基于BF533的駕駛疲勞檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：統(tǒng)計(jì)表明疲勞駕駛及相關(guān)因素是造成交通事故的主要原因之一。針對(duì)疲勞檢測(cè)算法中大數(shù)據(jù)量、高速傳輸、復(fù)雜運(yùn)算的需要，設(shè)計(jì)了以ADI公司的ADSP-BF533為核心處理器，CN00303R0FD0攝像頭模組為視頻采集模塊的實(shí)時(shí)視頻處理系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)，并詳細(xì)介紹系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)方案。
關(guān) 鍵 詞：DSP；ADSP-BF533；PERCLOS；疲勞檢測(cè)

1 引言
    疲勞駕駛是造成交通事故的主要原因之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，駕駛疲勞造成的交通事故無(wú)論是絕對(duì)數(shù)字還是所占比例都是最高的。如何有效檢測(cè)駕駛員的疲勞狀態(tài)，并在其出現(xiàn)睡意時(shí)給予警告或提醒其停車休息已成為研究熱點(diǎn)。應(yīng)用駕駛員疲勞檢測(cè)系統(tǒng)主動(dòng)預(yù)防交通事故，可以在一定程度上減少交通事故的發(fā)生，減少交通事故帶來(lái)的危害，使駕駛員駕駛和公眾出行更安全。目前國(guó)內(nèi)外駕駛員疲勞檢測(cè)的方法可歸納為3種：①監(jiān)測(cè)司機(jī)個(gè)體行為特征，例如，眼瞼的活動(dòng)，點(diǎn)頭的動(dòng)作，閉眼，握力等；②監(jiān)測(cè)司機(jī)的生理信號(hào)，如心電圖、腦電圖、肌肉活動(dòng)情況等；③監(jiān)測(cè)車輛參數(shù)，速度、加速度等。PERCLOS是一種通過(guò)檢測(cè)駕駛員眼睛的閉合程度信息的方法反映駕駛員的疲勞，它能準(zhǔn)確地反映疲勞狀態(tài)。因此，這里提出一種基于ADSP-BF533控制器和PERCLOS方法的非接觸式、實(shí)時(shí)性較強(qiáng)的駕駛員疲勞檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，此系統(tǒng)可以準(zhǔn)確檢測(cè)駕駛員的疲勞狀況，并給出警告。

2 系統(tǒng)概述
    該系統(tǒng)采用ADI公司Blackfin系列的高性能體系結(jié)構(gòu)的定點(diǎn)DSP處理器BF533為核心處理器，它具有2個(gè)MAC信號(hào)處理引擎，采用正交類RISC微處理器指令集，特有的專用視頻指令使其具有顯著的視頻處理性能。前端采用CN00-303ROFD0攝像頭實(shí)時(shí)采集駕駛員面部圖像信息，然后通過(guò)PPI接口以DMA方式將數(shù)據(jù)傳送到SDRAM中，每傳送完一幀圖像，BF533處理器通過(guò)運(yùn)行的疲勞檢測(cè)程序分析輸入數(shù)據(jù)和視頻流，檢測(cè)駕駛員的疲勞狀況，并對(duì)視頻MPEG-4編碼，保存到IDE硬盤。當(dāng)檢測(cè)到駕駛員疲勞時(shí)可通過(guò)ISDl700發(fā)出語(yǔ)音告警。系統(tǒng)設(shè)計(jì)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示：

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要由視頻采集模塊、存儲(chǔ)系統(tǒng)、語(yǔ)音報(bào)警模塊和電源模塊等4部分組成。[!--empirenews.page--]
3．1 視頻采集模塊
    視頻采集是該系統(tǒng)設(shè)計(jì)非常重要的部分。采集的圖像分辨率大小將直接影響DSP的處理效果。CMOS圖像傳感器選用PO3030K，該器件像素陣列為640×480，具有缺陷糾正、邊緣增強(qiáng)、色彩糾正、自動(dòng)白平衡、自動(dòng)曝光控制、反射光補(bǔ)償?shù)裙δ?，其?shù)據(jù)輸出格式有：YCbCr4:2:2、YUV4:2:2、5:6:5RGB、5:5:5RGB等多種模式，可通過(guò)I2C總線控制。CMOS圖像傳感器PO3030K與BF533的接口連接圖如圖2所示。

    CMOS圖像傳感器的12C_SCL、12C_SDA引腳分別與BF533的PF0、PF1相連，其像素輸出端口D0～D7與BF533的PPI0～PPI7相連，PO3030K的像素時(shí)鐘作為PPI的驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘。
3．2 存儲(chǔ)器系統(tǒng)
    存儲(chǔ)器系統(tǒng)包括程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，程序存儲(chǔ)器主要用于存儲(chǔ)系統(tǒng)程序，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器用于圖像緩存和視頻存儲(chǔ)。程序存儲(chǔ)器選用能電擦寫、掉電保護(hù)的Flash存儲(chǔ)器Am29LV800DB，該器件為8 Mbit。數(shù)據(jù)寬度可配置成8位或16位。Am29LV800DB與BF533的接口連接如圖3所示。

    在處理圖像中，由于圖像數(shù)據(jù)量很大，BF533內(nèi)存有限，所以系統(tǒng)外部擴(kuò)展SDRAM做為數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。SDRAM選用Hynix公司的HY57V561620C,該器件是一款4 Bankx4 Mxl6Bit的同步高速動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器，完全滿足數(shù)據(jù)緩沖的需要。HY57V561620C與BF533的接口連接如圖4所示。

    視頻數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)采用大容量的ATA_IDE硬盤存儲(chǔ)。ATA_IDE接口的硬盤為計(jì)算機(jī)最常用的存儲(chǔ)設(shè)備，其總線接口方式與控制時(shí)序滿足BF533的EBIU接口的總線控制時(shí)序，可通過(guò)該接口直接與硬盤IDE接口連接。連接接口框圖如圖5所示，CPLD的作用是為IDE硬盤分配總線地址，IDE硬盤有兩根地址線IDE_CS1和IDE_CS2。IDE_CS1選通命令塊寄存器，命令塊寄存器包含對(duì)硬盤讀寫控制的寄存器，通過(guò)配置這些寄存器對(duì)硬盤讀寫操作；IDE_CS2選通控制塊寄存器，包含設(shè)備控制、狀態(tài)讀取等寄存器。由于硬盤的邏輯電平為5 V，BF533的邏輯電平為3.3 V為了使其相匹配，采用總線驅(qū)動(dòng)器74LVC245為電平轉(zhuǎn)換。74LVC245為雙向8位總線驅(qū)動(dòng)器，兩片用于數(shù)據(jù)總線驅(qū)動(dòng)，一片用于控制信號(hào)線的電平匹配。74LVC245傳輸數(shù)據(jù)方向的控制引腳DIR，其邏輯時(shí)序與BF533的讀控制時(shí)序相同，將其連接在BF533的AOE引腳，以控制數(shù)據(jù)的傳輸方向。IDE在硬件連接上有兩種工作模式：DMA傳輸模式和PIO傳輸模式。由于BF533的DMA控制器只是從接口到內(nèi)存的控制，無(wú)法對(duì)外部器件做DMA控制。如需實(shí)現(xiàn)硬盤的DMA傳輸模式，必須選用專用的DMA控制。為了簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)，選用PIO16位模式作為硬盤的控制模式。[!--empirenews.page--]

3．3 語(yǔ)音報(bào)警模塊
    語(yǔ)音報(bào)警模塊采用華邦公司的ISDl760，ISDl700系列除了具有ISDl400系列和ISD2500系列具有抗斷電、音質(zhì)好，使用方便等優(yōu)點(diǎn)外，還增加了人性化的提示功能及對(duì)存儲(chǔ)地址的精確操作，可通過(guò)SPI接口進(jìn)行錄音、放音等操作，接口簡(jiǎn)單且與BF533的SPI接口兼容便于控制。ISD1760有兩種工作模式：獨(dú)立按鍵工作模式和SPI模式。在系統(tǒng)中，BF533通過(guò)SPI接口與ISD1760相連接。在系統(tǒng)檢測(cè)到駕駛員疲勞時(shí)，BF533可以通過(guò)SPI接口向LSDl700發(fā)送放音命令，發(fā)出語(yǔ)音警告。
3．4 電源模塊
    電源模塊的設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)能否正常工作的重要保障。由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)需用到DSP內(nèi)部模擬鎖相環(huán)以及考慮到系統(tǒng)內(nèi)核工作在750 MHz的頻率上，所以DSP系統(tǒng)的供電仍然使用線性電源供電。這里選用TI公司的TPS76733及國(guó)半公司的LM1085。LM1085用于把外部電源輸入穩(wěn)定在5 V，同時(shí)給5 V器件供電，TPS76733用于給3.3 V器件供電。DSP內(nèi)核的供電則使用DSP內(nèi)部的調(diào)壓電路調(diào)整，通過(guò)自身的反饋回路產(chǎn)生穩(wěn)定的0.8～1.2 V的內(nèi)核電壓。使用導(dǎo)通起始?jí)航岛艿偷腡PS1100作為內(nèi)核電壓的調(diào)整管。所有的電源器件都應(yīng)該配置獨(dú)立的散熱片，在選取器件的封裝時(shí)也應(yīng)該選取輸出功率大的封裝。電源電路的具體電路設(shè)計(jì)如圖6和圖7所示。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    軟件設(shè)計(jì)主要完成視頻圖像的采集、分析處理、壓縮存儲(chǔ)和報(bào)警等功能。其程序主要包括：視頻數(shù)據(jù)的采集、對(duì)圖像的算法處理及疲勞判定、圖像的壓縮存儲(chǔ)、疲勞報(bào)警等。系統(tǒng)軟件流程如圖8所示。系統(tǒng)上電后先自檢，然后初始化配置。初始化完成后，系統(tǒng)進(jìn)行視頻采集，對(duì)采集的圖像進(jìn)行疲勞算法分析判斷駕駛員的疲勞狀況，同時(shí)對(duì)采集得到的視頻數(shù)據(jù)壓縮存儲(chǔ)，當(dāng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)駕駛員處于疲勞駕駛就控制產(chǎn)生語(yǔ)音報(bào)警。

5 結(jié)論
    提出一種基于BF533駕駛疲勞檢測(cè)的解決方案，采用公認(rèn)的最有效的車載實(shí)時(shí)的PERCLOS駕駛疲勞測(cè)評(píng)方案。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)具有功耗低、可靠性高，穩(wěn)定性好，成本低等優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)應(yīng)用可以在一定程度上減少交通事故的發(fā)生，減少交通事故帶來(lái)的危害，使駕駛員駕駛和公眾出行更安全。