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1 引 言 車(chē)輛在公路上應以與路況相符的速度行駛，太快了易出事故, 太慢了將成為后續車(chē)輛的絆腳石。但是，常有個(gè)別司機不按規定的速度行駛而違章，導致事故頻生。交管部門(mén)為了取證糾違, 目前多采用雷達測速系統（利用多普勒效應）對違章車(chē)輛進(jìn)行測速取證，予以處罰。 可近期市場(chǎng)上出現了一種叫做“電子狗”的反雷達測速裝置，此裝置在接近雷達測速區時(shí)，能提前捕捉到雷達測速的信息而報警，使違章車(chē)輛逃脫處罰，事故隱患猶存。因此，研究一套既能準確測定汽車(chē)速度, 又不會(huì )被“電子狗”所發(fā)現的可靠測速、管理系統就尤為必要。 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（打印、照相）工作，能有效提高交通管制的力度。 2 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，第一個(gè)光電探測器M-M’將光信號轉換為電信號送入信號調理電路，經(jīng)過(guò)放大、整形，送至ARM 處理器。ARM接到此觸發(fā)信號，打開(kāi)內部計數器開(kāi)始計數，時(shí)間t 的值相應不斷增加。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 3 系統硬件設計 3.1 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。 3.2 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。此時(shí)，UM’為低電平，G 門(mén)觸發(fā)，輸出UL 為低電平。ARM 系統的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 的值傳輸到捕獲寄存器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。 隨后，當汽車(chē)達到N 點(diǎn)時(shí)——即在t2 時(shí)刻，暫穩態(tài)電路2 被觸發(fā)，UN’變?yōu)楦唠娖�，�?jīng)過(guò)非門(mén)變?yōu)榈碗娖経N’’。此時(shí)G 門(mén)輸出由低電平變?yōu)楦唠娖�，ARM 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。計算兩次捕獲寄存器T1CR 的差值N 及計數器的工作頻率f，得到車(chē)輛通過(guò)兩測試點(diǎn)M 點(diǎn)和N 點(diǎn)的時(shí)間差t2-t1。 3.3 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。 4 系統軟件設計 4.1 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。包括：添加芯片型號、啟動(dòng)代碼和描述機型的數據結構；修改中斷系統相關(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)現系統中斷；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)現時(shí)鐘串口驅動(dòng)的移植；修改arch/armnommu/config 目錄下的config.in 文件設定菜單配置以及修改mach-lpc/makefile、linux-2.4.x/makefile 和arch/armnommu/makefile 等文件。 4.2 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。但由于本系統中只有一個(gè)高實(shí)時(shí)性任務(wù)----車(chē)輛通過(guò)信號的捕獲，因此，可通過(guò)TIMER1設備驅動(dòng)程序操作LPC2294上的定時(shí)器實(shí)現CAP1.0腳信號的雙邊沿捕獲。TIMER1設備驅動(dòng)由驅動(dòng)程序初始化函數、清除函數、設備信息結構體，open、release、read、ioctl等方法以及中斷服務(wù)程序等構成。uclinux系統在加載內核模塊時(shí)首先會(huì )執行初始化函數timer1_init( )，通過(guò)調用result = register_chrdev (MAJOR_NR, DEVICE_NAME , &timer1_fops)注冊字符設備;并依據返回值result判斷設備注冊是否成功；在內核卸載模塊時(shí)，執行清除函數timer1_cleanup( )，通過(guò)調用unregister_chrdev(MAJOR_NR, DEVICE_NAME)注消字符設備。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。 4.3 MiniGUI 移植 目前，嵌入式Linux 平臺下常見(jiàn)的 GUI 系統有： MicroWindows、QT/Embedded、XWindows、OpenGUI、MiniGUI 等多種選擇。從易用性、跨平臺性以及開(kāi)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GUI 人機交互圖形界面的開(kāi)發(fā)。為方便調試，采用VMware 軟件在windows 系統下建立linux 平臺的宿主機，進(jìn)入linux 環(huán)境，從www.minigui.com 上下載函數庫源代碼包libminigui-str-1.6.2.tar.gz 和資源文件包minigui-res-str-1.6.tar.gz 并展開(kāi)。 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。 4.4 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。主窗體中的SET和About 下拉菜單通過(guò)CreatMenu( )和CreatePopupMenu( )函數實(shí)現，分別用于彈出速度設定對話(huà)框和系統說(shuō)明對話(huà)框。將菜單句柄賦給主窗體的hMenu 屬性并在窗體過(guò)程函數中加入對應菜單的處理代碼，當菜單被管理者點(diǎn)擊時(shí)，該窗體會(huì )收到相應的MSG_COMMAND 消息，系統根據消息執行相應菜單下的速度設定處理程序或系統說(shuō)明顯示程序。在速度設定對話(huà)框中，按鈕使用普通“確定/OK”按鈕CTRL_BUTTON，兩個(gè)靜態(tài)框CTRL_STATIC 分別標識兩個(gè)單行編輯框CTRL_SLEDIT的功能：“上限速度設定”和“下限速度設定”。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。編輯框內的速度設定值通過(guò)MSG_GETTEXT 消息由CTRL_COOLBAR 控件實(shí)現的數字按鈕輸入。各控件的創(chuàng )建通過(guò)以控件類(lèi)名調用Createwindow 函數實(shí)現。 5 結論 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，使違章車(chē)輛難以逃避處罰，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，應用前景非常廣闊。由于感應頭僅對38 kHz 的調制紅外光敏感, 其他紅外光對其幾乎無(wú)作用, 因此，系統具有較強的抗干擾能力。系統采用了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，而且升級和擴展能力強，工作穩定，具有較大的應用前景。 |
