基于PXA255的PDA交通管理系統在Linux環境下的實現

    關鍵詞：PDA 嵌入式Linux 內核

隨著城鄉經濟建設發展，城市交通也得到很大發展但迅速增長的機動車輛與發展相對滯后的城市道路之間不配套矛盾日益突出。利用計算機控制和處理的電子警察系統，通過對違章車輛自動監督，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，提高交通執法準確性和效率。但是，這種系統在實用中尚存在一些問題：

(1)電子警察系統與交通管理系統需要專用光纖聯結，造價高，施工難度大。

(2)圖像數據大，在網絡中傳輸速度慢。

基于以上缺點，本文提出一種PDA無線交通管理系統。在電子警察系統中，攝像機拍攝違章車輛的圖像，車輛圖像數字化后送給PDA處理。具有高速處理器芯片PXA255的PDA對車牌字符進行識別，對車輛顏色進行提取和識別，對車輛類型進行識別。然后，PDA把違章車輛的車牌號碼、顏色和車型、違章車輛速度和闖紅燈時間等數據通過GPRS通信，送給無線接人裝置。無線接入裝置把這些數據傳給Internet，Internet再把這些數據傳給交通管理系統數據中心。

近年來，個人數字助理PDA(Personal Digital Assistant)是繼筆記本式計算機、小型掌上計算機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點。在發達國家，PDA早已成為便利的移動信息產品。最新的PDA手機集移動電話、PDA、電子辭典和網絡等功能于一身，特別是具有傳真、收發電子郵件、上網瀏覽等功能。PDA具有超大高畫質顯示屏、體積小、重量輕等優點，可以以無線方式接人局域網或者Internet，輕松地訪問網絡數據庫，也可以以有線方式直接上網。所以，PDA必將在交通管理系統中得到廣泛應用。

Linux具有高效性、開放性、安全性。選用Linux作為操作系統。

    在PDA交通管理系統中，可以把違反交通規則車輛號碼、顏色等資料經過PDA處理后，以數字數據形式上傳給交通數據管理中心。PDA上傳的數字數據，與原電子警察系統上傳的圖像數據相比，具有傳輸速度快的優點。交通管理系統可以及時得到違章車輛信息，從而更好地對交通系統進行管理，更好地保證交通管理系統正常運作。在該系統中，采用PDA和無線接人裝置，把違章車輛的數據直接送給Internet。這樣可以充分利用目前無處不在的Internet，降低建造系統的施工難度，減少建造經費。

1 電子警察與PDA系統

電子警察與PDA系統如圖1所示。

在該系統中，當車輛闖紅燈時，地感線圈感應到車輛信號，檢測器被觸發，并通過I／O接口板向控制主機發出1個開關信號，由信號燈控制器發出"紅燈"信號也通過I／O接口板向計算機發出1個開關信號，兩者同時具備時，控制主機給攝像機發出1個控制信號。攝像機動作，拍攝違章車輛圖像。車輛經過檢測線圈時，控制主機檢測車速，同時記錄闖紅燈時間。由于PXA255處理器運行速度高，它能滿足高速處理圖像數據的要求。具有PXA255處理芯片的PDA可以根據數字化后的車輛灰度圖像，對車輛顏色進行提取和識別，對車牌類型進行分類，對車輛字符進行識別。車輛字符識別系統包括圖像二值轉換，圖像差分、濾波與平滑，車牌定位與旋轉，字符切割，字符識別，車牌顏色提取與識別和車牌分類等功能模塊。違章車輛速度和顏色、闖紅燈時間、違章車輛類型和經過識別的車牌字符等信息， 由PDA以數據信號形式發送給無線接入裝置。

2 PDA交通管理網絡系統

該系統的結構如圖2所示。

無線接入裝置接入的PDA信息，通過Internet網送給交通數據管理中心。該體系結構主要功能是：

(1)支持PDA接入，把PDA的數據以無線通信方式接收到無線接入裝置中；

(2)保證數據經過公共GPRS網絡和Internet時的安全，根據無線終端設備特點(如屏幕大小、所使用的瀏覽器等)進行數據格式自動轉換，以得到最優化數據的顯示；

(3)與后臺交通管理數據庫應用集成。該體系結構基于數據庫和無線通信，配合相關服務器和第三方產品(如路由器和防火墻等)，組成一個端到端的安全解決方案。

圖2

3 PXA255及其應用

Intel PXA255處理器符合工業產品應用標準，符合工業上倡導的MIPS／mV性能設計要求。這個處理器將一個復雜集成電路合成在一塊芯片上，采用Intel XscaleTM微結構體系框架，具有許多外圍接口，功能強大。PXA255具有嵌入式處理器的優點，可廣泛應用于便攜式裝置、網絡設備中。其信號流程圖如圖3所示。

圖3中RTC為實時控制，OS Timer為振蕩器的定時器，PWM為脈寬調節器。I2C(Inter-Integrated-Circuit)總線單元提供一個兩腳串行通信口，其中SDA數據腳提供給數據線和地址線，SCL時鐘腳控制時鐘。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不能同時應用。UART(Universal asynchronous Receiver／Transmitter Serial Ports)異步接收／發送端口支持三種異步接收／發送UART模式。NSSP(Network Synchronous Serial Protocol)為網絡同步串行端口，SSP為同步串行端口。SlowIrDA(Slow Infrared Data Association)為慢速紅外線通信端口，FastIrDA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32位處理器；

(2)Intel XscaleTM內核采用ARM*Version 5TE型指令結構，其中T指Thumb指令集，E(DSP-Enhance)指加強的DSP指令集，能進行整數和浮點數處理。

(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是一個高性能、低價格、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，上網速度更快。

4 嵌入式Linux的應用

4．1 嵌入式Linux

高端嵌入式系統要求許多高級的功能，如圖形用戶界面和網絡支持。很多高端RTOS供應商已經提供了這些功能，但其價格較高。微軟的Windows CE有此類功能，但不具備大多數嵌入式系統要求的實時性能，而且難以移植。以DOS為基礎用單獨的第三方工具拼湊成一個操作系統，同樣不能滿足嵌入式系統的要求。嵌入式Linux操作系統以價格低廉、功能強大又易于移植而被廣泛采用，成為新興的操作系統。Linux嵌入式操作系統是一種實時的、支持嵌入式系統應用的操作系統軟件，是嵌入式系統極為重要的組成部分，通常包括與硬件相關的底層驅動軟件、系統內核、設備驅動接口、通信協議、圖形界面、標準化瀏覽器等。嵌入式操作系統在系統實時高效性、硬件的相關依靠性、軟件固態化及應用的專用性等方面具有較為突出的特點。

Linux是與Unix相似、以核心為基礎、完全內存保護、多任務多進程的操作系統，為嵌入操作系統提供了一個極有吸引力的選擇。PDA選擇嵌入式Linux作為操作系統，主要原因如下：

(1)系統處理實時性好，性能穩定。

(2)文件管理系統更適合于大量的圖像數據。

(3)內核小巧和高效，作為專用系統，具有系統小令精簡、處理速度快等特點。

(4)系統數據置于ROM／FLASH MEMORY，調用速度快，不會被改變，穩定性好。

(5)本身內置網絡支持。

4．2 PAD中嵌入式Linux內核實現方法

Linux系統分為三個層次：用戶、核心和硬件。Linux內核可直接從Internet下載，也可從一發行版本如Red Hat Linux、Turbo Linux得到。Linux核心源代碼執行GPL版權協議，任何人都可在遵循GPL版權協議條件下對Linux核心進行修改和補充，并可根據自身應用系統的需求，進行裁減定制，形成針對應用的嵌入式Linux內核。本方案采用Red hat Linux 6．0，內核版本2．2．5，在保留TCP／IP網絡支持、STAR902以太網卡驅動的情況下，定制后的內核大小為360KB，足以滿足本系統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構進行組織。在這里，對Linux內核進行分析：

(1)系統的引導和初始化：Linux系統的引導有Lilo、Loadin引導和Linux的自舉引導三種。而Linux的自舉引導所對應源程序為arch／i386／boot／bootsect．S，它為實模式匯編程序。無論哪種引導方式，最后都要跳轉到arch／i386／Kernel／setup．S。setup．S主要進行實模式下的初始化，為系統進入保護模式做準備。此后，系統執行arch／i386／kernel／head．S。head．S中定義的一段匯編程序setup_idt，負責建立一張256項idt表，此表保存著所有自陷和中斷的入口地址，其中包括系統調用總控程序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)系統初始化后，運行第一個內核程序asmlinkage void_init start_kernel(void)，它定義在／usr／src／linux／init／main．c中。它通過調用usr／src／linux／arch／i386／kemel／traps．c中的函數void-init trap init(void)，把各個自陷和中斷服務程序的入口地址設置到idt表中。其中系統調用的總控程序system_call就是中斷服務程序之一。void_init trap_init(void)函數則通過調用一個宏set_system_gate，把系統調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責保存處理機執行系統調用前的狀態，檢驗當前調用是否合法，并根據系統調用向量，使處理機跳轉到保存在sys_call_table表中的相應系統服務例程的入口。從系統服務例程返回后退回用戶程序狀態，而系統調用向量則在／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，系統調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的系統調用也象DOS系統的int21h中斷服務，把0x80中斷作為總的入口，然后轉到保存在sys_call_table表中的各種中斷服務例程的入口地址，形成各種不同的中斷服務。由以上源代碼分析可知，要增加一個系統調用就必須在sys_call_table表中增加一項，并在其中保存好系統服務例程的入口地址，然后重新編譯內核。當然，系統服務例程是必不可少的。

5 GPRS通信

該系統采用GPRS通信方法。GPRS(通用分組無線業務)是GSM標準化組織制定的一套標準，以實現移動分組數據業務。GPRS網是一個傳輸承載平臺，提供端到端分組傳輸模式下數據發送和接收。GPRS具有五大特點：傳輸速率快；可靈活支持多種數據應用；網絡接入速度快；可長時間在線連接；計費更加合理。所以，采用GPRS通信可實現遠距離、傳輸速度高的通信。

PDA中應用PXA255處理器，運行速度快，系統性能得到極大提高。嵌入式Linux作為PDA操作系統，可根據需要定制內核大小，簡單方便。Linux源代碼公開，可充分利用已有資源，節約開發人員工作量。Linux不存在"黑箱"，操作系統安全性得到了保障。采用該系統，提高了交通管理質量。該系統提高了數據傳輸速度，減少了系統建造的費用，降低了施工難度。