专利名称：嵌入式一体化车道控制机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种车道收费和控制设备，尤其是高速公路车道控制装置。
背景技术：
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普通PC机或工控机、数字视频录像机DVR (Digital Video Recorder，)、外部设备控制卡、车牌识别器等多台设备组成的传统的车道控制机。该车道控制机的核心具有抗恶劣环境、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M小时工作的要求。然而，在实际应用中，传统的车道控制机其存在如下的缺陷
1、采用通用的Windows操作系统，系统稳定性和实时性差，容易受病毒破坏，系统故障
多；
2、外部接口少，可扩展性差，需要外接大量的数据采集卡、视频采集卡等，外围电路复杂，整个系统庞大，不易维护和升级；
3、并行处理能力较差，需要采用多处理器及多线程技术提供系统的并行性；
4、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；
5、功耗大，易发热，不能防潮，要求干燥通风环境。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，在嵌入式微控制器技术的基础上， 提供一种集成车道收费、设备控制、视频监控、车牌识别、外围设备控制等功能的嵌入式一体化车道控制机。本发明的目的通过以下技术方案予以实现
本发明的嵌入式一体化车道控制机主要由主控制模块DM6446、应用服务模块GM8180、 PS/2协议转换模块和电源组成。其中，电源给整个电路供电，主控制模块DM6446芯片又包括高级精简指令集处理器ARM (Advanced RISC Machines)模块、数字信号处理器 DSP (digital signal processor)模块和视频处理子系统 VPSS(Video Processing Subsystem)。各个模块之间的信息通过连线传递。高级精简指令集处理器ARM模块负责车道收费流程的处理，数字信号处理器DSP模块负责车牌识别。应用服务模块GM8180模块负责监控视频的压缩编解码及视频存储，视频处理子系统VPSS负责接收处理应用服务模块GM8180传过来的视频数据，并传给高级精简指令集处理器ARM模块显示以及传给数字信号处理器DSP模块进行车牌抓取识别。高级精简指令集处理器ARM模块、数字信号处理器 DSP模块和视频处理子系统VPSS之间通过相互中断进行通信，它们有各自独立的存储器， 也可以共享外接的存储器资源。应用服务模块GM8180模块集成了编码器H.沈4、动态图像标准MPEG-4和联合图像格式JPEG，硬件实现了 AES/DES/3DES加解密算法控制器，还集成了 H. 264水印加密逻辑，极大的提高了数据加解密效率。主控制模块DM6446模块与应用服务模块GM8180模块之间通过音频通道AC97和视频通道BT. 656进行音视频数据传输。协议转换模块PS/2与主控制模块DM6446之间通过高速同步串行口 SPI (Serial Peripheral interface)总线连接。具体技术方案为
一种嵌入式一体化车道控制机，它包括电源，其特征在于还包括 主控制模块、应用服务模块和协议转换模块PS/2电路，以及外围设备，其中，外围设备通过串接口、I/O接口、以太网接口和视频传输标准VGA接口与主控制模块连接；车道摄像机、录音设备通过音视频通道与应用服务模块连接；主控制模块与应用服务模块之间通过音视频通道连接，进行音视频数据传输，协议转换模块PS/2与主控制模块通过高速同步串行口 SPI总线连接。所述的主控制模块采用DM6446芯片，它包含高级精简指令集处理器ARM和数字信号处理器DSP双核结构，其中的DSP硬件集成了车牌识别电路和程序。所述的应用服务模块采用GM8180芯片，该芯片硬件集成了视频编解码和电子不停车收费系统ETC (Electronic Toll Collection，)服务数据加解密的电路和程序。所述的外围设备包括电子不停车收费系统ETC服务、费额显示屏、顶棚点阵屏、路侧单元RSU、报警器、地感线圈、自动栏杆机、显示器、U盘、闪存卡TF(TransFlash)卡和双倍速率同步动态随机存储器DDR。本发明采用高性能嵌入式控制单元处理器，具备1200MPIS能力，保证收费系统良好的实时响应能力；高性能双数字信号处理器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；单一设备网络身份识别号码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口，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M种负载设备的控制能力，面板指示灯实时显示控制状态；8路RS232/RS485/ RS422可配置通讯接口，提供15KV静电阻抗器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；预装了操作系统Linux 2. 6. 35内核，移植了根文件系统和图形用户界面库QT 4. 4开发库，集成了通串线USB驱动、 串口驱动等基本的硬件驱动，易于二次开发；采用TF卡、U盘、电子集成驱动器IDE硬盘三种存储介质，可供用户灵活选择；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；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Dl分辨率的H. 264压缩，并可同时进行多路高质量音频的压缩。基于嵌入式系统的一体化车道控制机，它是将高速公路车道收费所需的相关功能需求整合为单一的定制化产品，主要用于高速公路车道人工半自动收费系统、自动发卡机系统、电子不停车收费系统ETC以及停车场收费系统等。本发明具有以下优点
1、集成度高、微型化、低功耗。硬件集成了视频编解码、ASE/DES/ 3DES加解密算法、车牌识别等功能，将车道收费、设备控制、视频监控、车牌识别等所有功能集成到一块电路板上，无需复杂的外围电路，运行稳定，易于维护；功耗极低，运行时功率约5瓦；
2、系统实时性和稳定性高。自行定制操作系统Linux内核，裁剪文件系统，占用资源少，极少出现系统故障；
3、提供丰富的外设接口，可扩展性强。包括8个串口，可以通过软件及拨码开关单独设置成RS232/422/485三种模式；对路光电隔离输入输出I/O接口 ；2个以太网接口 ；一个并接口 ；两路视频输入，两路音频输入；两个USB接口 ； 1个视频传输标准VGA接口与PS/2接口 ；并提供多种存储器接口，可按功能需要接硬盘、U盘、TF卡等多种存储设备；
4、并行处理能力强。硬件结构上的并行性，GM8180负责监控视频压缩编码，ARM负责收费程序处理，DSP负责车牌识别，各模块有自己独立的资源，也有共享资源；
5、灵活的算法架构。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；
6、能适应各种恶劣环境。采用无风扇散热系统设计，可适应-40°C—+85°C环境；密封性较好，印制电路板PCB三防标准设计，防潮、防尘、防腐蚀；良好的抗电磁干扰能力，B级标准电磁干扰EMI设计；良好的静电防护ESD及防雷特性，保证设备安全。
图1是本发明内部结构与外部接口框图。图2是本发明内部模块工作流程图。
具体实施例方式以下结合附图及实施实例对本发明的一种具体实施方式
作进一步详细的描述。但是，本发明的实施方式不限于此。图1所示，是本发明内部结构与外部接口框图。从图中可知，本发明采用德州仪器TI公司生产的DM6446芯片为主控制模块，智原公司生产的GM8180芯片为应用服务模块组成嵌入式控制单元处理器，两个模块之间通过音视频通道进行音视频数据的传输。应用服务模块GM8180负责车道视频监控，对监控视频进行压缩编码，然后通过视频通道传输给主控制模块DM6446，其中的数字信号处理器DSP模块内置了车牌识别算法，可直接在车道监控视频数据中进行车牌提取识别，ARM模块负责应用软件的运行及视频显示。主控制模块DM6446主要由ARM子系统、DSP子系统和视频处理子系统VPSS组成。①ARM子系统采用ARM^6EJ-S 处理器，其主频可达405MHz。它是一个支持Jazelle κ技术的增强型 32位RISC CPU，可进行单周期MAC运算，支持16位DSP扩展指令。另外，它还专门提供了 EmbeddedlCE-RT 标准接口以及4 KB嵌入式跟踪缓冲区，以便于程序的实时调试。ARM子系统存储资源主要由16KB I-Cahce, 8KB D-Cahce，16 KB RAM禾Π 8 KB ROM。②DSP子系统的核心芯片为DSP处理器，其主频可高达810MHz，处理能力达6480 MIPS，支持先进的超长指令DSP核。它有8个并行的功能单元，其中6个算术逻辑单元，2个16 X 16位的乘法器；64个32位通用寄存器；32 KB Ll程序高速缓冲存储器Cache，80K Ll数据Cache，64 KB L2统一映射RAM。③视频处理子系统VPSS包括视频图像协处理器VPFE以及复合的视频输入/输出接口 VPBE两部分。由于DM6446是双核结构，ARM子系统与DSP子系统之间的通信是通过相互中断来完成的，它们各自有自己的存储器资源，也可以共享外接的存储器资源。
5DM6446提供了多种外围设备接口，各子系统与外设之间通过交换中心资源SCR ( Switched Central Resource)进行通信。本发明有丰富的外部接口，以本发明在收费系统ETC中的应用为例说明，从图1中可知，两个以太网接口，以太网接口 1用于连接交换机，与ETC服务器进行数据传输，以太网接口 2用于网络监控、交互式网络电视IPTV等视频传输；8个串接口，可通过软件配置为RS485/422/232三种工作模式，连接费额显示屏、顶棚点阵屏、RSU等设备；12路输入与输出接口 1/0，用于连接报警器、地感线圈、自动栏杆机等，输入设备的状态信息以及输出对设备的控制信号；一个VGA视频接口，连接显示器；2个USB 2.0接口， 可外接U盘存储器；1个PS/2键盘接接口，连接高速公路收费专用键盘；2路视频输入，连接车道摄像机，进行视频数据采集；2路音频输入；1个调试控制接口；一个％针并接口。本发明提供多种存储方式，包括USB存储、TF卡存储和串口硬盘SATA (Serial ΑΤΑ)存储。如图1所示，图中5 X RS232/RS422/RS485表示有5个可配置串接口，可以通过软件配置和拨码开关配置串接口工作在RS232或RS422或RS485模式下。其中，各路音频和视频的输入/ 输出信号都要通过音视频选择器和各自的音频、视频通道路与应用服务模块GM8180联系， 沟通信息，输入/输出信号。综上所述，本发明采用模块化嵌入式系统构成，安全可靠，易于操作，免维护，极大地提高了恶劣使用环境下的适用能力。 图2所示，是本发明内部模块工作流程图。在图中，GM8180、ARM、DSP三个功能强大的核心芯片既有各自的业务分工，又通过紧密的协调合作来共同实现车道视频监控、车牌识别和电子收费处理三大功能模块，为系统的高速稳定运行提供了保障。各模块之间的协调工作原理与工作流程如下①系统启动后，各模块各自完成初始化工作；②GM8180打开视频采集设备，设置采集参数，进行视频数据采集，然后将采集到的数据通过H. 264编码器进行编码并存储到硬盘中，最后将编码后的数据按BT. 656协议标准输出给ARM芯片； ③ARM设置VPSS参数，VPSS准备接受视频数据，ARM处理其他业务流程；当VPFE接收到数据后，通过DMA将数据存储到共享的双倍速率同步动态随机存储器DDR中，接收完一帧数据时对ARM产生中断；④ARM通过交换中心资源SCR从DDR中读取视频数据并进行显示，然后产生DSP中断；⑤DSP通过SCR从DDR中读取视频数据，进行图像检测，若找不到车牌位置则放弃处理；否则进行车牌提取并识别，然后将识别结果存入DDR中，并产生ARM中断； ⑥ARM从DDR中读取车牌识别结果，进行入库存储等相关操作。
权利要求
1.一种嵌入式一体化车道控制机，它包括电源，其特征在于还包括主控制模块、应用服务模块和协议转换模块PS/2电路，以及外围设备；其中，外围设备通过串接口、I/O接口、以太网接口和视频传输标准VGA接口与主控制模块连接；车道摄像机、录音设备通过音视频通道与应用服务模块连接；主控制模块与应用服务模块之间通过音视频通道连接，进行音视频数据传输，协议转换模块PS/2与主控制模块通过高速同步串行口 SPI总线连接。
2.根据权利要求1所述的嵌入式一体化车道控制机，其特征在于所述的主控制模块采用DM6446芯片，它包含高级精简指令集处理器ARM和数字信号处理器DSP双核结构，其中的DSP硬件集成了车牌识别电路和程序。
3.根据权利要求1所述的嵌入式一体化车道控制机，其特征在于所述的应用服务模块采用GM8180芯片，该芯片硬件集成了视频编解码和电子不停车收费系统ETC服务数据加解密的电路和程序。
4.根据权利要求1所述的嵌入式一体化车道控制机，其特征在于所述的外围设备包括电子不停车收费系统TEC服务器、费额显示屏、顶棚点阵屏、路侧单元RSU、报警器、地感线圈、自动栏杆机、显示器、U盘、闪存卡TF卡和双倍速率同步动态随机存储器DDR ；其中，电子不停车收费系统TEC服务器通过以太网口与主控制模块DM6446 连接；报警器、地感线圈和自动栏杆机通过输入与输出接口 I/O与主控制模块DM6446连接； 费额显示屏、顶棚点阵屏、RSU通过RS232/RS422/RS485接口与主控制模块DM6446连接。
5.根据权利要求1或2所述的嵌入式一体化车道控制机，其特征在于主控制模块中的ARM模块负责车道收费软件的运行，DSP模块负责从监控视频中抓取车牌，硬件集成车牌识别算法，应用服务模块负责监控视频的压缩处理及存储，具有并行处理能力。
6.根据权利要求1或2或4所述的嵌入式一体化车道控制机，其特征在于提供了多种可选择的存储方式，同时用TF卡、U盘和IDE硬盘作为存储介质。
7.根据权利要求1 6之一所述的嵌入式一体化车道控制机，其特征在于提供丰富的外设接口，包括8个串口，可以通过软件及拨码开关单独设置成 RS232/422/485三种模式；对路光电隔离输入输出I/O 口 ；2个以太网口 ；一个25针并口 ； 两路视频通道，支持多种视频分辨率及视频标准，支持RAW视频输入/输出接口 ；两路音频通道；两个USB 2.0接口；IfVGA 口与PS/2 口 ； 1个JTAG接口及子板接口 ；并提供多种存储器接口。
全文摘要
本发明公开了一种嵌入式一体化车道控制机，它包括电源，其特征在于还包括主控制模块、应用服务模块和协议转换模块PS/2电路，以及外围设备；其中，外围设备通过各种接口与主控制模块连接；车道摄像机、录音设备通过音视频通道与应用服务模块连接；主控制模块与应用服务模块之间通过音视频通道连接，进行音视频数据传输，协议转换模块PS/2与主控制模块通过高速同步串行口SPI总线连接。该机是将高速公路车道收费所需的相关功能需求整合为单一的定制化产品，主要用于高速公路车道人工半自动收费系统、自动发卡机系统、电子不停车收费系统ETC以及停车场收费系统等。适于高速公路车道控制和收费。
文档编号H04N7/18GK102496192SQ20111041896
公开日2012年6月13日 申请日期2011年12月15日 优先权日2011年12月15日
发明者吕毅, 李茜, 陈志 申请人:广西交通科学研究院