引 言

隨著城市交通的迅速發展，機動車流量急劇增加，使得交通管理面臨著新的挑戰，由于某些駕駛員交通法律意識淡薄，為達目的闖紅燈行駛，特別是在無交警值守的區域，問題更為嚴重。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。電子警察系統在實現警務工作網絡化、現代化、智能化進程中有著重要作用。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，無法及時獲取照片，無法實現自動化操作；基于PC的工控機傳送方式，成本高，體積大，安裝不方便。基于ARM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。

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）介紹此設備的實際應用。

嵌入式系統的結構

嵌入式系統是一個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，通過引導程序可以完成對ARM板上的主要部件CPU、SDRAM、Flash、串口等進行初始化操作，并能完成下載文件，Flash擦寫等操作。一個功能完善的引導程序相當于一個微型的操作系統。

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境帶到一個合適的狀態，以便最終調用系統內核。簡言之，Bootloader為操作系統提供硬件資源信息，并進一步加載、引導操作系統。

引導程序通常固化在FLASH或ROM中，基于ARM內核的CPU在復位時通常從地址0x00000000取第一條指令。因此，基于ARM的嵌入式系統通常都有某種類型的固態存儲設備被映射到這個地址上。系統上電后首先執行Bootloader程序。如圖1所示是一個裝有Bootloader、內核參數、內核映像和根文件系統映像的固態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：

（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ARM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的底層軟件、操作系統、圖形界面、通信協議、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：

（1） 軟件代碼要求高質量、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，在程序設計時需要時刻考慮軟件的運行效率。由于嵌入式設備的工作環境多變，因此嵌入式軟件設計需要有質量高、可靠性高的代碼作為保障。

（2） 嵌入式軟件開發與硬件緊密聯系。嵌入式軟件的開發是針對特定的硬件平臺進行的，它牽扯到硬件驅動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。在實時系統中，軟性必須具有對實時多任務很強的支持能力，快速響應并將執行時間減少到最低限度。

系統功能與設計

系統功能

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

（1） 上位機服務器。向終端發出數據和命令；接收終端上傳的照片并進行保存處理?？蓪崿F人工操作、自動定時操作、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程中不影響數碼相機正常工作。

（3） 照片傳送。通過網絡將照片傳送至上位機服務器，實現傳輸智能化。

（4） 網絡檢測。終端設備能夠檢測網絡通斷，保證數據傳輸正確。

（5） 在線更新。通過上位機可以對終端設備進行參數修改，軟件升級。

系統設計

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

終端設備CPU選用Samsung公司的基于ARM7TDMI核的16/32bit、低功耗、高性價比RISC控制器S3C44B0；操作系統選用網絡功能強大、可靠性好、便于移植裁剪、針對無MMU（內存管理單元）控制器的開源操作系統uClinux。

終端設備硬件設計

終端設備硬件設計本著接口標準化、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：網絡接口、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、網絡芯片RTL8019分別映射于處理器的Bank1、Bank2、Bank4地址空間上，實現外部模塊與CPU模塊的無縫連接。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、網絡芯片RTL8019分別映射于處理器的Bank1、Bank2、Bank4地址空間上，實現外部模塊與CPU模塊的無縫連接。其中NAND Flash使用復雜的I/O口來串行地存取數據，8個引腳用來傳送控制、地址和數據信息。各個廠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，驅動程序設計，常用API函數封裝，多任務多進程的分解與設計，基于Socket的網絡編程等。圖4 所示為終端設備的軟件結構化設計。

在驅動層比較關鍵的是NOR Flash存儲器驅動設計與Kodak Dx6340數碼相機USB驅動程序的設計。NOR Flash驅動為實現在線更新功能實現最底層的支持，保證Bootloader、Kernel、Root filesystem在存儲器中準確存放。值得注意是NOR Flash的擦寫有嚴格的時序，根據CPU主頻不同在擦寫過程中加入適當的延時函數能保證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）進行操作，換言之不能當作移動存儲在uClinux系統下掛載，因此在進行設備驅動程序設計時應選擇USB設備類驅動，通過廠商標識（Manufacture ID）及產品標識（Product ID）在系統中注冊匹配，進而完成驅動功能，數據傳輸過程中采用批量傳輸方式。

在應用層，基于Socket的網絡編程支持TCP/IP協議有較好的通用性，能應用于RJ45接口的各種網絡環境。照片數據傳輸遵守PTP協議（PIMA 15740:2000），便于移植。由于應用程序采用模塊化設計，終端與服務器通信采用一個進程，終端獲取圖片使用一個進程因此進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內存采用實地址操作，沒有內存管理機制，因此在軟件設計時筆者采用共享內存的思想在系統未用的內存區域開辟出一塊空間作為共享內存，從而完成進程間通信。

表1 批量傳送圖片測試

下面簡要介紹Kodak DX6340數碼相機USB驅動程序設計：

（1） 驅動程序的注冊：

本程序中數碼相機驅動以USB字符型設備來實現，USB設備驅動第一步要做的是通過usb_driver結構向uClinux內核注冊自己，告訴系統它所支持的設備類型及操作類型。

static struct usb_driver dx6340_driver = ｛

name： “dx6340”， // 驅動程序名稱

id_table： dx6340_table， // 此結構用于保存設備的廠商ID和產品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， // 驅動程序的操作類型

minor： USB_DX6340_MINOR， // 設備的次設備號

｝;

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

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， // 相機的寫操作

open： dx6340_open， // 打開相機設備

release： dx6340_release， // 關閉相機設備

｝;

在數據讀寫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） 驅動程序的在系統中的調用

接下來的工作是將設備驅動程序嵌入內核。通常有兩種方式，一種是靜態編譯進內核，另一種是編譯成模塊。后者能夠動態進行加載，利于調試。當系統使用該設備驅動時，調用驅動初始化函數int __init dx6340_init（void）｛

if （usb_register （&dx6340_driver） 《 0）

return -1;

info（DRIVER_VERSION “：” DRIVER_DESC）;

return 0;

｝

與之對應，當系統注銷該設備驅動時，則調用驅動注銷函數void __exit dx6340_cleanup（void）｛

usb_deregister （&dx6340_driver）;

｝

實驗研究

為了測試該終端設備的工作性能，設計場景進行了現場實驗：

（1） 批量傳送測試

（2） 網絡斷開測試

當終端設備連接到服務器后，將終端設備網線拔掉，模擬網絡故障。在網絡斷開后30秒，終端設備檢測到網絡故障，進入重連程序，接好網線后，終端順利連接到服務器，并正常工作。

（3） 異常測試

a.模擬串口通信異常實驗。將設備與相機控制板連線斷開，設備終端向控制板發送命令嘗試3次，若無響應則發送信息至服務器，需要人工查看控制板/相機狀況。

b.續傳測試。在設備終端向服務器發送圖片過程中，將服務器關閉。這時終端設備進入重連程序，等待與服務器重新連接后，從發生中斷時那張照片開始繼續向服務器發送圖片。

（4） 定時取圖測試

上位機定時操作，實現無人職守自動取圖。

通過實驗表明，該設備具有良好的穩定性，能夠適應不同的網絡環境，可以應付不同的異常情況，有較好的通用性。

結 語

本文中設計的電子警察終端設備滿足用戶設計要求，經現場實際運行，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際系統中，并實現無人職守自動定時取圖，服務器獲取照片信息準確無誤。對于停電或網絡問題造成的異常，設備可以及時進行處理，很好的驗證了本方案的可行性和實用性。