基于SOPC 技術(shù)的車輛電子后視鏡系統(tǒng)設(shè)計

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，許多智能化技術(shù)被廣泛應(yīng)用到車輛上，車輛后視鏡系統(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]。目前車輛后視鏡系統(tǒng)出現(xiàn)了兩種新技術(shù)：后視攝像和倒車雷達。前者圖像直觀、真實，但無法給出精確的距離；后者能精確地測量距離，但對于車后方的水坑、凸出的鋼筋等無法做出反映，因此存在安全上的死角[2][3]。車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，在倒車速度稍快時安全性不佳。

本文提出了一種基于SOPC 技術(shù)的車輛電子后視鏡系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實時顯示車輛后方的圖像，并利用雙頻超聲波實現(xiàn)了10m 以上的大范圍測距，同時該系統(tǒng)具有語音播報測量結(jié)果及報警等功能。

1 系統(tǒng)特點

本系統(tǒng)與其它電子倒車系統(tǒng)相比有以下特點：（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的測量精度。（2） 采用3.5吋彩色液晶屏在實時、直觀地顯示車輛后方圖像的同時，又可顯示障礙物的距離及車輛相對于障礙物的速度等。（3） 語音播報測距結(jié)果及報警。利用語音芯片ISD4002實現(xiàn)測距結(jié)果的語音播報，同時根據(jù)測量結(jié)果及車輛相對于障礙物的速度自動評估危險等級，并用急促程度不同的提示音示警。（4）采用SOPC實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計，具有很好的靈活性。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

車輛電子后視鏡系統(tǒng)的電路框圖如圖1所示。整個系統(tǒng)可劃分為圖像采集及轉(zhuǎn)換、圖像及信息顯示、超聲波測距、語音播報及警告、溫度測量等部分。CMOS圖像傳感器OV6620將采集到的圖像數(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。超聲波測距電路共有左右兩個通道，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輛的相對速度，隨后進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(jié)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(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

1.       2.2 主要功能模塊的設(shè)計

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。下面重點介紹色彩空間轉(zhuǎn)換電路。

圖像傳感器ov6620輸出的是YCrCb4:2:2 格式的數(shù)據(jù)，而設(shè)計中所使用的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。

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

    2.2.2 超聲波發(fā)射及接收部分
    超聲波測距中如果使用較高頻率的超聲波，則會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(shè)計中采用40kHz 和25kHz 兩種超聲波測距。測量原理是：先輸出10個40kHz 的超聲波脈沖，再輸出8個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?。粚τ谶h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，通過執(zhí)行中斷服務(wù)程序獲取超聲波傳播時間，再根據(jù)測得的環(huán)境溫度計算出障礙物的距離，由連續(xù)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(shè)計中采用三星公司3.5 吋分辨率為320×240 的TFT 液晶屏（型號LTV350QV-F04）， 設(shè)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現(xiàn)，電路框圖如圖4所示?？刂破骼肙V6620 輸出的行同步信號、場同步信號、像素時鐘等信號產(chǎn)生控制LCD屏所需的控制信號；此外，該控制器包含一個行同步信號計數(shù)器及雙口RAM地址發(fā)生器，兩者都在每個場信號到來時清零，然后行計數(shù)器對行同步信號計數(shù)，當計數(shù)值在16～240 之間時控制器將數(shù)據(jù)緩沖器中的圖像數(shù)據(jù)送到LCD模塊，當計數(shù)值在0～15之間時將雙口RAM中的數(shù)據(jù)依次讀出來送LCD屏顯示?？驁D中的雙口RAM對微控制器來說是只寫的，在場信號到來并延遲一段時間后（大于LCD完成16行數(shù)據(jù)顯示時間）， NiosII 將測得的障礙物距離、速度等需要更新的顯示數(shù)據(jù)寫入雙口RAM中；對LCD控制器來說，此雙口RAM是只讀的，并且是在每場開始的16行才讀取數(shù)據(jù)，因此不會出現(xiàn)讀寫沖突的情況。這種設(shè)計大大減輕了NiosII 處理器的占用率，使得系統(tǒng)有足夠的時間完成其它任務(wù)。

圖4 LCD顯示控制電路框圖

2.2.4 語音播放及溫度測量電路

語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I/O口模擬SPI時序?qū)崿F(xiàn)對ISD4002 的控制，以中斷的方式處理ISD4002 中各段的播放，從而實現(xiàn)語音的連續(xù)播放。溫度測量電路主要由數(shù)字溫度傳感器LM75構(gòu)成。3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件比較復雜，限于篇幅這里僅簡要介紹其中的超聲波測量模塊。執(zhí)行超聲波測量模塊時，首先統(tǒng)計測量次數(shù)，如果所有通道都已完成兩次測量（由連續(xù)兩次測量計算相對速度），則一個測量周期結(jié)束。在一個測量周期中，在每次測量前都讀取時間戳定時器T0， 由讀取結(jié)果求出時間差進而求出相對速度。在發(fā)送超聲波時先發(fā)送40kHz 的高頻波，后發(fā)送25kHz 的低頻波。如果在50ms 內(nèi)沒有接收到返回的超聲波信號，則說明超出測距范圍，進行下一通道的測距。

系統(tǒng)實現(xiàn)及測試

以Altera的DE2開發(fā)板為實驗平臺，利用該平臺上兩個通用I/O擴展槽外接實驗電路板完成了本系統(tǒng)的設(shè)計驗證。實驗表明對于平面物體本系統(tǒng)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以內(nèi)時，測量誤差不大于±1cm； 語音提示清晰，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中車輛）距離為6.51m 、速度0.65m/s、當前處于曝光時間調(diào)節(jié)狀態(tài)，速度是負值表示接近中。

圖5 系統(tǒng)工作情況

結(jié)束語

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