基于GPSGPRS车载图像监控系统的设计说明

基于GPS/GPRS车载图像监控系统的设计摘要随着嵌入式应用技术和无线网络技术的快速发展，结合了GPS定位技术和GPRS无线通信技术的嵌入式GPS车载监控系统应运而生。论文将USB视频采集技术引入到车载终端监控系统中，提出了一种车载监控和图像传输系统的具体实现方案。论文首先对车载监控相关的GPS定位技术、GPRS无线网络技术与USB接口技术做了详细介绍。然后是对车载监控终端硬件方案的设计与实现,给出了具体的实现框图。最后对系统中所用到的主控制模块S3C2410X处理器、GPS模块与GPRS通讯模块等作了详细的介绍。为减少GPRS网络传输的数据量，在图像采集模块中采用了JPEG软件压缩编码技术，对静态图像进行压缩编码，较节省了网络资源，提高了图片的传输速度。论文的最后总结了所完成的工作，给出了设计的不足之处和有待完善的地方。基于GPS/GPRS的车载图像监控终端最终可以实现GPS定位数据和图像数据的采集与上传功能。利用这些信息，监控中心可实时跟踪车辆并与时获取车信息，该方案充分利用了S3C2410X处理器资源，方便且实用地实现了低成本的车辆监控功能。关键词： GPS定位技术，GPRS通信技术，车载监控终端，图像采集Carries the image monitor terminal based onThe GPS/GPRS vehicle the designAuthor: Li BaohaiTutor: Zhao YanjieABSTRACTWith the rapid development of the embedded-applications and wireless network technology,the embedded vehicle monitoring system which combines the GPS locationtechnology and GPRS wireless communication technology comes into being. In order tomeet the requirement,the paper introduces USB video capture technology intoembedded vehicle monitoring terminal and puts forward a new solution.Firstly,the paper describes the GPS technology,GPRS wireless networktechnology and USB interface technology in detail.Secondly,the paper explains how to carry out the hardware design. Give a specific realization of block diagram. The last introduce the main control module S3C2410X processor, GPS module and GPRS communication module used in the system.In order to reduce the quantityof data transmitted by the GPRS network,JPEG compression technology was used tocompress static image in the image acquisition module,which could economize thenetwork resources and speed up the image transmission.Finally,the paper summaries all the works and gives the methods for furtherimprovement.The embedded vehicle image monitoring terminal which uses GPS/GPRStechnology could collect the GPS and picture information about the automobile andsend it to the monitoring center.Making use of the information,monitoring centerstrengthens its supervision ability to track automobile, The design makes full use of resources on ARMS3C2410X processor and implements vehicle monitoring functions at a low-cost butmore conveniently.Keywords：GPS positioning technology, GPRS communications technology, vehicle monitoring devices, image acquisition目 录第一章绪论11.1 课题研究的背景与意义11.2 汽车监控的国外现状21.3 课题研究的目的2第二章 GPS、GPRS与USB接口技术与原理42.1 GPS导航技术42.1.1 GPS系统组成42.1.2 GPS定位原理62.2 GPRS网络技术72.2.1 GPRS网络技术特点82.2.2 GPRS系统构成82.2.3 GPRS技术在远程监控系统中的应用102.3 USB接口技术102.3.1 USB简介102.3.2 USB的基本特点11第三章系统总体设计方案123.1系统工作原理与需求123.2 车载监控终端硬件设计方案13第四章系统硬件平台构成154.1主控制模块(ARM9)164.1.1 USB接口174.1.2 UART接口184.1.3通用I/O口194.1.4 I2S音频接口194.2 GPS模块194.3 GPRS通讯模块214.4 OV511摄像头234.5 基于JPEG库的图像压缩24结论26致27参考文献2828 / 32第一章 绪论随着经济的发展，社会的进步，汽车已经成为当今最为普遍，最为实用的交通工具，是日常生活生产中的重要组成部分。汽车上在带给人们舒适、便利生活的同时，也带来了许多新问题。其中长途汽车的超载、超员问题，出租车司机的人身安全问题，私家车的防盗问题受到了社会的广泛关注。所以车载监控系统的研究对我国的国民经济建设和人民生命财产安全有重要的现实意义。1.1 课题研究的背景与意义进入21世纪以来，全球汽车市场发展迅猛，随着信息技术的高速发展，人们对汽车安全性和舒适性要求的提高，汽车电子成为全球性的研究热点，汽车电子市场成绩斐然。当前国使用的车载监控系统大都结合了GPS定位技术和GPRS无线网络技术，主要用于为车主自主导航或者为车辆监控中心提供坐标信息。其作用主要是为方便驾车出行或车辆调度，减少交通堵塞现象的发生。GPS车载监控系统只能告知车辆的具体位置，却无法“看到”汽车现场的情况。随着汽车安全需求的扩大和电子技术的发展，对车载监控系统的需求也越来越高，其中图像采集和传输是一个非常突出的新需求。因为如果能够对车辆部情况和车辆外部驾驶的情况进行拍照保存并通过GPRS网络回传监控中心，就可以让监控中心准确掌握车辆外部信息，也能够在车辆出现事故时留下图像资料，避免事后取证难而造成争议。具有远程监控和图像传输的车载终端系统应用前景广阔。它可用于运钞车、运油车和运送其他贵重物品的货运车辆，起到防盗、防抢劫的作用；可用于公共汽车、长途大巴等客运车辆，监控是否存在拉客，超员超载的现象，减少交通事故的发生；可用于公安、消防的车辆上，对办案过程录像，以便将来取证；在环境监测车上，它可以记录环境污染现场情况，同时将图像资料实时传输给环境监控中心，便于事后追究相关污染部门责任等等。可见，本课题的研究具有重大的社会效益和经济效益。1.2 汽车监控的国外现状按照显示终端离采集终端距离的远近，车载视频监控系统分为远程视频监控系统和现场视频监控系统。车载监控系统最早的解决方案是采用传统的本地模拟监控系统。由于查询取证十分繁琐，系统的功能简单、可靠性差，根本无法满足车辆运营过程中的特殊要求(颠簸、温度、湿度等)，因此该解决方案很快就淘汰了。随着嵌入式计算机处理能力的提高，车载监控系统逐渐转向数字方式，主要用于监测、记录汽车在行驶中各种状态和数据，在事故发生时能收集音视频资料。目前流行的解决方案是基于MPEG2和MPEG4技术的硬盘录像方式。它具有处理数字化、计算机化，抗震效果大大加强，图像的存储时间也大大延长等显著特点。但此种监控系统仍然是一种本地化的监控系统，由于缺少联网功能，汽车的状态信息无法实时传送给监控中心。随着GSM业务的开通，具有远程监控功能的GSM车载监控系统不断出现。目前我国GSM网络己经覆盖全国，各地短消息系统也互通，这从理论上提供了全国围的覆盖。而且目前GSM终端价格较低，有利于降低系统成本，同时它的蜂窝技术提供了大的用户容量。但GSM网络传送时间不确定，不能全面与时地反映车载的实时信息。这些弱点阻碍了GSM车载监控系统的全面推广。最新的解决方案是基于GPS+GPRS的车载监控系统。GPRS是一种基于GSM系统的无线分组交换技术。提供端到端的、广域的无线IP连接。它以“分组转发”的形式进行数据传送，支持瞬时连接、永远在线，通信费用大大降低。此种系统一般采用先进的GPRS模块、新颖的图像处理芯片、嵌入式网络处理模块等，能实现Internet自动接入，并采集视频图像，通过JPEG算法压缩后利用GPRS无线网络传送至Internet网上的主机，实现GPRS无线网络远程图像的传输。1.3 课题研究的目的随着我国公路覆盖率的不断提高，便利的交通让城市与城市之间的人们来往平凡，促进了各地经济、文化交流。然而也带来了许多的交通隐患，如超载超员，盗窃、抢劫等事件。本论文从以上背景出发，提出了一种基于GPS定位技术和GPRS网络技术的车载终端监控方案。系统采用了集成度高、性能优越的嵌入式处理器芯片，系统在稳定性和可靠性上有了保证，且设备配置少，人机交互界面简洁友好，操作简单。整个系统开发难度较小，周期短，且系统配置可选，容易升级。本监控终端系统能够以低廉的价格达到应用的需求。第二章 GPS、GPRS与USB接口技术与原理2.1 GPS导航技术GPS是英文Navigation Satellite Tinning and Ranging/Global positioning System的字头缩写词Navistar/GPS的简称1。它的含义是利用导航卫星进行测时和测距，以构成全球定位系统。整个系统由美国国防部于1973年开始研究，历经20年，耗资数百亿美元，于1994年投入使用。整个计划分为3个阶段实施。第一阶段为原理方案可行性验证阶段，从1978年到1979年，共发射了4颗试验卫星，建立地面跟踪网。第二阶段为系统的研制与试验阶段，从1979年到1984年，陆续发射了7颗试验卫星，与此同时，研制了各种导航接收机。第三阶段为工程发展和完成阶段，从1989年2月到1994年3月共发射24颗工作卫星，其中包括3颗备用卫星。该系统是继“阿波罗”号登月飞船和航天飞机之后的第三大航天工程。它具有高精度、全天候、全球覆盖能力。全球定位系统的建成，从根本上解决了人类在地球与其周围空间的导航定位问题，从军用到民用，对人类的活动产生了巨大的影响。2.1.1 GPS系统组成GPS系统包括如下三个部分：1GPS卫星和卫星星座全球定位系统的空间卫星星座由24颗卫星(3颗备用卫星)组成。卫星轨道分布在6个轨道面，每个轨道上分布有4颗卫星。卫星轨道面相对地球赤道面的倾角约为55度，各轨道平面升交点的赤经相差60度。在相邻轨道上，卫星的升交距相差30度。轨道平均高度约为20200千米，卫星运行周期为n小时58分。因此，在同一观测站上，每天出现的卫星分布图形一样，只是每天提前4分钟。每颗卫星每天约有5个小时在地平线以上，同时位于地平线上的卫星数目，随时间和地点而异，最少4颗，最多可达n颗。空间部分的3颗备用卫星，可在必要时根据指令代替发生故障的卫星，这对于保障GPS空间部分正常而高效的工作是极其重要的。GPS卫星的主体呈圆柱形，直径约为1.5米，重约774千克，两侧设有两块叶太阳能板，能自动对日定向，以保证卫星正常工作用电。每颗卫星装有4台精度原子钟，这是卫星的核心设备。它将发射标准频率信号，为GPS定位提供精度的时间标准。GPS卫星主要用于接收和存储由地面监控站发来的导航信息接收并执行监控站的控制指令，向用户发送定位信息。卫星上设有处理器系统进行必要的数据处理工作。2GPS地面监控系统GPS的地面监控部分由分布在全球的5个地面站组成，其中包括卫星监测站，主控站和信息注入站。现有5个地面站均具有监测站的功能。监测站是在主控站直接控制下的数据自动采集中心。站设有双频GPS接收机，高精度原子钟，计算机和环境数据传感器。接收机对GPS卫星进行连续观测，以采集数据和监测卫星的工作状态。原子钟提供时间标准，而环境传感器收集有关当地的气象数据。所有观测资料由计算机进行初步处理，并储存和传送到主控站，用以确定卫星的轨道。主控站一个，设在美国本土科罗拉多斯平士的联合空间执行中心2。主控站除协调和管理地面监控系统工作外，其主要任务是根据本站和其他监测站的所有观测资料，推算编制各卫星的星历，卫星钟差和大气层的修正参数，并把这些数据传送到注入站。各测站和GPS卫星的原子钟，均应与主控站的原子钟同步，或测出其间的钟差，并把这些钟差信息编入导航电文，送到注入站。主控站还负责调整偏离轨道的卫星，使之沿预定的轨道运行以与启用备用卫星，以代替失效的工作卫星。注入站现有三个，分别设在印度洋的迭戈加西亚，南大西洋的阿松森岛和南太平洋的卡瓦加兰。注入站的主要设备包括一台直径为3.6米的天线，一台C波段发射机和计算机。其主要任务是在主控站的控制下将主控站推算和编制的卫星星历、钟差、导航电文和其他控制指令等，注入到相应卫星的存储系统，并检测注入信息的准确性。3GPS用户接收设备GPS的空间部分和地面监控部分，是用户应用该系统进行定位的基础，而用户只有通过用户设备，才能实现应用GPS定位的目的。根据GPS用户的不同要求，所需的接收设备各异。随着GPS定位技术的迅速发展和应用领域的日益扩大，许多国家都在积极研制开发适用于不同要求的GPS接收机与相应的数据处理软件。用户设备主要由GPS接收机硬件和数据处理软件，以与微处理机与其系统设备组成。GPS接收机的硬件，一般包括主机，天线和电源，主要功能是接收GPS卫星发射的信号，获得必要的导航和定位信息与观测量，并经简单数据处理而实现实时导航和定位。GPS软件部分是指各种后处理软件包，用来对观测数据进行精加工，从而获得精密定位结果。GPS系统组成图如图2.1所示。空间部分：提供星历和时间信息发射伪距和载表信号提供其它辅助信息用户部分： 接收并测卫星信号 记录处理数据 提供导航定位信息地面控制部分： 中心控制系统 实现时间同步 跟踪卫星进行定轨图2.1 GPS 系统的组成2.1.2 GPS定位原理GPS定位的基本原理是：将物体的瞬间立体目标的位置坐标(X，Y，Z)用已确定的相距距离的已知参考点所发出的极其精确的无线电脉冲时钟源来测定，然后利用地面接收器中己存入的由高等解析几何所构成的模型，建立三维位置量和一个时间量的算法方程。GPS为全球用户提供了非常精确的三维定位坐标信息速度信息、时间和频率参考，它以4个卫星射频信号的时间测量为基础，整个卫星系统平台由21颗工作卫星和3颗备用卫星组成，卫星呈现出55度倾角，均匀分布在6个近圆轨道，轨道运行周期为11小时58分钟，轨道半径为26560公里，这些轨道卫星每日重复同样的地面轨迹。因此，在地球上任何地方的用户都可以在其地平线上方5度围见到至少4颗卫星。通过接收来自一个卫星的信号，用户在获知其具体位置和高稳定度的频率标准的基础上，可以确定GPS的时间和频率参数。卫星载波信号以两个L波段频率(1227.6MHZ和1575.42MHZ)发射，以便可以修正信号的时延，信号分别用P码和C/A码调制。P码用于精确的时间测量，C/A码使信号易于锁定。由于卫星的位置精确可知，GPS接收机可通过接收观测围的几个卫星，可以得到几个关于伪距的方程（公式2-1）。假设t时刻(t为地面待测点的未知时钟)在地面有一未知点(坐标为x，y，z)，可以“看到”卫星A(x1，y1，z1)、B(x2，y2，z2)、C(x3，y3，z3)、D(x4，y4，z4)，卫星坐标由卫星导航电文获得；可以收到卫星的时钟 (2-1)信号t1、t2、t3、t4、；d1、d2、d3、d4为卫星A、B、C、D到地面(x，y，z)的距离，c为光速，这样可以确定以下4个方程，由以这4个方程即可解算出待测点的坐标(x，y，z)和接收机的时间t。人们通常把利用GPS技术，用于车辆定位功能的硬件和软件的融合体称为车载GPS定位终端。但这仅仅把定位信息采集到了车载终端上，并没有把定位信息上传到报替中心或者车载GPS用户手上。因为GPS接收机本身只是被动地接收GPS卫星输出的信号，所以要想真正完成车载GPS定位的功能，车载GPS系统中还必须包括有通讯网络，通过通讯网络把卫星定位信息发送到指定计算机设备，再由计算机解析收到的信息，最终在电子地图上显示车辆位置，这样就实现了车载GPS的定位监控功能。2.2 GPRS网络技术GPRS (General Packet Radio Service，通用分组无线业务)是一种采用分组交换技术传输数据与信令的高效率数据传输方式3。GPRS是区别于原有GSM电路交换方式的另一种数据传输方式，GPRS是区别于原有GSM电路交换方式的另一种数据传输方式，它利用存储转发原理，把不同终端的数据分割成等长标准数据格式，通过非专用的逻辑子信道进行数据快速交换，即将信息分成数据分组或信息包，再加上目的地址、分组编号、控制比特等的分组头，沿不同路由进行传送，接收端按照分组编号重新组装成原始信息。2.2.1 GPRS网络技术特点与原有GSM的数据业务相比，GPRS具有以下优势4：1资源利用率高：GPRS引入了分组交换传输模式，使得原有采用电路交换模式的GSM数据传输方式发生了根本性变化。电路交换模式中，用户无论是否传送数据在整个连接期都独自占有无线信道。而对于分组交换模式，用户只有在发送或接收数据期间才占用资源，意味着多个用户可高效率地共享同一无线信道提高了资源利用率。GPRS用户的计费以通信的数据量为主要依据，GPRS用户的连接时间可能长达数小时，却只需支付相对低廉的连接费用。2传输速率高：GPRS可提供高达115kbit/s的传输速率(最高值为171.2kbit/s)GPRS用户能和ISDN用户一样快速地上网，同时也使一些对传输速率敏感的移多媒体应用成为可能。3接入时间短：分组交换接入时间缩短为少于1秒，能提供快速即时的连接可大幅度提高事务效率，可使Internet应用操作更加便捷流畅。4支持IP协议和X.25协议：GPRS支持因特网上应用最广泛的IP协议和X.25协议。可充分利用现有的、覆盖全国围的GSM网络，方便、快速地为用户数据终端提供远程接入网络的部署。5提供实时在线功能“always on line，只要激活GPRS应用，将永远保持在线，不存在掉线问题。用户可以始终处于在线状态，使得访问服务变得简单、快速。6按流量计费，GPRS用户只有在发送和接收数据时才需要占用资源，用户可以一直在线，按照用户发送和接收的数据包量进行收费。7应用开发方便，直接支持TCP/IP。可见，GPRS既适用于间断的、突发性的或频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。现在，GPRS大量应用于互联网访问、多媒体短信、视频业务、E-mail业务与无线远端遥控。2.2.2 GPRS系统构成GPRS网络是基于现有的GSM网络来实现，同时引入了一些新的功能模块和改进：1网关支持节点(Gateway Supporting Node GSN)。2点对多点服务中心(Point-To-Multipoint Service Center，PTM-SC)。3边界网关(Boarder Gateway，BG)4改进基站子系统BSS：在基站控制系统(BSC)上增加硬件单元PCU(PacketControl Unit)，在基站发射系统上增加软件单元CCU(Channel Codec Unit)。5其它设备：本地位置寄存器HLR、访问位置寄存器VLR、移动交换中心MSC，SMS-GMSC和SMS-IWMSC等GSM系统原有无线管理设备被升级以支持相应的与GPRS有关的功能。GSN(Gateway Supporting Node)是GPRS网络中最重要的网络节点。GSN具有移动路由管理功能，它可以连接各种类型的数据网络，并可以连到GPRS寄存器。GSN可以完成移动终端和各种数据网络之间的数据传送和格式转换。GSN可以是一种类似于路由器的独立设备，也可以与GSM中的MSC集成在一起。GSN有两种类型：GPRS网关支持节点GGSN(Gateway GPRS Support Node)和GPRS服务支持节点SGSN(Serving Gateway Support Node)。GGSN主要是起网关作用，提供GPRS与外部数据网之间的传输通路，进行移动用户与外部数据网之间的数据传送。它可以和多种不同的数据网络连接，如ISDN(Integrated Services Digital Network)，PSDN(Packet Switched Data Network)和LAN(Local Area Network)等。SGSN的主要作用是记录移动终端的当前位置信息，并且在移动终端和GGSN之间完成移动分组数据的发送和接收。新引入的网络单元分别归为无线部分和数据部分两类，PCU属于无线管理部分，SGSN属于无线管理和数据管理公用部分，GGSN属于数据管理部分。其他一些辅助单元虽然在GPRS系统中未给出定义，但在数据网络中必不可少，如域名解析服务器DNS，动态地址分配服务器DHCP，网络时间协议服务器NTP 等等。系统构成如图2.2所示。图2.2GPRS系统结构图2.2.3GPRS技术在远程监控系统中的应用在GSM规中，GPRS数据业务通常分为两大类，即点对点业务和点对多点业务。而实际应用中人们常常把GPRS业务分为横向应用和纵向应用。横向应用主要是面向消费者的电子，web浏览等;纵向应用主要面向安防系统，远程监控，任务调度等集团客户的远程数据传输业务。GPRS技术以它实时在线、覆盖围广、建设周期短和高数据传输速率等优点在远程监控系统中得到了广泛的应用，主要完成被监测数据的远程无线传输。目前在配电网参数监测、环保监测、远程故障诊断、图像传输、车辆调度、远程医疗等领域都有GPRS的应用。而且GPRS技术在远程监控系统中的成功应用对系统的实时监控管理和灵活部署提供了更好的方案;解决了传统监控方式由于缺少远程通讯，无法实现大规模集中监控的问题，所以说GPRS业务在远程监控系统中的应用有很大的市场前景和发展潜力。2.3 USB接口技术USB是由Intel，Compaq，Digital，IBM，Microsoft，NEC，Northern Telecom等七家世界著名的计算机和通信公司共同推出的新一代接口标准。由于USB具有传输速率高、扩展方便、可以热插拔、支持PNP等优点，迅速得到了众多PC厂商和半导体厂商的大力支持，外设向USB过渡成为必然的趋势。2.3.1 USB简介USB是为了解决日益增加的PC外设与有限的主板插槽和端口之间的矛盾而制定的一种串行通信标准，现在台式PC和便携式PC中几乎都配备了USB接口，而且流行的操作系统都支持USB功能。USB系统的基本硬件和基本软件如表2.1所示。表2.1 USB系统基本构成基本硬件基本软件USB主控制器/根集线器USB集线器USB设备USB设备驱动程序USB驱动程序USB控制器驱动程序2.3.2 USB的基本特点1速度快。USB1.1支持高速和低速两种方式：12Mbps和1.5Mbps，分别满足不同设备的需要。最新推出的USB2.0速度可以达到480Mbps。2扩展方便。在USB设备上通常应该有USB下行端口，也有专用的集线器。这种扩展方式使USB能够驳接多个USB外设。通常用这种方式每个PC的USB端口最多可以扩展127个外设。USB系统一般采用星型拓扑结构，如图2.3所示。3自动检测和配置外围设备。4支持即插即用方式，支持热插拔。5供电方式灵活。USB设备有两种供电方式：总线供电和自供电。并且支持设备的挂起和唤醒。图2.3 USB拓扑结构6四种传输类型：中断传输(Interrupt)、控制传输(Control)、块传输(Bulk)和同步传输(Synchronization)，满足不同设备的需要。第三章 系统总体设计方案3.1系统工作原理与需求目前，基于GPS的车载监控系统主要由车载监控终端、无线通信链路和远程监控系统三部分组成5。车载监控终端主要功能是将移动目标的动态位置(经度和纬度)、时间和状态等信息，通过无线通信链路传送至监控中心，而后在具有强大的地理信息查询功能的电子地图上进行移动目标运动轨迹的显示，并对目标的准确位置、速度、运动方向和车辆状态等参数进行存储，便于以后查询。监控中心也可主动查询监控车辆的准确位置和车辆状态等。车载监控系统结构如图3.1所示。图3.1 车辆监控系统结构图本课题提出的车载监控终端解决方案具备图像捕获功能，能为监控中心的调度管理提供可视化依据，提高车辆的运营效率，并确保车辆的安全。其设计目的是为有效监控客运车辆的超载超员现象、减少车犯罪事件数量。由于有客运行业的特殊性，车监控终端需要具备以下功能。1主动监控，实时拍照功能拍照功能是车载终端的核心功能，当客车上下客时，车门打开，会立即启动安装在车门顶端的摄像头拍照，记录下上下车乘客的体貌特征，图像数据经压缩传送给监控中心。车门关闭时，图像采集停止。2远程报警、求助功能。当客车出现盗抢或者乘客需要医疗救治等紧急情况时，工作人员可启动车载监控终端手动拍照并给远程监控中心。终端也可对车环境录音，图像和语音资料都可保存在终端存储介质上，作为事后的证明材料。3支持远程查询功能监控中心可随时向车载监控系统发送命令，获取车辆坐标信息和车图像信息，可监督司乘人员的工作态度和服务质量，即时了解各线路的上座率情况，同时对司乘人员起到有效的监督制约作用。3.2 车载监控终端硬件设计方案随着计算机技术的不断发展，嵌入式微处理器性能的不断提高，嵌入式系统也得到越来越广泛的应用。将嵌入式系统与其设计方法引入车载监控终端设计之中，不仅可以大大提高车载监控终端的实时性和可靠性，节约成本，而且由于软件的可移植性强，可以在不改变系统硬件的基础上，方便车载监控终端地升级换代。同时也大大缩短了系统设计与调试的时间，提高了工作效率。考虑嵌入式系统具有的上述优点，主控制器选用了嵌入式处理器。表3.1给出常见的嵌入式处理器6。表3.1常见嵌入式处理器比较处理器类型处理器价格主要性能与应用ARM低低功耗，适合于个人便携式设备MIPS高用于交换机、路由器，plays station等高端嵌入式设备Power PC高通信主网络等设备；单位附加值高，市场小，特别是对性能有较高要求时，应用于高端嵌入式中由于设计的是终端产品，所以性价比是必须重点考虑的，结合系统自身的特点，最终选用Samsung公司的处理器S3C2410X作为主控制器。S3C2410X部集成了ARM920T处理器核的32位微控制器、IIS总线接口、2个USB host接口，一个USB slave接口，3路UART接口。在第四章将对该处理器的结构和功能特点做详细的介绍。由于USB技术在PC领域的广泛使用，USB接口的摄像头已经非常普遍，价格也非常便宜，而且容易购买。并且当前市场上已有超过一百万象素的摄像头，足以满足苛刻的监控质量的要求，所以经过充分的调研最后决定采用USB摄像头。根据车载监控终端需求，本课题扩展了Flash存储器，选用一片K9F1208U0M构成64MB Nand Flash空间，作为图像、语音信息存储介质与程序固化设备。选用两片SDRAM芯片K4S561632C构成64M的部存储空间。在开发板上扩展了两个UART口，分别连接Garmin GPS接收机模块和SEMENS的MC35i GPRS模块。在USB HOST端口上外接一个30万像素的USB摄像头。在数字音频的输入接口上接一个话筒。在人机交互方面，利用处理器的两个GPIO引脚，外接按键。模拟车门开闭状态和手动启动图像采集的需求。归纳一下，嵌入式车载监控终端主要由主控制器、车载定位模块、车载无线通信模块、图像采集模块、语音录入模块构成，具体硬件结构如图3.2所示。GPS模块图3.2 车载监控终端硬件组成第四章 系统硬件平台构成车载监控终端总体上可以分为四大部分：S3C2410X处理器、存储系统、外围设备模块和调试系统。处理器负责指令的运行和响应其它硬件模块请求。SDRAM作为系统的运行存，用作程序的运行空间、数据与堆栈区；FLASH介质用于存储操作系统和应用程序等；JTAG口、USB口、串口都可做调试接口。GPS模块和GPRS模块通过串口与处理器相连，GPS将接收到的定位数据通过串口传送给处理器，GPRS模块用来发送数据到GPRS网络上去。USB摄像头通过USB接口与处理器相连。整个车载监控终端硬件平台构成由图4.1所示。由于在嵌入式系统中，硬件平台起着基础作用，任何软件的开发都是基于一定的硬件平台并在其上发生作用的。其中处理器在硬件平台中处于核心地位，处理器性能的优劣直接影响着系统的执行效率，同时处理器对外提供各种功能接口供开发者编程使用，本章将着重介绍本系统硬件平台中涉与到的主要硬件资源。图4.1 车载监控终端4.1主控制模块(ARM9)综合考虑，本系统选用Samsung公司的ARM9芯片S3C2410X。S3C2410X的最高工作频率可达203MHZ，为手持设备和一般类型应用提供了低价格、低功耗、高性能小型微控制器的解决方案。该处理器采用0.18umCMOS制造工艺，部采用了新的Advanced Microcontroller Bus Architecture(AMBA)总线(AMBA2)。通过提供一整套完整的通用系统外围设备，S3C2410X大大降低了整个系统的成本，消除了为系统配置额外器件的需要。S3C2410X中集成的以下片上功能：1.8V伏核供电，3.3V存储器供电，3.3V外部I/O供电。具备16KB的I-Cache和16KB的D-Cache/MMU。外部存储控制器(SDRAM控制和片选逻辑)。LCD控制器(最大支持4K色STN和256K色TFT)提供1通道LCD专用DMA。带有外部请求引脚的4通道DMA。3通道UART(IrDA1.0，16字节发送FIFO，16字节接收FIFO)/2通道SPI。1通道多主IIC-BUS/1通道IIS-BUS控制器。兼容SD主接口协议1.0版和MMC卡协议2.11版。2端口USB主机/1端口USB设备(1.1版)。4通道PWM定时器和1通道部定时器。看门狗定时器。117个通用I/O口和24通道外部中断源。功耗控制模式：具有普通，慢速，空闲和掉电模式。8通道10比特ADC和触摸屏接口。具有日历功能的RTC。具有PLL片上时钟发生器。S3C2410X部结构图如图4.2所示。图4.2 S3C2410X部结构图4.1.1 USB接口S3C2410X置USBl.l Host控制器具有以下特性7：完全兼容USB1.1协议完全兼容OHCI 1.0支持低速（1.5MB/S）和全速（12MB/S）的USB设备S3C2410X开发板提供了两个USB HOST接口，可支持U盘、USB摄像头等多种USB设备，但使用不同的设备需要开发相应的设备驱动。开发板还提供了一个USB DEVICE接口，可以下载数据。4.1.2 UART接口S3C2410X部具有3个独立的UART控制器，每个控制器都可以工作在Interrupt(中断)模式或DMA(直接存访问)模式，也就是说UART控制器可以在CPU与UART，控制器传送数据的时候产生中断或DMA请求。并且每个DART均具有16字节的FIFO(先入先出寄存器)，支持的最高波特率可达到230.4Kbps。图4.3 RS232C串口接线GPS和GPRS模块与S3C2410X开发板按照RS-232C标准采用交叉串口线相连接，如图4-3所示。RS-232C是一种标准接口，D型插座，采用25芯引脚或9芯引脚的连接器。开发板采用9芯引脚连接器，9芯串行接口引脚含义表如表4.1：表4.1 芯串行接口引脚含义表引脚号功能引脚号功能1接收线信号检测(载波检测DCD)6数据通信设备准备就绪(DSR)2接收数据线(RXD)7请求发送(RTS)3发送数据线(TXD)8清除发送4数据终端准备就绪(DTR)9振铃指示5信号地(SG)用RS-232总线进行通信，需外接电路实现电平转换。在发送端需要用驱动电路将TTL电平转换成RS-232C电平，在接收端需要用接收电路将RS-232C电平转换为TTL电平，电平转换器采用MAX232芯片，该芯片使用单一+5V电源供电实现电平转换。4.1.3通用I/O口S3C2410X提供了117个通用I/O端口，用户可根据设计需要，将每个端口配置为输入模式、输出模式或特殊功能模式，由片的特殊功能寄存器控制8。在该系统的设计中，选用了GPF3口，选择为中断功能模式(EINT3)，用于控制车门的关与开；选用了GPF4口，选择为中断功能模式(EINT4)，用于手动启动视频采集并将采集图像回传监控中心。4.1.4 I2S音频接口I2S(Inter-IC Sound)总线是Philips公司提出的串行数字音频总线协议。它是一种面向多媒体的音频总线，专用于音频设备之间的数据传输，为数字立体声提供序列的连接至标准编解码器。I2S总线只处理声音数据。其他信号(如控制信号)必须单独传输。为了使电路的引出引脚尽可能少，I2S只使用了3条串行总线：提供分时复用功能的数据线、字段选择线和时钟信号线。S3C2410X置I2S总线接口，可直接外接8/16比特的立体声CODEC，可提供DMA传输模式，以同时发送和接收数据。本设计选用Philips的UDAl34l型音频CODEC。该CODEC支持S总线数据格式，采用位元流转换技术进行信号处理，具有可编程增益放大器(PGA)和数字自动增益控制器(AGC)。4.2GPS模块在车辆监控系统中，系统定位模块一般采用GPS OEM板，即GPS接收机。据GPS World杂志2006年最新调查报道表明，现在全球有90余家接收机生产制造厂家，共有800多种型号的接收机进入商用市场。这些接收机产品性能稳定、体积小、耗电省、使用方便等优良性能；单点定位精度1025m；无SA时实时差分定位精度3-5m；功耗小于1w；工作环境温度可达-30+80。上述性能己能很好地满足普通车辆监控系统的要求。GARMIN的GPS OEM产品均为12通道的GPS接收机，也就是同时可以跟踪多达12颗GPS卫星，从而能够快速的定位。GARMIN的GPS接收机功耗非常小，数据更新率为每秒一次，其优良的性能既能够满足陆地导航的灵敏度需求，也能够满足飞行器的动态需求。在设计上，这些GPS接收机使用了最新的科技和高水平的电路集成技术，在达到高性能的同时减小了体积和功耗。其中全部的重要元器件，包括RF/IF接收机硬件和数字基带部分，都是由GARMIN来设计和生产的，以保证其质量和性能。GARMIN的GPS接收机OEM板从硬件和软件上都十分易于使用，非常适合做系统集成。最简单的系统，除GPS外还要包括外部电源和GPS天线。与GPS系统的通讯可以通过RS232或CMOS电平的串行口来实现。GPS接收机OEM板中可以将卫星轨道参数、上次定位位置、时间和日期等数据保存在静态存储器，接收机部有备用电池来为存储器供电。在嵌入式车载监控终端系统中，从价格、功耗、体积、抗干扰能力等方面比较，本课题选择了GARMIN GPS15L。GPS15L接口特性如表4.2所示：GPS15L主要特性为：跟踪性能：并行12通道定位时间：热启动15秒；冷启动45秒；重新捕获2秒；自动搜索300秒单点定位：15米时间精度：100ns 1PPS输出精度（只适用于15L/15H），脉冲宽度20ms-980ms可调速度精度：0.05米/秒动态性能：速度515米/秒；加速度6g；高度18,000米数据更新率：1次/sec1次/900sec可调RS232电平输出速率：300、600、1200、2400、4800、9600、19200bps用户可选物理尺寸：GPS15L：34457(毫米)重量：GPS15L：14克工作电压：3.3V5V (GPS 15L)工作温度：-3080储存温度：-4080表4.2 GPS15L接口说明管脚名称描述1备用电源为部的静态存储器和时钟供电。OEM板的电池可以维持大约21天。输入电压必须为直流+2.8V+3.4V。2地电源地和信号地3电源电压3.35.4V；电流峰值100mA，标称值85mA。4串口1（出）异步串行数据输出。RS-232电平，提供NMEA 0183版本2.0或3.0的数据。该口也可以设置为输出相位数据。波特率从30038400可选，默认值为4800。5串口1（入）异步串行数据输入。RS-232电平，最大输入电压围为-25V+25。该输入口也可以直接与有RS-232极性的标准的3到5V的CMOS逻辑电平连接，要求低电压小于0.6V，高电压大于2.4V。最小负载阻抗是500。该口主要用于接收对OEM板的初始化信息和配置信息。6射频偏压为天线供电的外部电压输入。（目前没有开启）7秒脉冲上升沿与GPS秒同步，电压升降时间100ns，阻抗250。开路输出电压为，低电压0V，高电压Vin。高电平持续时间从20ms980ms可调。接50负载后输出450mVp-p信号。对于在50%电压点测得的秒脉冲时间，接50负载后将比空载提前15ns。8串口2（入）接收RTCM SC-104版本2.2的GPS差分信息。4.3GPRS通讯模块客户端为了利用GPRS网络进行通讯，必须选择适当的移动终端(即MT，Mobile Terminal)来接入GPRS网络。目前常用的移动终端有两种形式：一种是完全做好的GPRS Module成品，提供了串行接口，用户不必关心硬件实现，只需通过串口向模块发送指令就可以完成所有功能；另一种是提供手机芯片，用户自行购买外围器件并自己设计电路。本课题采用了第一种方案，在器件选择方面，目前市场上可选用的通讯模块种类繁多，主要有SIEMENS的TC系列、MC系列、SIMCOM公司的SIM系列，以与WAVECOM公司的Q系列等。本系统设计中所采用的通讯模块是SIEMENS公司生产的MC35i。MC35i集成了完整的射频电路和GPRS的基带处理器，可直接作为终端产品进行语音和数据的传输。用途非常广泛。同时它还提供了完整的GSM和GPRS的无线接口。用户可通过RS-232串口与自己的无线应用系统相连。并使用标准的AT指令对它进行控制，同时把它采集到的信息由GPRS网络传输到数据中心。其主要的组成部分有：GSM基带处理器(包括模拟基带和数字基带)、GSM射频电路、存储器、电源和功率控制电路、系统器。MC35I模块可实现GSM的所有功能，其中包括GSM规所要求的语言编解码、信道编解码、加密与解密、均衡等。它还实现了对3V SIM卡的接口、对校准数据的存储。此外MC35i主板还有另外两个外部接口：40引脚的系统器和SMB插座。现将各部分功能简单介绍如下9。GSM基带处理器包括两个芯片：数字基带芯片和模拟基带芯片。它们共同完成GSM基带信号处理功能。数字基带芯片处理器核与相关接口对外部设备进行驱动和管理。GSM基带处理器上运行GSM的应用软件和协议，并提供一个UART口与用户应用系统进行通讯。射频电路和SMB插座：射频电路提供GSM900/1800MHz双频段的收发通道，包括接收电路、发射电路、频率合成电路以与相应的控制电路。射频信号通过SMB插座与外接天线相连。电源和功率控制电路：模拟基带芯片部包括多组低压差输出(LDO)电压调整模块，为数字基带芯片与其他外部设备提供电源。功率控制电路主要用于控制射频电路的发射功率。系统器：系统 器是MC35i与应用系统的接口，主要提供外部电源、RS-232串口、外接SIM卡和音频接口。可选用配件数据电缆与PC机相连。表4.3给出了MC35i的相关技术参数。表4.3 MC35i相关技术参数双频波段：EGSM900MHZ和DSC1800MHZ ：自动 group3（class1&2）输输出频率：Class4(2w)GSMMHZClassl(lw)GSM1800MHZ数据传输：GPRS Class B(85.6kbps)译码方式：CS1，2，3，4模块支持AT命令集CSD最大达到14.4kbps通讯接口：RS232(数据和指令双向传输)不透明模式电源围：3.3V4.8VV.110空闲模式：25mA工作电流模式：通话模式：300m省电模式：100mA休眠模式：3.5mASMS：点对点Mo to MT短消息区域广播数据传输方式：文本和PDU格式尺寸：54.Smm*36mm*83.6mm语音：最高速率升级速率半速率重量：9g温度系数：工作温度：-20+55存储温度：-40C+85C接口：40pin ZIF器SIM 3V自动波特率GSC制式匹配阻抗50欧姆(GSC 50HM)附加服务：簿管理功能报警服务响铃服务双频音频功能呼叫转移固定呼叫4.4 OV511摄像头本课题采用的是网眼V2000摄像头，它采用USB接口，不需要视频卡，可即插即用，使用方便。具有快速成像、图像质量高、成本低和通用性好的优点。其图像传感器和主控芯片为Omni vision公司的OV7620和OV511。OV7620是美国Omni vision公司生产的一款高集成度高分辨率图像传感器，它将所有摄像功能和矩阵处理功能都集成在片上。OV7620是完全可编程的数字单片摄像器件，其像矩阵为640480象素(30万像素)，也可按320240象素输出GIF图像格式(8万像素)。片上A/D转换器可提供8位或16位并行数字输出，并100%符合CCIR601/656规。可以利用OV7620的SCCB(Serial Camera Control Bus)接口来对OV7620完成进行有关设置和读取图像数据。OV511是Omni Vision公司生产高性能摄像机到US接口单片控制芯片，它极简化了单片CMOS图像传感器和USB的接口，其片上增加256kDRAM和一个USB收发器，可以很容易地构成基于USB的视频子系统。OV511最大视频传输速度的设计，使得系统能够以更加实时的方式获取大量的视频信息。片高性能专用压缩引擎可以达到7:1的压缩比，保证了从图像传感器到主控制器的快速图像传输，从而减少了低带宽应用常会出现的图像跳动现象。快速的准同步FIFO保证了压缩后视频图像从压缩引擎到USB的高速传输。4.5 基于JPEG库的图像压缩数字图像的数据量非常庞大，如一帧分辨率为640480的图像，Y:U:V为4:2:2，若以8比特表示Y信号，则每像素占16Bit。不加压缩，一幅图像的数据是614400Byte，那么对于一个中等容量的电子硬盘，128M的空间只能存放208图片。因而，如果图像不经过压缩而直接存储和传输，将带来严重的空间消耗和网络负载。图像压缩的目的就是在保证一定的图像质量和满足一定要求的前提下，减少图像数据量，达到通过网络进行实时传输的要求。图像数据可以进行压缩有以下几方面原因：首先，原始图像数据是高度相关的，存在很大的冗余度。数据冗余造成比特的浪费，消除这些冗余可以节约码字，也就是达到了数据压缩的目的。大多数图像相邻像素之间有较大的相关性，这称为空间冗余度。序列图像前后帧之间有较大的相关性，这称为时间冗余度。数据冗余造成比特数浪费，消除这些冗余就可以节约码字，也就达到了数据压缩的目的。其次，若用一样码长表示不同出现概率的符号也会造成符号冗余度。如果采用可变长编码技术，对出现概率高的符号用短码字、对出现概率低的符号用长码字表示，就可消除符号冗余度，从而节约码字。另外，允许图像编码有一定的失真也是图像可以压缩的一个重要原因。在许多应用场合，并不要求经压缩与复原以后的图像和原图完全一样，可以允许有少量失真。只要这些失真并不被人眼所察觉，这就给压缩比的提高提供了十分有利的条件。图像质量允许的损失愈多，可以实现的压缩比就愈大。这种有失真的编码称为限失真编码，在多数应用中，人眼往往是图像信息的最终接收者(信宿)。如果能充分利用人眼的视觉特性，就可以在保证所要求的图像主观质量的前提下实现较高的压缩比，这就是利用了视觉冗余度10。目前常用的压缩标准有静止图像压缩标准(JPEG/JPEG2000)，动态图像压缩标准(H.261)，动态图像压缩标准(MPEG-1)，MPEG-2/H.262，MPEG-4/H.263多媒体容描述接口(MPEG-7)等，本