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摘 要：嵌入式车道控制机是ECT系统的重要组成之一。嵌入式ETC系统由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统及系统软件组成，实现不停车自动收费、设备控制、状态监视、数据管理等功能。本文介绍了一种基于DM6446微处理器的嵌入式车道控制机的详细设计方案，同时给出了车道控制器的硬件结构和软件组成。
关键词：嵌入式；车道控制机；电子不停车收费系统
1 ETC系统简介
电子不停车收费系统（ETC）主要分为硬件和软件两大组成部分，是集合了多种高新技术的先进系统，这些技术包括多个方面，有计算机技术，电子技术，微波技术，信息通信技术，传感器技术等。系统使用插有IC卡的车载标签（OBU）记录车辆信息及通过收费站的相关信息，当车辆通过装有ETC的车道时，车载标签与路侧单元（RSU）进行通信，在计算机收费系统和IC卡中进行结算扣费。ETC车道控制系统，它是由安装在车辆前挡风玻璃上的车载单元（On Board Unit，简称OBU）、安装在ETC车道路边的路侧单元（Road Side Unit，简称RSU）、安装在收费站的ETC车道控制器、IC卡以及外围设备（如自动栏杆机、费额显示频等）等组成。ETC车道控制系统通过OBU与RSU间的通信，实现车辆身份识别，电子扣费，从而实现不停车自动收费的功能。其系统结构示意图如图1.1所示。
ETC车道控制系统通过专用短程微波通信协议（Dedicated Short-Range Communication，简称DSRC），利用OBU与RSU来进行通信和信息交换； RSU微波天线通过RSU控制器与嵌入式车道控制机连接；车牌识别摄像机通过车牌识别器与嵌入式车道控制机连接；其他的设备包括费额显示屏、自动栏杆机等都与嵌入式车道控制机连接。
2 硬件设计
嵌入式车道控制机是ETC系统的核心设备，它包括有嵌入式微处理器、嵌入式操作系统、收费管理应用软件系统以及连接外围设备的各模块。外围设备包括：车道摄像机、自动栏杆机、RSU控制器、费额显示屏、顶棚点阵显示屏等。其硬件结构如图2.1所示。
2.1 微处理器
微处理器是车道控制机的核心控制部件，它的性能的好坏直接影响着系统的性能。本文采用的是TI公司的TMS320DM6446芯片作为系统的微处理芯片。DM6446是一个双核结构，它既有ARM结构，又有DSP结构，为系统提供了强大的运算和处理能力。ARM主要负责管理整个系统应用程序的运行，DSP芯片主要负责对具有较大运算强度的如异常事件监测，车牌识别等任务。下面主要介绍下DM6446芯片在系统中的运用。
DM6446芯片是一款高性能低功耗的双核处理芯片。它包含ARM和DSP的双核，并且具有一个视频处理的子系统。ARM子系统采用ARM926EJ-S芯片作为ARM子系统处理器，其主频可达400MHz，它是一个增强型的32位的精简指令集；8位/16位的64MB NOR Flash和NAND Flash接口，256MB的16位或32位DDR2接口能实现嵌入式内核的存储以及足够满足系统的运行内存；MMC、SD、SDIO存储卡接口丰富了数据的存储；10/100M以太网物理层接口实现系统高速的通信能力；71个GPIO引脚为系统提供了丰富的I/O接口；一个20芯的标准JTAG接口为系统提供了方便的测试接口。
DSP子系统采用C64x的芯片作为DSP子系统处理器，其主频可高达800MHz，处理能力惊人；视频处理子系统主要是视频的输入输出接口和视频图像协处理器，也有可能包含FPGA等视频图像处理加速模块。一个多通道音频接口，及编解码器接口实现系统语音的输入输出；CCD和CMOS图像接口，兼容Y/C、RAW等模式的视频输入，8位/16位的YUV、Y/C位等多种制式的视频输出，实现系统对车牌的抓拍并获取车牌的能力。
双核结构的子系统之间是通过终端来完成通信的，各个子系统中自带存储，也相互共享外接的储存器，并且自带有非常多的外围设备的接口设备，外设和各个子系统之间的通信则通过交换存储资源来实现。
2.2 电源管理模块
电源模块的好坏是一个系统稳定运行的重要保证。对于ETC车道控制系统来说，高实时性及高速的图像处理是系统的所必须具备的。因此，一个低功耗、低噪音、高电压精度、电压稳定性高的电源模块是本系统所需要的。
本文的电源模块设计采用了TI公司的高效同步的电源管理芯片TPS75003和TPS62040以满足系统对于内核电压、外围I/O电压、外围设备供电电压。系统需要的电源有5V、3.3V、1.8V、1.2V，其中，5V是DM6446外部输入電压由外部直流5V电源提供，3.3V的外围设备供电电压和1.2V的内核电压由TPS75003芯片转换得到、1.8V的I/O工作电压及DDR2电压由芯片TPS62040转换得到。TPS75003是应用于DSP中的多通道的高效的电源管理模块，其效率可达95%；TPS62040是高效的同步降压型DC-DC转换器，转换效率达95%。
2.3 视频采集模块
视频采集模块对于车道控制系统来说是非常重要的一部分，它主要负责把车道摄像机摄影的视频模拟信号转换成视频数字信号，并把转换结果一方面上传到收费站服务器解码后实现车道监控，另一方面传给DM6446通过车牌识别算法实现车牌识别。所以，转换精度和转换速率将影响系统的功能能否正常完成。
本文采用TI公司的一款高性能、高品质的数字视频解码芯片TVP5146。该芯片可将模拟视频信号数字化转换成数字组合视频，支持组件RGB和YPbPr信号的A/D转换，以及A/D转换和解码NTSC，PAL和SECAM复合和S-video视频到组成的YCbCr。内部还包含有4个精度为10位的A/D转换器通道。TVP5146芯片有10个模拟视频信号输入引脚，能支持多种视频信号的组合输入。采用RCA接口作为视频输入接口，将采集到的模拟视频信号经滤波电路后接入TVP5146芯片的输入端。芯片的时钟输入采取14.31818MHz的晶振直接输入，其工作方式的配置由DM6446通过I2C总线对寄存器进行配置。 2.4 以太网接口模块
本系统需要使用两个以太网口。一个用于把ETC车道交易数据上传到收费站服务器；另一个用于把ETC车道内的监控视频数据上传到服务器，并通过网络实现远程监控。本文采用intel公司的LTX971A网络通讯接口，该芯片支持10Mb/s、100Mb/s双绞线应用，也支持100Mb/s光纤接口，供电电压是3.3V，采用RJ-45接口。
DM6446集成了一个由EMAC和MDIO组成的网络控制模块。其中，EMAC的功能是完成网络数据包的缓存；MDIO的功能是完成对网络物理层的工作状态的配置、检测等。
2.5 RS485模块
在本系统中车道控制机通过RS485通信协议分别与费额显示屏、RSU控制器、顶棚点阵显示屏进行信息交换。
RS485采用差分信号负逻辑，+2V～+6V表示“0”，-6V～-2V表示“1”。它采用总线式拓朴结构的两线制接线方式，在同一总线上最多可以挂接32个结点。在RS485通信网络中采用主从通信方式，即一个主机带多个从机。这正好满足本系统需求。RS485接口电路主要完成的是：将来自DM6446的发送信号TX通过“发送器”转换成通讯网络中的差分信号，也可以将通讯网络中的差分信号通过“接收器”转换成被DM6446接收的RX信号。在任一时刻，RS485收发器只能够工作在“接收”或“发送”两种模式之一，因此，必须为RS485接口电路增加一个收/发逻辑控制电路。本文选用SP485R芯片来完成收/发控制电路。
2.6 I/O控制模块
本文所涉及到的I/O控制主要使用在检测线圈、自动栏杆机、报警器上。车道控制机的微处理器DM6446的I/O口通过继电板直接控制栏杆机、报警器、检测线圈，接收设备的状态信息。
本文选用研华的PCLD-782作为设备状态信号的输入。PCLD-782是一款16通道的光隔离数字量输入板，板上所有的输入通道上都提供了高电压（>1500VDC）光隔离保护，该板通过一个PC-LabCard都带有的标准20芯扁平电缆接口，提供了16路数字量输入通道。在本系统中，车道控制机使用12路输入检测线圈、自动栏杆机、报警器的状态信息。选用PCLD-785作为设备数字量输出。PCLD-785是一款带有16通道的SPDT继电器数字量输出板，该板与大多数I/O卡的数字量输出兼容。车道控制机通过PCLD-785把外部设备的控制信号直接驱动控制外部设备。
3 软件设计
3.1 Linux的移植
Linux内核支持几乎所有的32位或64位的CPU；支持种类繁多的硬件，从网络上几乎都可以找到所有的硬件驱动程序；支持几乎所有的网络协议；内核可以任意裁剪。基于以上优势，本文选择Linux作为嵌入式操作系统。具体的嵌入式Linux的移植包括：
（1）搭建开发环境。包括硬件环境和软件环境的搭建。硬件环境需要使用主机与目标板结合的交叉开发模式：首先在主机上对软件程序进行编译生成系统语言构成的代码。然后系在到目标板上对这些程序进行运行和实验验证。所以主机上需要安装交叉编译器，包括：针对目标系统的编译器gcc、目标系统的二进制工具binutils、目标系统的标准c库glibc和目标系统的Linux内核头文件；软件环境需要在主机上安装Linux操作系统，配置和启动网络服务。
（2）bootloader的移植。常用的bootloader有：u-boot、vivi、blob、arm-boot等。本文采用vivi。具体的移植过程：首先在Makefile文件中正确设置编译环境；然后，正确设置NAND Flash分区，修改相关C文件；修改Linux内核启动命令行；最后make menuconfig进行配置，主要对芯片、平台类型、底层启动选项串口、vivi支持命令等进行设置。
（3）Linux内核移植。Linux 2.6内核由于其自身所具有的针对嵌入式系统应用的显著特点，在稳定性、响应性、对设备支持的广泛性等方面相比以前版本的内核都有较大的提高。因此，把Linux 2.6内核向DM6446平台的移植。具体移植过程：修改根目录下的Makefile文件；针对NAND FLASH的修改；针对网络的修改；针对LCD的修改等。
（4）Linux文件系统移植。使用busybox软件进行功能裁减，产生一个最基本的根文件系统，修改根文件系统中的启动脚本，自动挂装文件系统的配置文件；建立Flash磁盘分区以便应用程序使用，一般使用JFFS2或YAFFS文件系统。
3.2 系统软件功能设计
本系统设计的ETC车道收费软件主要的工作是要能根据感应线圈的检测信息判断车道内车辆情况，获取OBU及IC卡中车辆的信息，根据费率表计算本次通行费用并能实现电子扣费，显示扣费情况及车辆相关信息。所以，系统软件所要包括的功能模块有：系统文件配置模块、业务处理模块、I/O控制模块、RSU控制模塊、费显屏控制模块、点阵显示屏控制模块、称重控制模块、数据库管理模块、数据传输模块等、车道摄像机控制模块。软件功能结构图如图3.1所示。
RSU与OBU是整个系统的核心设备。车辆信息、IC卡内金额信息等都是通过RSU与OBU之间的通信进行传输的，车道控制机接收到这些数据和信息并进行相关的处理处理。整个系统的工作流程如图3.2所示。
4 总结
嵌入式ETC车道控制机是ETC系统的重要组成之一。本设计根据ETC车道软件、硬件的功能及性能要求的基础上，采用DM6446微处理器，将检测线圈、车道摄像机、费额显示屏等外围设备融入车道控制机的设计，并在DM6446内的DSP子系统内置车牌识别算法进行实时车牌识别。系统进行合理化设计，增加了车道控制器的功能，降低了应用费用，为工作人员维护系统带来了方便；优化收费流程，满足高可靠性、高实时性的ETC车道系统的工程及应用需求。
参考文献
[1] 李丛晖. 电子不停车收费车道系统[J].机电一体化，2005（04）：42-45.
[2] 吴军，周转运.嵌入式Linux系统应用基础与开发范例[M].北京：人民邮电出版社，2008.
[3] 赵建周. 高速公路联网不停车收费系统车道类型比选和车道控制逻辑的研究[J].西安：长安大学，2010.5， 37-39.
[4] 孙文波，李杰，黄涛.嵌入式系统在ETC系统中的应用[J].中国交通信息化，2013（06）：72-73.
关键词：嵌入式；车道控制机；电子不停车收费系统
1 ETC系统简介
电子不停车收费系统（ETC）主要分为硬件和软件两大组成部分，是集合了多种高新技术的先进系统，这些技术包括多个方面，有计算机技术，电子技术，微波技术，信息通信技术，传感器技术等。系统使用插有IC卡的车载标签（OBU）记录车辆信息及通过收费站的相关信息，当车辆通过装有ETC的车道时，车载标签与路侧单元（RSU）进行通信，在计算机收费系统和IC卡中进行结算扣费。ETC车道控制系统，它是由安装在车辆前挡风玻璃上的车载单元（On Board Unit，简称OBU）、安装在ETC车道路边的路侧单元（Road Side Unit，简称RSU）、安装在收费站的ETC车道控制器、IC卡以及外围设备（如自动栏杆机、费额显示频等）等组成。ETC车道控制系统通过OBU与RSU间的通信，实现车辆身份识别，电子扣费，从而实现不停车自动收费的功能。其系统结构示意图如图1.1所示。
ETC车道控制系统通过专用短程微波通信协议（Dedicated Short-Range Communication，简称DSRC），利用OBU与RSU来进行通信和信息交换； RSU微波天线通过RSU控制器与嵌入式车道控制机连接；车牌识别摄像机通过车牌识别器与嵌入式车道控制机连接；其他的设备包括费额显示屏、自动栏杆机等都与嵌入式车道控制机连接。
2 硬件设计
嵌入式车道控制机是ETC系统的核心设备，它包括有嵌入式微处理器、嵌入式操作系统、收费管理应用软件系统以及连接外围设备的各模块。外围设备包括：车道摄像机、自动栏杆机、RSU控制器、费额显示屏、顶棚点阵显示屏等。其硬件结构如图2.1所示。
2.1 微处理器
微处理器是车道控制机的核心控制部件，它的性能的好坏直接影响着系统的性能。本文采用的是TI公司的TMS320DM6446芯片作为系统的微处理芯片。DM6446是一个双核结构，它既有ARM结构，又有DSP结构，为系统提供了强大的运算和处理能力。ARM主要负责管理整个系统应用程序的运行，DSP芯片主要负责对具有较大运算强度的如异常事件监测，车牌识别等任务。下面主要介绍下DM6446芯片在系统中的运用。
DM6446芯片是一款高性能低功耗的双核处理芯片。它包含ARM和DSP的双核，并且具有一个视频处理的子系统。ARM子系统采用ARM926EJ-S芯片作为ARM子系统处理器，其主频可达400MHz，它是一个增强型的32位的精简指令集；8位/16位的64MB NOR Flash和NAND Flash接口，256MB的16位或32位DDR2接口能实现嵌入式内核的存储以及足够满足系统的运行内存；MMC、SD、SDIO存储卡接口丰富了数据的存储；10/100M以太网物理层接口实现系统高速的通信能力；71个GPIO引脚为系统提供了丰富的I/O接口；一个20芯的标准JTAG接口为系统提供了方便的测试接口。
DSP子系统采用C64x的芯片作为DSP子系统处理器，其主频可高达800MHz，处理能力惊人；视频处理子系统主要是视频的输入输出接口和视频图像协处理器，也有可能包含FPGA等视频图像处理加速模块。一个多通道音频接口，及编解码器接口实现系统语音的输入输出；CCD和CMOS图像接口，兼容Y/C、RAW等模式的视频输入，8位/16位的YUV、Y/C位等多种制式的视频输出，实现系统对车牌的抓拍并获取车牌的能力。
双核结构的子系统之间是通过终端来完成通信的，各个子系统中自带存储，也相互共享外接的储存器，并且自带有非常多的外围设备的接口设备，外设和各个子系统之间的通信则通过交换存储资源来实现。
2.2 电源管理模块
电源模块的好坏是一个系统稳定运行的重要保证。对于ETC车道控制系统来说，高实时性及高速的图像处理是系统的所必须具备的。因此，一个低功耗、低噪音、高电压精度、电压稳定性高的电源模块是本系统所需要的。
本文的电源模块设计采用了TI公司的高效同步的电源管理芯片TPS75003和TPS62040以满足系统对于内核电压、外围I/O电压、外围设备供电电压。系统需要的电源有5V、3.3V、1.8V、1.2V，其中，5V是DM6446外部输入電压由外部直流5V电源提供，3.3V的外围设备供电电压和1.2V的内核电压由TPS75003芯片转换得到、1.8V的I/O工作电压及DDR2电压由芯片TPS62040转换得到。TPS75003是应用于DSP中的多通道的高效的电源管理模块，其效率可达95%；TPS62040是高效的同步降压型DC-DC转换器，转换效率达95%。
2.3 视频采集模块
视频采集模块对于车道控制系统来说是非常重要的一部分，它主要负责把车道摄像机摄影的视频模拟信号转换成视频数字信号，并把转换结果一方面上传到收费站服务器解码后实现车道监控，另一方面传给DM6446通过车牌识别算法实现车牌识别。所以，转换精度和转换速率将影响系统的功能能否正常完成。
本文采用TI公司的一款高性能、高品质的数字视频解码芯片TVP5146。该芯片可将模拟视频信号数字化转换成数字组合视频，支持组件RGB和YPbPr信号的A/D转换，以及A/D转换和解码NTSC，PAL和SECAM复合和S-video视频到组成的YCbCr。内部还包含有4个精度为10位的A/D转换器通道。TVP5146芯片有10个模拟视频信号输入引脚，能支持多种视频信号的组合输入。采用RCA接口作为视频输入接口，将采集到的模拟视频信号经滤波电路后接入TVP5146芯片的输入端。芯片的时钟输入采取14.31818MHz的晶振直接输入，其工作方式的配置由DM6446通过I2C总线对寄存器进行配置。 2.4 以太网接口模块
本系统需要使用两个以太网口。一个用于把ETC车道交易数据上传到收费站服务器；另一个用于把ETC车道内的监控视频数据上传到服务器，并通过网络实现远程监控。本文采用intel公司的LTX971A网络通讯接口，该芯片支持10Mb/s、100Mb/s双绞线应用，也支持100Mb/s光纤接口，供电电压是3.3V，采用RJ-45接口。
DM6446集成了一个由EMAC和MDIO组成的网络控制模块。其中，EMAC的功能是完成网络数据包的缓存；MDIO的功能是完成对网络物理层的工作状态的配置、检测等。
2.5 RS485模块
在本系统中车道控制机通过RS485通信协议分别与费额显示屏、RSU控制器、顶棚点阵显示屏进行信息交换。
RS485采用差分信号负逻辑，+2V～+6V表示“0”，-6V～-2V表示“1”。它采用总线式拓朴结构的两线制接线方式，在同一总线上最多可以挂接32个结点。在RS485通信网络中采用主从通信方式，即一个主机带多个从机。这正好满足本系统需求。RS485接口电路主要完成的是：将来自DM6446的发送信号TX通过“发送器”转换成通讯网络中的差分信号，也可以将通讯网络中的差分信号通过“接收器”转换成被DM6446接收的RX信号。在任一时刻，RS485收发器只能够工作在“接收”或“发送”两种模式之一，因此，必须为RS485接口电路增加一个收/发逻辑控制电路。本文选用SP485R芯片来完成收/发控制电路。
2.6 I/O控制模块
本文所涉及到的I/O控制主要使用在检测线圈、自动栏杆机、报警器上。车道控制机的微处理器DM6446的I/O口通过继电板直接控制栏杆机、报警器、检测线圈，接收设备的状态信息。
本文选用研华的PCLD-782作为设备状态信号的输入。PCLD-782是一款16通道的光隔离数字量输入板，板上所有的输入通道上都提供了高电压（>1500VDC）光隔离保护，该板通过一个PC-LabCard都带有的标准20芯扁平电缆接口，提供了16路数字量输入通道。在本系统中，车道控制机使用12路输入检测线圈、自动栏杆机、报警器的状态信息。选用PCLD-785作为设备数字量输出。PCLD-785是一款带有16通道的SPDT继电器数字量输出板，该板与大多数I/O卡的数字量输出兼容。车道控制机通过PCLD-785把外部设备的控制信号直接驱动控制外部设备。
3 软件设计
3.1 Linux的移植
Linux内核支持几乎所有的32位或64位的CPU；支持种类繁多的硬件，从网络上几乎都可以找到所有的硬件驱动程序；支持几乎所有的网络协议；内核可以任意裁剪。基于以上优势，本文选择Linux作为嵌入式操作系统。具体的嵌入式Linux的移植包括：
（1）搭建开发环境。包括硬件环境和软件环境的搭建。硬件环境需要使用主机与目标板结合的交叉开发模式：首先在主机上对软件程序进行编译生成系统语言构成的代码。然后系在到目标板上对这些程序进行运行和实验验证。所以主机上需要安装交叉编译器，包括：针对目标系统的编译器gcc、目标系统的二进制工具binutils、目标系统的标准c库glibc和目标系统的Linux内核头文件；软件环境需要在主机上安装Linux操作系统，配置和启动网络服务。
（2）bootloader的移植。常用的bootloader有：u-boot、vivi、blob、arm-boot等。本文采用vivi。具体的移植过程：首先在Makefile文件中正确设置编译环境；然后，正确设置NAND Flash分区，修改相关C文件；修改Linux内核启动命令行；最后make menuconfig进行配置，主要对芯片、平台类型、底层启动选项串口、vivi支持命令等进行设置。
（3）Linux内核移植。Linux 2.6内核由于其自身所具有的针对嵌入式系统应用的显著特点，在稳定性、响应性、对设备支持的广泛性等方面相比以前版本的内核都有较大的提高。因此，把Linux 2.6内核向DM6446平台的移植。具体移植过程：修改根目录下的Makefile文件；针对NAND FLASH的修改；针对网络的修改；针对LCD的修改等。
（4）Linux文件系统移植。使用busybox软件进行功能裁减，产生一个最基本的根文件系统，修改根文件系统中的启动脚本，自动挂装文件系统的配置文件；建立Flash磁盘分区以便应用程序使用，一般使用JFFS2或YAFFS文件系统。
3.2 系统软件功能设计
本系统设计的ETC车道收费软件主要的工作是要能根据感应线圈的检测信息判断车道内车辆情况，获取OBU及IC卡中车辆的信息，根据费率表计算本次通行费用并能实现电子扣费，显示扣费情况及车辆相关信息。所以，系统软件所要包括的功能模块有：系统文件配置模块、业务处理模块、I/O控制模块、RSU控制模塊、费显屏控制模块、点阵显示屏控制模块、称重控制模块、数据库管理模块、数据传输模块等、车道摄像机控制模块。软件功能结构图如图3.1所示。
RSU与OBU是整个系统的核心设备。车辆信息、IC卡内金额信息等都是通过RSU与OBU之间的通信进行传输的，车道控制机接收到这些数据和信息并进行相关的处理处理。整个系统的工作流程如图3.2所示。
4 总结
嵌入式ETC车道控制机是ETC系统的重要组成之一。本设计根据ETC车道软件、硬件的功能及性能要求的基础上，采用DM6446微处理器，将检测线圈、车道摄像机、费额显示屏等外围设备融入车道控制机的设计，并在DM6446内的DSP子系统内置车牌识别算法进行实时车牌识别。系统进行合理化设计，增加了车道控制器的功能，降低了应用费用，为工作人员维护系统带来了方便；优化收费流程，满足高可靠性、高实时性的ETC车道系统的工程及应用需求。
参考文献
[1] 李丛晖. 电子不停车收费车道系统[J].机电一体化，2005（04）：42-45.
[2] 吴军，周转运.嵌入式Linux系统应用基础与开发范例[M].北京：人民邮电出版社，2008.
[3] 赵建周. 高速公路联网不停车收费系统车道类型比选和车道控制逻辑的研究[J].西安：长安大学，2010.5， 37-39.
[4] 孙文波，李杰，黄涛.嵌入式系统在ETC系统中的应用[J].中国交通信息化，2013（06）：72-73.