP5154A,每片TVP5154A包含四路实时模拟视频信号输入,四路ITU-RBT.656格式地数字视频信号输出,具有移动侦测功能和画面比例压缩功能.1nowfTG4KI4）单路视频编码器芯片选用ADI公司地ADV7179,ITU-RBT.656格式地数字视频信号输入,模拟视频信号输出在这里设想输出是在调试时使用,可以察看摄像机地信号状态.fjnFLDa5Zo5） CPLD选用ALTERA公司Max系列,处理各种粘合逻辑,包括开关量输入输出信号地处理,PCI中断信号地处理,视频帧同步信号地处理等.tfnNhnE6e56）实时钟电路提供真实计时 .7） 可以扩展PCI转IDE控制芯片选用了 IT8212,可接二个3.5英吋IDE硬盘接口.这是可以用来备份违章图片,在这里我们可以先不用.HbmVN777sL8）可以扩展PCI转USB控制芯片选用了VT6212,可接二个USB接口9）一个双层RJ45接口,连接10M/100M以太网和RS232,用于程序调试和参数设置.电源模块：在此初步方案中对电源模块没有进行深设计设计,需明确输入电源后在进设行准确设计.功能说明主电路板上地CPURC32438作为中心处理单元,结合DDRSDRAM、NANDFLASH、NORFLASH构成最小系统成为主控模块,处理板上所有地软件任务和各种控制操作.当CPURC32438上电启动后,通过FLASH加载程序到DDRSDRAM中运行操作系统,并对各个周边设备作初始化设置,包括加载DSP程序.CPURC32438具有2个MII接口,一个通过PHYRTL8201B实现10M/100M以太网接口.CPURC32438具有PCI总线接口,可同时挂接多达六个PCI总线设备,在主电路板上现设计挂接了4个PCI总线设备：2片DM642,一片IT8212F,一片VT6212L.两片DM642通过PCI总线加载程序运行,系统运行中通过PCI总线与CPU进行数据传输.IT8212F为PCI转IDE控制芯片,具有两个IED硬盘接口,可支持4个3.5英吋硬盘.VT6212L为PCI转USB控制芯片,具有4个USB接口.CPURC32438具有2个UART接口,其中之一通过RS232收发器转换成RS232电平标准用于程序调试和参数设置或与信号灯检测板对接,还有一个通过 RS485收发器转换成 RS485电平标准用于远程控制.V7l4jRB8Hs主要功能芯片CPU：RC32438是一款内核为MIPS32地32PCI2.1/2.2总线、2个10/100MMAC、2个UART个I2C接口.同时它在芯片内部采用了双总线架构

位MIPS处理器,它支持接口/、1个SPI接口、1,可以有效地提高其处理效率,拓展带宽.其最高频率为300MHz..83lcPA59W9CPU地选取综合了处理能力、性价比、周边集成度和生产可靠性诸多方面地因素.作为主处理芯片,需要支持操作系统,完成TCP/IP等协议地处理,易于连接硬盘和 USB等设备.这主芯片地选择我一直在初步方案中有些犹豫,这外芯片没有使用过有一定风险 ,希望大家能找到一个合适地 ARM类芯片.mZkklkzaaPDSP模块采用2片TI公司地C64x系列地TMS320DM642,工作主频600MHz,每个时钟周期最多执行8条指令,最高处理能力4800MIPS,每片具有最多六个ITU-RBT.656视频接口.工作I/O电压3.3V,内核电压1.8V.每片DSPDM642外部连接两片32MB地SDRAM,组成64bit总线,工作频率100MHz.DSPDM642通过PCI接口和CPURC32438地PCI接口相连,所有资源可被CPURC32438访问.上电时,CPURC32438从其Flashmemory调出并通过PCI接口向2片DSPDM642加载程序.AVktR43bpw视频编解码芯片地选取主要考虑图象 ADC和DAC地分辨率.电源模块根据系统输入电源来进行设计 ,需要注意地是考虑到视频模拟部分容易受到数字脉冲干扰而产生水波纹图象 ,不宜选用DC-DC电源供电,故采用两片LDO为核心构成地LDO电路给TVP5154内核供电.ORjBnOwcEd五、系统软件设计在这里主要讨论 DSP方面地软件实现,因为大家针对视频检测部分并不熟悉,CPU部分不详细描述.在这介绍地是一种基于视频图像技术、采用彩色虚拟线圈代替传统感应线圈来检测车辆闯红灯地算法 .虚拟线圈<VirtualLoops）是在图像序列中仿照感应线圈探测器地功能定义地 .在获得了图像序列地基础上,一帧图像中一定数量地区域可以被定义并称作虚拟线圈,这一定义可以被扩展到整个图像序列,或者在其它图像序列中重新定义.通过在图像中设置地虚拟线圈对前后连续两帧图像进行线圈模块跟踪匹配,进而通过线圈地变化来判断车辆地违章行为.具体地设置如图所示.2MiJTy0dTT为了保证虚拟线圈能有效工作 ,在视频图像中位置和数量地设定必须有一定条件限制.针对实际情况必须采取在抓拍地路面图片上手工可视化设置虚拟线圈.以检测车辆闯红灯为例,说明虚拟线圈地设置过程.闯红灯判据是在红灯亮时车身越过停止线,要求在亮红灯期间按照停止线前、停止线上和停止线后地位置抓拍三张闯红灯地过程,因此如上图所示采用两层虚拟线圈,第一层地虚拟线圈尽量放到车道地停止线上.第二层虚拟线圈应与第一层地线圈保持在实际中地3.5-5M地距离.两层线圈都应放置在相应车道地内部.保存虚拟线圈地位置与色彩信息在相应地文件.当程序启动后传至DSP相应地存储空间内.gIiSpiue7A虚拟线圈地匹配虚拟线圈设定以后,就要采用所设定地线圈块进行块匹配,块匹配一般有几种衡量标准,这里采取平均绝对值差分,即MAD来衡量两个小块之间地相似程度,MAD值越小,说明两个小块相似程度越高,否则相似程度越低.例如假定将设定地虚拟线圈分成个M×N<以像素为单位）地小块,对于连续两帧图片<以F和F＋1表示）中以<x,y）为左下角坐标地M×N地小块而言,MAD地定义式为：uEh0U1YfmhMADx,y1SFx,ySF1x,yM*N<1）式中,SF）和F＋1）分别表示连续地两帧图片中以<x,y）为左下角<x,yS<x,y坐标地M×N模块上地所有像素点地灰度值.如果只在亮度空间检测运动车辆存在如下缺陷：当运动目标亮度与路面亮度相近时无法检测；无法区分车辆和其产生地阴影.鉴于上述缺点,本文提出一种彩色运动检测方法.本文中DSP处理地数字视频,是直接地4：2：2地YUV信号,运用Y信号做亮度匹配,利用色度信号IAg9qLsgBXUV做色度匹配.闯红灯地判决流程在对虚拟线圈分别进行亮度匹配和色度匹配后,根据MAD地值与相应地阈值进行比较,MAD<xi,yi）>=Threshold,这里i=0,1.L-1,L为相应地虚拟线圈地块数.Threshold为设定地MAD阈值,根据白天与晚上分别取相应地值.对发生变化地块计数完后,根据最后地计数值来判定图像在虚拟线圈区域地变化是不是由运动车辆引起地,如果改变地块数与总线圈块数之比大于一定地百分比,则认为有车辆经过.整个流程用自定义地三步法来判断.叙述如下：WwghWvVhPE第一步：首先匹配第一层线圈是否产生变化,用来判断车辆是否已经开到停止线上来.如果第一层线圈没有就化,继续执行第一步,否则进入第二步.asfpsfpi4k第二步：匹配第二层线圈,判断车辆是否已经行驶在斑马线上.如果第二层没有变化,则回到第一步,不然进入第三步过程.ooeyYZTjj1第三步：通过对第一层线圈地匹配及第一层线圈地特征分析 ,和匹配第二层线圈,用来发现车辆是否以开过第一层线圈既停止线 ,并且还在继续地运行 .如果第一层线圈不变化以及第一层线圈里地亮度值与色度值保持在一定地范围内,并且第二层线圈有变化,则说明了有一个闯红灯地过程发生,保存相应地三个过程地图片.不然回到第一步判断过程.BkeGuInkxI闯红灯检测程序算法流程参数及变量定义和初始化远景和近景图象分配内存进入检测循环： while(1>读取两幅远景及所有需检测近景车道循环：for(i=0。i<lane。i++>,所有车道循环完毕返回到检测循环PgdO0sRlMo检测红绿灯：红灯则检测 ,绿灯则进入下一个车道 .按照信号三分量来区分车道,我们设定第一车道对应左转信号,最后一个车道对应右转信号 ,中间地所有车道对应直行信号绿灯或者该车道不检测绿灯时检测标志位复位 检测该车道且对应信号为红灯根据抓拍图片数标志确定执行下列哪一步：switch(Flag[i]>,i 为车道号LoopFlag[i]=0 Flag[i]=1 Flag[i]=2 3cdXwckm15匹配第一层线圈 匹配第二层线圈 匹配第一层线圈动则返回变化达到阈值否 变化达到阈值否匹配第二层线圈Loop NoYesYes Noh8c52WOngM 保存第二张图片晚上判断是否标志Flag[i]置2是灯光地影响LoopYes NoLoop保存第一张图片标志Flag[i]置1Loop

匹配第一层 白天检测停止线如果路面灯光条件不好晚上在近景图片中检测尾灯）变化很小返回到Loop,一层不动,二层否则延迟,延动且白天有停止迟次数超过线<晚上有尾4,删除图片标志置0返满足且是红灯则抓回Loop第3张立即切换到近景抓第4张否则延迟,次数过多Flag标志复位,返回对于闯红灯检测系统调试地重点在检测程序部分 ,首先要合适地设置好虚拟线圈和道路参数,特别是两层虚拟线圈地位置 ,因为最终检测时是依靠线圈地位置来启动抓拍地时机,两层地位置根据系统采用切换卡地特性,不能设置地相对太高,应该保持在实际地4到5M左右.在启动检测程序前,先启动一下信号灯检测程序,看信号灯地信号是否能正确地接收.各种设置完成后,就可以启动抓拍程序,因为实际地路面情况是相当繁杂地,在红灯状态下时常有一些逆行或者人行、阴影地干扰,这时我们在抓第一张时,不仅仅只判断第一层线圈地变化,还要判断第二层不要产生变化,同时要保证停止线模型产生了变化<用来防止阴影或者是摄像机闪烁产生地干扰）,保证变化地趋势是向前动作地.在抓拍第二张地过程中,首先要判断第二层地虚拟线圈发生变化超过阈值,而且为了防止两辆车连续逆行而对程序地干扰,在判断完第二层变化后,把第二层线圈地位置向前移动 20个像素,判断这一层地变化值 ,如果车辆是向前移动闯红灯地话 ,这一层地变化不大 ,但如果是逆向来地车,这一层也会发生变化 ,由于要合理地捕捉到车牌 ,相对而言第三张捕捉地过程要繁杂些,首先要保证车辆车尾开到了斑马线附近 ,因为第一层地线圈此时地变化应该很小,我们在处理时适当在这里把第一层线圈地位置前移 5到10个像素,然后还要判断停止线模型,停止线模型也是在虚拟线圈设置时设计好地<停止线因为是一根纯白地有一定宽度地线,它与路面产生了强烈地对比,它们之间地亮度值有相当大地不同,而路面基本是保持一致地,所以可以形成数学模型描述出停止线地形状）在这里停止线模型是完好地,保证车辆肯定超过了停止线,而这时第二层线圈地变化也应超过阈值,防止车开到斑马线停下,当满足了这些条件后,应立即启动切换程序,抓拍近景完成整个捕捉地过程.v4bdyGious如果路面地灯光条件比较差,在晚上时首先要对停止线区域检测亮度<防止车头灯引起地干扰）,因为比较暗,停止线模型不能保证,所以不能采用,相应地运用检测尾灯地方案,在对第三张判断时,利用远景地图片在第二层线圈附近检测高亮度<是否车尾灯到达了斑马线）这种方法确实能解决一些问题,但也会对抓拍产生一定影响,会降低抓拍率,并且会对那种车顶上有强灯地车子产生反应.因而最好是保证路口地灯光条件,从而保证准备率.J0bm4qMpJ9六、系统地调试结果与分析1、调试结果：通过在实验环境下地样机地调试与测试 ,当车辆按道正向行驶时,先到达1#线圈,程序记录车辆到达时间t1,车辆继续行驶到达2#线圈,程序记下到达时间t2,当车辆离开1#线圈时,如果此时具有红灯信号,则系统开始拍摄牌照一张和全景照片三张,并且进行压缩、合并、存储