基于PXA255的PDA交通管理系統(tǒng)在Linux環(huán)境下的實(shí)現(xiàn)

    關(guān)鍵詞：PDA 嵌入式Linux 內(nèi)核

隨著城鄉(xiāng)經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展，城市交通也得到很大發(fā)展但迅速增長(zhǎng)的機(jī)動(dòng)車輛與發(fā)展相對(duì)滯后的城市道路之間不配套矛盾日益突出。利用計(jì)算機(jī)控制和處理的電子警察系統(tǒng)，通過對(duì)違章車輛自動(dòng)監(jiān)督，可以極大改善交通路口混亂情況，減少交通違章造成的人為塞車和事故，提高交通執(zhí)法準(zhǔn)確性和效率。但是，這種系統(tǒng)在實(shí)用中尚存在一些問題：

(1)電子警察系統(tǒng)與交通管理系統(tǒng)需要專用光纖聯(lián)結(jié)，造價(jià)高，施工難度大。

(2)圖像數(shù)據(jù)大，在網(wǎng)絡(luò)中傳輸速度慢。

基于以上缺點(diǎn)，本文提出一種PDA無線交通管理系統(tǒng)。在電子警察系統(tǒng)中，攝像機(jī)拍攝違章車輛的圖像，車輛圖像數(shù)字化后送給PDA處理。具有高速處理器芯片PXA255的PDA對(duì)車牌字符進(jìn)行識(shí)別，對(duì)車輛顏色進(jìn)行提取和識(shí)別，對(duì)車輛類型進(jìn)行識(shí)別。然后，PDA把違章車輛的車牌號(hào)碼、顏色和車型、違章車輛速度和闖紅燈時(shí)間等數(shù)據(jù)通過GPRS通信，送給無線接人裝置。無線接入裝置把這些數(shù)據(jù)傳給Internet，Internet再把這些數(shù)據(jù)傳給交通管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心。

近年來，個(gè)人數(shù)字助理PDA(Personal Digital Assistant)是繼筆記本式計(jì)算機(jī)、小型掌上計(jì)算機(jī)之后電腦微型化的又一重大突破。PDA具有輕巧、便于攜帶、操作方便、液晶屏幕顯示效果較好、可以無線通信等諸多優(yōu)點(diǎn)。在發(fā)達(dá)國(guó)家，PDA早已成為便利的移動(dòng)信息產(chǎn)品。最新的PDA手機(jī)集移動(dòng)電話、PDA、電子辭典和網(wǎng)絡(luò)等功能于一身，特別是具有傳真、收發(fā)電子郵件、上網(wǎng)瀏覽等功能。PDA具有超大高畫質(zhì)顯示屏、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，可以以無線方式接人局域網(wǎng)或者Internet，輕松地訪問網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫，也可以以有線方式直接上網(wǎng)。所以，PDA必將在交通管理系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

Linux具有高效性、開放性、安全性。選用Linux作為操作系統(tǒng)。

    在PDA交通管理系統(tǒng)中，可以把違反交通規(guī)則車輛號(hào)碼、顏色等資料經(jīng)過PDA處理后，以數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)形式上傳給交通數(shù)據(jù)管理中心。PDA上傳的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，與原電子警察系統(tǒng)上傳的圖像數(shù)據(jù)相比，具有傳輸速度快的優(yōu)點(diǎn)。交通管理系統(tǒng)可以及時(shí)得到違章車輛信息，從而更好地對(duì)交通系統(tǒng)進(jìn)行管理，更好地保證交通管理系統(tǒng)正常運(yùn)作。在該系統(tǒng)中，采用PDA和無線接人裝置，把違章車輛的數(shù)據(jù)直接送給Internet。這樣可以充分利用目前無處不在的Internet，降低建造系統(tǒng)的施工難度，減少建造經(jīng)費(fèi)。

1 電子警察與PDA系統(tǒng)

電子警察與PDA系統(tǒng)如圖1所示。

在該系統(tǒng)中，當(dāng)車輛闖紅燈時(shí)，地感線圈感應(yīng)到車輛信號(hào)，檢測(cè)器被觸發(fā)，并通過I／O接口板向控制主機(jī)發(fā)出1個(gè)開關(guān)信號(hào)，由信號(hào)燈控制器發(fā)出"紅燈"信號(hào)也通過I／O接口板向計(jì)算機(jī)發(fā)出1個(gè)開關(guān)信號(hào)，兩者同時(shí)具備時(shí)，控制主機(jī)給攝像機(jī)發(fā)出1個(gè)控制信號(hào)。攝像機(jī)動(dòng)作，拍攝違章車輛圖像。車輛經(jīng)過檢測(cè)線圈時(shí)，控制主機(jī)檢測(cè)車速，同時(shí)記錄闖紅燈時(shí)間。由于PXA255處理器運(yùn)行速度高，它能滿足高速處理圖像數(shù)據(jù)的要求。具有PXA255處理芯片的PDA可以根據(jù)數(shù)字化后的車輛灰度圖像，對(duì)車輛顏色進(jìn)行提取和識(shí)別，對(duì)車牌類型進(jìn)行分類，對(duì)車輛字符進(jìn)行識(shí)別。車輛字符識(shí)別系統(tǒng)包括圖像二值轉(zhuǎn)換，圖像差分、濾波與平滑，車牌定位與旋轉(zhuǎn)，字符切割，字符識(shí)別，車牌顏色提取與識(shí)別和車牌分類等功能模塊。違章車輛速度和顏色、闖紅燈時(shí)間、違章車輛類型和經(jīng)過識(shí)別的車牌字符等信息， 由PDA以數(shù)據(jù)信號(hào)形式發(fā)送給無線接入裝置。

2 PDA交通管理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

無線接入裝置接入的PDA信息，通過Internet網(wǎng)送給交通數(shù)據(jù)管理中心。該體系結(jié)構(gòu)主要功能是：

(1)支持PDA接入，把PDA的數(shù)據(jù)以無線通信方式接收到無線接入裝置中；

(2)保證數(shù)據(jù)經(jīng)過公共GPRS網(wǎng)絡(luò)和Internet時(shí)的安全，根據(jù)無線終端設(shè)備特點(diǎn)(如屏幕大小、所使用的瀏覽器等)進(jìn)行數(shù)據(jù)格式自動(dòng)轉(zhuǎn)換，以得到最優(yōu)化數(shù)據(jù)的顯示；

(3)與后臺(tái)交通管理數(shù)據(jù)庫應(yīng)用集成。該體系結(jié)構(gòu)基于數(shù)據(jù)庫和無線通信，配合相關(guān)服務(wù)器和第三方產(chǎn)品(如路由器和防火墻等)，組成一個(gè)端到端的安全解決方案。

圖2

3 PXA255及其應(yīng)用

Intel PXA255處理器符合工業(yè)產(chǎn)品應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，符合工業(yè)上倡導(dǎo)的MIPS／mV性能設(shè)計(jì)要求。這個(gè)處理器將一個(gè)復(fù)雜集成電路合成在一塊芯片上，采用Intel XscaleTM微結(jié)構(gòu)體系框架，具有許多外圍接口，功能強(qiáng)大。PXA255具有嵌入式處理器的優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于便攜式裝置、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中。其信號(hào)流程圖如圖3所示。

圖3中RTC為實(shí)時(shí)控制，OS Timer為振蕩器的定時(shí)器，PWM為脈寬調(diào)節(jié)器。I2C(Inter-Integrated-Circuit)總線單元提供一個(gè)兩腳串行通信口，其中SDA數(shù)據(jù)腳提供給數(shù)據(jù)線和地址線，SCL時(shí)鐘腳控制時(shí)鐘。I2S(Inter-Integrated-Circuit Sound Controller)為立體聲頻串行接口控制器，AC97(AC'97Controller Unit)為聲頻控制單元。I2S和AC97不能同時(shí)應(yīng)用。UART(Universal asynchronous Receiver／Transmitter Serial Ports)異步接收／發(fā)送端口支持三種異步接收／發(fā)送UART模式。NSSP(Network Synchronous Serial Protocol)為網(wǎng)絡(luò)同步串行端口，SSP為同步串行端口。SlowIrDA(Slow Infrared Data Association)為慢速紅外線通信端口，F(xiàn)astIrDA為快速紅外線通信端口。USB Client(Universal Serial Bus Client)為通用串行總線單元。MMC(Multimemedia Card Controller)為多媒體控制器。

PXA255的具體特征為：

(1)PXA255是一個(gè)32位處理器；

(2)Intel XscaleTM內(nèi)核采用ARM*Version 5TE型指令結(jié)構(gòu)，其中T指Thumb指令集，E(DSP-Enhance)指加強(qiáng)的DSP指令集，能進(jìn)行整數(shù)和浮點(diǎn)數(shù)處理。

(3)PXA255工作電壓是1．3V，而PXA250工作電壓是1．5V，PXA255功耗更小，節(jié)約了電能。采用0．18μm制造工藝，是一塊面積為17mm×l7mm、256腳的芯片。

PXA255是一個(gè)高性能、低價(jià)格、低能耗的RISC處理器。采用該芯片的PDA，體積更小，電池用得更久，上網(wǎng)速度更快。

4 嵌入式Linux的應(yīng)用

4．1 嵌入式Linux

高端嵌入式系統(tǒng)要求許多高級(jí)的功能，如圖形用戶界面和網(wǎng)絡(luò)支持。很多高端RTOS供應(yīng)商已經(jīng)提供了這些功能，但其價(jià)格較高。微軟的Windows CE有此類功能，但不具備大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)要求的實(shí)時(shí)性能，而且難以移植。以DOS為基礎(chǔ)用單獨(dú)的第三方工具拼湊成一個(gè)操作系統(tǒng)，同樣不能滿足嵌入式系統(tǒng)的要求。嵌入式Linux操作系統(tǒng)以價(jià)格低廉、功能強(qiáng)大又易于移植而被廣泛采用，成為新興的操作系統(tǒng)。Linux嵌入式操作系統(tǒng)是一種實(shí)時(shí)的、支持嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的操作系統(tǒng)軟件，是嵌入式系統(tǒng)極為重要的組成部分，通常包括與硬件相關(guān)的底層驅(qū)動(dòng)軟件、系統(tǒng)內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口、通信協(xié)議、圖形界面、標(biāo)準(zhǔn)化瀏覽器等。嵌入式操作系統(tǒng)在系統(tǒng)實(shí)時(shí)高效性、硬件的相關(guān)依靠性、軟件固態(tài)化及應(yīng)用的專用性等方面具有較為突出的特點(diǎn)。

Linux是與Unix相似、以核心為基礎(chǔ)、完全內(nèi)存保護(hù)、多任務(wù)多進(jìn)程的操作系統(tǒng)，為嵌入操作系統(tǒng)提供了一個(gè)極有吸引力的選擇。PDA選擇嵌入式Linux作為操作系統(tǒng)，主要原因如下：

(1)系統(tǒng)處理實(shí)時(shí)性好，性能穩(wěn)定。

(2)文件管理系統(tǒng)更適合于大量的圖像數(shù)據(jù)。

(3)內(nèi)核小巧和高效，作為專用系統(tǒng)，具有系統(tǒng)小令精簡(jiǎn)、處理速度快等特點(diǎn)。

(4)系統(tǒng)數(shù)據(jù)置于ROM／FLASH MEMORY，調(diào)用速度快，不會(huì)被改變，穩(wěn)定性好。

(5)本身內(nèi)置網(wǎng)絡(luò)支持。

4．2 PAD中嵌入式Linux內(nèi)核實(shí)現(xiàn)方法

Linux系統(tǒng)分為三個(gè)層次：用戶、核心和硬件。Linux內(nèi)核可直接從Internet下載，也可從一發(fā)行版本如Red Hat Linux、Turbo Linux得到。Linux核心源代碼執(zhí)行GPL版權(quán)協(xié)議，任何人都可在遵循GPL版權(quán)協(xié)議條件下對(duì)Linux核心進(jìn)行修改和補(bǔ)充，并可根據(jù)自身應(yīng)用系統(tǒng)的需求，進(jìn)行裁減定制，形成針對(duì)應(yīng)用的嵌入式Linux內(nèi)核。本方案采用Red hat Linux 6．0，內(nèi)核版本2．2．5，在保留TCP／IP網(wǎng)絡(luò)支持、STAR902以太網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)的情況下，定制后的內(nèi)核大小為360KB，足以滿足本系統(tǒng)中嵌入式硬件及軟件的需求。

Linux核心源程序通常都安裝在／usr／src／linux下，核心源程序文件按樹形結(jié)構(gòu)進(jìn)行組織。在這里，對(duì)Linux內(nèi)核進(jìn)行分析：

(1)系統(tǒng)的引導(dǎo)和初始化：Linux系統(tǒng)的引導(dǎo)有Lilo、Loadin引導(dǎo)和Linux的自舉引導(dǎo)三種。而Linux的自舉引導(dǎo)所對(duì)應(yīng)源程序?yàn)閍rch／i386／boot／bootsect．S，它為實(shí)模式匯編程序。無論哪種引導(dǎo)方式，最后都要跳轉(zhuǎn)到arch／i386／Kernel／setup．S。setup．S主要進(jìn)行實(shí)模式下的初始化，為系統(tǒng)進(jìn)入保護(hù)模式做準(zhǔn)備。此后，系統(tǒng)執(zhí)行arch／i386／kernel／head．S。head．S中定義的一段匯編程序setup_idt，負(fù)責(zé)建立一張256項(xiàng)idt表，此表保存著所有自陷和中斷的入口地址，其中包括系統(tǒng)調(diào)用總控程序system_call人口地址。除此之外，head．S違要做一些其他初始化工作。

(2)系統(tǒng)初始化后，運(yùn)行第一個(gè)內(nèi)核程序asmlinkage void_init start_kernel(void)，它定義在／usr／src／linux／init／main．c中。它通過調(diào)用usr／src／linux／arch／i386／kemel／traps．c中的函數(shù)void-init trap init(void)，把各個(gè)自陷和中斷服務(wù)程序的入口地址設(shè)置到idt表中。其中系統(tǒng)調(diào)用的總控程序system_call就是中斷服務(wù)程序之一。void_init trap_init(void)函數(shù)則通過調(diào)用一個(gè)宏set_system_gate，把系統(tǒng)調(diào)用的總控程序入口掛在中斷0x80上。其中SYSCALL_VECTOR是定義在／usr／src／linux／arch／i386／kernel／irq·h中的一個(gè)常量0x80， 而systern_call為中斷總控程序的入口地址。中斷總控程序是用匯編語言在／usr／src／linux／arch／i386／kernel／entry．S中定義。

圖3

    (3)中斷總控程序主要負(fù)責(zé)保存處理機(jī)執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用前的狀態(tài)，檢驗(yàn)當(dāng)前調(diào)用是否合法，并根據(jù)系統(tǒng)調(diào)用向量，使處理機(jī)跳轉(zhuǎn)到保存在sys_call_table表中的相應(yīng)系統(tǒng)服務(wù)例程的入口。從系統(tǒng)服務(wù)例程返回后退回用戶程序狀態(tài)，而系統(tǒng)調(diào)用向量則在／usr／src／linux／include／asm-386／unistd．h中定義，sys_call_table表是在／usr／src／linux／arch／i386／kernel／entry．S中定義，系統(tǒng)調(diào)用的用戶編程接口在／usr／src／linux／include／asm-386／unistd．h中定義。

(4)由此可見，Linux的系統(tǒng)調(diào)用也象DOS系統(tǒng)的int21h中斷服務(wù)，把0x80中斷作為總的入口，然后轉(zhuǎn)到保存在sys_call_table表中的各種中斷服務(wù)例程的入口地址，形成各種不同的中斷服務(wù)。由以上源代碼分析可知，要增加一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用就必須在sys_call_table表中增加一項(xiàng)，并在其中保存好系統(tǒng)服務(wù)例程的入口地址，然后重新編譯內(nèi)核。當(dāng)然，系統(tǒng)服務(wù)例程是必不可少的。

5 GPRS通信

該系統(tǒng)采用GPRS通信方法。GPRS(通用分組無線業(yè)務(wù))是GSM標(biāo)準(zhǔn)化組織制定的一套標(biāo)準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。GPRS網(wǎng)是一個(gè)傳輸承載平臺(tái)，提供端到端分組傳輸模式下數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。GPRS具有五大特點(diǎn)：傳輸速率快；可靈活支持多種數(shù)據(jù)應(yīng)用；網(wǎng)絡(luò)接入速度快；可長(zhǎng)時(shí)間在線連接；計(jì)費(fèi)更加合理。所以，采用GPRS通信可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、傳輸速度高的通信。

PDA中應(yīng)用PXA255處理器，運(yùn)行速度快，系統(tǒng)性能得到極大提高。嵌入式Linux作為PDA操作系統(tǒng)，可根據(jù)需要定制內(nèi)核大小，簡(jiǎn)單方便。Linux源代碼公開，可充分利用已有資源，節(jié)約開發(fā)人員工作量。Linux不存在"黑箱"，操作系統(tǒng)安全性得到了保障。采用該系統(tǒng)，提高了交通管理質(zhì)量。該系統(tǒng)提高了數(shù)據(jù)傳輸速度，減少了系統(tǒng)建造的費(fèi)用，降低了施工難度。