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基于DSP的嵌入式智能交通监控系统前端设备设计与实现

作　者: 尹航
导　师: 兰海
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 交通监控信号完整性 Linux移植车辆检测背景帧差
分类号: TP368.12
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

快速发展的城市交通和日益增加的机动车保有量对城市交通执法和管理提出了更高的要求。为了保证交通执法证据的准确、科学和有效性,并实现24小时不间断的交通监督、管理和控制,需要引入无人值守的自动化监控设备和系统。计算机硬件性能的日新月异和数字图像和视频处理技术的快速发展使得上述系统的实现成为可能。当前,城市交通监控系统虽然已有不少应用,但是仍然存在成本较高,可靠性较差,设备分散运行等缺陷,尚未形成一个完整的、信息共享的智能交通管理监控系统。本课题研究对象为智能交通监控系统中的路口监控,其监测情形相对最为复杂,相应的软硬件稍作修改便可用于其余交通监控应用。目前投入实际应用的相关系统多数基于通用PC机,存在成本高、可靠性差等缺陷。因此本课题提出一种基于DSP的嵌入式智能交通监控系统。本文可划分为硬件和软件两部分：硬件包含硬件原理图设计,PCB布局布线；软件部分涉及软件架构流程设计,底层操作系统移植和车辆视频检测算法设计。硬件设计首先针对系统设计要求完成总体方案设计,包括摄像头布置方案,视频处理软硬件资源分配,处理器选型论证。硬件电路原理详细设计主要包括DDR2内存,闪存,外围设备与接口电路与电源系统设计。鉴于课题采用主频高达594MHz的TMS320DM6446芯片和时钟频率533MHz的DDR2内存芯片,导致高速数字信号产生反射、串扰等信号完整性问题不可忽视,故系统电路板最少需采用6层印制电路板(PCB)才能保证正常运行。在多层PCB设计阶段,引入具备全面可靠高速数字设计能力的Cadence SPB 16.2互联设计平台和Mentor Graphics Hyperlynx 8.0作为系统电路设计,布局与仿真的软件工具,重点研究了高速差分信号和DDR2的信号完整性分析和仿真。同时在设计时充分考虑了系统的EMC/EMI.软件设计在提出总体软件流程的基础之上,本文完成了自举程序设计,嵌入式Linux操作系统内核移植,文件系统移植,实现了系统应用软件开发平台的构建。在应用软件层面,本文给出了一种基于背景帧差法的车辆视频检测算法,利用Otsu阈值分割方法来实现图像最优二值化；图像的前景和背景的分离之后利用blob分析完成车辆的分类标记和统计,滤除行人等干扰目标,并利用卡尔曼滤波优化车辆的跟踪稳定度,达到车辆视频检测的目的。上述工作实现硬件电路设计一次成功,与底层软件的顺利移植共同成功构成一个完整的基于达芬奇处理器的嵌入式软硬件开发平台；同时,基于C语言的车辆检测算法在复杂环境下适应性良好,为后续移植工作奠定了坚实基础。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-11
第1章绪论  11-17
  1.1 研究背景  11-13
  1.2 智能交通监控系统研究现状  13-15
    1.2.1 硬件系统  13
    1.2.2 软件系统  13-14
    1.2.3 系统实用性与应用  14-15
  1.3 课题主要工作与论文安排  15-16
  1.4 本章小结  16-17
第2章系统总体架构论证与设计  17-24
  2.1 系统总体技术要求和方案论证设计  17-19
    2.1.1 图像采集设备选型  17-18
    2.1.2 车辆检测方式选择与监控方案设计  18-19
  2.2 嵌入式系统及处理器选型  19-21
    2.2.1 嵌入式系统  19
    2.2.2 嵌入式处理器选型  19-21
  2.3 硬件电路总体结构设计  21-22
    2.3.1 视频服务主机  21-22
    2.3.2 视频分析模块  22
    2.3.3 其余重要设备和接口设计  22
  2.4 软件总体结构与处理任务分工设计  22-23
  2.5 本章小结  23-24
第3章系统电路原理设计  24-38
  3.1 DDR2-SDRAM设计  25-28
  3.2 闪存电路设计  28-29
  3.3 外围设备与接口设计  29-35
    3.3.1 CPLD胶合逻辑设计  29-30
    3.3.2 ATA硬盘接口设计  30-31
    3.3.3 USB2.0接口设计  31-32
    3.3.4 以太网PHY接口设计  32-33
    3.3.5 UART接口设计  33-34
    3.3.6 实时时钟设计  34
    3.3.7 视频接口设计  34-35
  3.4 电源设计  35-37
    3.4.1 DC-DC变换电路设计  35-36
    3.4.2 电源监控和复位电路设计  36-37
  3.5 本章小结  37-38
第4章硬件电路信号完整性分析与测试  38-62
  4.1 信号完整性概述  38-40
  4.2 板级信号完整性分析与仿真  40-60
    4.2.1 传输线基本理论  40-42
    4.2.2 印制电路板叠层与布局设计  42-44
    4.2.3 DDR2布局布线  44-48
    4.2.4 反射与阻抗匹配  48-52
    4.2.5 串扰  52-55
    4.2.6 高速差分信号布线和仿真分析  55-57
    4.2.7 电源完整性  57-60
  4.3 系统调试  60-61
    4.3.1 调试概述  60
    4.3.2 DDR2数据写入异常  60
    4.3.3 NAND闪存芯片识别异常  60-61
  4.4 本章小结  61-62
第5章软件架构设计与操作系统开发和移植  62-74
  5.1 系统软件架构设计  62-63
  5.2 交叉编译环境的搭建  63-64
    5.2.1 交叉编译概述  63
    5.2.2 DM6446交叉编译环境搭建  63-64
  5.3 自举引导程序移植  64-68
    5.3.1 UBL移植  66-67
    5.3.2 U-boot移植  67-68
  5.4 嵌入式Linux操作系统内核移植  68-71
    5.4.1 嵌入式Linux内核剪裁、配置和交叉编译  69-70
    5.4.2 嵌入式Linux内核烧写  70-71
  5.5 文件系统移植  71-73
    5.5.1 文件系统类型和选用  72-73
    5.5.2 文件系统移植  73
  5.6 本章小结  73-74
第6章车辆视频检测算法  74-86
  6.1 车辆视频检测算法概述  74-76
    6.1.1 光流法  74
    6.1.2 像素递归法  74-75
    6.1.3 时间差分方法/帧差法  75
    6.1.4 背景帧差法  75-76
  6.2 图像预处理  76-77
  6.3 背景建模  77-80
    6.3.1 图像二值化  78-80
    6.3.2 形态学运算  80
  6.4 Blob分析与流量监测算法  80-85
    6.4.1 Blob分析  80-81
    6.4.2 卡尔曼滤波优化跟踪效果  81-84
    6.4.3 交通流量统计  84-85
  6.5 本章小结  85-86
结论  86-88
参考文献  88-91
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  91-92
致谢  92-93
附录  93-109
  1. 系统电路原理图  93-107
  2. 系统印制电路板版图  107-109
  3. 系统电路板实物照片  109

基于DSP的嵌入式智能交通监控系统前端设备设计与实现

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