2024年4月27日发(作者:琦夏波)
Cn O l 0 V
矿责任编辑:孙婧
基于ATOM处理器和W DOWS的
嵌入式收费系统应用
应用需求的提出
江阴大桥的收费系统现状
江阴大桥收费站有28个主线收费道口和9个匝道收费道
口,是全国收费道口最多的收费站之一。作为同三线和京沪线
两条国家主干道的咽喉要道,车流量逐年上升。仅2008年,就
有23天日流量超过65000辆。收费系统设备的日常保障工作非
常繁重。在现有收费系统中,车道工控机属于收费车道核心组
成部分。工控机采用的是底板+扩展卡的NLX结构,通过不同
的I/0接受数据并输出控制信号,从而保证正常的收费。
工控机的优缺点
作为一种在工业场合得到普遍应用的P C机,工控机具有
以下优点:
◇处理能力强:通过不断的硬件升级能够使得系统始终
保持高性能。
◇扩展性能强:工控底板能够提供多个PCI、ISA插槽进
行功能扩展。
◇兼容性强:可直接运行PC机的各种应用软件。
从实际应用情况看,现有的工控机也存在以下缺点:
◇在长期的使用过程中,车道运行时产生的油性粉尘会
逐渐进入到工控机内部,造成各种板卡接触故障。
◇车道环境存在的震动以及系统长期运行积累的高温,
容易导致硬盘、内存等配件损坏,造成车道计算故障,死机
的情况比较多。
◇工控机功耗高,对散热要求高,工作噪音高。
◇扩充板卡多,备件采购复杂,价格昂贵,使用成本高。
对新的车道控制设备的要求
江阴大桥的收费设备已经严重老化,进入系统更新周
期。通过对原有设备运行故障情况分析,故障根本原因在于
高功耗带来的高热量不能及时散发,从而导致系统不稳定,
硬盘以及扩展板卡等容易损坏。降低系统的能耗是系统稳定
运行最好的保障,也是符合国家节能降耗要求的。这样在设
备更新中就提出了低功耗、扩展卡少、兼容性好、抗震动的
选型要求。
o 。1。。3(“ I中国妨信息产业
江苏扬子大桥股份有限公司季华李广
基于ATOM: ̄I:IWINDOWS的嵌入式系统
嵌入式系统简介
嵌入式系统是以应用为中心,软硬件可以定制,适用
于对可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系
统。从整体来看,我们将嵌入式系统分为软硬件两大部分:
第一个部分是与应用相关的硬件平台,它负责和外部环境进
行交互;第二部分是在这个平台上运行的操作系统和应用软
件。近年来,随着嵌入式系统软硬件性能指标的大大提高,
嵌入式系统进入主流收费系统已经成为可能。
常见的嵌入式系统
从应用角度可分为通用型嵌入式操作系统和专用型嵌
入式操作系统。常见的通用型嵌入式操作系统有I inux、
VxWorks、Windows CE等。常用的专用型嵌入式操作系统
有Smart Phone、Pocket PC、Symbian等。按实时性可分
为两类:实时嵌入式操作系统主要面向控制、通信等领域,
 ̄lWindRiver公司的VxWorks、ISI的pSOS、QNX系统软件
公司的QNX、ATI的Nucleus等;非实时嵌入式操作系统主
要面向消费类电子品,包括PDA、移动电话、机顶盒、电子
书、WebPhone等,如微软面向手机应用的Smart Phone操
作系统。
以ARM系列为例,这种处理器基于RISC架构,具有低
功耗、高性能、廉价的特点。采用ARM架构的处理器集成度
非常高,基本上将所有外围都集成进去,包括视频、音频、
蓝牙等等,所有的处理都在芯片内完成,处理效率非常高。
嵌入式操作系统EOS(Embedded Operating System)
是一种用途广泛的系统软件,过去它主要应用于工业控制和
国防系统领域。E 0 S负责嵌入系统的全部软、硬件资源的分
配、调度,控制、协调并发活动。
LINUX凭借其开源的特点,深受业界欢迎,但随着嵌入
式系统构成日渐复杂且性能大大提升,对操作系统的要求也
极大地提高了。作为嵌入式领域内的应用系统设计,应充分
考虑系统应用的具体需要,充分利用软硬件本身已有的各种
资源,合理地定位系统选型,这样才能更好发挥嵌入式系统
设汁灵活等优势。
基于ATOM的嵌入式系统
英特尔At0m(凌动)处理器是英特尔历史上体积最
小和功耗最小的处理器。At0m(凌动)基于新的微处理架
构,专门为小型设备设计,旨在降低产品功耗,同时也保持
了同酷睿2双核指令集的兼容,产品还支持多线程处理。同
时微软也发布了基于英特尔ATOM平台的第…款嵌入式操作
系统Windows Embedded NavReady 2009。
作为基于LINUX的嵌入式系统,在组建类似收费系统这
样相对复杂的系统时,面临着很多问题,如各类外设以及板
卡的驱动程序不够完善,编 ̄]LINUX软件的技术要求高等。
而在相对复杂的系统中,X86的优势是非常明显的,特别是
有微软操作全新操作系统的支持,系统优化将变得容易和严
谨,与原有基于WINDOWS操作系统的软件的兼容性也大为
提高。
X86与ARM产品的优劣势比较是很明显的,ARM的优
势在于它是RISC体系,可以提供更高的抗干扰和更低的成
本。其低至1w的功耗能使主板保持常温,可以常年累月地
开机在线工作而基本上不需要维护。由于功能单一,ARM主
板的开机速度非常快,一般只要几秒就可以了。另 ̄J,ARM主
板的购买成本也比X86结构的主板要低。
X86结构相较于A R M结构的主板优势在于功能的多样性
和扩展的灵活性,X86对特种需求的适用性之外的延伸性也
比ARM结构的主板更强。目前如研华也推出了所谓的“嵌
入式工控机”,实际上这种工控机只能说是选用了移动版处
理器的低功耗的平台,采用多网络,多串口,耐高温,无风
扇,抗震动,高稳定性而特殊设计的机箱。由于这些产品并
不是为高速公路收费系统定制的,一些特殊功能如字符视频
叠加等,仍然需要外加扩展卡才能实现。
基于以上因素,我们采用了基于ATOM平台的嵌入式系
统,考虑到软件开发能力的限制,软件方面则移植了现有车
道工控机的基于WIN2K的软件系统。
嵌入式收费系统软硬件构成及实现
硬件设计
英特尔凌动处理器N270搭配移动式英特尔945G S E高速
芯片组,几乎囊括了嵌入式应用领域各种主流接口。主板支持
533前端总线,集成声卡、显卡、千兆网卡、多个R¥232/422/485
串口、4 ̄1]6个USB2.0、支持双通道l8位LVDS、支持SATA阵列
NE
广
智能交通・
功能等。其总线架构接口模式如图l所示。
图l嵌入式ATOMI控主板
在硬件设计上,以ATOM N270作为运算
于ARM7的32位飞利浦NXP LP C2368作为外设
配备1G DDR2内存和8G固态硬盘。在核心处
上,外扩了各种接口的专用芯片。其中视频处
CONEXANT BT878芯片,数字叠加则选用MB!
其内部结构如图2所示,背板接口如图3所示。
图2内部结构图
其主要实现接口如下:
◇网络接口:具有智能纠错功能的10/100/
适应的高速以太网口设计,保证了数据传输的蒿
性,以便与收费系统的服务器时刻保持高速数据
◇串行/并行接口:提供3个2线串口、1个4
8线串口,支持多种外设,用来连接I C卡读写器
机、费额显示器、称重系统数据以及VDM等。
频输入输出。
◇内置继电器,能够实现对栏杆设备的控制
◇存储卡接口:提供了CF卡和标准SATA ̄ ̄
用笔记本硬盘或是通过转接卡使用电子盘。
软件构成
初始设计中,我们准备使用嵌入式LINUX ̄
发收费软件。然而在实际软件测试中, LINU)
中国交通信息产业l ≯ 0
分外设控制方面存在不少问题。由于系统开发删
责任编辑:孙嫡
Ch 0 IoRy
视频数字叠加故障
保证进度,我们转而采用现有基于WIN2K的收费软件,经过
更改后移植到嵌入式系统中。 测试中只能叠加一路视频,数字则无法叠加。检查后发
现属于硬件配置问题:原系统通过VDM将两路视频信号叠加
经过修改的软件,人机界面与原有界面完全一致。加上
系统基于INTEL平台,数据库仍然使用SQL sERVER,软件
环境与原有系统基本一致。系统调试相对比较简单。
为~路输入,因此原收费软件只调用一路视频。这个问题通
过硬件线路更改得到了解决,数字无法叠加的问题通过更新
字库也得到了解决。
工程应用
需要进一步完善的方面
嵌入式收费系统于2009年在江阴大桥主线收费站开始实
际收费运行。使用一个收费车道进行测试,整体运行情况基
本正常。系统在实际运行中也出现了下列问题:
串口输出不对应
从目前使用的情况看,基于A TO M处理器的嵌入式系统
由于功耗极低,在空调环境下的收亭内发热基本可以忽略。
1.60的主频配备lG内存,加上使用的高性能的SSD硬盘,系
原有收费软件中,一共需要使用5个串口。其中计算机
提供COM1、COM2,四串口卡则提供C0M3到COM6口。通
统的处理能力是相当强悍的。这套系统在低功耗、低噪音、
低发热量、抗震等方面完全达到了改造要求,应用软件经过
两个月的测试调整,已经可以满足收费要求。
直接移植基于W I N2K的软件可以极大减少软件编制调
过收费软件控制每个串口对应的设备,比如c0M1 El接票据
打印机、COM3口连接VDM等。而移植后的软件,由于集成
的串口定义不同,导致数据不能传给相应设备。这个问题通
过调整软件得到了解决。
栏杆机控制不灵
试方面的工作量,但是这种架构毕竟不同于真正的嵌入式系
统。基于LINUX和MySQL的软件系统只需要100M左右的空
间,而移植的wIN2K系统则有近2.5G大小。WIN2K系统的
庞大臃肿和诸多不需要的服务也会降低系统的性能,导致系
统不稳定。在做好现有系统运行的同时,我们还会继续对基
于LINUX的系统进行编译调试。[1l
这个故障就是栏杆不能控制,但收费软件监视界面则显
示栏杆是在升降的。排除了栏杆机故障后,通过调试发现是
软件版本较低,更换最新版本软件后正常。
(上接第39页)
数据,能够针对当前情况提供决策支持;依赖历史的数据,
只能够针对历史情况提供决策支持。因此,数据支持是决策
到严格约束,数据的正确性、完整性和一致性通常都没有问
题。因此,这些行业的决策支持系统采用自动数据支持时,
不会因为数据问题而导致支持失败。交通行业的支持数据不
仅来自多个不同的系统,而且这些系统是由多个不同的开发
支持系统的生命线,没有数据支持的决策支持系统只能是一
个做样子的演示系统。
其他行业,例如电信、银行、超市等,这些行业在业务
商单独进行开发的,甚至某些系统本身就是由多个开发商共
同开发的。因此,这些系统之间,甚至系统内部,都难以确
保数据的正确性、完整性和一致性。面对这样的数据,如果
扩大时,其数据结构基本不变。即使在增加新业务时,大多
数也仅仅只需要增加计算方法,而不需要改变数据结构。因
此在大多数情况下,这些行业可以采用自动数据支持,而不
强行采用自动数据支持时,只能使决策支持系统因经常性的
数据支持失败而瘫痪。
此外,还存在一些需要其他行业数据进行支持的决策支
需要人工干预。但是,对于交通决策支持系统来说,随着交
通基础设施持续不断的建设,交通基本数据也在不停的发生
改变。所以,由于基本数据的改变,将使得自动数据支持无
法进行
持系统。由于其他行业的数据一般不可能自动获取。因此,
视具体情况不同,这类系统多半只能采取人工数据支持,至
多也只能做到半自动数据支持。
当采用人工或者半自动数据支持时,考虑到进行该项工作需
另一方面,交通行业信息系统的复杂程度,远非其他行
业可比。无论是电信、银行或超市,这些行业的信息系统,
都是统一开发、数据单一的信息系统。其数据进入系统时受
要具有充分的行业知识,因此以选择行业公司承担为宜。 [1l
0 zo10_03 a 繁I中国妨信息产业
2024年4月27日发(作者:琦夏波)
Cn O l 0 V
矿责任编辑:孙婧
基于ATOM处理器和W DOWS的
嵌入式收费系统应用
应用需求的提出
江阴大桥的收费系统现状
江阴大桥收费站有28个主线收费道口和9个匝道收费道
口,是全国收费道口最多的收费站之一。作为同三线和京沪线
两条国家主干道的咽喉要道,车流量逐年上升。仅2008年,就
有23天日流量超过65000辆。收费系统设备的日常保障工作非
常繁重。在现有收费系统中,车道工控机属于收费车道核心组
成部分。工控机采用的是底板+扩展卡的NLX结构,通过不同
的I/0接受数据并输出控制信号,从而保证正常的收费。
工控机的优缺点
作为一种在工业场合得到普遍应用的P C机,工控机具有
以下优点:
◇处理能力强:通过不断的硬件升级能够使得系统始终
保持高性能。
◇扩展性能强:工控底板能够提供多个PCI、ISA插槽进
行功能扩展。
◇兼容性强:可直接运行PC机的各种应用软件。
从实际应用情况看,现有的工控机也存在以下缺点:
◇在长期的使用过程中,车道运行时产生的油性粉尘会
逐渐进入到工控机内部,造成各种板卡接触故障。
◇车道环境存在的震动以及系统长期运行积累的高温,
容易导致硬盘、内存等配件损坏,造成车道计算故障,死机
的情况比较多。
◇工控机功耗高,对散热要求高,工作噪音高。
◇扩充板卡多,备件采购复杂,价格昂贵,使用成本高。
对新的车道控制设备的要求
江阴大桥的收费设备已经严重老化,进入系统更新周
期。通过对原有设备运行故障情况分析,故障根本原因在于
高功耗带来的高热量不能及时散发,从而导致系统不稳定,
硬盘以及扩展板卡等容易损坏。降低系统的能耗是系统稳定
运行最好的保障,也是符合国家节能降耗要求的。这样在设
备更新中就提出了低功耗、扩展卡少、兼容性好、抗震动的
选型要求。
o 。1。。3(“ I中国妨信息产业
江苏扬子大桥股份有限公司季华李广
基于ATOM: ̄I:IWINDOWS的嵌入式系统
嵌入式系统简介
嵌入式系统是以应用为中心,软硬件可以定制,适用
于对可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系
统。从整体来看,我们将嵌入式系统分为软硬件两大部分:
第一个部分是与应用相关的硬件平台,它负责和外部环境进
行交互;第二部分是在这个平台上运行的操作系统和应用软
件。近年来,随着嵌入式系统软硬件性能指标的大大提高,
嵌入式系统进入主流收费系统已经成为可能。
常见的嵌入式系统
从应用角度可分为通用型嵌入式操作系统和专用型嵌
入式操作系统。常见的通用型嵌入式操作系统有I inux、
VxWorks、Windows CE等。常用的专用型嵌入式操作系统
有Smart Phone、Pocket PC、Symbian等。按实时性可分
为两类:实时嵌入式操作系统主要面向控制、通信等领域,
 ̄lWindRiver公司的VxWorks、ISI的pSOS、QNX系统软件
公司的QNX、ATI的Nucleus等;非实时嵌入式操作系统主
要面向消费类电子品,包括PDA、移动电话、机顶盒、电子
书、WebPhone等,如微软面向手机应用的Smart Phone操
作系统。
以ARM系列为例,这种处理器基于RISC架构,具有低
功耗、高性能、廉价的特点。采用ARM架构的处理器集成度
非常高,基本上将所有外围都集成进去,包括视频、音频、
蓝牙等等,所有的处理都在芯片内完成,处理效率非常高。
嵌入式操作系统EOS(Embedded Operating System)
是一种用途广泛的系统软件,过去它主要应用于工业控制和
国防系统领域。E 0 S负责嵌入系统的全部软、硬件资源的分
配、调度,控制、协调并发活动。
LINUX凭借其开源的特点,深受业界欢迎,但随着嵌入
式系统构成日渐复杂且性能大大提升,对操作系统的要求也
极大地提高了。作为嵌入式领域内的应用系统设计,应充分
考虑系统应用的具体需要,充分利用软硬件本身已有的各种
资源,合理地定位系统选型,这样才能更好发挥嵌入式系统
设汁灵活等优势。
基于ATOM的嵌入式系统
英特尔At0m(凌动)处理器是英特尔历史上体积最
小和功耗最小的处理器。At0m(凌动)基于新的微处理架
构,专门为小型设备设计,旨在降低产品功耗,同时也保持
了同酷睿2双核指令集的兼容,产品还支持多线程处理。同
时微软也发布了基于英特尔ATOM平台的第…款嵌入式操作
系统Windows Embedded NavReady 2009。
作为基于LINUX的嵌入式系统,在组建类似收费系统这
样相对复杂的系统时,面临着很多问题,如各类外设以及板
卡的驱动程序不够完善,编 ̄]LINUX软件的技术要求高等。
而在相对复杂的系统中,X86的优势是非常明显的,特别是
有微软操作全新操作系统的支持,系统优化将变得容易和严
谨,与原有基于WINDOWS操作系统的软件的兼容性也大为
提高。
X86与ARM产品的优劣势比较是很明显的,ARM的优
势在于它是RISC体系,可以提供更高的抗干扰和更低的成
本。其低至1w的功耗能使主板保持常温,可以常年累月地
开机在线工作而基本上不需要维护。由于功能单一,ARM主
板的开机速度非常快,一般只要几秒就可以了。另 ̄J,ARM主
板的购买成本也比X86结构的主板要低。
X86结构相较于A R M结构的主板优势在于功能的多样性
和扩展的灵活性,X86对特种需求的适用性之外的延伸性也
比ARM结构的主板更强。目前如研华也推出了所谓的“嵌
入式工控机”,实际上这种工控机只能说是选用了移动版处
理器的低功耗的平台,采用多网络,多串口,耐高温,无风
扇,抗震动,高稳定性而特殊设计的机箱。由于这些产品并
不是为高速公路收费系统定制的,一些特殊功能如字符视频
叠加等,仍然需要外加扩展卡才能实现。
基于以上因素,我们采用了基于ATOM平台的嵌入式系
统,考虑到软件开发能力的限制,软件方面则移植了现有车
道工控机的基于WIN2K的软件系统。
嵌入式收费系统软硬件构成及实现
硬件设计
英特尔凌动处理器N270搭配移动式英特尔945G S E高速
芯片组,几乎囊括了嵌入式应用领域各种主流接口。主板支持
533前端总线,集成声卡、显卡、千兆网卡、多个R¥232/422/485
串口、4 ̄1]6个USB2.0、支持双通道l8位LVDS、支持SATA阵列
NE
广
智能交通・
功能等。其总线架构接口模式如图l所示。
图l嵌入式ATOMI控主板
在硬件设计上,以ATOM N270作为运算
于ARM7的32位飞利浦NXP LP C2368作为外设
配备1G DDR2内存和8G固态硬盘。在核心处
上,外扩了各种接口的专用芯片。其中视频处
CONEXANT BT878芯片,数字叠加则选用MB!
其内部结构如图2所示,背板接口如图3所示。
图2内部结构图
其主要实现接口如下:
◇网络接口:具有智能纠错功能的10/100/
适应的高速以太网口设计,保证了数据传输的蒿
性,以便与收费系统的服务器时刻保持高速数据
◇串行/并行接口:提供3个2线串口、1个4
8线串口,支持多种外设,用来连接I C卡读写器
机、费额显示器、称重系统数据以及VDM等。
频输入输出。
◇内置继电器,能够实现对栏杆设备的控制
◇存储卡接口:提供了CF卡和标准SATA ̄ ̄
用笔记本硬盘或是通过转接卡使用电子盘。
软件构成
初始设计中,我们准备使用嵌入式LINUX ̄
发收费软件。然而在实际软件测试中, LINU)
中国交通信息产业l ≯ 0
分外设控制方面存在不少问题。由于系统开发删
责任编辑:孙嫡
Ch 0 IoRy
视频数字叠加故障
保证进度,我们转而采用现有基于WIN2K的收费软件,经过
更改后移植到嵌入式系统中。 测试中只能叠加一路视频,数字则无法叠加。检查后发
现属于硬件配置问题:原系统通过VDM将两路视频信号叠加
经过修改的软件,人机界面与原有界面完全一致。加上
系统基于INTEL平台,数据库仍然使用SQL sERVER,软件
环境与原有系统基本一致。系统调试相对比较简单。
为~路输入,因此原收费软件只调用一路视频。这个问题通
过硬件线路更改得到了解决,数字无法叠加的问题通过更新
字库也得到了解决。
工程应用
需要进一步完善的方面
嵌入式收费系统于2009年在江阴大桥主线收费站开始实
际收费运行。使用一个收费车道进行测试,整体运行情况基
本正常。系统在实际运行中也出现了下列问题:
串口输出不对应
从目前使用的情况看,基于A TO M处理器的嵌入式系统
由于功耗极低,在空调环境下的收亭内发热基本可以忽略。
1.60的主频配备lG内存,加上使用的高性能的SSD硬盘,系
原有收费软件中,一共需要使用5个串口。其中计算机
提供COM1、COM2,四串口卡则提供C0M3到COM6口。通
统的处理能力是相当强悍的。这套系统在低功耗、低噪音、
低发热量、抗震等方面完全达到了改造要求,应用软件经过
两个月的测试调整,已经可以满足收费要求。
直接移植基于W I N2K的软件可以极大减少软件编制调
过收费软件控制每个串口对应的设备,比如c0M1 El接票据
打印机、COM3口连接VDM等。而移植后的软件,由于集成
的串口定义不同,导致数据不能传给相应设备。这个问题通
过调整软件得到了解决。
栏杆机控制不灵
试方面的工作量,但是这种架构毕竟不同于真正的嵌入式系
统。基于LINUX和MySQL的软件系统只需要100M左右的空
间,而移植的wIN2K系统则有近2.5G大小。WIN2K系统的
庞大臃肿和诸多不需要的服务也会降低系统的性能,导致系
统不稳定。在做好现有系统运行的同时,我们还会继续对基
于LINUX的系统进行编译调试。[1l
这个故障就是栏杆不能控制,但收费软件监视界面则显
示栏杆是在升降的。排除了栏杆机故障后,通过调试发现是
软件版本较低,更换最新版本软件后正常。
(上接第39页)
数据,能够针对当前情况提供决策支持;依赖历史的数据,
只能够针对历史情况提供决策支持。因此,数据支持是决策
到严格约束,数据的正确性、完整性和一致性通常都没有问
题。因此,这些行业的决策支持系统采用自动数据支持时,
不会因为数据问题而导致支持失败。交通行业的支持数据不
仅来自多个不同的系统,而且这些系统是由多个不同的开发
支持系统的生命线,没有数据支持的决策支持系统只能是一
个做样子的演示系统。
其他行业,例如电信、银行、超市等,这些行业在业务
商单独进行开发的,甚至某些系统本身就是由多个开发商共
同开发的。因此,这些系统之间,甚至系统内部,都难以确
保数据的正确性、完整性和一致性。面对这样的数据,如果
扩大时,其数据结构基本不变。即使在增加新业务时,大多
数也仅仅只需要增加计算方法,而不需要改变数据结构。因
此在大多数情况下,这些行业可以采用自动数据支持,而不
强行采用自动数据支持时,只能使决策支持系统因经常性的
数据支持失败而瘫痪。
此外,还存在一些需要其他行业数据进行支持的决策支
需要人工干预。但是,对于交通决策支持系统来说,随着交
通基础设施持续不断的建设,交通基本数据也在不停的发生
改变。所以,由于基本数据的改变,将使得自动数据支持无
法进行
持系统。由于其他行业的数据一般不可能自动获取。因此,
视具体情况不同,这类系统多半只能采取人工数据支持,至
多也只能做到半自动数据支持。
当采用人工或者半自动数据支持时,考虑到进行该项工作需
另一方面,交通行业信息系统的复杂程度,远非其他行
业可比。无论是电信、银行或超市,这些行业的信息系统,
都是统一开发、数据单一的信息系统。其数据进入系统时受
要具有充分的行业知识,因此以选择行业公司承担为宜。 [1l
0 zo10_03 a 繁I中国妨信息产业