基于Intel XScale PXA255处理器的汽车黑匣子系统设计

引言

2020年中国民用汽车数量将飙升至1.4亿辆，全世界汽车保有量以每年3000万辆的速度增长，由此带来的交通安全事故数量也逐年增长。在处理交通事故时，执法人员无法了解整个事故发生前后状况，供提取证据的事故现场一般被严重破坏，可能会导致一些误判。而汽车一旦装上本系统后，在处理交通事故的程序上，由于有录像和数字证据，提高了执法的公平性和公证性。

本系统设计的汽车黑匣子实现了视频取证，通过摄像头采集事故发生前后车前的录像，可以真实地再现事故发生的全过程。此外，汽车黑匣子还具有防盗功能，可以在一定的条件下启动语音传输功能，通过移动电话网络把车内的语音传输到指定的接收中心，也可以通过GPS全球定位系统确定汽车的位置。

基于Sitsang开发平台的开发环境

Sitsang开发平台是一套完整的基于Intel XScale PXA255处理器的嵌入式开发平台。Intel XScale PXA255处理器设计为高性能，低功耗和高度集成应用，例如：PDA，交换机，智能手机等。该平台提供了诸多的接口供开发使用：

* 640×480分辨率的真彩液晶屏；

* 一个USB从口，两个USB主口；

* 麦克风，线性输入，耳机接口；

* I2C总线接口；

* 一个CF卡接口；

* 一个SD/MMC卡插槽；

* 全功能蓝牙串口和标准串口。

该平台支持WinCE或Linux的操作系统，软件配置包含了WinCE的BSP（板级支持包），Linux操作系统的内核源代码和所有的硬件驱动程序。

我们采用了Linux操作系统，内核版本是Linux2.4.19，对内核增加了XScale PXA255的补丁和Sitsang开发平台外围扩展接口的驱动，例如USB主控芯片是Philips的ISP1161驱动。采用了QT/Embedded编写图形界面，QT/Embedded是一个C++的GUI开发工具包，提供了许多标准的QT API，让我们可以基于这些API很方便快捷地开发出图形界面。

系统的组成

该系统以Sitsang板为中心，扩展了三个摄像头、一个无线通信模块、一个GPS模块、麦克风和紧急开关。

取证摄像头负责视频取证，监控摄像头负责监视车内状况，倒车摄像头辅助车主观察车后视觉死角，GPS模块接收经纬度数据，无线通信模块传输图像和GPS数据，紧急开关在紧急情况下使用，麦克风用来留言。本系统充分发挥了XScale PXA255芯片的强大功能，实现了MPEG-4的编解码和各个模块间的数据通信等多项软件功能，使Sitsang起到中心控制和协调作用。

系统的主要外围设备如下：

* 无线宽带网络：我们选择了新一代的无线宽带网络来传输数据。

* G P S模块：选用了RS232接口的GPS模块，相对而言，由于Sitsang板已经有了串口的驱动，并且串口编程较为简单，速率也满足需求，所以适合本系统。

* 摄像头：USB接口的摄像头是最普遍常见的。USB总线最长传输距离可达5米，电磁干扰影响极小，安装方便，支持即插即用，满足我们系统的需求。在Linux-2.4.19的内核中支持了大多数市场上已有的摄像头的USB控制器，如最常见OmniVision公司的OV511，Philips等等。并且针对Sitsang板打好补丁的Linux内核也已经包含了Philips公司的ISP1161 USB主控制芯片的驱动。

系统主要功能

视频取证功能

车辆自启动时，便启动车前的摄像头采集数据，并在缓冲区内刷新保存最新的30s的视频数据。保存视频的形式分为手动保存和自动保存两种。

手动保存，主要用于小的交通摩擦，车辆的 行驶速度没有发生较大变化时，此时，车主可以根据自身需要，手动选择保存，黑匣子还会延续保存一段时间；自动保存，主要用于当车辆发生大的交通事故时，汽车翻转或车体发生较大形变，触发开关，系统会自动启动视频取证功能，保存最新的数据，并延续保存一段数据。由于Sitsang板上的资源有限，同时又要使资源利用最大化，本系统设计成最多可保存7段视频证据，每段约2.5MB，共占用系统的存储空间的17.5MB。

汽车防盗功能

允许车主通过短信的方式接收车辆当前的经纬度。一旦车主发现车辆被盗时，通过发短信的方式远程控制车内黑匣子，启动拨叫功能，用以监听车内状况；然后，继续通过发送短信的方式将车主身边计算机的IP地址发送给“黑匣子”，启动“黑匣子”上网功能，主动与所接收的IP地址的计算机绑定，并且建立TCP/IP通道。“黑匣子”同时自动将切换到车内的摄像头，开始传递GPS数据和摄像头采集的图像到远程的计算机，远程的服务器就会将接收到的数据自动定位到电子地图，可以查看到车辆的具体位置、方向、车辆运行速度，并且，通过服务器的图像接收程序，可以清楚的看到盗贼的外貌。

无线追踪功能

此系统在驾驶座附近及后座设置三个隐藏的紧急开关。触发紧急按钮，黑匣子会自动先向预设的电话号码打电话，随后可以通过接收短信的方式继续把GPS数据和车内的图像通过无线网络传给预设的静态IP，为事后的抓获犯罪人提供了大量确切证据和有效信息。

辅助倒车

由于后视镜视角有限，无法看到车后所有的景象，尤其是紧靠车尾部的景象，针对上述情况，我们在车尾部安装一个摄像头，用来辅助驾驶员倒车。摄像头将被安装在车尾的正后方，恰好拍摄驾驶员通过后视镜看不到的地方。而且摄像头的倾角偏下，可以很好地查看地面是否有突起的障碍物。用摄像头辅助驾驶员，既能使驾驶员放心，又减少了倒车事故。

语音留言

语音留言功能具有留言、停止、回放、删除等选项，同时可以显示系统当前是否有留言。留言时，可以手动停止，也可以限时自动停止。限时留言的上限设为30秒。留言功能的实现让汽车更加人性化。

车主身份认证

此项功能具有一定的防盗作用。系统开启后，会提示车主输入密码。只有在输入正确的密码后，车主才能启动保存视频证据、摄像头辅助倒车、留言等功能。是否输入密码并不影响车辆的启动，但是如果开车的人在一段时间内，仍然没有输入正确的密码，系统会自动发送短信到车主预设的手机号码，进行短信提醒、报警。

硬件电路框图

由于Sitsang板已经集成了所需的大部分接口，所以外围的系统的硬件电路主要是一些额外的接口电路。

U S B主控接口切换器

系统采用了三个摄像头，而Sitsang板上只有两个USB主控接口，并且还要有一个要用来连接GPS设备。而且根据系统的要求，三个摄像头不是同时工作，于是我们就自己设计了一套USB切换器。电路主要由Maxim公司的MAX4662模拟开关组成。电路的原理框图如图 1所示。

图 1 USB切换器原理框图

USB 串口转换器

Sitsang板上有两个RS232串口，其中一个用来连接无线通信模块，另外一个用于调试。但是我们还需要一个RS232串口来与GPS模块相连，所以制作了一个USB转RS232的转换器。

可供选择的USB转RS232的芯片较多，而且Linux的内核中也支持了大多数的芯片。我们选择了国内较为常见的FTDI公司的FTDI232BM芯片，该芯片兼容USB1.1/2.0，内建128B 的发送缓存和 384B的接收缓存，性能满足我们的需求。

FTDI232BM芯片把从USB得到的信号转换成标准的TTL电平，再经过一片MAX232的电平转换芯片，把TTL电平转换成RS232的电平。电路的原理框图如图 2所示。

图2 USB to 232转换器原理框图

软件设计

本系统应用软件基于QT/Embedded编写，具有良好的用户界面。软件主要分摄像头模块、无线通信模块和GPS模块等。其中无线传输的软件模块由客户端和服务器端两部分组成。客户端程序以Linux操作系统为软件平台，使用arm-liunx-g++开发工具设计；服务器端程序以Windows XP操作系统为软件平台、使用VC++6.0。整体软件程序框架如图3所示。

图 3 整体软件程序框架图

视频采集软件设计的关键是如何从USB摄像头读取图像数据。从摄像头读图像数据程序的编写主要是调用Video4Linux的API函数。Video4Linux（简称V4L），是Linux中关于视频设备的内核驱动API。在Linux中，视频设备是设备文件，可以像访问普通文件一样对其进行读写。其中，摄像头的设备文件是/dev/video0。

Video4Linux下视频编程的流程：

1. 打开视频设备；

2. 读取设备信息；

3. 更改设备当前设置；

4. 进行视频采集，两种方法： 内存映射，直接从设备读取；

5. 对采集的视频进行处理；

6. 关闭视频设备。

由于视频数据量较大，而Sitsang板的可供使用的存储容量空间较小，所以我们得把视频数据压缩以满足系统要求。

我们采用PC机上的MPEG4的编解码软件，Mplayer是Linux下播放速度最快，支持媒体格式最多的播放器。这款软件因为采用的是libavcodec算法，进行过特殊的优化，所以运行速度较快，移植到ARM平台也具有较快的速度。经过努力，终于用arm－linux－gcc交叉编译成功，移植到Sitsang平台。

结语

整套系统总体实现了新一代汽车黑匣子的各项功能。当然，系统仍然需要进一步完善，比如：无线网络传输速度差强人意，不过随着3G时代的到来，2MB的带宽将会很好解决这一问题，汽车黑匣子系统的前景将更为广阔。

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