電子警察系統在維護交通秩序、打擊交通違法過程中發揮著越來越重要的作用。電子警察基本工作流程是：檢測設備檢測到被抓拍的物體，通知攝像機；攝像機在判斷被抓拍物體滿足抓拍邏輯時，啟動抓拍，并同時驅動補光設備進行抓拍同步補光。抓拍的圖片經過圖像處理、壓縮后發送至通信存儲設備；通信存儲設備存儲圖片并上傳至控制中心，完成一次抓拍行為。

1 硬件結構
    CAN(Controller Area Network)網絡即控制器局域網，屬于現場總線的范疇,是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡，其總線規范已被ISO國際標準化組織制定為國際標準，并被認為是最有前途的現場總線之一[1]。
    系統設計采用了兩路CAN總線,一路CAN 總線用于連接機箱內部的車檢模塊、紅燈板模塊；另一路CAN總線連接各個防雨罩內部的控制模塊板卡。兩路CAN總線通過一塊放在3U插箱中的通信板進行連接，這樣可以簡化各控制模塊的軟件設計。系統硬件架構如圖1所示。

    車檢模塊的信號通過CAN總線1發至通信板，通信板建立2個CAN總線的橋梁，將車檢信號通過CAN總線2發至防雨罩控制模塊，防雨罩控制模塊將車檢信號轉變為串口信號或I/O信號發至DSP攝像機，DSP攝像機進行邏輯判斷并實施抓拍。
    設計中選擇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用中。ARM Cortex-M3是下一代的內核,它提供系統增強型特性[2-3]。LPC17XX系列微控制器自帶CAN協議控制器,采用TJA1050高速CAN收發器[4]作為協議控制器和物理總線的接口。
1.1 CAN通信模塊
    CAN通信模塊實現類似于集線器的功能。匯集機箱內所有板卡的CAN信息,并通過另一路CAN總線轉發到桿件上的防雨罩內。
    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路環形線圈接入和參數設置接口。環形線圈上的電感值會隨車輛底盤切割磁感應線的變化而變化，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數電路轉換為微處理器可以使用的數字信號，微處理器對該數字信號進行處理，并判斷環形線圈上車輛的狀態。檢測結果通過CAN總線1發至CAN通信模塊,再由CAN通信模塊發給防雨罩控制模塊。
1.3 紅燈模塊
    紅燈模塊的主要作用是將交流220 V紅燈信號轉換成直流電平信號，并通過CAN控制器發送通信模塊。本模塊只針對有闖紅燈行為抓拍需求時使用，對于超速、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通過串口發出,控制模塊中的軟件收到信號驅動偏振鏡升降機構。
     (2) 補光燈控制:將攝像機的曝光信號轉換為驅動頻閃燈和LED燈的推挽輸出信號,以保證補光與攝像機同步。
     (3) CAN總線數據傳輸接口:該接口通過線纜與控制機箱內的CAN通信模塊建立連接，將系統車檢、紅燈等信號通過串口或I/O信號傳輸到攝像機。
     (4) 電源相位檢測：當系統抓拍闖紅燈圖片時，由于紅燈信號是交流信號，在抓拍時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。電源相位檢測功能通過RS232接口接收攝像機發下來設定的相位，并在該指定相位到達時,觸發攝像機的外觸發信號,實現闖紅燈在最佳相位處抓拍。
2 軟件架構
    攝像機軟件是高清電子警察產品中核心部分，完成對車輛的邏輯判斷、抓拍，圖像處理及號牌識別等核心功能。
    DSP軟件中有任務(TSK)、軟中斷(SWI)、硬中斷(HWI)等線程類型[5]。電子警察軟件設計中主要采用了硬中斷和任務兩種類型的線程，硬中斷一般處理實時響應的工作，任務線程則負責處理復雜的需求。任務之間可以通過郵箱、信號量方式進行同步和傳遞消息，如圖4所示。

    DSP軟件的執行情況如下：
    (1) 攝像機的I/O信號(這些信號是車檢器發出的線圈狀態信息)變化時產生I/O中斷，I/O中斷處理函數被調用，完成對I/O數據的讀取，同時向任務1(I/O邏輯判斷)發出消息。
    (2) 任務1等待I/O中斷的消息，收到消息后，判斷I/O邏輯，確定是否進行抓拍。如果進行抓拍，則向任務2(啟動抓拍任務)發出抓拍消息。
    (3) 任務2在檢測到抓拍消息后，啟動抓拍。抓拍時根據曝光算法設置快門、增益及補光方式，保證圖片效果最佳。
    (4) 抓拍圖片完成后,攝像機產生中斷信息。中斷2圖像中斷處理函數被執行，該中斷處理函數發出信號給任務3(讀取圖片處理任務)。
    (5) 任務3將圖像數據取出放入內存中,并發出消息給任務4(圖片處理任務)。
    (6) 任務4對取出的圖片進行處理，包括號牌識別、灰度拉伸、壓縮及貼字等，形成一個JPEG圖片，并發出消息至任務5。
    (7) 任務5收到信號后，將JPEG圖片通過網絡發送至主控機。
2.1 曝光算法
　    自動曝光算法是為了控制抓拍圖片的平均亮度在一個期望的最佳值上，通過上一張圖片的平均亮度、快門值和增益這3個參數，經過有效的計算和算法判斷，獲得下一張圖片所期望的快門值和增益。曝光參數（快門和增加）調整的基本過程如圖5所示。

    首先計算出圖片亮度期望值和當前抓拍圖片平均亮度的比值，如果這個值的范圍在0.9~1.1之間，則認為曝光參數是正確的，無需調整參數；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到上限，需驅動頻閃燈進行補光。
    曝光算法調整時,要使增益盡量小，如果增益過大會導致圖片粗糙。因此如果圖像偏亮，首先應降低增益，若增益已經降到了0，再提高快門速度(即減少曝光時間)；如果圖片偏暗，先降低快門速度(即增加曝光時間)，快門速度降低到限制值后，再提高增益。
2.2 偏振鏡控制
    在實際應用中，陽光非常強烈的情況下，快門速度調整到最快，增益為0，但整個圖片仍然會出現過亮的情況。解決上述問題可以采用偏振鏡技術，即白天將偏振鏡上升，將強光過濾一些,以保證圖片的質量。使用偏振鏡會使圖片的亮度降低，白天不存在問題，但是到夜間或者陰天時圖片會變暗。通常采取的措施是在防雨罩中安裝偏振鏡升降機構，而攝像機軟件通過驅動裝置可以對偏振鏡進行控制，通過計算圖片的亮度，自動控制偏振鏡的升降，從而使圖像達到最佳效果。
    CAN總線的使用提高了電子警察產品的可靠性和可擴展性，方便了工程安裝實施。配合基于圖像的曝光自適應算法和偏振鏡的靈活切換，整個系統可以很好地調整各個時間段的成像效果，保證了優質地抓拍圖像，在實際應用中取得了非常好的效果。
參考文獻
[1] 饒云濤，鄒繼軍，鄭勇蕓.現場總線CAN原理與應用技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，2003.
[2] NXP Semiconductors.LPC1769/68/67/66/65/64/63，product Data Sheet[EB/OL].[2012-08-10].http://www.nxp.com/documents/data_sheet/LPC1769_68_67_66_64_63.pdf.
[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.