車(chē)載可視倒車(chē)裝置的設計與實(shí)現

引言

目前，我國普遍采用的倒車(chē)裝置是超聲波倒車(chē)雷達，這種裝置雖能準確測量車(chē)尾與車(chē)后障礙物的距離，但由于存在視覺(jué)盲區，司機無(wú)法判斷障礙物的確切位置，更不能感知地坑或低矮障礙物。國內外研究趨勢是在倒車(chē)雷達的基礎上采用數字圖像處理技術(shù)，利用強大的嵌入式處理器，開(kāi)發(fā)用于檢測車(chē)后物距和監視車(chē)后圖像的優(yōu)點(diǎn)相結合的車(chē)載可視倒車(chē)裝置。這類(lèi)新型裝置的價(jià)格較高，目前僅在中高檔轎車(chē)上使用。為此，提出了基于IntelPXA270硬件平臺及嵌入式WindowsCE操作系統的車(chē)載可視倒車(chē)裝置。

1　系統結構

本文提出的可視倒車(chē)裝置硬件電路框圖如圖1所示，主要由Intel嵌入式處理器PXA270、視頻采集、超聲波測距等電路組成。兩對超聲波換能器、信號調理電路和微控制器完成對障礙物的距離測定，并通過(guò)LIN總線(xiàn)發(fā)送至車(chē)內主系統;攝像頭采集到的視頻復合信號通過(guò)同軸電纜送至視頻解碼芯片進(jìn)行A/D轉換，并產(chǎn)生YUV422格式的視頻信號輸入PXA270的快速捕捉攝像頭接口;主系統處理器利用字符疊加技術(shù)，在TFTLCD屏上將含有障礙物距離等參數的圖像信號播放出來(lái)。

1.1　嵌入式處理器PXA270

本系統所采用的嵌入式處理器PXA270其最高主頻達624MHz,加入了WirelessMMXTM技術(shù)，從而提升了多媒體處理能力，同時(shí)還加入了IntelSpeedStep動(dòng)態(tài)電源管理技術(shù)，在保證CPU性能的情況下，最大限度地降低移動(dòng)設備功耗;并擁有豐富的外部接口：如AC’97控制器、LCD控制器、CIF接口、SD卡接口等。

1.2　視頻采集電路

車(chē)內主處理器PXA270的CIF接口只能處理數字信號，因此必須先將攝像頭采集到的模擬信號進(jìn)行轉換。本系統的視頻輸入解碼模塊使用TI公司的視頻解碼芯片TVP5150及外圍電路構建，其主要功能是將每一路CCD攝像頭采集的標準PAL制電視模擬信號發(fā)送至視頻解碼器，完成視頻圖像的箝位及抗混疊濾波等預處理、模擬視頻信號到數字YUV4:2:2的轉換及亮度/色度、水平/垂直同步等信號的分離。解碼芯片和PXA270通過(guò)CIF接口連接，PXA270通過(guò)I2C總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)TVP5150的內部寄存器，協(xié)調處理器與解碼器之間的工作交流。

1.3　超聲波測距電路

測距電路主要由超聲波發(fā)射電路和接收電路組成，原理框圖如圖2所示。該模塊單片機選用Freescale公司的MC68HC908QL4,該芯片可靠性高、抗干擾能力強，內含4kB閃速存儲器，四通道10位A/D轉換器，并集成了LIN控制器。超聲波探測車(chē)物之間的距離，并將數據經(jīng)LIN總線(xiàn)傳送至車(chē)內主處理器。由于超聲波測距只在汽車(chē)倒車(chē)時(shí)為駕駛員提供車(chē)后信息，而倒車(chē)時(shí)車(chē)速較慢，與聲速相比可認為是靜止的，因此采用脈沖測距法，只測量超聲波在測量點(diǎn)與目標間的往返時(shí)間計算距離較簡(jiǎn)單。

(1)超聲波發(fā)射電路超聲波發(fā)射電路如圖3所示。當汽車(chē)駕駛員手柄轉到倒車(chē)檔時(shí)，測距電路開(kāi)始工作，微控制器發(fā)出40kHz方波信號，經(jīng)驅動(dòng)電路放大后，通過(guò)探頭發(fā)射出去，此時(shí)計數器開(kāi)始計數。

(2)超聲波接收電路超聲波接收電路如圖4所示。采用專(zhuān)用前置放大器CX20106,由前置放大器、限幅放大器、帶通濾波器、檢波器、積分器、整型電路組成。其中，前置放大器具有自動(dòng)增益控制功能。超聲波信號在空氣中傳播遇到障礙物后發(fā)生反射，回波經(jīng)接收探頭接收并轉換成電信號，經(jīng)條理電纜，輸入到微控制器的外部中斷口，使計數器停止計數，從而計算出障礙物的距離。

1.4　LIN總線(xiàn)收發(fā)器接口電路設計

LIN是一種低成本的串行通訊網(wǎng)絡(luò )，用于實(shí)現汽車(chē)中的分布式電子系統控制，是一種輔助的總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，在不需要CAN總線(xiàn)的帶寬和速度的場(chǎng)合可大大節省成本。LIN通訊是基于SCI異步串行通信的數據格式，采用單主控制器/多從設備的模式，僅使用一根12V信號總線(xiàn)和一個(gè)無(wú)固定時(shí)間基準的節點(diǎn)同步時(shí)鐘線(xiàn)。TJA1020是常用的LIN主/從協(xié)議控制器和LIN總線(xiàn)的物理接口芯片，接口電路如圖5所示。

2　軟件設計

2.1　系統平臺的定制

WindowsCE是微軟專(zhuān)門(mén)為各種嵌入式系統設計的一種高效、可升級的操作系統，廣泛用于各種嵌入式產(chǎn)品。為定制該裝置的WindowsCE操作系統，首先根據硬件配置，在PlatformBuilder開(kāi)發(fā)環(huán)境中導入Intel提供的BSP板級支持包，并開(kāi)發(fā)自己的OEM硬件適配層、組件。操作系統映像建立成功后，再將平臺傳輸到目標設備進(jìn)行測試。最后輸出軟件開(kāi)發(fā)工具包，在EVC++環(huán)境中開(kāi)發(fā)應用程序。

WindowsCE定制過(guò)程如圖6所示。

2.2　攝像頭驅動(dòng)程序設計

本文述及的驅動(dòng)是在WindowsCE下實(shí)現的。攝像頭驅動(dòng)程序的主要任務(wù)是控制視頻數據在硬件中流動(dòng)，并為攝像頭應用程序提供標準接口。為簡(jiǎn)化編程難度，考慮到CIF接口的工作方式比較獨立，采用類(lèi)型為流接口驅動(dòng)的單片驅動(dòng)程序模型：即為每一個(gè)流接口驅動(dòng)創(chuàng )建一個(gè)包含驅動(dòng)程序的入口點(diǎn)動(dòng)態(tài)鏈接庫，實(shí)現文件I/O和電源管理函數交給內核使用。

攝像頭驅動(dòng)程序的流程圖如圖7所示，其工作內容如下：

(1)負責通過(guò)I2C總線(xiàn)查詢(xún)攝像頭解碼器的信息，調節攝像頭解碼器的設置;

(2)建立和控制DMA傳輸通道，通過(guò)DMA方式將CIF接口中的3個(gè)FIFO內的數據信息傳送到內存中，從而實(shí)現快速高質(zhì)量的數據傳送;

(3)提供可以給應用程序使用的接口。

2.3　超聲波測距軟件設計

超聲波測距軟件主要包括測距及數據發(fā)送，其流程圖如圖8所示。

3　結果

軟硬件聯(lián)合調試成功后，在實(shí)際車(chē)輛上進(jìn)行了倒車(chē)試驗。攝像頭實(shí)際捕捉到的視頻信號在LCD上的顯示結果如圖9所示。圖9中數字為超聲波測距數據。試驗表明，該系統運行可靠，倒車(chē)時(shí)不但能清晰實(shí)時(shí)顯示車(chē)后全景，而且還能準確測量汽車(chē)與車(chē)后障礙物之間的距離，基本達到了設計要求。