一種嵌入式可視倒車裝置的方案設(shè)計(jì)

引言

目前，我國(guó)普遍采用的倒車裝置是超聲波倒車?yán)走_(dá)，這種裝置雖能準(zhǔn)確測(cè)量車尾與車后障礙物的距離，但由于存在視覺盲區(qū)，司機(jī)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(guó)內(nèi)外研究趨勢(shì)是在倒車?yán)走_(dá)的基礎(chǔ)上采用數(shù)字圖像處理技術(shù)，利用強(qiáng)大的嵌入式處理器，開發(fā)用于檢測(cè)車后物距和監(jiān)視車后圖像的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合的車載可視倒車裝置。這類新型裝置的價(jià)格較高，目前僅在中高檔轎車上使用。為此，提出了基于IntelPXA270硬件平臺(tái)及嵌入式WindowsCE操作系統(tǒng)的車載可視倒車裝置。

1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文提出的可視倒車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(cè)距等電路組成。兩對(duì)超聲波換能器、信號(hào)調(diào)理電路和微控制器完成對(duì)障礙物的距離測(cè)定，并通過(guò)LIN總線發(fā)送至車內(nèi)主系統(tǒng)；攝像頭采集到的視頻復(fù)合信號(hào)通過(guò)同軸電纜送至視頻解碼芯片進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并產(chǎn)生YUV422格式的視頻信號(hào)輸入PXA270的快速捕捉攝像頭接口；主系統(tǒng)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(shù)的圖像信號(hào)播放出來(lái)。

                     圖1 可視倒車硬件電路圖

1.1　嵌入式處理器PXA270

本系統(tǒng)所采用的嵌入式處理器PXA270其最高主頻達(dá)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(shè)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

車內(nèi)主處理器PXA270的CIF接口只能處理數(shù)字信號(hào)，因此必須先將攝像頭采集到的模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)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(gòu)建，其主要功能是將每一路CCD攝像頭采集的標(biāo)準(zhǔn)PAL制電視模擬信號(hào)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(yù)處理、模擬視頻信號(hào)到數(shù)字YUV4:2:2的轉(zhuǎn)換及亮度/色度、水平/垂直同步等信號(hào)的分離。解碼芯片和PXA270通過(guò)CIF接口連接，PXA270通過(guò)I2C總線訪問(wèn)TVP5150的內(nèi)部寄存器，協(xié)調(diào)處理器與解碼器之間的工作交流。

1.3　超聲波測(cè)距電路

測(cè)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(jī)選用Freescale公司的MC68HC908QL4,該芯片可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)，內(nèi)含4kB閃速存儲(chǔ)器，四通道10位A/D轉(zhuǎn)換器，并集成了LIN控制器。超聲波探測(cè)車物之間的距離，并將數(shù)據(jù)經(jīng)LIN總線傳送至車內(nèi)主處理器。由于超聲波測(cè)距只在汽車倒車時(shí)為駕駛員提供車后信息，而倒車時(shí)車速較慢，與聲速相比可認(rèn)為是靜止的，因此采用脈沖測(cè)距法，只測(cè)量超聲波在測(cè)量點(diǎn)與目標(biāo)間的往返時(shí)間計(jì)算距離較簡(jiǎn)單。

              圖2 超聲波測(cè)距工作原理圖

（1）超聲波發(fā)射電路超聲波發(fā)射電路如圖3所示。當(dāng)汽車駕駛員手柄轉(zhuǎn)到倒車檔時(shí)，測(cè)距電路開始工作，微控制器發(fā)出40kHz方波信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路放大后，通過(guò)探頭發(fā)射出去，此時(shí)計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)。

                 圖3 超聲波發(fā)射電路圖

（2）超聲波接收電路超聲波接收電路如圖4所示。采用專用前置放大器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(hào)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(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)條理電纜，輸入到微控制器的外部中斷口，使計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，從而計(jì)算出障礙物的距離。

                    圖4 超聲波接收電路

1.4　LIN總線收發(fā)器接口電路設(shè)計(jì)

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

                圖5 LIN收發(fā)器接口電路

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1　系統(tǒng)平臺(tái)的定制

WindowsCE是微軟專門為各種嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一種高效、可升級(jí)的操作系統(tǒng)，廣泛用于各種嵌入式產(chǎn)品。為定制該裝置的WindowsCE操作系統(tǒng)，首先根據(jù)硬件配置，在PlatformBuilder開發(fā)環(huán)境中導(dǎo)入Intel提供的BSP板級(jí)支持包，并開發(fā)自己的OEM硬件適配層、組件。操作系統(tǒng)映像建立成功后，再將平臺(tái)傳輸?shù)侥繕?biāo)設(shè)備進(jìn)行測(cè)試。最后輸出軟件開發(fā)工具包，在EVC++環(huán)境中開發(fā)應(yīng)用程序，WindowsCE定制過(guò)程如圖6所示。

              圖6 Windows CE操作系統(tǒng)的定制過(guò)程

2.2　攝像頭驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

本文述及的驅(qū)動(dòng)是在WindowsCE下實(shí)現(xiàn)的。攝像頭驅(qū)動(dòng)程序的主要任務(wù)是控制視頻數(shù)據(jù)在硬件中流動(dòng)，并為攝像頭應(yīng)用程序提供標(biāo)準(zhǔn)接口。為簡(jiǎn)化編程難度，考慮到CIF接口的工作方式比較獨(dú)立，采用類型為流接口驅(qū)動(dòng)的單片驅(qū)動(dòng)程序模型：即為每一個(gè)流接口驅(qū)動(dòng)創(chuàng)建一個(gè)包含驅(qū)動(dòng)程序的入口點(diǎn)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，實(shí)現(xiàn)文件I/O和電源管理函數(shù)交給內(nèi)核使用。攝像頭驅(qū)動(dòng)程序的流程圖如圖7所示，其工作內(nèi)容如下：

          圖7 攝像頭視頻數(shù)據(jù)傳輸流程圖

（1）負(fù)責(zé)通過(guò)I2C總線查詢攝像頭解碼器的信息，調(diào)節(jié)攝像頭解碼器的設(shè)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(nèi)的數(shù)據(jù)信息傳送到內(nèi)存中，從而實(shí)現(xiàn)快速高質(zhì)量的數(shù)據(jù)傳送；

（3）提供可以給應(yīng)用程序使用的接口。

2.3　超聲波測(cè)距軟件設(shè)計(jì)

超聲波測(cè)距軟件主要包括測(cè)距及數(shù)據(jù)發(fā)送，其流程圖如圖8所示。

                圖8 超聲波測(cè)距流程圖

3 結(jié)論

軟硬件聯(lián)合調(diào)試成功后，在實(shí)際車輛上進(jìn)行了倒車試驗(yàn)。攝像頭實(shí)際捕捉到的視頻信號(hào)在LCD上的顯示結(jié)果如圖9所示。圖9中數(shù)字為超聲波測(cè)距數(shù)據(jù)。試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)運(yùn)行可靠，倒車時(shí)不但能清晰實(shí)時(shí)顯示車后全景，而且還能準(zhǔn)確測(cè)量汽車與車后障礙物之間的距離，基本達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

       圖9 可視倒車裝置在LCD上的視頻捕獲窗口