(2010-06-02 07:58:23)
基于嵌入式系统的一体化车道机
摘要：本文在对比传统车道控制系统下，介绍了一种基于嵌入式系统的一体化车道设计。一体化嵌入式系统是将所需要的相关功能需求整合为单一的定制化产品，采用SOC架构对系统进行设计，能够以很小的体积与超低的功耗完成原先需多台设备才能完成的全部功能。它主要用于对高速公路收费系统中车道收费系统以及对相关外围设备采集的各种信号进行控制和处理。
关键词：嵌入式；车道机；集成；低功耗
1 引言
随着高速公路的快速发展，高速公路已经广泛使用“人工收费、计算机管理”的半自动化的车道控制系统。在高速公路的车道视频监控应用中，目前应用最为广泛的还是传统的车道控制系统。该控制系统主要是由车道控制机（工业控制计算机）、DVR（Digital Video Recorder 数字视频录像机）、外部设备控制卡、车牌识别器等多台设备组成。其核心车道控制机具有抗恶劣环境、性能可靠、耐用等优点，满足其用在收费车道这样恶劣环境下的要求，同时也满足全天候24小时工作的要求。然而在实际应用中，其存在如下的缺陷：
(1) 工控机一般使用通用操作系统和硬盘作为存储介质。通用操作系统存在不稳定性以及实时性差，为了弥补实时性差的不足，工控机需要使用多处理机并行工作，硬盘作为存储介质，存储选择性小；
(2) 工控机的外围设备太多，体积大、功耗大。需要大量插卡，故障点也随之增多，故障可能性高，系统稳定性降低；
(3) 由于多个设备之间使用不同的生产商的产品，产品之间的兼容性存在一定的不足，维护复杂，一旦出现故障，不能及时定位。
嵌入式微控制器技术的出现则是给目前的工控机系统的困扰带来了福音，是整个现代工业控制领域的一次技术革命。嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统，对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术、电子技术和各个行业的具体应用相结合后的产物。
图1 一体化车道机应用场景
一体化嵌入式车道控制系统就是一种基于嵌入式微控制器技术的高速公路车道控制系统的核心系统，它主要用于对车道收费系统以及对相关外围设备采集的各种信号进行控制和处理，可广泛用于有人值守收费亭车道系统，无人值守非接触式IC卡车道收费系统，ETC无人值守车道收费系统。
2 系统架构
一体化车道机从系统构架上大体分为两个模块：基本模块和扩展模块。基本模块中内核采用533Mhz外频主控CPU和4800 MIPS核心处理模块，以及DDRII 256M 内存，这些为整个系统提供强大的运行平台和处理能力，可运行计费软件，并为将来的车牌识别算法预留了硬件能力。扩展模块中采用了当前{zxj}的DSP技术，集成两路音视频的处理，可同时对两路视频进行H.264算法的压缩编码。
2.1外形和接口
外形和接口主要由6446模块和DVR模块组成。6446模块负责主控，DVR模块负责音视频的录制，传输及存储。2个独立的以太网接口，分别从属于6446模块和DVR模块。6446模块网口负责控制指令的传输，而DVR模块网口负责视频及音频流的传输。一个PS2键盘接口，通过协议转换模块与6446模块通信，可以直接通过INPUT EVENT子系统进行操作。2路视频输入和2路音频输入，经过通道选择模块后送给6446模块和DVR模块。6446模块与DVR模块之间通过高速数据总线相连，用于传输控制指令和数据。
2.2 DM6446模块
2.3 单板上其它部件及其特性
高性能嵌入式控制单元处理器，具备1200MPIS处理能力，保证收费系统良好的实时响应能力；高性能双DSP处理器，达到4000MPIS处理能力，有效保证H.264实时编解码压缩及实时响应的车牌识别；单一设备ID识别号，可实现所有相关设备的独立性，用户可根据需要对用户识别ID进行配置；两路物理隔离的以太网，实现收费控制与视频采集独立传输，每一路都有完备的协议栈，系统采用标准的TCP/IP协议协议，能架构在局域网、广域网和无线网络上；多路全隔离输入输出控制接口，最多可达24种负载设备的控制能力，面板指示灯实时显示控制状态；多路RS232/RS485/RS422可配置通讯接口,提供15KV ESD防护，瞬时电压吸收过压保护系统，有效防止雷击，可满足各种外设与车道控制平台的信息传送及控制；系统采用Linux操作系统，使用TF卡作为文件系统存储介质，界面使用QT作为基础界面库，技术成熟，易于开发；内嵌车牌识别硬件模块，可直接在完成车道监控的同时实现车牌识别，识别率95%以上。
DVR模块主要用于图像音视频的存储、检索、备份以及网络传递、远程控制等功能。
图2 一体化车道机的外形与接口
3 系统优势
3.1 高度集成、微型化、低功耗
传统的车道控制系统的核心是工业控制计算机（简称工控机），但是外围连接了很多设备，比如DVR、外部设备控制卡、车牌识别器等，结构复杂，体积庞大，故障点多，故障可能性高。一体化车道机将这些功能进行了高度的集成，极大地简化了施工中可能涉及的设备种类和数量，将所有的芯片固定在单板上，仅仅一台设备，以很小的体积完成原来多台设备才能完成的全部功能。而由于采用专门的架构，其稳定性与可维护性都大大强于传统工控机。而且整个系统低功耗，在运行时候，整个系统的功率是5瓦，传统的工控机是30~40瓦。
3.2 多码流、易扩展
视频采集子系统可同时支持符合国际标准的多种网络视频监控设备，对国际视频压缩标准H.264的嵌入式实现，系统能够同时处理2路D1分辨率的H.264压缩，并可同时进行多路高质量音频的压缩。
采用可插入式算法架构，能自由插入如车牌识别、流量识别等算法。系统前端采用模块化的视频编解码，当系统扩充时，只需要扩充视频压缩模块即可。在监控中心，管理人员只需要将增加的监控现场加入监控地点组中，这样就完成了全部的系统升级工作。
4 系统应用层次结构
从一体化车道机系统建设具体实施过程来看，一般可划分以下物理和功能子模块：
4.1 监控前端
监控前端主要由前端视频编码器、摄像机（防护罩、摄像机、镜头、支架）、云台镜头解码器、话筒等主要设备组成。主要完成音视频的采集、编码和传输，以及摄像机的控制工作。监控前端是担负着图像监控系统的数据采集和控制命令的执行部分，是整个系统重要组成本分之一。
4.2 信号传输设备
工程传输编码部分使用H.264/MPEG－4网络编解码器，其是集音视频采集、音视频压缩编解码、网络传输、客户端远程访问控制、输入输出控制等功能于一体，可以在IP网络上以每秒25(PAL)幅画面传送高质量FULL D1 MPEG4图像，并可实时监听远距离声音并进行对讲，也可通过RS232/485串口及网络远程控制现场的云台镜头和其他设备。
4.3 监控中心
监控中心主要由中心数字视频矩阵、图像监控系统服务器、图像存储系统、监控客户终端、电视墙等组成。主要完成现场图像接收，用户登录管理，优先权的分配，控制信号的协调，图像的实时监控，录像的存储、检索、回放、备份、恢复等。监控中心是完成的是整个系统的中枢部分，承担着与用户和前端设备的接口任务。
图3 车道一体化系统应用层次结构
5 结束语
本文介绍了一体化车道机系统架构及功能，为高速公路车道收费站提供了良好的应用服务。通过嵌入式系统实现高度集成，可xx取代工控机、DVR、IO控制卡、图像识别器等需要配合使用才能实现的功能提高性能，增强稳定性，同时也大大减小体积，降低功耗，维护简单。并且可以自由插入如车牌识别、流量识别等算法，可满足高速公路收费站随需应变的业务需求。
参考文献
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[2] 谢仕智 陈凌霄. 广西高速公路数字化视频监控系统研究与探讨.
[3] 崔江 刘新峰 储剑波 张敏华 王友仁. 高速公路综合数据采集与控制系统的研制.
[4] 嵌入式与SOC片上系统[J]. 微计算机信息，2007，(5).
Integrated Drive Machine Based on Embedded System
Abstract: This paper addresses an integrated drive machine based on embedded system compared with the traditional industrial personal computer system. The embeded system integrates the relative fuctional requirements into a single customizable product. Furthermore, the SOC structure is adopted in its design and the system could accomplish the task with smaller volume and less power that needs many kinds of equipments before. This system is mainly used for highway toll collecting system, Drive peripheral equipment control and a variety of signal processing .
Keywords: Embeded System; Drive Machine; Integrated; Less Power
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