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轫大·粤 硕士学位
论文基于Embedded-Linux的视频采集 及存储系统研究 东南大学学位
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论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
尽我所知,除了文中特另1)Jn以标注和致谢的地方外,
论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在
论文中作了明确的说明并表示了谢意。
研究生签 名:卅 东南大学学位
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警躲旃,彩避东南人学硕j二学位
论文摘要 摘要 车载视频采集与存储系统是汽车主动安全的重要辅助系统,也是未来汽车电子领域在主动安全方面的关键技术之一。
本文所提出的视频采集存储系统实时记录车辆运行过程中由超员、超速、异常偏离车道等因素造成的不安全行为的视频资料,通过事后视频再现功能,为交通事故的责任认定提供了形象直观、准确可靠的科学依据。
本文依托江苏省交通科学研究计划项目《基丁多源信息融合的长途客车主动安全智能管理系统》r项目编号:08X09),在总结车道偏离报警系统的成功经验基础上,针对项目组在视频采集存储方面的技术难点,以提供一种功能相对独立的低成本视频采集存储方案为主线,设计开发了基于嵌入式Linux及S3C2440的视频采集与存储系统,包括基于ARM9¥3C2440处理器的硬件平台搭建和配套软件的设计及上位机专用视频播放软件,并开发出基于Web的嵌入式视频监控服务平台。
论文完成的主要工作如下: 1.采取动作控制功能和采集存储功能相分离的没计模式,形成MCU+ARM总体构架结构,MCU单元负责判别超员、超速、异常偏离等情况并产生触发条件;视频采集存储单元根据触发条件进行视频分类存储。
此构架极大地增加了各功能模块的独立性及系统组建灵活性。
’ 2.选定S3C2440处理器和USB摄像头作为视频采集存储系统的硬件平台,将复杂的数据压缩工作借助USB摄像头内置压缩芯片完成,配合¥3C2440强大的控制能力,完成视频采集存储系统硬件平台的搭建过程。
3.采用开放源码的嵌入式Linux操作系统作为软件平台、
开源U.Boot作为系统引导装载程序,完成软件系统平台的搭建。
引入混合文件系统,在保证视频信息顺利存储的基础上,极大的提高系统运行速度。
4.针对系统模块间通信功能的实际需要,结合内核编程技术,开发出系统相关硬件的驱动程序,极大方便了视频采集存储系统与外界环境的信息交换,同时也为用户提供了更多可选择的存储接口方案。
5.借助Linux系统内部集成的V4L模块,开发出基于管道技术的视频采集存储应用程序以及专用播放软件,并在此基础上充分利用Linux系统强大的网络支持,创建了嵌入式Web服务器,使车载设备增加了视频信息的远程监控功能,进一步为用户管理提供方便。
关键词:嵌入式LinuxS3C2440文件系统视频采集存储管道通信Web ABSTRACTThemethodforonboardvideocapturingandstoringbasedonembeddedLinuxWasnotonlyanimportantpartofvehicleactivesafetysystem,butalsointhefieldofautomotiveelectronicsasoneofthecrucialTechnologi懿.11lismethodCanrecordtherunningofthevehiclewhenitWasovercrowdedorexceedthespeedlimitorlanedepartureresultofunsafebehavior.、Mththehelpofthepost-videoreproduction,thevideocouldprovideavisualandreliablemethordtomakeanaccurateandscientificdecision.RelyontheprojectofJiangsutrafficscienceresearchplan“公safetymanagementsystemforlong-distancebusbasedonmulti-sourceinformationfusion’’.(Number:08X09).Onsummingupthesuccessfulexp喇encoandachievementsoflanedeparturewarningsystemandaccordingtothetechnicaldifficultiesonvideocapturingandstoring,themethodofvideocapturingandstoringsystemsbasedonembeddedLinuxand¥3C2440wasproposed. 11lismethodincludedthehardwaredesignandthedevelopmentofanembeddedWrebserver,andalsoanplayerbasedonDelphi.nediscussionCOVCl”S:1.Inordertoincreasestheindependenceofeachfunctionalmoduleandthesystemflexibility,thecontrolunitandvideocapturingandstoringunitwereseparated.11他controlunitwasresponsiblefordistinguishingovercrowded,speeding,etc.Ontheotherhand,thevideocapturingandstoringunittookchargeofvideostoringaccordingtotriggerconditionswhichtriggeredbythecontrolunit.2.Tocompletethedesignofhardwareplatformofthevideocapturingandstoringsystem.¥3C2440processorandUSBcamerawereselected.TheUSBoalneratookchargeofvideocompressionandtheS3C2440actedasacontrolprocessorwithitspowerfulabilityofcontr01.3.Thismethodtooktheembedded-Linuxoperatingsystemasthesoftwareplatform,andU-Bootasasystembootloadertocompletethesoftwaresystemstructures.Anditalsomadeuseofmixedsystemstoimprovethespeedofthefilevideocapturingandstoringsyste4.T0meettherequirementofcommunicationbetweendifferentunits。
sm.omedriversweredevelopedaccordingtorelatedhardware.Thesesoftwarenotonlymadethecommunicationconvenientwiththeotherunits,butalsoprovideduseI”S谢t11moreavailableinterfaces.5.WiththehelpofV4LmoduleswhichworeintegratedwithintheLinuxsystem,themethodofvideocapturingandstoringWasproposedbasedonpipelinecommunication.AndalsowiththenetworksupportofLinux,anembeddedWebserver、)l,imvideoinformationWaSputforwardwhichmadethemanagementtobemoreconvenient.Keywords:Embedded-Linux,S3C2440,systemmigration,filesystem,videocapturingandstoraging, pipelinecommunication,UA RT,Web II东南大学硕士学位
论文日录 目录摘要……………………………………………………………………………………………………………………………………..IABSTRACT……………………………………………………………………………………………………………………………….Ⅱ第一章绪论………………………………………………………………………………………………..1 1.1课题背景………………………………………………………………………………………….1 1.2国内外现有研究水平……………………………………………………………………………2 1.3本课题组的技术积累与研究成果………………………………………………………………4 1.3.1车道偏离报警系统……………………………………………………………………….4 1.3.2基于多源信息融合的长途客车主动安全智能管理系统………………………………..5 1.4本课题的研究内容和章:审安排………………………………………………………………….6第二章视频采集存储系统硬件设计…………………………………………………………………….8 2.1嵌入式主控制器的选择…………………………………………………………………………9 2.2S3C2440介绍……………………………………………………………………………………………………………….10 2.2.1S3C2440特点和资源…………………………………………………………………….10 2.2.2S3C2440基本工作模式………………………………………………………………….1l 2.3系统核心板硬件电路设计………………………………………………………………………12 2.3.1电源电路设计……………………………………………………………………………l3 2.3.2Flash扩展电路设计………………………………………………………………………14 2.3.3RAM扩展电路设计………………………………………………………………………15 2.4系统外围接口板硬件电路设计…………………………………………………………………17 2.4.1USB摄像头采集存储接口电路设计……………………………………………………18 2.4.2Um盯接口电路设计…………………………………………………………………….19 2.4.3以太网接口电路设计……………………………………………………………………20 2.4.4SecureDigital存储接I=l电路设计……………………………………………………….2l 2.5本章小结………………………………………………………………………………………..22第三章嵌入式Linux操作系统研究与移植……………………………………………………………。
23 3.1嵌入式系统开发基本组成………………………………………………………………………23 3.1。
1嵌入式系统开发的硬件基础……………………………………………………………24 3.1.2嵌入式开发交叉编译环境………………………………………………………………24 3.1.3嵌入式设备平台…………………………………………………………………………24 3.2嵌入式操作系统的引导…………………………………………………………………………25 3.2.1系统引导程序U.Boot简介………………………………………………………………25 3.2.2系统引导程序U.Boot的移植………………………………………………………….26 3.3嵌入式Linux操作系统移植……………………………………………………………………28 3.3.1Linux内核源
代码版本选择………………………………………………………………28 3.3.2Linux内核裁剪…………………………………………………….¨=……………………29 3.3.3编译Linux内核…………………………………………………………………………..35 3.4操作系统的文件系统……………………………………………………………………………36 3.4.1Linux文件系统组成………………………………………………………………………36 3.4.2建立混合文件系统………………………………………………………………………38 3.5本章小结………………………………………………………………………………………..40第四章设备驱动程序设计………………………………………………………………………………4l 4.1设备驱动程序设计简介………………………………………………………………………。
4l 4.1.1设备驱动程序概念……………………………………………………………………….4l 4.1.2设备驱动程序分类………………………………………………………………………42东南大学硕士学位
论文目录 4.2串口驱动程序设计……………………………………………………………………………..43 4.3USB接口驱动程序设计…………………………………………………………………………47 4.4本章小结………………………………………………………………………………………。
49第五章视频采集存储及远程监控系统麻.}lj程序设计…………………………………………………50 5.1视频采集存储及播放软件程序设计…………………………………………………………..50 5.1.1视频采集与存储程序殴计………………………………………………………………50 5.1.2视频播放软件程序设计…………………………………………………………………54 5.2基于Web的远程视频监控程序设计………………………………………………………….57 5.2.1Web系统构架简介……………………………………………………………………….57 5.2.2Boa服务器的移植……………………………………………………………………….58 5.2.3HTML语言建立Web站点访问页面……………………………………………………60 5.3本章小结………………………………………………………………………………………。
62第六章全文总结和展望…………………………………………………………………………………63 6.1全文总结…………………………………………………………………………………………63 6.2存在问题和进一步改进的建议………………………………………………………………。
64翌I【谢…………………………………………………………………………………………………………………………………..65参考文献…………………………………………………………………………………………………。
66硕士期间
论文发表情况………………………………………………………………………………….68 II 第一章绪论 第一章绪论1.1课题背景 改革开放以来,我国经济发展迅速,汽车已成为日常生活中不可缺少的交通上具。
截止到2009年6月底,我国个人汽车保有量总数已突破6900万辆,但人均拥有量仍然远远低于发达国家水平,国内汽车rT业存在巨大的潜在市场和发展空间,已被国家确定为国民经济的支柱产业、重点发展产业。
按照国家“十二五”规划的要求,交通运输业建设将进一步加快,汽车需求量将继续增长,全社会汽车化水平将不断提高。
汽车电子简而言之就是半导体和汽车的结合,主要分为两类:一类是汽车电子控制装置,要和机械系统配合使用,例如电子燃油喷射系统、制动防抱死控制系统、防滑控制系统、悬架控制系统、动力转向系统等。
另一类是车载汽车电子装置,即在汽车环境下能够独立使用的电子装置,和汽车本身性能无直接关系,包括导航、娱乐系统及车载通信、监控系统等。
据统计,平均每辆车的电子装置约占整车制造成本的23%,在汽车电子的高速发展阶段,这个比例还将随着汽车电子技术的发展以平均每年9%的速度递增【11。
另据中国电子行业投资分析预测,到2010年,中国汽车电子产品市场规模将达到近2000亿元。
到2012年,中国汽车电子市场规模有望突破3000亿元。
止如信息产业部电子信息产品管理司副司长赵波所述:“发展汽车电子是发展汽车业的必然选择,汽车电子正是用电子信息技术改造传统产业的具体应用”。
于此同时,为推进汽车电子业的发展,信息产业部已把汽车电子专项列入电子产业发展基金,将重点发展六项汽车电子产品:一是汽车计算平台;二是电控燃油喷射系统ECu;三是汽车行驶监控记录仪;四是车用音频、视频导航系统;五是汽车用半导体器件及专用芯片;六是智能交通系统。
这也反映了在未来技术领域,中国汽车电子市场的巨大潜力。
发展规划中,汽车行驶监控记录仪之所以受到如此关注绝非偶然,因为伴随着交通及汽车工业的快速发展,汽车高速行驶引发的交通事故也急剧增加,造成巨大的经济损失和大量人员伤亡。
相关统计数据表明,中国交通事故死亡人数已经连续十余年居世界第一。
道路交通事故的直接或间接原因包括人、车、路等多种环境因素。
在绝大多数重大交通事故之中,由于现场的破坏、发生地点随机性强等导致事故原因难以追踪并加以断定。
而事故现场的图像信息是反映各种事故的媒介中最直观、最生动的材料证据,因此,对事故发生期间图像视频信息的获取就显得尤为重要。
同时,图像信息的采集与存储也是安防监控体系中不可缺少的重要组成部分。
随着处理器技术和软件技术的发展,嵌入式技术也有了长足的发展,引入图像监控系 1 东南大学硕上学位
论文统后,特别是高容量存储器的出现,为图像监控系统的小型化、多功能化的实现提供了必要的基础。
因此,基于嵌入式技术的图像数据采集与存储系统以其内容直观生动、体积小巧、便携等优点,广泛应用于各种场合。
但应用于车载环境的监控系统又有着个性化的要求:需工作于大幅度震动、供电不稳等特定的环境下,具有很特殊的环境和结构要求,这对监控记录系统的软、硬件平台提出了很高的要求。
本
论文立足于汽车主动安全系统,为更好的总结事故教训并及时的采取针对性的预防措施,开发出了基于驾驶员不规范驾驶行为的实时提醒与视频采集存储车载设备。
该设备是一种适应于车载环境的低成本解决方案,为汽车主动安全的推J“提供了必要前提。
1.2国内外现有研究水平 (1)国外研究现状 随着全世界交通运输业的蓬勃发展,人们对汽车主动、被动安全的重视上升到前所未有的高度,对交通_T具的关注从完成基本运输功能上升到安全、节能环保、信息智能化的水平。
机电一体化的成熟运用也使人们更加关注操作的友好性。
在西方发达国家,对汽车主动安全非常重视(有的甚至已上升到法律层面,如按照美国现行法律,到2011所有新推出车辆必须配备EventDataRecorder系统〔21,用以记录事故发生前、中、后的相关信息),并在进行了大量的研究基础上推出许多相关产品。
欧洲在研究基础上,推出产晶较多,比如普遍装配于雪铁龙的LDWS系统踟(如图1.1所示)、具备自动汽车定位、车辆寻痕迹、地图匹配功能的AutomaticVehicleLocationS)tstems(AVL)系统〔41(如图1.2所示)、VehicleCrashDataRecorder(VCDR)系统等。
澳大利亚也推出普遍应用于交通紧急事故处理的EnterpriseCallBox(ECB)系统魄,该系统当汽车安全气袋膨胀或翻车时,ECB会发送警报,协助交通部门、紧急事故救援人员和其他部门追踪路面情况和处理交通事故。
图1.1雪铁龙LDWS系统装配及功能示意图 2 第一章绪论 飞矗f气1 l。
..,7。
图I·2欧洲车辆自动定位(AVL)系统 飞利浦、微软、瑞萨科技等国际知名公司也纷纷开展针对性研究。
在车内网络、汽车无线电、汽车DSP和自动门锁解决方案领域处于领先地位的半导体生产商ls利浦,推出了高度集成的单芯片模拟汽车无线电解决方案系列及适合汽车前方照明的照明技术;瑞萨科技从控制系统着手,寻求和国内IC设计公司以及相关企业紧密合作开发道路安全驾驶系统;IT巨头微软公司正在以WindowsCE软件为基础,研发一个定制版本的操作系统软件,该软件能够控制车上的一切,从车内娱乐到卫星导航无所不能,争取成为汽车软件市场的最人供应商。
(2)国内研究现状 国内对汽车电子的研究尚处于起步阶段,我国于2003年推出《汽车行驶记录仪国家标准 (GB仃.19056__2003)》,汽车产业起步较晚,在汽车电子应用、主动和被动安全等方面研究成 果积累较少。
国内汽车电子产业链存在严重断层,虽然目前国内汽车电子企业约有1000多家,但绝大部分企业规模都比较小,产品功能单一,并且技术含量不高,规模化大生产还未形成o。
比较有代表性是深圳华宝公司所推出汽车行驶记录仪,该产品通过读总线数据,监视车速等信息,产品外形如所1.3所示。
清华大学汽车工程系袁大宏教授也提出,中国汽车电子产品主要以进口为主,国内合资企业和国内企业的产品所占份额不到30%。
主要表现在:一方面,发动机电子控制系统等产品越发供不应求;另一方面,汽车音响和汽车空调等产品供过于求。
在车道偏离等相关主动安全方面,国内处于研究探索阶段,比如东南大学、浙江大学、上海交通大学等都对汽车行驶过程中的主动安全相关问题进行了深入的研究。
图1.3深圳华宝电子科技有限公司生产的汽车行驶记录仪 3 东南大学硕士学位
论文1.3本课题组的技术积累与研究成果1.3.1车道偏离报警系统 《车道偏离报警装置的研制》是金龙联合汽下工业(苏州)有限公司和东南大学苏州研究院共同承担的苏州市科技计划(工业科技攻关)项目(编号:SCⅪ723)。
车道偏离报警系统的目的是在驾驶员注意力不集中或昏昏欲睡时提醒驾驶员及时纠正行车路线,防止交通事故的发生。
车道偏离报警装置通过实时检查车辆与行驶车道的相对位置,并在汽车偏离行驶车道而司机没有发出变道信号时,系统就会通过声音警报、座椅抖动、方向盘抖动等方式发出报警,以提醒驾驶员修正车辆方向从而保持在车道内行驶,该系统是一种新型的汽车主动安全报警系统,其算法模型的基本假设如图l-4所示,假设车辆正常行驶应该在两条EarliestWarningLine之间行驶,在无转向信号前提下,超出此界限后即产生报警信息。
图1.5中(a)图表示未发生车道偏离情况,(b) 乜垒笺笏莲渤溺黝斛 》一j|图为发生车道偏离时刻系统显示模块做出的提示信息,即(b)图中左侧红线所示。
按各部分所实现功能的不同,该系统的硬件组成如图l_6所示,主要包括逻辑判断部分、视频信息输入部分、 一嗣,。
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_视频信息处理部分、报警信息输出部分以及必要的供电模块等。
由于车道偏离报警装置对交通运 r………………输安全能起到显著的作用,因此,对它的研究已成为智能运输系统ITS领域的热点。
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