一種基于FPGA的車(chē)輛電子后視鏡系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

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(chē)輛上，車(chē)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[1]。目前車(chē)輛后視鏡系統(tǒng)出現(xiàn)了兩種新技術(shù)：后視攝像和倒車(chē)?yán)走_(dá)。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(cè)量距離，但對(duì)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(dá)測(cè)距有以下幾種：激光測(cè)距、微波測(cè)距和超聲波測(cè)距。前兩者測(cè)量距離遠(yuǎn)、測(cè)量精度高，但成本很高;后者成本低，但測(cè)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(tǒng)，該系統(tǒng)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(xiàn)了10m 以上的大范圍測(cè)距，同時(shí)該系統(tǒng)具有語(yǔ)音播報(bào)測(cè)量結(jié)果及報(bào)警等功能。

1 系統(tǒng)特點(diǎn)

本系統(tǒng)與其它電子倒車(chē)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(cè)距，既擴(kuò)大了測(cè)量范圍又能兼顧小范圍測(cè)距時(shí)的測(cè)量精度。(2) 采用3.5吋彩色液晶屏在實(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(duì)于障礙物的速度等。(3) 語(yǔ)音播報(bào)測(cè)距結(jié)果及報(bào)警。利用語(yǔ)音芯片ISD4002實(shí)現(xiàn)測(cè)距結(jié)果的語(yǔ)音播報(bào)，同時(shí)根據(jù)測(cè)量結(jié)果及車(chē)輛相對(duì)于障礙物的速度自動(dòng)評(píng)估危險(xiǎn)等級(jí)，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(chē)輛電子后視鏡系統(tǒng)的電路框圖如圖1所示。整個(gè)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(cè)距、語(yǔ)音播報(bào)及警告、溫度測(cè)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(cè)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(cè)量障礙物的距離及車(chē)輛的相對(duì)速度，隨后進(jìn)行危險(xiǎn)評(píng)估再將相關(guān)的信息顯示在LCD屏上，并播報(bào)距離測(cè)量結(jié)果，然后控制報(bào)警電路發(fā)出急促程度不同的警示音。

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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。

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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)換公式如式(1)所示。

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轉(zhuǎn)換結(jié)果中的RGB都是8位無(wú)符號(hào)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(guò)255 的取255。這樣會(huì)引入誤差，但對(duì)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(shí)， GRB輸出(有延時(shí))分別為186 、146 、255， 與根據(jù)(1) 式計(jì)算的結(jié)果一致。

2.2.2 超聲波發(fā)射及接收部分

超聲波測(cè)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(cè)量距離較短。比如采用40kHz 的超聲波，測(cè)距范圍一般不超過(guò)5m。由于空氣對(duì)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(cè)距范圍。但是如果頻率太低, 測(cè)距的絕對(duì)誤差較大[4]。為了兼顧測(cè)距范圍和精度，設(shè)計(jì)中采用40kHz 和25kHz 兩種超聲波測(cè)距。測(cè)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(duì)于同一目標(biāo)，其回波先到達(dá)CPU， 因此對(duì)于近距離的目標(biāo)，首先用高頻超聲波探測(cè)，測(cè)量絕對(duì)誤差較小;對(duì)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(shí)測(cè)量絕對(duì)誤差稍大，但因測(cè)距范圍大因此仍可接受。接收到的超聲波信號(hào)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(zhí)行中斷服務(wù)程序獲取超聲波傳播時(shí)間，再根據(jù)測(cè)得的環(huán)境溫度計(jì)算出障礙物的距離，由連續(xù)兩次測(cè)量情況計(jì)算出相對(duì)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

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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(hào)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(cè)得的距離、速度、當(dāng)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(xiàn)，電路框圖如圖4所示。控制器利用OV6620 輸出的行同步信號(hào)、場(chǎng)同步信號(hào)、像素時(shí)鐘等信號(hào)產(chǎn)生控制LCD屏所需的控制信號(hào);此外，該控制器包含一個(gè)行同步信號(hào)計(jì)數(shù)器及雙口RAM地址發(fā)生器，兩者都在每個(gè)場(chǎng)信號(hào)到來(lái)時(shí)清零，然后行計(jì)數(shù)器對(duì)行同步信號(hào)計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)值在16～240 之間時(shí)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(shí)將雙口RAM中的數(shù)據(jù)依次讀出來(lái)送LCD屏顯示?？驁D中的雙口RAM對(duì)微控制器來(lái)說(shuō)是只寫(xiě)的，在場(chǎng)信號(hào)到來(lái)并延遲一段時(shí)間后(大于LCD完成16行數(shù)據(jù)顯示時(shí)間)， NiosII 將測(cè)得的障礙物距離、速度等需要更新的顯示數(shù)據(jù)寫(xiě)入雙口RAM中;對(duì)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(shù)據(jù)，因此不會(huì)出現(xiàn)讀寫(xiě)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(shí)間完成其它任務(wù)。

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圖4 LCD顯示控制電路框圖

2.2.4 語(yǔ)音播放及溫度測(cè)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?qū)崿F(xiàn)對(duì)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(yǔ)音的連續(xù)播放。溫度測(cè)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(jiǎn)要介紹其中的超聲波測(cè)量模塊。執(zhí)行超聲波測(cè)量模塊時(shí)，首先統(tǒng)計(jì)測(cè)量次數(shù)，如果所有通道都已完成兩次測(cè)量(由連續(xù)兩次測(cè)量計(jì)算相對(duì)速度)，則一個(gè)測(cè)量周期結(jié)束。在一個(gè)測(cè)量周期中，在每次測(cè)量前都讀取時(shí)間戳定時(shí)器T0， 由讀取結(jié)果求出時(shí)間差進(jìn)而求出相對(duì)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(nèi)沒(méi)有接收到返回的超聲波信號(hào)，則說(shuō)明超出測(cè)距范圍，進(jìn)行下一通道的測(cè)距。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及測(cè)試

以Altera的DE2開(kāi)發(fā)板為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，利用該平臺(tái)上兩個(gè)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(duì)于平面物體本系統(tǒng)超聲波測(cè)距范圍最小為7cm， 最大測(cè)量范圍大于10m ，距離為2.5m以?xún)?nèi)時(shí)，測(cè)量誤差不大于±1cm; 語(yǔ)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(chē)輛)距離為6.51m 、速度0.65m/s、當(dāng)前處于曝光時(shí)間調(diào)節(jié)狀態(tài)，速度是負(fù)值表示接近中。

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圖5 系統(tǒng)工作情況

結(jié)束語(yǔ)

本文利用SOPC 技術(shù)設(shè)計(jì)了一種車(chē)輛電子后視鏡系統(tǒng)，該系統(tǒng)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(xiàn)了大范圍、高精度的測(cè)距，使駕駛者及時(shí)、準(zhǔn)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(cè)距應(yīng)用到倒車(chē)?yán)走_(dá)中，擴(kuò)大了一般超聲波倒車(chē)?yán)走_(dá)的測(cè)距范圍;并將后視攝像和超聲波測(cè)距有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，設(shè)計(jì)了一套較為完整的車(chē)輛電子后視鏡系統(tǒng)。