基于ＡＲＭ＋ＤＳＰ的汽車視頻黑匣子系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

摘要:基于ARM+DSP的汽車視頻黑匣子(即汽車行駛記錄儀)除了按國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)汽車的基本行駛狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)保存外，與市場(chǎng)上同類產(chǎn)品相比，具有視頻方面的功能優(yōu)勢(shì)。通過ARM+DSP協(xié)調(diào)工作的方式，實(shí)現(xiàn)了視頻圖像的壓縮和存儲(chǔ)，能夠循環(huán)存儲(chǔ)十分鐘的視頻圖像。本系統(tǒng)的應(yīng)用可為分析#65380;判斷汽車行駛狀態(tài)和交通事故提供可靠的科學(xué)依據(jù)，在監(jiān)督司機(jī)疲勞駕駛和違章駕駛等方面也有著重要作用。主要按照功能模塊劃分介紹了汽車視頻黑匣子系統(tǒng)的各個(gè)基本功能，并給出基本的設(shè)計(jì)流程圖。

關(guān)鍵詞:汽車視頻黑匣子; ARM; S3C2410A; 數(shù)字信號(hào)處理器

中圖分類號(hào):TP311文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1001－3695(2008)02－0628－04

汽車黑匣子是用于監(jiān)測(cè)#65380;記錄汽車在行駛中各種狀態(tài)和數(shù)據(jù)的智能裝置。本汽車視頻黑匣子系統(tǒng)是信息產(chǎn)業(yè)部2004年電子生產(chǎn)發(fā)展基金項(xiàng)目，該系統(tǒng)在傳統(tǒng)汽車黑匣子的基礎(chǔ)上增加了圖像#65380;語音等功能。系統(tǒng)能夠記錄汽車發(fā)生事故前后一段時(shí)間內(nèi)的車內(nèi)外圖像和其他重要數(shù)據(jù);同時(shí)還會(huì)記錄車內(nèi)的聲音信息，幫助有關(guān)部門迅速準(zhǔn)確地分析事故發(fā)生原因。同時(shí)針對(duì)駕駛員行車#65380;倒車#65380;停車過程中有諸多不便這些情況，又在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中加入了一個(gè)顯示屏。系統(tǒng)通過顯示屏為駕駛員提供路況和車周圍情況，方便駕駛員行車#65380;倒車和停車。

本系統(tǒng)是一個(gè)可以記錄事故發(fā)生前后的圖像#65380;聲音以及其他行駛數(shù)據(jù)相結(jié)合的視頻黑匣子。在事故處理時(shí)比傳統(tǒng)黑匣子的記錄更有說服力和可信度。因而，該儀器將具有廣闊的市場(chǎng)環(huán)境，研制此系統(tǒng)將具有很高的實(shí)用價(jià)值。

1系統(tǒng)原理圖

當(dāng)駕駛員通過IC卡進(jìn)行身份驗(yàn)證后，該系統(tǒng)啟動(dòng)。三個(gè)攝像頭(車內(nèi)#65380;車前#65380;車后)將采集到的3路視頻模擬信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字視頻流后，再將其送入DSP中。由于采集的視頻數(shù)據(jù)量相當(dāng)驚人，在很短時(shí)間內(nèi)就會(huì)達(dá)到幾百兆字節(jié)，給存儲(chǔ)造成很大麻煩，必須在存儲(chǔ)前進(jìn)行壓縮。采用H.263算法來壓縮送入DSP的數(shù)據(jù)流。在S3C2410A的控制下，DSP實(shí)時(shí)地對(duì)送來的多路數(shù)據(jù)流進(jìn)行分時(shí)壓縮，壓縮后的流媒體送入CF卡中保存。CF卡不斷接收壓縮的音/視頻數(shù)據(jù)流，循環(huán)覆蓋最早進(jìn)來的數(shù)據(jù)所占的空間，音/視頻流分別以流媒體文件形式進(jìn)行保存。一旦發(fā)生事故，CF卡會(huì)保存事故發(fā)生前后幾分鐘的數(shù)據(jù)，然后把這部分?jǐn)?shù)據(jù)做好標(biāo)志而不被后來的數(shù)據(jù)覆蓋，以后只有被授權(quán)的執(zhí)法人員才能將這些信息從CF卡中刪除。另外當(dāng)某攝像頭攝取的1路數(shù)據(jù)流經(jīng)視頻解碼芯片A/D轉(zhuǎn)換后，可再送入視頻編碼芯片中進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，并在監(jiān)視器中播放出來。駕駛員還可以通過按鍵從監(jiān)視器中實(shí)時(shí)地觀察車周圍的情況，便于退車#65380;倒車。

音頻數(shù)據(jù)的處理與視頻數(shù)據(jù)一樣，經(jīng)DSP壓縮后保存在CF卡中。其他汽車行駛的數(shù)據(jù)參數(shù)，如2路模擬量以及14路數(shù)字開關(guān)量，經(jīng)濾波處理后直接送入S3C2410A中，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)保存在板上的flash芯片中。與保存音/視頻流一樣，把這些數(shù)據(jù)放在一個(gè)記錄文件中，這個(gè)記錄文件采用后到記錄覆蓋先到記錄方式，可保存連續(xù)360 h的數(shù)據(jù)。事故發(fā)生前后一段時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)做好標(biāo)志而不被后來數(shù)據(jù)覆蓋。

駕駛員在行駛過程中同時(shí)也可以通過LCD液晶屏來查看某些數(shù)據(jù)特征，如時(shí)間#65380;車速#65380;疲勞駕駛時(shí)間等。該系統(tǒng)的原理如圖1所示。

為了確保整個(gè)項(xiàng)目順利進(jìn)行以及降低整個(gè)設(shè)計(jì)的難度，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了兩塊PCB板:一塊是ARM核心板，它是主控制板，主要負(fù)責(zé)行駛數(shù)據(jù)的采集和保存并控制DSP板操作;另一塊是DSP板，它主要負(fù)責(zé)音/視頻流的采集#65380;壓縮，在S3C2410A的控制下將壓縮視頻流存入CF卡中保存起來。

2控制模塊

根據(jù)汽車行駛記錄儀的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19056—2003，一個(gè)汽車行駛記錄儀必須要有很多對(duì)外通信的接口。同時(shí)為了方便以后的擴(kuò)展，如加入GPS或GPRS模塊，選擇了目前市面上通用的一款A(yù)RM9的CPU:韓國(guó)三星公司的S3C2410A作為主控制器。S3C2410A具有很多優(yōu)點(diǎn):首先它具有很多通用I/O，并且有許多標(biāo)準(zhǔn)接口，可以很方便地與外界通信;其次，它使用RISC指令集，支持操作系統(tǒng)能力比較強(qiáng)。

在整個(gè)過程中，CPU需要實(shí)時(shí)處理多達(dá)3路的視頻數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)流量是相當(dāng)大的，同時(shí)還要處理音頻數(shù)據(jù)流。這對(duì)S3C2410A來說，既要處理對(duì)外接口任務(wù)，又要在很短的時(shí)間內(nèi)處理完大量的視頻流是很困難的。因此為減輕S3C2410A的負(fù)擔(dān)，采用了TI公司所生產(chǎn)的專用于處理通信數(shù)據(jù)的TMS320C6000系列的CPU來專門處理視頻流。TMS320C6000是目前公認(rèn)的最有超強(qiáng)數(shù)據(jù)處理能力的CPU，它在以下幾方面比ARM有一定的優(yōu)勢(shì):DSP的處理速度比ARM快，最高可達(dá)700 MHz，而且主頻較高;DSP適合于專業(yè)的數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)處理的指令效率較高; DSP可以同時(shí)處理的事件較多，這使得系統(tǒng)成本有可能較低;DSP的靈活性較好，大多數(shù)算法均可以通過軟件實(shí)現(xiàn)。選擇DSP DM642專門用于壓縮大量的音/視頻數(shù)據(jù)流，用S3C2410A作為主控制器，協(xié)調(diào)處理各個(gè)接口操作，同時(shí)控制DSP的操作，使DSP將壓縮的數(shù)據(jù)流存入CF卡中。

2.1ARM9主控制模塊

S3C2410A是主控制CPU，它可以提供豐富的接口來與外界通信。通過它提供的接口，可以直接外接許多器件，如USB#65380;微型打印#65380;網(wǎng)口#65380;SD卡#65380;4×2的小鍵盤#65380;點(diǎn)陣液晶屏#65380;IC卡#65380;串口RS－232等。整個(gè)系統(tǒng)所需要的2路模擬信號(hào)與14路數(shù)字信號(hào)也是通過連接到ARM的GPIO(通用I/O)口來獲取的。

S3C2410A處理的事務(wù)主要有:

a)通過IC卡確認(rèn)駕駛員身份是否合法;

b)從GPIO口獲取溫度與速度模擬信號(hào)及14路數(shù)字信號(hào);

c)處理駕駛員的按鍵操作;

d)通過點(diǎn)陣顯示屏，駕駛員可看到有關(guān)行車數(shù)據(jù);

e)通過微打印接口打印出駕駛員有關(guān)疲勞駕駛的記錄;

f)將汽車的行駛特征數(shù)據(jù)循環(huán)保存到flash芯片中;

g)控制DSP的操作，并向其發(fā)送事故發(fā)生信號(hào);

h)將CF卡中的事故發(fā)生視頻數(shù)據(jù)及flash芯片中的行車特征數(shù)據(jù)通過USB接口提供給執(zhí)法機(jī)關(guān)。

2.2DSP功能子模塊

DSP板的主要任務(wù)就是采集#65380;壓縮并保存音/視頻流。三個(gè)攝像頭分別將所攝的3路視頻信號(hào)送到視頻解碼芯片，經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換后送入DM642中對(duì)應(yīng)的視頻接口進(jìn)行壓縮處理。其中1路轉(zhuǎn)換后的信號(hào)可以再經(jīng)過視頻編碼芯片SAA7121H進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換后，轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)送到監(jiān)視器，駕駛員可實(shí)時(shí)觀看圖像。聲音采集后送入音頻編/解碼芯片，再送入DM642的音頻接口。DM642收到采集的多路音/視頻信號(hào)后，用H.263壓縮算法分時(shí)對(duì)每路信號(hào)進(jìn)行壓縮;然后將壓縮的信號(hào)送入CF卡保存起來。按照后到數(shù)據(jù)覆蓋最先到數(shù)據(jù)的方式，CF卡不斷地保存送來的數(shù)據(jù)，一旦接收到2410A傳來的事故信號(hào)，就將出事前后一段時(shí)間的數(shù)據(jù)做標(biāo)記，使這段數(shù)據(jù)以后再不會(huì)被覆蓋，除非由執(zhí)法部門清除。音/視頻編/解碼芯片在啟動(dòng)時(shí)，DM642通過IIC總線對(duì)它們進(jìn)行配置。在本系統(tǒng)中采用的是100 kbps的速率對(duì)音/視頻編/解碼芯片進(jìn)行配置。DM642的內(nèi)部模塊原理如圖2所示。

3采集模塊

3.1視頻采集

視頻信號(hào)先由三個(gè)攝像頭來攝取，所獲得的模擬視頻信號(hào)直接送入視頻解碼芯片進(jìn)行模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換。視頻解碼芯片采用的是TI公司的TVP5150PBS。TVP5150是TI專門生產(chǎn)的一款高性能視頻解碼器，可將攝像頭采集的NTSC或PAL視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字色差信號(hào)(YUV4∶2∶2)，并支持一兩路復(fù)用視頻CVBS或一個(gè)S(super－video)端子輸入，輸出格式為ITU－R BT.656;同時(shí)它也支持MacrovisionTM復(fù)制保護(hù)以及高級(jí)的VBI功能。不僅如此，TVP5150還具備了封裝小(32腳的TQFP)#65380;功耗小的特點(diǎn)(正常工作模式下最多需要150 mW)，非常適用于本系統(tǒng)。TVP5150將攝像頭傳送的信號(hào)快速A/D轉(zhuǎn)換處理后，立即送入DSP的VP三個(gè)視頻接口，讓DSP進(jìn)行壓縮處理。

3.2音頻采集

音頻信號(hào)由Microphone來獲取，然后送入音頻編/解碼器進(jìn)行處理。音頻編/解碼器采用的是TI公司推出的TLV320AIC23B(AIC23B)，它內(nèi)置耳機(jī)輸出放大器，支持MIC和LINE IN兩種輸入方式(二選一)，并且輸入和輸出均具有可編程增益調(diào)節(jié)。AIC23B的ADC#65380;DAC部分高度集成在芯片內(nèi)部，并采用了先進(jìn)的sigma－delta采樣技術(shù)，可在8~96K采樣率范圍內(nèi)提供16#65380;20#65380;24和32位采樣。ADC和DAC的信噪比分別可達(dá)90和100 dB。同時(shí)，AIC23B功耗低，回放模式下功率僅為23 mV，省電模式下更是小于15 μW，是一款高性能的立體聲頻編/解碼芯片。被采集到的音頻信號(hào)經(jīng)過AIC23B作A/D轉(zhuǎn)換后立即送入DSP的音頻接口McASP中進(jìn)行壓縮處理，也可以再送入D/A轉(zhuǎn)換，變成聲音信號(hào)送出。

3.3模擬和數(shù)字信號(hào)量的采集

2路模擬量(速度#65380;溫度)，尤其是速度是整個(gè)系統(tǒng)中的關(guān)鍵。與時(shí)鐘一起，它可以用來判斷一個(gè)可疑事故是否是真實(shí)事故。速度首先從速度傳感器中采集，經(jīng)過OP07運(yùn)放，送入主控CPU S3C2410A的模/數(shù)轉(zhuǎn)換單元，轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖，再由計(jì)數(shù)器計(jì)算出在片刻時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)，從而計(jì)算出汽車此刻的實(shí)時(shí)速度。溫度從溫度傳感器中獲得，經(jīng)CPU處理后保存起來。

14路數(shù)字開關(guān)量，如方向燈#65380;倒燈#65380;車門#65380;遠(yuǎn)光燈#65380;近光燈#65380;剎車#65380;鳴號(hào)#65380;車輛啟動(dòng)等，這些信號(hào)是汽車行駛過程中很重要的數(shù)據(jù)特征，這些數(shù)據(jù)有助于在事后分析事故的原因，所以應(yīng)當(dāng)把它們采集并保存下來。但這些信號(hào)可能是高壓信號(hào)，直接接到ARM板上可能會(huì)損壞CPU。于是采用了光耦芯片TP521－4來隔離這些高壓信號(hào)，避免CPU受損。

4存儲(chǔ)模塊

存儲(chǔ)模塊主要由兩部分組成，即汽車行駛的特征數(shù)據(jù)和音/視頻數(shù)據(jù)流。汽車行駛的特征數(shù)據(jù)包括實(shí)時(shí)時(shí)間#65380;速度#65380;車輛累計(jì)行駛里程#65380;開關(guān)量信號(hào)#65380;駕駛員駕駛證號(hào)等。汽車行駛的特征數(shù)據(jù)以文件的形式保存在板上的flash中。執(zhí)法機(jī)關(guān)通過授權(quán)將CF卡中的音/視頻數(shù)據(jù)流和flash中的特征數(shù)據(jù)，通過USB以文件的方式把它們拷出，在PC機(jī)上觀看，調(diào)查事故發(fā)生的原因。

經(jīng)DSP壓縮后的視頻數(shù)據(jù)量仍然很大，通常會(huì)在很短時(shí)間內(nèi)達(dá)到幾百兆字節(jié)以上。所以需要能重復(fù)利用有限存儲(chǔ)空間且寫速度很快的大容量存儲(chǔ)盤。可以考慮使用閃存(flash memory)作為非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備。根據(jù)系統(tǒng)的這些需求，選擇2 GB的CF卡，速度可達(dá)8 Mbps。按普通攝像頭一幀圖像320×240的YUV4∶2∶2格式，30 fps，H.263按最低壓縮比為1∶50計(jì)算，整個(gè)視頻流的大小約0.5 Mbps。可見，用CF卡存儲(chǔ)整個(gè)過程中大量的音/視頻數(shù)據(jù)的效果相當(dāng)理想。

5顯示模塊

從實(shí)際運(yùn)用和成本考慮，顯示模塊被分成兩部分，即模擬監(jiān)視器和點(diǎn)陣液晶屏。當(dāng)1路攝像頭所錄的視頻流經(jīng)過視頻解碼器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后，可以先直接進(jìn)入視頻編碼器SAA7121H進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換;最后還原回模擬信號(hào)，通過監(jiān)視器顯示出來。駕駛員可以通過監(jiān)視器實(shí)時(shí)觀察車周身狀況。

操作小鍵盤，駕駛員可在點(diǎn)陣顯示屏上查看當(dāng)前時(shí)間#65380;速度#65380;所走里程#65380;駕駛員疲勞駕駛記錄等一些行車數(shù)據(jù)。此處只需顯示一些文字，所以選用了成本相對(duì)較低的128×64點(diǎn)陣液晶屏。

6系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

6.1主流程圖

整個(gè)系統(tǒng)在駕駛員通過IC驗(yàn)證后就進(jìn)入無盡循環(huán)中，系統(tǒng)周期性地采集數(shù)據(jù)并保存，只會(huì)在駕駛員拔除IC卡(拔除IC卡后還是會(huì)進(jìn)行采集與保存，只是不記錄駕駛員的代碼了)或斷電時(shí)才會(huì)停止。主流程如圖3所示。

DSP作為功能相對(duì)獨(dú)立的子模塊，其程序設(shè)計(jì)流程與主流程思路一致，均是不停地在采集#65380;壓縮，并存儲(chǔ)壓縮數(shù)據(jù)流。下面所提到的任務(wù)由Posix線程(也稱做Pthreads)實(shí)現(xiàn)。

6.2采集任務(wù)與正常保存任務(wù)

為了方便設(shè)計(jì)，在采集任務(wù)中定義了一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體，將每次采集的行駛數(shù)據(jù)全放在這個(gè)結(jié)構(gòu)體中(除音/視頻數(shù)據(jù)外)，每采集一次作為一個(gè)記錄，將先采集的數(shù)據(jù)暫放到內(nèi)存的一個(gè)容量為3 000個(gè)struct COLL的循環(huán)隊(duì)列中(假設(shè)該循環(huán)隊(duì)列名稱為ram_coll)，然后根據(jù)要求(是保存正常行駛數(shù)據(jù)還是保存事故疑點(diǎn)數(shù)據(jù))選擇其中一部分寫入flash中。這個(gè)結(jié)構(gòu)體如下:

struct COLL

{

采集時(shí)間;

速度;

車輛累計(jì)行駛里程(從記錄儀第一次工作時(shí)開始累計(jì));

機(jī)動(dòng)車駕駛證證號(hào)(最后一次通過IC卡認(rèn)證的駕駛員機(jī)動(dòng)車駕駛證證號(hào));

14路數(shù)字信號(hào);

}

;

國(guó)標(biāo)規(guī)定，記錄儀至少每0.2 s采集一次，故1 min會(huì)采集300次，10 min則為3 000次，每一次采集的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)一個(gè)struct COLL，稱做一條記錄。

正常保存任務(wù)每過10 min從循環(huán)隊(duì)列ram_coll中每間隔300條記錄抽取1條記錄(故共抽取了10條記錄，對(duì)應(yīng)為10 min(平均每分鐘一條記錄)的行駛數(shù)據(jù)。其中:抽取回來的速度項(xiàng)原本是采集時(shí)的及時(shí)速度，而系統(tǒng)需要的是每分鐘內(nèi)300條記錄中速度項(xiàng)的算術(shù)平均值)，用速度的算術(shù)平均值替換掉原來的及時(shí)速度后再將這10條記錄一次性寫入到flash的一個(gè)文件中。如果該文件寫滿了21 600條記錄則下次寫入從文件頭開始。21 600條記錄對(duì)應(yīng)360 h(21 600/(1次/min)/(60 min) = 360 h)的正常行駛數(shù)據(jù)。采集任務(wù)如圖4所示。正常保存任務(wù)流程如圖5所示。

6.3事故疑點(diǎn)數(shù)據(jù)保存任務(wù)

國(guó)標(biāo)規(guī)定:記錄儀應(yīng)能以不大于0.2 s的時(shí)間間隔持續(xù)記錄并存儲(chǔ)停車前20 s實(shí)時(shí)時(shí)間對(duì)應(yīng)的車輛行駛速度值及車輛制動(dòng)狀態(tài)信號(hào)。記錄次數(shù)至少為10次。

事故疑點(diǎn)數(shù)據(jù)保存任務(wù)的執(zhí)行過程與正常保存任務(wù)類似:從采集任務(wù)中的struct ram_coll結(jié)構(gòu)中提取出相應(yīng)的需要寫入flash的數(shù)據(jù)項(xiàng)，然后追加寫入到flash中的一個(gè)文件中。此記錄儀能保存500次的事故疑點(diǎn)數(shù)據(jù)，也即是到達(dá)500次寫入后新的事故疑點(diǎn)數(shù)據(jù)會(huì)從文件頭開始重新寫入。所不同的主要是兩點(diǎn):

a)保存的數(shù)據(jù)種類與正常保存任務(wù)不同。事故疑點(diǎn)數(shù)據(jù)保存任務(wù)的種類如下:

struct URGDATA

{

采集時(shí)間;

速度;

機(jī)動(dòng)車駕駛證證號(hào)(最后一次通過IC卡認(rèn)證的駕駛員的機(jī)動(dòng)車駕駛證證號(hào));

14路數(shù)字信號(hào);

};

同樣是從采集任務(wù)中的struct ram_coll結(jié)構(gòu)中提取出來

b)由阻塞態(tài)轉(zhuǎn)入運(yùn)行態(tài)的條件不同:事故疑點(diǎn)數(shù)據(jù)與正常保存任務(wù)由阻塞態(tài)轉(zhuǎn)入運(yùn)行態(tài)的條件同樣都是因?yàn)椴杉蝿?wù)發(fā)送信號(hào)引起的。但是前者被喚醒的條件是停駛狀態(tài)(國(guó)標(biāo)規(guī)定:當(dāng)車速傳感器輸出的脈沖信號(hào)超過1脈沖/s并且持續(xù)5 s以上時(shí)，可認(rèn)為車輛是在行駛狀態(tài);否則認(rèn)為車輛是在停駛狀態(tài))。

7結(jié)束語

本文介紹了自行研制的汽車視頻黑匣子的總體設(shè)計(jì)。目前本系統(tǒng)是在Linux環(huán)境下，采用H.263來進(jìn)行音/視頻流數(shù)據(jù)壓縮，取得了較理想的效果。下一步的目標(biāo)是用H.264來進(jìn)行壓縮，以期求更高的壓縮效果;在硬件上采用更大容量的SDRAM，使它可以同時(shí)暫存更長(zhǎng)時(shí)間的壓縮數(shù)據(jù)流，然后再一次性地寫入CF卡中，減少CF卡的寫次數(shù)，從而延長(zhǎng)CF卡的使用壽命。隨著以后研究的深入，勢(shì)必將本系統(tǒng)其他模塊(如GPS#65380;GPRS#65380;故障診斷等)相結(jié)合，使之在市場(chǎng)上具有更大優(yōu)勢(shì)。

參考文獻(xiàn):

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