基于S3C2410的輔助倒車數(shù)字圖象系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 、引言

　　據(jù)統(tǒng)計(jì)，由于車后盲區(qū)所造成的交通事故在中國約占30%，美國20%。前兩代倒車輔助產(chǎn)品，一種是倒車?yán)?，一種是倒車?yán)走_(dá)。前者只能提醒路人自行躲閃，而司機(jī)卻一無所知，固定的障礙物更是無法探測，起到的作用微乎其微，后者雖能把固定的障礙物通過報(bào)警的形式告知司機(jī)，但司機(jī)還是無法判斷障礙物的確切位置，更不能探測地坑或低矮障礙物。

　　目前，國內(nèi)外的研究趨勢是在倒車?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。

　　因此本文提出一種基于S3C2410的輔助倒車系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)不但使駕駛員可以在車內(nèi)觀察到汽車車尾的真實(shí)場景，而且可以通過系統(tǒng)所帶的測距報(bào)警模塊可以實(shí)時(shí)測距，并在車與障礙物過近時(shí)，對駕駛員實(shí)施語音報(bào)警，從而克服了后試鏡小,視野窄的缺點(diǎn)，使倒車變得更加快速高效，增強(qiáng)倒車的安全性。

　　2、系統(tǒng)概述

　　系統(tǒng)以S3C2410為主控制器，主頻最高可達(dá)266MHz，選用Linux2.6.14.1操作系統(tǒng)，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)可以被分為三個(gè)部分：

1) 圖像數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示模塊設(shè)計(jì)；
2) 測距報(bào)警模塊設(shè)計(jì)；
3) 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)。

　　圖像數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示模塊主要是實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集并顯示在LCD顯示器上，系統(tǒng)通過裝在汽車尾部的攝像頭采集車后實(shí)時(shí)圖像，并將圖像顯示在終端 LCD上。測距報(bào)警模塊以超聲波測距電路來進(jìn)行測距，當(dāng)所測距離值超過系統(tǒng)設(shè)定的安全距離時(shí)實(shí)施語音報(bào)警，人機(jī)交互界面模塊為系統(tǒng)提供了一個(gè)良好的人機(jī)交互界面，配合觸摸屏，操作便利、簡潔。其系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

3、圖像數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示模塊實(shí)現(xiàn)

　　圖像數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示模塊采用Linux內(nèi)核公開支持ov511芯片的網(wǎng)眼公司的v3000USB攝像頭來采集圖像，其實(shí)現(xiàn)分為兩部分，Linux內(nèi)核中攝像頭驅(qū)動(dòng)程序模塊的加載和基于Qt的可視倒車應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。

　　3.1 USB驅(qū)動(dòng)模塊動(dòng)態(tài)加載

　　在嵌入式Linux的內(nèi)核定制和編譯時(shí)，加入對Video4Linux模塊及OV511設(shè)備的支持，通過Video4Linux模塊提供的編程接口(API)從OV511設(shè)備中獲取圖像幀。如下配置Linux內(nèi)核：Multimedia device->< M >VideoforLinux; usb support-><M>usb camera ov511，采用模塊方式編譯video4Linux驅(qū)動(dòng)和OV511攝像頭驅(qū)動(dòng)，用命令insmod加載USB及OV511設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊。加載驅(qū)動(dòng)后將 OV511攝像頭插入U(xiǎn)SB接口，攝像頭將被正確識(shí)別并生成 /dev/v4l/video設(shè)備。

　　3.2 可視倒車程序設(shè)計(jì)      

　　倒車過程中駕駛員與軟件交互操作較少，因此無需設(shè)計(jì)復(fù)雜的用戶操作界面。程序的設(shè)計(jì)主要集中在攝像頭圖像的采集上。Linux下進(jìn)行視頻采集是通過Video4Linux驅(qū)動(dòng)提供的接口函數(shù)和相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來完成，使用Video4Linux操作USB攝像頭的流程如圖2所示。

　在程序設(shè)計(jì)中，與攝像頭相關(guān)的操作和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都被封裝在VideoCapture類中。其成員函數(shù)通過Video4Linux提供的接口完成對攝像頭的具體操作。VideoCapture類設(shè)計(jì)如下:

Class VideoCaPture
{ Public:
…
bool hasCamera() const
//判斷是否有可用的攝像頭
Void getCameralmage(Qlmage & img)，
//獲取攝像頭的圖像數(shù)據(jù)
QSize captureSize()const；//返回?cái)z像使用的分辨率
Void setCaptureSize(QSizesize)；//設(shè)置攝像使用的分辨率
int minimumFramePeriod() const；
Private:
…
struct video_mbuf mbuf;//進(jìn)行內(nèi)存映射的幀信息
…
void setupCamera(QSize size)；//攝像頭初始化及參數(shù)設(shè)置函數(shù)
void shut down()；//關(guān)閉攝像頭
}；

　　VideoCapture類中的void setupCamera（QSize size）成員函數(shù)來初始化USB攝像頭設(shè)備，根據(jù)系統(tǒng)LCD顯示器的特點(diǎn)，主要參數(shù)設(shè)置為:圖像色彩模式設(shè)置為 VIDEO_PALETTE_RGB565 格式；圖像分辨率設(shè)置為640*480；圖像位深設(shè)置為16位。每采集一幀數(shù)據(jù)后調(diào)用ioctl(fd，VIDIOCSYNC，&frame)函數(shù)等待采集結(jié)束，然后根據(jù)需要繼續(xù)采集下一幀圖像或關(guān)閉攝像頭。

[!--empirenews.page--]因?yàn)閛v511不支持系統(tǒng)調(diào)用read的方式獲取圖像數(shù)據(jù)，所以使用內(nèi)存映射輸入/輸出（MMIO）方式獲取圖像數(shù)，在使用MMIO方式獲取圖像數(shù)據(jù)時(shí)，圖像的內(nèi)存的信息保存video_mbuf memoryBuffer這個(gè)變量中。所以進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)采集之前首先需要使用Video4Linux中的VIDIOCGMBUF接口獲取MMIO所需信息，然后通過mmap函數(shù)將攝像頭的圖像緩沖區(qū)映射到虛擬內(nèi)存中并使用Video4Linux中的VIDIOCMCAPTURE接口捕獲圖像。函數(shù) voidgetCameraImage(QImage & img)用來完成對一幀圖像的完整采集過程并通過定時(shí)器來實(shí)現(xiàn)的圖像數(shù)據(jù)的連續(xù)采集和顯示。每當(dāng)定時(shí)器的時(shí)間到就觸發(fā)一個(gè)定時(shí)器事件，在事件中調(diào)用 getCameraImage函數(shù)完成對圖像的采集和顯示。

　　4、測距報(bào)警模塊實(shí)現(xiàn)

　　為提高系統(tǒng)的安全性和可靠性，增加測距報(bào)警功能，可視倒車功能啟動(dòng)后，采用超聲波測距模塊來實(shí)現(xiàn)對車后方的障礙物的實(shí)時(shí)測距并使用語音合成模塊來實(shí)現(xiàn)障礙物距車身過近的語音報(bào)警。

　　4.1 超聲波測距模塊

　　超聲波測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3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)。超聲波探測車物之間的距離,并將數(shù)據(jù)傳送至車內(nèi)主處理器進(jìn)行處理。

由于超聲波測距只在汽車倒車時(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,因此采用渡越時(shí)間法來測距，即超聲波發(fā)射器不斷發(fā)射超聲波，遇到障礙物后反射回來，超聲波接受器接受到反射波信號(hào)并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，測出從發(fā)射超聲波到接受到反射波的時(shí)間差即可求出距離s。

式中，s為所測距離；c為超聲波聲速；t為發(fā)射超聲波到接受反射波的時(shí)間差。

　　4.2 超聲波測距軟件設(shè)計(jì)

　　超聲波測距軟件主要包括測距及數(shù)據(jù)發(fā)送,其流程圖如圖4所示。

4.3 語音合成模塊

　　本系統(tǒng)采用語音合成芯片XF-3011，與S3C2410通過串口進(jìn)行通信，s3c2410與語音合成芯片XF-3011通信時(shí)，發(fā)送給XF- 3011的所有命令和數(shù)據(jù)都需要用“幀”方式進(jìn)行封裝后，再通過串口發(fā)送到芯片，幀的最大度為204字節(jié)(包括幀頭標(biāo)記字節(jié))。具體的幀格式如表1所示。

表1 語音合成芯片通信傳輸數(shù)據(jù)幀格式

XF-3011收到控制命令后。當(dāng)XF-3011收到一幀正確的命令幀后會(huì)立即反饋“0x41”。如果是語音合成命令，那么開始合成所接收的文本數(shù)據(jù)，所有文本合成完畢之后，向上位機(jī)反饋“0x4F”，然后進(jìn)行語音播放。

　　4.4 語音合成模塊流程圖

　　當(dāng)測距模塊所測距離大小超過系統(tǒng)設(shè)定的安全距離時(shí)，主處理器發(fā)送控制命令給XF-3011，啟動(dòng)語音合成功能提醒駕駛員注意。

5、人機(jī)交互界面模塊的實(shí)現(xiàn)

　　本系統(tǒng)采用Qtopia嵌入式桌面環(huán)境，用戶不僅可以方便的管理系統(tǒng)資源和程序，而且能在幀緩沖機(jī)制基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)程序的屏幕顯示，達(dá)到與用戶的友好交互。

　　5.1 圖形界面系統(tǒng)的建立

　　本系統(tǒng)使用的是基于Qt/Embedded的圖形界面系統(tǒng)，Qt/Embedded的編譯主要分為三個(gè)步驟：

① 編譯Qt/X11，Qt/X11是運(yùn)行在IBM兼容PC中標(biāo)準(zhǔn)Linux之上的，它主要為Qt/Embedded及其應(yīng)用程序提供圖形編譯環(huán)境及仿真運(yùn)行環(huán)境；
② 編譯Qt/Embedded，Qt/Embedded為在嵌入式Linux平臺(tái)上運(yùn)行的圖形界面系統(tǒng)及應(yīng)用程序提供一系列的函數(shù)庫；
③ 編譯Qtopia，通過使用Qt/X11提供的編譯工具以及Qt/Embedded提供的函數(shù)庫，編譯出最終基于嵌入式Linux平臺(tái)的圖形界面系統(tǒng)及該環(huán)境下的應(yīng)用程序。

　　5.2 擴(kuò)展可視倒車程序

　　Qtopia圖形桌面環(huán)境為在qtopia平臺(tái)上擴(kuò)展應(yīng)用程序提供了一個(gè)良好的機(jī)制，把應(yīng)用程序發(fā)布到qtopia平臺(tái)上，需要有三個(gè)文件：一個(gè)執(zhí)行文件、一個(gè)啟動(dòng)器文件和一個(gè)圖標(biāo)文件，在這里可視倒車程序可執(zhí)行文件就是這個(gè)執(zhí)行文件取名為car，圖標(biāo)文件是一個(gè).Png文件，我們可以自己制作一個(gè)car.png，啟動(dòng)器文件是一個(gè).desktop文件，可以參考qtopia已有的.desktop為例，創(chuàng)建一個(gè)car.desktop，具體內(nèi)容如下:

[Desktop Entry]
comment=A car program
Exec=car
Icon=car
Type=Application
Name=car

完成以上內(nèi)容后，把這三個(gè)文件分別復(fù)制到qtopia相應(yīng)的目錄中。圖標(biāo)文件Car.png復(fù)制到qtopia目錄下的pics目錄，執(zhí)行文件car復(fù)制到qtopia目錄下的bin目錄，啟動(dòng)器文件car.desktop復(fù)制到qtopia目錄中apps/Applications 下，拷貝完成后，重新啟動(dòng)qtopia，點(diǎn)擊其界面上出現(xiàn)可視倒車功能圖標(biāo)，可視倒車功能啟動(dòng)，結(jié)果顯示如圖6所示。

6、結(jié)論

　　本文介紹了一種基于S3C2410的輔助倒車系統(tǒng)設(shè)計(jì)。由于系統(tǒng)采用了高性能、低功耗的嵌入式微處理器s3c2410及可視倒車與測距報(bào)警功能的結(jié)合運(yùn)用，系統(tǒng)攝像頭實(shí)際捕捉到的視頻信號(hào)能很夠很好的顯示在LCD上并滿足汽車倒車實(shí)時(shí)測距的性能要求，克服了后試鏡小,視野窄的缺點(diǎn),消除了盲目倒車造成的事故隱患，大大提高了汽車倒車的安全效率。經(jīng)實(shí)驗(yàn)調(diào)試，該輔助倒車系統(tǒng)能運(yùn)行良好，操作方便，基本達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。