基于SOPC 技术的车辆电子后视镜系统设计

2008-12-11 17:34:48来源: 《微计算机信息》

  随着电子技术的发展,许多智能化技术被广泛应用到车辆上,车辆后视镜系统作为重要的安全辅助装置也经历了几代的技术发展[1]。目前车辆后视镜系统出现了两种新技术:后视摄像和倒车雷达。前者图像直观、真实,但无法给出精确的距离;后者能精确地测量距离,但对于车后方的水坑、凸出的钢筋等无法做出反映,因此存在安全上的死角[2][3]。车辆上的雷达测距有以下几种:激光测距、微波测距和超声波测距。前两者测量距离远、测量精度高,但成本很高;后者成本低,但测距范围通常小,在倒车速度稍快时安全性不佳。

  本文提出了一种基于SOPC 技术的车辆电子后视镜系统,该系统可以实时显示车辆后方的图像,并利用双频超声波实现了10m 以上的大范围测距,同时该系统具有语音播报测量结果及报警等功能。1 系统特点

  本系统与其它电子倒车系统相比有以下特点:(1)采用40kHz 和25kHz 两种频率的超声波测距,既扩大了测量范围又能兼顾小范围测距时的测量精度。(2)采用3.5吋彩色液晶屏在实时、直观地显示车辆后方图像的同时,又可显示障碍物的距离及车辆相对于障碍物的速度等。(3)语音播报测距结果及报警。利用语音芯片ISD4002实现测距结果的语音播报,同时根据测量结果及车辆相对于障碍物的速度自动评估危险等级,并用急促程度不同的提示音示警。(4)采用SOPC实现系统设计,具有很好的灵活性。 2 硬件电路设计

  2.1 系统硬件结构

  车辆电子后视镜系统的电路框图如图1所示。整个系统可划分为图像采集及转换、图像及信息显示、超声波测距、语音播报及警告、温度测量等部分。 CMOS图像传感器OV6620将采集到的图像数据送到FPGA中,处理后得到RGB888格式的数据,经LCD控制电路送往LCD屏上显示。超声波测距电路共有左右两个通道,利用频率为40kHz和25kHz两种超声波脉冲测量障碍物的距离及车辆的相对速度,随后进行危险评估再将相关的信息显示在LCD 屏上,并播报距离测量结果,然后控制报警电路发出急促程度不同的警示音。

图1 系统硬件结构框图

  1.   2.2 主要功能模块的设计

  2.   2.2.1 图像采集及转换电路

  图像采集及转换电路的框图如图2所示。图像传感器OV6620 输出的YCrCb4:2:2 格式的数据经解交织电路转换为YCrCb4:4:4 格式数据,送给色彩空间转换电路完成数据格式转换,然后存入缓冲RAM中。下面重点介绍色彩空间转换电路。

色彩空间转换电路

  图像传感器ov6620输出的是YCrCb4:2:2 格式的数据,而设计中所使用的lcd屏要求输入RGB888格式的数据,因此需要色彩空间转换电路完成这种转换。转换公式如式(1)所示。

  转换结果中的RGB都是8位无符号数,取值范围为0~255, 因此运算结果为负数的取0; 运算结果超过255 的取255。这样会引入误差,但对图像的显示影响并不大。利用VerilogHDL 完成该电路的设计, YCrCb取值分别为197 、 92、232 时, GRB输出(有延时)分别为186 、146 、255, 与根据(1) 式计算的结果一致。

  2.2.2 超声波发射及接收部分

  超声波测距中如果使用较高频率的超声波,则会因空气吸收较大而较快衰减,因此测量距离较短。比如采用40kHz 的超声波,测距范围一般不超过5m。由于空气对超声波的吸收与超声波频率的平方成正比,因此降低超声波的频率能增大测距范围。但是如果频率太低, 测距的绝对误差较大[4]。为了兼顾测距范围和精度,设计中采用40kHz 和25kHz 两种超声波测距。测量原理是:先输出10个40kHz 的超声波脉冲,再输出8个25kHz 的超声波脉冲,由于高频超声波先发出,对于同一目标,其回波先到达 CPU, 因此对于近距离的目标,首先用高频超声波探测,测量绝对误差较小;对于远处的目标, 由于高频超声波被空气吸收而大幅衰减, 所以回波只有低频超声波,此时测量绝对误差稍大,但因测距范围大因此仍可接受。接收到的超声波信号经放大、比较等处理后送给NiosII 的PIO 口,使PIO口产生中断,通过执行中断服务程序获取超声波传播时间,再根据测得的环境温度计算出障碍物的距离,由连续两次测量情况计算出相对速度。这里仅给出25kHz 超声波发射和接收电路,如图3所示。


2.2.3 LCD 显示控制电路

  本设计中采用三星公司3.5 吋分辨率为320×240 的TFT 液晶屏(型号LTV350QV-F04), 设计中将显示屏分为两部分:上部16行用于显示测得的距离、速度、当前状态等信息,下部224 行显示车辆后方的图像。为了提高显示刷新速度、降低CPU占用率,LCD显示控制由硬件电路实 现,电路框图如图4所示。控制器利用OV6620 输出的行同步信号、场同步信号、像素时钟等信号产生控制LCD屏所需的控制信号;此外,该控制器包含一个行同步信号计数器及双口RAM地址发生器,两者都在每个场信号到来时清零,然后行计数器对行同步信号计数,当计数值在 16~240 之间时控制器将数据缓冲器中的图像数据送到LCD模块,当计数值在0~15之间时将双口RAM中的数据依次读出来送LCD屏显示。框图中的双口RAM对微控制器来说是只写的,在场信号到来并延迟一段时间后(大于LCD完成16行数据显示时间), NiosII 将测得的障碍物距离、速度等需要更新的显示数据写入双口RAM中;对LCD控制器来说,此双口RAM是只读的,并且是在每场开始的16行才读取数据,因此不会出现读写冲突的情况。这种设计大大减轻了NiosII 处理器的占用率,使得系统有足够的时间完成其它任务。

 

LCD显示控制电路框图
图4 LCD显示控制电路框图

  2.2.4 语音播放及温度测量电路

  语音播放电路主要由录放音电路ISD4002 、功放电路LM386等组成。NiosII通过I/O口模拟SPI时序实现对ISD4002 的控制,以中断的方式处理ISD4002 中各段的播放,从而实现语音的连续播放。温度测量电路主要由数字温度传感器LM75构成。

  3 系统软件的设计

  本系统的软件比较复杂,限于篇幅这里仅简要介绍其中的超声波测量模块。执行超声波测量模块时,首先统计测量次数,如果所有通道都已完成两次测量(由连续两次测量计算相对速度),则一个测量周期结束。在一个测量周期中,在每次测量前都读取时间戳定时器T0,由读取结果求出时间差进而求出相对速度。在发送超声波时先发送40kHz 的高频波,后发送25kHz 的低频波。如果在50ms 内没有接收到返回的超声波信号,则说明超出测距范围,进行下一通道的测距。

  系统实现及测试

  以Altera的DE2开发板为实验平台,利用该平台上两个通用I/O扩展槽外接实验电路板完成了本系统的设计验证。实验表明对于平面物体本系统超声波测距范围最小为7cm, 最大测量范围大于10m ,距离为2.5m以内时,测量误差不大于±1cm;语音提示清晰,LCD屏显示的图像清晰稳定。系统工作情况如图7所示,表示距障碍物(图5中车辆)距离为6.51m 、速度0.65m/s、当前处于曝光时间调节状态,速度是负值表示接近中。

系统工作情况

图5 系统工作情况

  结束语

  本文利用SOPC 技术设计了一种车辆电子后视镜系统,该系统利用CMOS 图像传感器采集车辆后方的图像并实时显示在LCD 屏上,同时利用双频超声波实现了大范围、高精度的测距,使驾驶者及时、准确、全面地掌握车辆后方的情况,极大地提高了倒车的安全性。

  本文作者创新点:将双频超声波测距应用到倒车雷达中,扩大了一般超声波倒车雷达的测距范围;并将后视摄像和超声波测距有机的结合起来,设计了一套较为完整的车辆电子后视镜系统。

  参考文献
 .[1] 刘海峰. 车辆倒车雷达系统全接触[J]. 车辆电器,2007,12:5-8
 .[2] 易革,胡金亮. 倒车多媒体可视测距终端的设计与实现[J]. 电子设计应用,2006,12: 101-102
 .[3] 袁佑新, 吴妍,刘苏敏,等. 可视车辆倒车雷达预警系统设计[J]. 微计算机信息,2007, 23(2-2) :268-270
[4] 王润田. 双频超声波测距[J]. 声学技术,1996,15(3):116-118

 

关键字:车辆  电子

编辑:潘争 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/qcdz/2008/1211/article_605.html
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