電子警察系統(tǒng)在維護(hù)交通秩序、打擊交通違法過程中發(fā)揮著越來越重要的作用。電子警察基本工作流程是：檢測(cè)設(shè)備檢測(cè)到被抓拍的物體，通知攝像機(jī)；攝像機(jī)在判斷被抓拍物體滿足抓拍邏輯時(shí)，啟動(dòng)抓拍，并同時(shí)驅(qū)動(dòng)補(bǔ)光設(shè)備進(jìn)行抓拍同步補(bǔ)光。抓拍的圖片經(jīng)過圖像處理、壓縮后發(fā)送至通信存儲(chǔ)設(shè)備；通信存儲(chǔ)設(shè)備存儲(chǔ)圖片并上傳至控制中心，完成一次抓拍行為。

1 硬件結(jié)構(gòu)
    CAN(Controller Area Network)網(wǎng)絡(luò)即控制器局域網(wǎng)，屬于現(xiàn)場(chǎng)總線的范疇,是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，其總線規(guī)范已被ISO國際標(biāo)準(zhǔn)化組織制定為國際標(biāo)準(zhǔn)，并被認(rèn)為是最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一[1]。
    系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了兩路CAN總線,一路CAN 總線用于連接機(jī)箱內(nèi)部的車檢模塊、紅燈板模塊；另一路CAN總線連接各個(gè)防雨罩內(nèi)部的控制模塊板卡。兩路CAN總線通過一塊放在3U插箱中的通信板進(jìn)行連接，這樣可以簡(jiǎn)化各控制模塊的軟件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖1所示。

    車檢模塊的信號(hào)通過CAN總線1發(fā)至通信板，通信板建立2個(gè)CAN總線的橋梁，將車檢信號(hào)通過CAN總線2發(fā)至防雨罩控制模塊，防雨罩控制模塊將車檢信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榇谛盘?hào)或I/O信號(hào)發(fā)至DSP攝像機(jī)，DSP攝像機(jī)進(jìn)行邏輯判斷并實(shí)施抓拍。
    設(shè)計(jì)中選擇LPC17XX作為處理器。LPC17XX系列是基于ARM Cortex-M3的微控制器,可用于高集成度和低功耗的嵌入式應(yīng)用中。ARM Cortex-M3是下一代的內(nèi)核,它提供系統(tǒng)增強(qiáng)型特性[2-3]。LPC17XX系列微控制器自帶CAN協(xié)議控制器,采用TJA1050高速CAN收發(fā)器[4]作為協(xié)議控制器和物理總線的接口。
1.1 CAN通信模塊
    CAN通信模塊實(shí)現(xiàn)類似于集線器的功能。匯集機(jī)箱內(nèi)所有板卡的CAN信息,并通過另一路CAN總線轉(zhuǎn)發(fā)到桿件上的防雨罩內(nèi)。
    模塊選擇NXP公司的ARM Cortex-M3微控制器LPC1764，該芯片帶有兩路CAN控制器，如圖2所示。

1.2 車檢模塊
    車檢模塊的輸入為4路環(huán)形線圈接入和參數(shù)設(shè)置接口。環(huán)形線圈上的電感值會(huì)隨車輛底盤切割磁感應(yīng)線的變化而變化，這一變化值通過車檢板上的振蕩電路、整形電路和定周期計(jì)數(shù)電路轉(zhuǎn)換為微處理器可以使用的數(shù)字信號(hào)，微處理器對(duì)該數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，并判斷環(huán)形線圈上車輛的狀態(tài)。檢測(cè)結(jié)果通過CAN總線1發(fā)至CAN通信模塊,再由CAN通信模塊發(fā)給防雨罩控制模塊。
1.3 紅燈模塊
    紅燈模塊的主要作用是將交流220 V紅燈信號(hào)轉(zhuǎn)換成直流電平信號(hào)，并通過CAN控制器發(fā)送通信模塊。本模塊只針對(duì)有闖紅燈行為抓拍需求時(shí)使用，對(duì)于超速、卡口類電子警察，此模塊可以不用。
1.4 防雨罩控制模塊
    防雨罩控制模塊邏輯圖如圖3所示。防雨罩控制模塊和高清攝像機(jī)全部安裝在防雨罩中,完成以下主要功能：

    (1) 偏振鏡升降控制:偏振鏡升降命令由攝像機(jī)通過串口發(fā)出,控制模塊中的軟件收到信號(hào)驅(qū)動(dòng)偏振鏡升降機(jī)構(gòu)。
     (2) 補(bǔ)光燈控制:將攝像機(jī)的曝光信號(hào)轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)頻閃燈和LED燈的推挽輸出信號(hào),以保證補(bǔ)光與攝像機(jī)同步。
     (3) CAN總線數(shù)據(jù)傳輸接口:該接口通過線纜與控制機(jī)箱內(nèi)的CAN通信模塊建立連接，將系統(tǒng)車檢、紅燈等信號(hào)通過串口或I/O信號(hào)傳輸?shù)綌z像機(jī)。
     (4) 電源相位檢測(cè)：當(dāng)系統(tǒng)抓拍闖紅燈圖片時(shí)，由于紅燈信號(hào)是交流信號(hào)，在抓拍時(shí)要保證紅燈處在交流電的峰值位置附近，這樣圖片上才能有紅燈顯示。電源相位檢測(cè)功能通過RS232接口接收攝像機(jī)發(fā)下來設(shè)定的相位，并在該指定相位到達(dá)時(shí),觸發(fā)攝像機(jī)的外觸發(fā)信號(hào),實(shí)現(xiàn)闖紅燈在最佳相位處抓拍。
2 軟件架構(gòu)
    攝像機(jī)軟件是高清電子警察產(chǎn)品中核心部分，完成對(duì)車輛的邏輯判斷、抓拍，圖像處理及號(hào)牌識(shí)別等核心功能。
    DSP軟件中有任務(wù)(TSK)、軟中斷(SWI)、硬中斷(HWI)等線程類型[5]。電子警察軟件設(shè)計(jì)中主要采用了硬中斷和任務(wù)兩種類型的線程，硬中斷一般處理實(shí)時(shí)響應(yīng)的工作，任務(wù)線程則負(fù)責(zé)處理復(fù)雜的需求。任務(wù)之間可以通過郵箱、信號(hào)量方式進(jìn)行同步和傳遞消息，如圖4所示。

    DSP軟件的執(zhí)行情況如下：
    (1) 攝像機(jī)的I/O信號(hào)(這些信號(hào)是車檢器發(fā)出的線圈狀態(tài)信息)變化時(shí)產(chǎn)生I/O中斷，I/O中斷處理函數(shù)被調(diào)用，完成對(duì)I/O數(shù)據(jù)的讀取，同時(shí)向任務(wù)1(I/O邏輯判斷)發(fā)出消息。
    (2) 任務(wù)1等待I/O中斷的消息，收到消息后，判斷I/O邏輯，確定是否進(jìn)行抓拍。如果進(jìn)行抓拍，則向任務(wù)2(啟動(dòng)抓拍任務(wù))發(fā)出抓拍消息。
    (3) 任務(wù)2在檢測(cè)到抓拍消息后，啟動(dòng)抓拍。抓拍時(shí)根據(jù)曝光算法設(shè)置快門、增益及補(bǔ)光方式，保證圖片效果最佳。
    (4) 抓拍圖片完成后,攝像機(jī)產(chǎn)生中斷信息。中斷2圖像中斷處理函數(shù)被執(zhí)行，該中斷處理函數(shù)發(fā)出信號(hào)給任務(wù)3(讀取圖片處理任務(wù))。
    (5) 任務(wù)3將圖像數(shù)據(jù)取出放入內(nèi)存中,并發(fā)出消息給任務(wù)4(圖片處理任務(wù))。
    (6) 任務(wù)4對(duì)取出的圖片進(jìn)行處理，包括號(hào)牌識(shí)別、灰度拉伸、壓縮及貼字等，形成一個(gè)JPEG圖片，并發(fā)出消息至任務(wù)5。
    (7) 任務(wù)5收到信號(hào)后，將JPEG圖片通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至主控機(jī)。
2.1 曝光算法
　    自動(dòng)曝光算法是為了控制抓拍圖片的平均亮度在一個(gè)期望的最佳值上，通過上一張圖片的平均亮度、快門值和增益這3個(gè)參數(shù)，經(jīng)過有效的計(jì)算和算法判斷，獲得下一張圖片所期望的快門值和增益。曝光參數(shù)（快門和增加）調(diào)整的基本過程如圖5所示。

    首先計(jì)算出圖片亮度期望值和當(dāng)前抓拍圖片平均亮度的比值，如果這個(gè)值的范圍在0.9~1.1之間，則認(rèn)為曝光參數(shù)是正確的，無需調(diào)整參數(shù)；如果比值小于0.9，則說明圖片比期望值偏亮，需降低增益或提高快門速度；如果比值大于1.1，則說明當(dāng)前圖片偏暗，需降低快門速度或提高增益；如果快門和增益均達(dá)到上限，需驅(qū)動(dòng)頻閃燈進(jìn)行補(bǔ)光。
    曝光算法調(diào)整時(shí),要使增益盡量小，如果增益過大會(huì)導(dǎo)致圖片粗糙。因此如果圖像偏亮，首先應(yīng)降低增益，若增益已經(jīng)降到了0，再提高快門速度(即減少曝光時(shí)間)；如果圖片偏暗，先降低快門速度(即增加曝光時(shí)間)，快門速度降低到限制值后，再提高增益。
2.2 偏振鏡控制
    在實(shí)際應(yīng)用中，陽光非常強(qiáng)烈的情況下，快門速度調(diào)整到最快，增益為0，但整個(gè)圖片仍然會(huì)出現(xiàn)過亮的情況。解決上述問題可以采用偏振鏡技術(shù)，即白天將偏振鏡上升，將強(qiáng)光過濾一些,以保證圖片的質(zhì)量。使用偏振鏡會(huì)使圖片的亮度降低，白天不存在問題，但是到夜間或者陰天時(shí)圖片會(huì)變暗。通常采取的措施是在防雨罩中安裝偏振鏡升降機(jī)構(gòu)，而攝像機(jī)軟件通過驅(qū)動(dòng)裝置可以對(duì)偏振鏡進(jìn)行控制，通過計(jì)算圖片的亮度，自動(dòng)控制偏振鏡的升降，從而使圖像達(dá)到最佳效果。
    CAN總線的使用提高了電子警察產(chǎn)品的可靠性和可擴(kuò)展性，方便了工程安裝實(shí)施。配合基于圖像的曝光自適應(yīng)算法和偏振鏡的靈活切換，整個(gè)系統(tǒng)可以很好地調(diào)整各個(gè)時(shí)間段的成像效果，保證了優(yōu)質(zhì)地抓拍圖像，在實(shí)際應(yīng)用中取得了非常好的效果。
參考文獻(xiàn)
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[3] NXP Semiconductors. UM10360, LPC17xx user manual[EB/OL].[2010-08-19]. http://www.nxp.com/documents/user_ manual/UM10360.pdf.
[4] PHILIPS.TJA1050，high speed CAN transceiver[EB/OL]. [2003-10-22].http://www.nxp.com/products/automotive/ transceivers/can_transceivers/series/TJA1050.html#documentation.
[5] TI公司.TMS320 DSP/BIOS users guide[EB/OL]. [2012-0815].http://www.ti.com/lit/ug/spru423i/spru423i.pdf.