基于SOPC 技術(shù)的車(chē)輛電子后視鏡系統設計

隨著(zhù)電子技術(shù)的發(fā)展，許多智能化技術(shù)被廣泛應用到車(chē)輛上，車(chē)輛后視鏡系統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[1]。目前車(chē)輛后視鏡系統出現了兩種新技術(shù)：后視攝像和倒車(chē)雷達。前者圖像直觀(guān)、真實(shí)，但無(wú)法給出精確的距離；后者能精確地測量距離，但對于車(chē)后方的水坑、凸出的鋼筋等無(wú)法做出反映，因此存在安全上的死角[2][3]。車(chē)輛上的雷達測距有以下幾種：激光測距、微波測距和超聲波測距。前兩者測量距離遠、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(chē)速度稍快時(shí)安全性不佳。

本文提出了一種基于SOPC 技術(shù)的車(chē)輛電子后視鏡系統，該系統可以實(shí)時(shí)顯示車(chē)輛后方的圖像，并利用雙頻超聲波實(shí)現了10m 以上的大范圍測距，同時(shí)該系統具有語(yǔ)音播報測量結果及報警等功能。

1 系統特點(diǎn)

本系統與其它電子倒車(chē)系統相比有以下特點(diǎn)：（1）采用40kHz 和25kHz 兩種頻率的超聲波測距，既擴大了測量范圍又能兼顧小范圍測距時(shí)的測量精度。（2） 采用3.5疾噬液晶屏在實(shí)時(shí)、直觀(guān)地顯示車(chē)輛后方圖像的同時(shí)，又可顯示障礙物的距離及車(chē)輛相對于障礙物的速度等。（3） 語(yǔ)音播報測距結果及報警。利用語(yǔ)音芯片ISD4002實(shí)現測距結果的語(yǔ)音播報，同時(shí)根據測量結果及車(chē)輛相對于障礙物的速度自動(dòng)評估危險等級，并用急促程度不同的提示音示警。（4）采用SOPC實(shí)現系統設計，具有很好的靈活性。

2 硬件電路設計

2.1 系統硬件結構

車(chē)輛電子后視鏡系統的電路框圖如圖1所示。整個(gè)系統可劃分為圖像采集及轉換、圖像及信息顯示、超聲波測距、語(yǔ)音播報及警告、溫度測量等部分。CMOS圖像傳感器OV6620將采集到的圖像數據送到FPGA中，處理后得到RGB888格式的數據，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(gè)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(chē)輛的相對速度，隨后進(jìn)行危險評估再將相關(guān)的信息顯示在LCD屏上，并播報距離測量結果，然后控制報警電路發(fā)出急促程度不同的警示音。

圖1 系統硬件結構框圖

1. 2.2 主要功能模塊的設計

2. 2.2.1 圖像采集及轉換電路

圖像采集及轉換電路的框圖如圖2所示。圖像傳感器OV6620 輸出的YCrCb4:2:2 格式的數據經(jīng)解交織電路轉換為YCrCb4:4:4 格式數據，送給色彩空間轉換電路完成數據格式轉換，然后存入緩沖RAM中。下面重點(diǎn)介紹色彩空間轉換電路。

圖像傳感器ov6620輸出的是YCrCb4:2:2 格式的數據，而設計中所使用的lcd屏要求輸入RGB888格式的數據，因此需要色彩空間轉換電路完成這種轉換。轉換公式如式（1）所示。

轉換結果中的RGB都是8位無(wú)符號數，取值范圍為0～255， 因此運算結果為負數的取0； 運算結果超過(guò)255 的取255。這樣會(huì )引入誤差，但對圖像的顯示影響并不大。利用VerilogHDL 完成該電路的設計， YCrCb取值分別為197 、92、232 時(shí)， GRB輸出（有延時(shí)）分別為186 、146 、255， 與根據（1） 式計算的結果一致。

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(huì )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(guò)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，設計中采用40kHz 和25kHz 兩種超聲波測距。測量原理是：先輸出10個(gè)40kHz 的超聲波脈沖，再輸出8個(gè)25kHz 的超聲波脈沖，由于高頻超聲波先發(fā)出，對于同一目標，其回波先到達CPU， 因此對于近距離的目標，首先用高頻超聲波探測，測量絕對誤差較??；對于遠處的目標, 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(shí)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(guò)執行中斷服務(wù)程序獲取超聲波傳播時(shí)間，再根據測得的環(huán)境溫度計算出障礙物的距離，由連續兩次測量情況計算出相對速度。這里僅給出25kHz 超聲波發(fā)射和接收電路，如圖3所示。
2.2.3 LCD 顯示控制電路

本設計中采用三星公司3.5 擠直媛飾320×240 的TFT 液晶屏（型號LTV350QV-F04）， 設計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、當前狀態(tài)等信息，下部224 行顯示車(chē)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，電路框圖如圖4所示?？刂破骼肙V6620 輸出的行同步信號、場(chǎng)同步信號、像素時(shí)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(gè)行同步信號計數器及雙口RAM地址發(fā)生器，兩者都在每個(gè)場(chǎng)信號到來(lái)時(shí)清零，然后行計數器對行同步信號計數，當計數值在16～240 之間時(shí)控制器將數據緩沖器中的圖像數據送到LCD模塊，當計數值在0～15之間時(shí)將雙口RAM中的數據依次讀出來(lái)送LCD屏顯示?？驁D中的雙口RAM對微控制器來(lái)說(shuō)是只寫(xiě)的，在場(chǎng)信號到來(lái)并延遲一段時(shí)間后（大于LCD完成16行數據顯示時(shí)間）， NiosII 將測得的障礙物距離、速度等需要更新的顯示數據寫(xiě)入雙口RAM中；對LCD控制器來(lái)說(shuō)，此雙口RAM是只讀的，并且是在每場(chǎng)開(kāi)始的16行才讀取數據，因此不會(huì )出現讀寫(xiě)沖突的情況。這種設計大大減輕了NiosII 處理器的占用率，使得系統有足夠的時(shí)間完成其它任務(wù)。

圖4 LCD顯示控制電路框圖

2.2.4 語(yǔ)音播放及溫度測量電路

語(yǔ)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(guò)I/O口模擬SPI時(shí)序實(shí)現對ISD4002 的控制，以中斷的方式處理ISD4002 中各段的播放，從而實(shí)現語(yǔ)音的連續播放。溫度測量電路主要由數字溫度傳感器LM75構成。3 系統軟件的設計

本系統的軟件比較復雜，限于篇幅這里僅簡(jiǎn)要介紹其中的超聲波測量模塊。執行超聲波測量模塊時(shí)，首先統計測量次數，如果所有通道都已完成兩次測量（由連續兩次測量計算相對速度），則一個(gè)測量周期結束。在一個(gè)測量周期中，在每次測量前都讀取時(shí)間戳定時(shí)器T0， 由讀取結果求出時(shí)間差進(jìn)而求出相對速度。在發(fā)送超聲波時(shí)先發(fā)送40kHz 的高頻波，后發(fā)送25kHz 的低頻波。如果在50ms 內沒(méi)有接收到返回的超聲波信號，則說(shuō)明超出測距范圍，進(jìn)行下一通道的測距。

系統實(shí)現及測試

以Altera的DE2開(kāi)發(fā)板為實(shí)驗平臺，利用該平臺上兩個(gè)通用I/O擴展槽外接實(shí)驗電路板完成了本系統的設計驗證。實(shí)驗表明對于平面物體本系統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?xún)葧r(shí)，測量誤差不大于±1cm； 語(yǔ)音提示清晰，LCD屏顯示的圖像清晰穩定。系統工作情況如圖7所示，表示距障礙物（圖5中車(chē)輛）距離為6.51m 、速度0.65m/s、當前處于曝光時(shí)間調節狀態(tài)，速度是負值表示接近中。

圖5 系統工作情況

結束語(yǔ)

本文利用SOPC 技術(shù)設計了一種車(chē)輛電子后視鏡系統，該系統利用CMOS 圖像傳感器采集車(chē)輛后方的圖像并實(shí)時(shí)顯示在LCD 屏上，同時(shí)利用雙頻超聲波實(shí)現了大范圍、高精度的測距，使駕駛者及時(shí)、準確、全面地掌握車(chē)輛后方的情況，極大地提高了倒車(chē)的安全性。
本文作者創(chuàng )新點(diǎn)：將雙頻超聲波測距應用到倒車(chē)雷達中，擴大了一般超聲波倒車(chē)雷達的測距范圍；并將后視攝像和超聲波測距有機的結合起來(lái)，設計了一套較為完整的車(chē)輛電子后視鏡系統。