張 軍,沈永良
(黑龍江大學(xué) 電子工程學(xué)院,哈爾濱 150080)
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基于S5PV210嵌入式系統(tǒng)智能站牌的硬件設(shè)計
張 軍,沈永良*
(黑龍江大學(xué) 電子工程學(xué)院,哈爾濱 150080)
針對傳統(tǒng)的公交站牌的缺陷,采用Cortex-A8架構(gòu)的S5PV210處理器對智能公交站牌系統(tǒng)和基本外圍電路進行了總體設(shè)計。智能公交站牌具有預(yù)測車輛到站時間、顯示車內(nèi)擁擠程度和公交車實時位置等功能。
Cortex-A8;S5PV210;嵌入式系統(tǒng);智能站牌;外圍電路設(shè)計
智能公交是未來公共交通發(fā)展的必然模式,而智能站牌對緩解日益嚴(yán)重的交通擁堵問題具有重要的意義。 智能站牌的芯片影響著整個系統(tǒng)的性能,智能站牌長期工作在室外環(huán)境,對系統(tǒng)的可靠性具有很高要求,使得傳統(tǒng)的PC機器很難勝任。因此,智能公交站牌只能采用嵌入式設(shè)備。嵌入式設(shè)備需要嵌入式操作系統(tǒng)支持,目前,嵌入式操作系統(tǒng)有Linux、WinCE、VxWorks,綜合性價比,采用可搭載在S5PV210處理芯片上的Linux操作系統(tǒng)[1]。
S5PV210是一款高性能、高效率、低功耗的32位RISC處理器,它集成了ARM Cortex-A8核心,實現(xiàn)了ARM架構(gòu)V7并且支持眾多外圍設(shè)備。就目前而言,許多應(yīng)用開發(fā)還是基于ARM7和ARM9,在ARM家族中比較不難發(fā)現(xiàn),ARM11往前屬于ARM的一個時代,而從Cortex開始成為ARM公司的新亮點,并且Cortex兼容ARM架構(gòu),所以,智能站牌控制系統(tǒng)采用了Cortex-A8架構(gòu)的S5PV210處理芯片。
S5PV210又稱“蜂鳥”(Hummingbird)是Samsung公司設(shè)計的一款高性價比的微處理器,適用于智能手機、平板電腦、智能家居、高端控制系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)。S5PV210采用了ARM Cortex-A8架構(gòu),ARMv7指令集,主頻可達1 GHz,64/32位內(nèi)部總線結(jié)構(gòu),32 KB的數(shù)據(jù)/指令一級Cache,512 KB的二級Cache,可以實現(xiàn)2000DMIPS(每秒運算2億條指令集)的高性能運算能力[2]。
S5PV210內(nèi)部集成了眾多外設(shè)資源[3]: ①TFT真彩LCD控制器; ②MIPI DSI顯示串行接口; ③24通道的DMA; ④高速運行的USB2.0 OTG; ⑤4個SD Host和高速多媒體接口; ⑥4個定時器和通用I/O接口; ⑦IIC接口和3個I2S; ⑧2個HS-SPI ; ⑨攝像頭接口、電源管理、ATA接口;USB Host2.0。S5PV210結(jié)構(gòu)框圖見圖1。
圖1 S5PV210結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 S5PV210 structural block diagram
1.1 總體設(shè)計
智能公交系統(tǒng)架構(gòu)圖見圖2。系統(tǒng)分為智能站牌、車載終端和后臺中心3部分。其中,智能站牌具有顯示車站公交車位置、車內(nèi)擁擠程度、公交車到達本站的預(yù)測時間等功能。
智能站牌、車載終端為了實現(xiàn)車內(nèi)視頻監(jiān)控功能,采用了USB監(jiān)控攝像頭、LCD顯示屏、網(wǎng)絡(luò)(DM9000AEP)和GPRS/3G等設(shè)備。為了實現(xiàn)車輛到站時間的預(yù)測功能,車載終端還采用了GPS模塊。
智能站牌、車載終端均采用Smart210開發(fā)板,車載終端與公交車內(nèi)外USB攝像頭連接,對公交車內(nèi)的人群擁擠程度和公交站牌候車人數(shù)進行視頻采集。采集數(shù)據(jù)經(jīng)處理后通過3G模塊傳輸?shù)胶笈_中心,并由后臺調(diào)度中心將視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)街悄苷九粕巷@示。公交車上安裝有GPS定位裝置,公交車運行位置可在后臺中心調(diào)度室電腦上顯示,再由后臺調(diào)度中心將公交車的位置信息傳輸?shù)街悄苷九粕巷@示。智能站牌控制系統(tǒng)硬件總體設(shè)計見圖3。
圖2 智能公交系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.2 Intelligent bus system architecture
圖3 智能站牌控制系統(tǒng)硬件總體設(shè)計Fig.3 Hardware overall design of intelligent bus stop sign control system
LCD顯示模塊:顯示公交車的位置、公交車到達本站的預(yù)測時間、車內(nèi)的擁擠程度等。
USB模塊:USB攝像頭的接入等外設(shè)。
穩(wěn)壓電源:對整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行起著重要作用,只有電源電路提供穩(wěn)定的電源才能保證系統(tǒng)正常的接受數(shù)據(jù)并且正確的顯示出來。
UART串口/3G模塊:車輛定位信息的收發(fā)需要UART串口和3G模塊,然后傳輸?shù)秸九啤?/p>
1.2 處理器的選擇
前期的智能站牌設(shè)計,大多數(shù)采用三星公司s3c2440和s3c6410處理器,由于處理器性能有限,存在一些缺陷,例如:
1)內(nèi)存控制器:s3c2440采用SDRAM內(nèi)存控制器,s3c6410采用DDR內(nèi)存控制器,而S5PV210卻采用DDR2內(nèi)存控制器。DDR2內(nèi)存擁有兩倍于上一代DDR內(nèi)存預(yù)讀取能力。換言之,DDR2內(nèi)存以4倍外部總線的速度讀/寫數(shù)據(jù),并且能夠以內(nèi)部控制總線4倍的速度運行[4],改善了智能站牌顯示的時效性。
2)視頻分辨率:Smart210的視頻分辨率得到提高,視頻更加清晰。內(nèi)有高性能3D圖形引擎和2D圖形引擎,支持2D/3D圖形加速,是第五代Power VR產(chǎn)品,其多邊形生成率為2 800萬多邊形/s,像素填充率可達2.5億/s,在3D和多媒體方面比以往大幅提升,能夠支持DX9,SM3.0,OpenGL2.0等PC級別顯示技術(shù)。具備IVA3硬件加速器,具備出色的圖形解碼性能,可以支持全高清、多標(biāo)準(zhǔn)的視頻編碼,流暢播放和錄制30幀/s的1 920×1 080像素的視頻文件,更快解碼高質(zhì)量的圖像和視頻[5]。
S5PV210處理器還有許多功能優(yōu)于S3C2410處理器,設(shè)計的智能站牌的功能也優(yōu)于后者。因此,選擇S5PV210處理芯片來設(shè)計智能站牌更具有優(yōu)勢。
對于智能站牌的控制核心S5PV210處理器而言,只有在基本外圍電路的支撐下才能正常運行,這些基本的外圍電路有:DDR2儲存器、Flash儲存器、UART串口、電源模塊、USB模塊、LCD模塊、3G模塊等。外圍電路原理圖見圖4。
圖4 外圍電路原理圖Fig.4 External circuit schematic
2.1 DDR2儲存器
同步動態(tài)隨機儲存器使用是DDR2內(nèi)存控制器。型號是K4T1G084QQ,而且板載4個芯片,總共512 MB,單芯片的容量設(shè)計為16MBit×8BANK×8I/O,作為片上系統(tǒng)該芯片的選取能夠很好地配合ARM處理器工作。如果采用512 Kbps定碼流,則錄像文件大小為512×3 600÷8÷1 024=225 MB/h,512 MB的內(nèi)存約可緩存2 h的視頻文件。
2.2 NAND FLASH硬件設(shè)計
NOR Flash和NAND Flash是現(xiàn)在主流的兩種非易失的閃存技術(shù),且從可靠性上,NOR Flash較高,而NAND Flash必須有校驗措施,但NAND Flash的主要用途是保存數(shù)據(jù),且價格相對便宜,同時具有可寫性。在嵌入式設(shè)備中,有兩種常見類型的NAND Flash,分別是SLC和MLC,兩者的主要區(qū)別為SLC每一個單元存儲一位數(shù)據(jù),而MLC每個單元存儲兩位數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)密度大。因為MLC能耗大,讀寫速度相對較慢,故采用SLC類型NAND Flash儲存器,型號為K9F4G08UOB,用于數(shù)據(jù)存儲的單元有512 MB。
2.3 DM9000A以太網(wǎng)控制器
DM9000A是一款高度集成、低成本、低功耗的單片快速以太網(wǎng)MAC控制器,并且具有通用的處理接口、10M/100M物理層和16 KB的SRAM[2],該芯片支持背壓模式半雙工流量控制,集成10 M/100 M自適應(yīng)收發(fā)器,IEEE802.3x流量控制的全雙工模式,100腳LQFP封裝工藝,支持4個通用輸入輸出口,支持處理器讀寫內(nèi)部儲存器的數(shù)據(jù)操作,命令以字節(jié)/字/雙字的長度進行。
2.4 LCD觸摸顯示模塊
液晶顯示屏具有體積小、耗電量低、無輻射的特點,使用LCD觸摸顯示屏可以實現(xiàn)與嵌入式系統(tǒng)的交互,智能站牌的顯示部分采用的81.28 cm TFT液晶顯示屏,型號為TXH32-2000。
2.5 UART串口模塊
UART是通用異步收發(fā)器,通常計算機與外部設(shè)備通信端口為并行和串行,串行通信優(yōu)于并行通信,而且適合于遠距離通信,只需一對傳輸線就可以實現(xiàn)全雙工通信,通信線路簡單易操作,降低了成本。
為了實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換,采用了SP3232芯片,該芯片工作電壓為3.3 V時只需要0.1 UF電容就可操作,滿載最小傳輸速率為120 Kbps,1UA的低功耗關(guān)斷模式,一片SP3232可驅(qū)動兩個簡單的串口。
2.6 USB模塊
三星S5PV210處理器提供了USB主機控制器和USB設(shè)備控制器,用戶只需簡單的通過電阻將S5PV210的相應(yīng)管腳接到USB接口器件。
2.7 穩(wěn)壓電源模塊及電源監(jiān)控模塊
由于Smart210開發(fā)板外部供應(yīng)電壓為5 V,而S5PV210處理器的端口和外圍設(shè)備所需電壓為3.3 V,S5PV210微處理器CPU內(nèi)核供電電壓為1.8 V,攝像頭接口供電電壓為2.8 V,需要選擇合適的電壓轉(zhuǎn)化芯片,在此筆者選擇AMS1086電源芯片和RT9011-MGPJ6電源芯片。其中AMS1086將電壓調(diào)到3.3 V供給S5PV210處理器的端口和外圍設(shè)備,然后再通過RT9011將電壓轉(zhuǎn)化到2.8 V和1.8 V分別供給攝像頭接口和S5PV210微處理器CPU內(nèi)核。另外,AMS1086輸出電流為1.5 A,且是一個低壓差電壓調(diào)節(jié)器;而RT9011為雙通道的低壓差電壓調(diào)節(jié)器,它將輸入電壓2.5~5.5 V的信號轉(zhuǎn)化為1.2~3.6 V,并且每一個通道提供300 mA的電流。
為了使處理器能夠穩(wěn)定持續(xù)地工作,采用IMP811電源監(jiān)控和復(fù)位芯片對嵌入式系統(tǒng)進行監(jiān)視電源的工作情況。該電路的工作過程是當(dāng)電源電壓低至預(yù)置的復(fù)位門限以下時,發(fā)出一個復(fù)位信號并且在電源升到這個復(fù)位門限以后繼續(xù)保持該信號的時間為140 ms,該器件在進行電源監(jiān)控時有6種電壓門限,考慮到S5PV210的工作電壓及其外圍電路的工作電壓,選用T后綴的IMP811芯片,當(dāng)供電電壓<3.08 V時,IPM自動產(chǎn)生復(fù)位信號使S5PV210處理器復(fù)位。
2.8 GPS模塊
車輛定位裝置是智能交通系統(tǒng)不可或缺的一部分,擔(dān)任著車輛的定位和車輛的預(yù)測作用,在此選用友善之臂提供的GPS定位裝置,通過串口連接到Smart210開發(fā)板上,實現(xiàn)對公交車的定位,其定位精度為:靜態(tài)時車輛定位精度為15 m以內(nèi);動態(tài)時車輛定位精度為10 m以內(nèi)。由于公交車實時采集的原始GPS數(shù)據(jù)存在多種測量誤差,需要對這些數(shù)據(jù)進行識別和處理,對錯誤數(shù)據(jù)進行修改,提高GPS數(shù)據(jù)的可靠性,通過移動平均法和動態(tài)調(diào)整的混合算法提高公交車到站時間預(yù)測精度。
2.9 3G模塊
3G為移動通信技術(shù),比GPRS具有更大的網(wǎng)絡(luò)容量。為了上網(wǎng)方便,Android平臺設(shè)計開發(fā)了一個3G撥號上網(wǎng)程序,它可以自動檢測并支持100多種型號的USB上網(wǎng)卡,為嵌入式智能站牌的通信提供有力的保障,在此設(shè)計中筆者選用USB 3G上網(wǎng)卡的型號是華為E261(適用于中國聯(lián)通),這款無線上網(wǎng)卡具有最大下行7.2Mbps、上行5.76Mbps的傳輸速度,支持USB接口,適用Android/Linux。啟動3G車載無線視頻終端,設(shè)備按照設(shè)定的參數(shù)自動運行,通過攝像頭進行視頻采集,并在本地進行壓縮編碼,同時連接3G無線網(wǎng)絡(luò),建立數(shù)據(jù)鏈路。視頻傳輸設(shè)備通過3G無線鏈路將編碼后的視頻信息實時傳送到后臺中心的視頻管理服務(wù)器,運行在視頻管理服務(wù)器的視頻處理程序?qū)⒔邮盏降囊曨l信息重新合成,通過發(fā)布程序到智能站牌上顯示視頻信息[6]。
隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展,智能公交系統(tǒng)一定會普及。而智能站牌是智能公交系統(tǒng)的重要組成部分,擔(dān)任著不可或缺的角色。本文從實際社會需求出發(fā)設(shè)計了智能站牌控制系統(tǒng)的總體設(shè)計方案和外圍硬件電路的構(gòu)建,為實現(xiàn)一個完整的智能公交系統(tǒng)奠定了有力的基礎(chǔ)。
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Hardware design of embedded intelligent bus stop sign system based on S5PV210
ZHANG Jun,SHEN Yong-Liang*
(SchoolofElectronicEngineering,HeilongjiangUniversity,Harbin150080,China)
For the defects of the traditional bus stop sign,intelligent bus stop sign system and its basic peripheral circuit are overall designed using S5PV210 processor,which is formed by Cortex-A8.Intelligent bus stop sign has the ability to predict vehicle arrival time, show the degree of car congestion and real-time location of the bus.
Cortex-A8;S5PV210;embedded systems;intelligent bus stop sign;peripheral circuit design
10.13524/j.2095-008x.2017.01.012
2017-01-13;
2017-02-15
國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金資助項目(61503127)
張 軍(1992-),男,山東鄆城人,碩士研究生,研究方向:智能測控技術(shù),E-mail:j_zhang1317@163.com;*通訊作者:沈永良(1964-),男,黑龍江雙鴨山人,教授,博士,研究方向:智能測控技術(shù),E-mail:shen-yl@163.com。
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2095-008X(2017)01-0073-05