《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于SOPC 的車輛電子后視鏡系統(tǒng)設(shè)計(jì)
利用CMOS 圖像傳感器采集車輛后方的圖像并實(shí)時顯示在LCD 屏
摘要: 為提高倒車的安全性,提出了一種基于SOPC 技術(shù)的車輛電子后視鏡系統(tǒng),,該系統(tǒng)具有后視攝像,、雙頻超聲波大范圍測距,、語音播報測距結(jié)果等功能,。利用CMOS 圖像傳感器采集車輛后方的圖像并實(shí)時顯示在LCD 屏,。對系統(tǒng)中各硬件模塊及其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的論述,。
關(guān)鍵詞: SoPC 車載系統(tǒng) 后視鏡
Abstract:
Key words :

摘要:為提高倒車的安全性,,提出了一種基于SOPC 技術(shù)的車輛電子后視鏡系統(tǒng),,該系統(tǒng)具有后視攝像,、雙頻超聲波大范圍測距、語音播報測距結(jié)果等功能。對系統(tǒng)中各硬件模塊及其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的論述,。

  隨著電子技術(shù)的發(fā)展,,許多智能化技術(shù)被廣泛應(yīng)用到車輛上,車輛后視鏡系統(tǒng)作為重要的安全輔助裝置也經(jīng)歷了幾代的技術(shù)發(fā)展,。目前車輛后視鏡系統(tǒng)出現(xiàn)了兩種新技術(shù):后視攝像和倒車?yán)走_(dá),。前者圖像直觀、真實(shí),,但無法給出精確的距離,;后者能精確地測量距離,但對于車后方的水坑,、凸出的鋼筋等無法做出反映,,因此存在安全上的死角。車輛上的雷達(dá)測距有以下幾種:激光測距,、微波測距和超聲波測距,。前兩者測量距離遠(yuǎn)、測量精度高,,但成本很高,;后者成本低,但測距范圍通常小,,在倒車速度稍快時安全性不佳,。

  本文提出了一種基于SOPC 技術(shù)的車輛電子后視鏡系統(tǒng),該系統(tǒng)可以實(shí)時顯示車輛后方的圖像,,并利用雙頻超聲波實(shí)現(xiàn)了10m 以上的大范圍測距,,同時該系統(tǒng)具有語音播報測量結(jié)果及報警等功能。
      1 系統(tǒng)特點(diǎn)
  本系統(tǒng)與其它電子倒車系統(tǒng)相比有以下特點(diǎn):(1)采用40kHz 和25kHz 兩種頻率的超聲波測距,,既擴(kuò)大了測量范圍又能兼顧小范圍測距時的測量精度,。(2)采用3.5吋彩色液晶屏在實(shí)時、直觀地顯示車輛后方圖像的同時,,又可顯示障礙物的距離及車輛相對于障礙物的速度等,。(3)語音播報測距結(jié)果及報警。利用語音芯片ISD4002實(shí)現(xiàn)測距結(jié)果的語音播報,,同時根據(jù)測量結(jié)果及車輛相對于障礙物的速度自動*估危險等級,,并用急促程度不同的提示音示警。(4)采用SOPC實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì),,具有很好的靈活性,。 2 硬件電路設(shè)計(jì)
 2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
  車輛電子后視鏡系統(tǒng)的電路框圖如圖1所示。整個系統(tǒng)可劃分為圖像采集及轉(zhuǎn)換,、圖像及信息顯示,、超聲波測距,、語音播報及警告、溫度測量等部分,。 CMOS圖像傳感器OV6620將采集到的圖像數(shù)據(jù)送到FPGA中,,處理后得到RGB888格式的數(shù)據(jù),經(jīng)LCD控制電路送往LCD屏上顯示,。超聲波測距電路共有左右兩個通道,,利用頻率為40kHz和25kHz兩種超聲波脈沖測量障礙物的距離及車輛的相對速度,隨后進(jìn)行危險*估再將相關(guān)的信息顯示在LCD 屏上,,并播報距離測量結(jié)果,,然后控制報警電路發(fā)出急促程度不同的警示音。
 
  圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖
 
  1. 2.2 主要功能模塊的設(shè)計(jì)

  2. 2.2.1 圖像采集及轉(zhuǎn)換電路
 
  圖像采集及轉(zhuǎn)換電路的框圖如圖2所示,。圖像傳感器OV6620 輸出的YCrCb4:2:2 格式的數(shù)據(jù)經(jīng)解交織電路轉(zhuǎn)換為YCrCb4:4:4 格式數(shù)據(jù),,送給色彩空間轉(zhuǎn)換電路完成數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換,然后存入緩沖RAM中,。下面重點(diǎn)介紹色彩空間轉(zhuǎn)換電路,。
 
  圖像傳感器OV6620輸出的是YCrCb4:2:2 格式的數(shù)據(jù),而設(shè)計(jì)中所使用的lcd屏要求輸入RGB888格式的數(shù)據(jù),,因此需要色彩空間轉(zhuǎn)換電路完成這種轉(zhuǎn)換,。
 
  轉(zhuǎn)換結(jié)果中的RGB都是8位無符號數(shù),取值范圍為0~255,, 因此運(yùn)算結(jié)果為負(fù)數(shù)的取0; 運(yùn)算結(jié)果超過255 的取255,。這樣會引入誤差,,但對圖像的顯示影響并不大。利用VerilogHDL 完成該電路的設(shè)計(jì),, YCrCb取值分別為197 ,、 92、232 時,, GRB輸出(有延時)分別為186 ,、146 、255,。
 
  2.2.2 超聲波發(fā)射及接收部分
 
  超聲波測距中如果使用較高頻率的超聲波,,則會因空氣吸收較大而較快衰減,因此測量距離較短,。比如采用40kHz 的超聲波,,測距范圍一般不超過5m。由于空氣對超聲波的吸收與超聲波頻率的平方成正比,,因此降低超聲波的頻率能增大測距范圍,。但是如果頻率太低, 測距的絕對誤差較大[4],。為了兼顧測距范圍和精度,設(shè)計(jì)中采用40kHz 和25kHz 兩種超聲波測距,。測量原理是:先輸出10個40kHz 的超聲波脈沖,,再輸出8個25kHz 的超聲波脈沖,由于高頻超聲波先發(fā)出,,對于同一目標(biāo),,其回波先到達(dá) CPU, 因此對于近距離的目標(biāo),,首先用高頻超聲波探測,,測量絕對誤差較小,;對于遠(yuǎn)處的目標(biāo), 由于高頻超聲波被空氣吸收而大幅衰減, 所以回波只有低頻超聲波,,此時測量絕對誤差稍大,但因測距范圍大因此仍可接受,。接收到的超聲波信號經(jīng)放大,、比較等處理后送給NiosII 的PIO 口,使PIO口產(chǎn)生中斷,,通過執(zhí)行中斷服務(wù)程序獲取超聲波傳播時間,,再根據(jù)測得的環(huán)境溫度計(jì)算出障礙物的距離,由連續(xù)兩次測量情況計(jì)算出相對速度,。
 
  2.2.3 LCD 顯示控制電路
 
  本設(shè)計(jì)中采用三星公司3.5 吋分辨率為320×240 的TFT 液晶屏(型號LTV350QV-F04),, 設(shè)計(jì)中將顯示屏分為兩部分:上部16行用于顯示測得的距離、速度,、當(dāng)前狀態(tài)等信息,,下部224 行顯示車輛后方的圖像。為了提高顯示刷新速度,、降低CPU占用率,,LCD顯示控制由硬件電路實(shí) 現(xiàn),電路框圖如圖4所示,??刂破骼肙V6620 輸出的行同步信號、場同步信號,、像素時鐘等信號產(chǎn)生控制LCD屏所需的控制信號,;此外,該控制器包含一個行同步信號計(jì)數(shù)器及雙口RAM地址發(fā)生器,,兩者都在每個場信號到來時清零,,然后行計(jì)數(shù)器對行同步信號計(jì)數(shù),當(dāng)計(jì)數(shù)值在 16~240 之間時控制器將數(shù)據(jù)緩沖器中的圖像數(shù)據(jù)送到LCD模塊,,當(dāng)計(jì)數(shù)值在0~15之間時將雙口RAM中的數(shù)據(jù)依次讀出來送LCD屏顯示,??驁D中的雙口RAM對微控制器來說是只寫的,在場信號到來并延遲一段時間后(大于LCD完成16行數(shù)據(jù)顯示時間),, NiosII 將測得的障礙物距離,、速度等需要更新的顯示數(shù)據(jù)寫入雙口RAM中;對LCD控制器來說,,此雙口RAM是只讀的,,并且是在每場開始的16行才讀取數(shù)據(jù),因此不會出現(xiàn)讀寫沖突的情況,。這種設(shè)計(jì)大大減輕了NiosII 處理器的占用率,,使得系統(tǒng)有足夠的時間完成其它任務(wù)。
  圖3 LCD顯示控制電路框圖
  2.2.4 語音播放及溫度測量電路
 
  語音播放電路主要由錄放音電路ISD4002 ,、功放電路LM386等組成,。NiosII通過I/O口模擬SPI時序?qū)崿F(xiàn)對ISD4002 的控制,以中斷的方式處理ISD4002 中各段的播放,,從而實(shí)現(xiàn)語音的連續(xù)播放,。溫度測量電路主要由數(shù)字溫度傳感器LM75構(gòu)成。
 
  3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)
 
  本系統(tǒng)的軟件比較復(fù)雜,,限于篇幅這里僅簡要介紹其中的超聲波測量模塊,。執(zhí)行超聲波測量模塊時,首先統(tǒng)計(jì)測量次數(shù),,如果所有通道都已完成兩次測量(由連續(xù)兩次測量計(jì)算相對速度),,則一個測量周期結(jié)束。在一個測量周期中,,在每次測量前都讀取時間戳定時器T0,,由讀取結(jié)果求出時間差進(jìn)而求出相對速度。在發(fā)送超聲波時先發(fā)送40kHz 的高頻波,,后發(fā)送25kHz 的低頻波。如果在50ms 內(nèi)沒有接收到返回的超聲波信號,,則說明超出測距范圍,,進(jìn)行下一通道的測距。
 
  系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及測試

  以Altera的DE2開發(fā)板為實(shí)驗(yàn)平臺,,利用該平臺上兩個通用I/O擴(kuò)展槽外接實(shí)驗(yàn)電路板完成了本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)驗(yàn)證,。實(shí)驗(yàn)表明對于平面物體本系統(tǒng)超聲波測距范圍最小為7cm, 最大測量范圍大于10m ,,距離為2.5m以內(nèi)時,,測量誤差不大于±1cm;語音提示清晰,,LCD屏顯示的圖像清晰穩(wěn)定,。系統(tǒng)工作情況如圖7所示,,表示距障礙物(圖5中車輛)距離為6.51m 、速度0.65m/s,、當(dāng)前處于曝光時間調(diào)節(jié)狀態(tài),,速度是負(fù)值表示接近中。
  圖4 系統(tǒng)工作情況
  結(jié)束語
  本文利用SOPC 技術(shù)設(shè)計(jì)了一種車輛電子后視鏡系統(tǒng),,該系統(tǒng)利用CMOS 圖像傳感器采集車輛后方的圖像并實(shí)時顯示在LCD 屏上,,同時利用雙頻超聲波實(shí)現(xiàn)了大范圍、高精度的測距,,使駕駛者及時,、準(zhǔn)確、全面地掌握車輛后方的情況,,極大地提高了倒車的安全性,。
 
  本文作者創(chuàng)新點(diǎn):將雙頻超聲波測距應(yīng)用到倒車?yán)走_(dá)中,擴(kuò)大了一般超聲波倒車?yán)走_(dá)的測距范圍,;并將后視攝像和超聲波測距有機(jī)的結(jié)合起來,,設(shè)計(jì)了一套較為完整的車輛電子后視鏡系統(tǒng)。
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