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(jì)

張 軍，沈永良*

(黑龍江大學(xué) 電子工程學(xué)院，哈爾濱 150080)

針對(duì)傳統(tǒng)的公交站牌的缺陷，采用Cortex-A8架構(gòu)的S5PV210處理器對(duì)智能公交站牌系統(tǒng)和基本外圍電路進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)。智能公交站牌具有預(yù)測(cè)車輛到站時(shí)間、顯示車內(nèi)擁擠程度和公交車實(shí)時(shí)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(jì)

智能公交是未來(lái)公共交通發(fā)展的必然模式，而智能站牌對(duì)緩解日益嚴(yán)重的交通擁堵問(wèn)題具有重要的意義。 智能站牌的芯片影響著整個(gè)系統(tǒng)的性能，智能站牌長(zhǎng)期工作在室外環(huán)境，對(duì)系統(tǒng)的可靠性具有很高要求，使得傳統(tǒng)的PC機(jī)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(jià)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(shí)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(gè)時(shí)代，而從Cortex開始成為ARM公司的新亮點(diǎn)，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(jì)的一款高性價(jià)比的微處理器，適用于智能手機(jī)、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(dá)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(jí)Cache，512 KB的二級(jí)Cache，可以實(shí)現(xiàn)2000DMIPS(每秒運(yùn)算2億條指令集)的高性能運(yùn)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(yùn)行的USB2.0 OTG; ⑤4個(gè)SD Host和高速多媒體接口; ⑥4個(gè)定時(shí)器和通用I/O接口; ⑦IIC接口和3個(gè)I2S; ⑧2個(gè)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 智能站牌的總體設(shè)計(jì)和處理器的選擇

1.1 總體設(shè)計(jì)

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(tái)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(dá)本站的預(yù)測(cè)時(shí)間等功能。

智能站牌、車載終端為了實(shí)現(xiàn)車內(nèi)視頻監(jiān)控功能，采用了USB監(jiān)控?cái)z像頭、LCD顯示屏、網(wǎng)絡(luò)(DM9000AEP)和GPRS/3G等設(shè)備。為了實(shí)現(xiàn)車輛到站時(shí)間的預(yù)測(cè)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(duì)公交車內(nèi)的人群擁擠程度和公交站牌候車人數(shù)進(jìn)行視頻采集。采集數(shù)據(jù)經(jīng)處理后通過(guò)3G模塊傳輸?shù)胶笈_(tái)中心，并由后臺(tái)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(yùn)行位置可在后臺(tái)中心調(diào)度室電腦上顯示，再由后臺(tái)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(jì)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(jì)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(dá)本站的預(yù)測(cè)時(shí)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(duì)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)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(lái)。

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(jì)，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(yùn)行[4]，改善了智能站牌顯示的時(shí)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(wàn)多邊形/s，像素填充率可達(dá)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(jí)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(jì)的智能站牌的功能也優(yōu)于后者。因此，選擇S5PV210處理芯片來(lái)設(shè)計(jì)智能站牌更具有優(yōu)勢(shì)。

2 基本外圍電路設(shè)計(jì)

對(duì)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(yùn)行，這些基本的外圍電路有：DDR2儲(chǔ)存器、Flash儲(chǔ)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(chǔ)存器

同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)儲(chǔ)存器使用是DDR2內(nèi)存控制器。型號(hào)是K4T1G084QQ，而且板載4個(gè)芯片，總共512 MB，單芯片的容量設(shè)計(jì)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(jì)

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(yàn)措施，但NAND Flash的主要用途是保存數(shù)據(jù)，且價(jià)格相對(duì)便宜，同時(shí)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(gè)單元存儲(chǔ)一位數(shù)據(jù)，而MLC每個(gè)單元存儲(chǔ)兩位數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)密度大。因?yàn)镸LC能耗大，讀寫速度相對(duì)較慢，故采用SLC類型NAND Flash儲(chǔ)存器，型號(hào)為K9F4G08UOB,用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(gè)通用輸入輸出口，支持處理器讀寫內(nèi)部?jī)?chǔ)存器的數(shù)據(jù)操作，命令以字節(jié)/字/雙字的長(zhǎng)度進(jìn)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(wú)輻射的特點(diǎn)，使用LCD觸摸顯示屏可以實(shí)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(hào)為TXH32-2000。

2.5 UART串口模塊

UART是通用異步收發(fā)器，通常計(jì)算機(jī)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(yuǎn)距離通信，只需一對(duì)傳輸線就可以實(shí)現(xiàn)全雙工通信，通信線路簡(jiǎn)單易操作，降低了成本。

為了實(shí)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(shí)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(dòng)兩個(gè)簡(jiǎn)單的串口。

2.6 USB模塊

三星S5PV210處理器提供了USB主機(jī)控制器和USB設(shè)備控制器，用戶只需簡(jiǎn)單的通過(guò)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(guò)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(gè)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(hào)轉(zhuǎn)化為1.2～3.6 V，并且每一個(gè)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(duì)嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視電源的工作情況。該電路的工作過(guò)程是當(dāng)電源電壓低至預(yù)置的復(fù)位門限以下時(shí)，發(fā)出一個(gè)復(fù)位信號(hào)并且在電源升到這個(gè)復(fù)位門限以后繼續(xù)保持該信號(hào)的時(shí)間為140 ms，該器件在進(jìn)行電源監(jiān)控時(shí)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(shí)，IPM自動(dòng)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)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(cè)作用，在此選用友善之臂提供的GPS定位裝置，通過(guò)串口連接到Smart210開發(fā)板上，實(shí)現(xiàn)對(duì)公交車的定位，其定位精度為：靜態(tài)時(shí)車輛定位精度為15 m以內(nèi)；動(dòng)態(tài)時(shí)車輛定位精度為10 m以內(nèi)。由于公交車實(shí)時(shí)采集的原始GPS數(shù)據(jù)存在多種測(cè)量誤差，需要對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別和處理，對(duì)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，提高GPS數(shù)據(jù)的可靠性，通過(guò)移動(dòng)平均法和動(dòng)態(tài)調(diào)整的混合算法提高公交車到站時(shí)間預(yù)測(cè)精度。

2.9 3G模塊

3G為移動(dòng)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(tái)設(shè)計(jì)開發(fā)了一個(gè)3G撥號(hào)上網(wǎng)程序，它可以自動(dòng)檢測(cè)并支持100多種型號(hào)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(jì)中筆者選用USB 3G上網(wǎng)卡的型號(hào)是華為E261(適用于中國(guó)聯(lián)通)，這款無(wú)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(dòng)3G車載無(wú)線視頻終端，設(shè)備按照設(shè)定的參數(shù)自動(dòng)運(yùn)行，通過(guò)攝像頭進(jìn)行視頻采集，并在本地進(jìn)行壓縮編碼，同時(shí)連接3G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，建立數(shù)據(jù)鏈路。視頻傳輸設(shè)備通過(guò)3G無(wú)線鏈路將編碼后的視頻信息實(shí)時(shí)傳送到后臺(tái)中心的視頻管理服務(wù)器，運(yùn)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(guò)發(fā)布程序到智能站牌上顯示視頻信息[6]。

3 結(jié) 論

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，智能公交系統(tǒng)一定會(huì)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(shí)際社會(huì)需求出發(fā)設(shè)計(jì)了智能站牌控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案和外圍硬件電路的構(gòu)建，為實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的智能公交系統(tǒng)奠定了有力的基礎(chǔ)。

[1] 岳勇.嵌入式智能站牌控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[D].西安：西安科技大學(xué)，2013.

[2] 李碩.脈搏波信號(hào)采集質(zhì)量實(shí)時(shí)分析研究及設(shè)備開發(fā)[D].北京：北京工業(yè)大學(xué).2015.

[3] 劉龍，張?jiān)拼?申華.嵌入式Linux軟硬件開發(fā)詳解[M].北京：人民郵電出版社，2015.

[4] 付璐.DDR2內(nèi)存技術(shù)[J].科技天地，2008(3)：72.

[5] 李珺.基于互聯(lián)網(wǎng)的危險(xiǎn)品運(yùn)輸智能監(jiān)督控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2014.

[6] 林建輝，楊超.基于CDMA信道培增的警用移動(dòng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2012，20(11),100-102.

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(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61503127)

張 軍(1992-)，男，山東鄆城人，碩士研究生，研究方向：智能測(cè)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(cè)控技術(shù)，E-mail：shen-yl@163.com。

TP302

A

2095-008X(2017)01-0073-05