基于SOPC 的車輛電子后視鏡系統設計
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
摘要： 為提高倒車的安全性，提出了一種基于SOPC 技術的車輛電子后視鏡系統，該系統具有后視攝像、雙頻超聲波大范圍測距、語音播報測距結果等功能。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。對系統中各硬件模塊及其關鍵技術進行了詳細的論述。
Abstract：
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摘要：為提高倒車的安全性，提出了一種基于SOPC 技術的車輛電子后視鏡系統，該系統具有后視攝像、雙頻超聲波大范圍測距、語音播報測距結果等功能。對系統中各硬件模塊及其關鍵技術進行了詳細的論述。
隨著電子技術的發展，許多智能化技術被廣泛應用到車輛上，車輛后視鏡系統作為重要的安全輔助裝置也經歷了幾代的技術發展。目前車輛后視鏡系統出現了兩種新技術：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。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 技術的車輛電子后視鏡系統，該系統可以實時顯示車輛后方的圖像，并利用雙頻超聲波實現了10m 以上的大范圍測距，同時該系統具有語音播報測量結果及報警等功能。
1 系統特點
本系統與其它電子倒車系統相比有以下特點：（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）語音播報測距結果及報警。利用語音芯片ISD4002實現測距結果的語音播報，同時根據測量結果及車輛相對于障礙物的速度自動*估危險等級，并用急促程度不同的提示音示警。（4）采用SOPC實現系統設計，具有很好的靈活性。 2 硬件電路設計
2.1 系統硬件結構
車輛電子后視鏡系統的電路框圖如圖1所示。整個系統可劃分為圖像采集及轉換、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將采集到的圖像數據送到FPGA中，處理后得到RGB888格式的數據，經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*估再將相關的信息顯示在LCD 屏上，并播報距離測量結果，然后控制報警電路發出急促程度不同的警示音。
圖1 系統硬件結構框圖
1. 2.2 主要功能模塊的設計
2. 2.2.1 圖像采集及轉換電路
圖像采集及轉換電路的框圖如圖2所示。圖像傳感器OV6620 輸出的YCrCb4:2:2 格式的數據經解交織電路轉換為YCrCb4:4:4 格式數據，送給色彩空間轉換電路完成數據格式轉換，然后存入緩沖RAM中。下面重點介紹色彩空間轉換電路。
圖像傳感器OV6620輸出的是YCrCb4:2:2 格式的數據，而設計中所使用的lcd屏要求輸入RGB888格式的數據，因此需要色彩空間轉換電路完成這種轉換。
轉換結果中的RGB都是8位無符號數，取值范圍為0～255， 因此運算結果為負數的取0； 運算結果超過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 完成該電路的設計， YCrCb取值分別為197 、 92、232 時， GRB輸出（有延時）分別為186 、146 、255。
2.2.2 超聲波發射及接收部分
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，測量絕對誤差較小；對于遠處的目標, 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放大、比較等處理后送給NiosII 的PIO 口，使PIO口產生中斷，通過執行中斷服務程序獲取超聲波傳播時間，再根據測得的環境溫度計算出障礙物的距離，由連續兩次測量情況計算出相對速度。
2.2.3 LCD 顯示控制電路
本設計中采用三星公司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，電路框圖如圖4所示。控制器利用OV6620 輸出的行同步信號、場同步信號、像素時鐘等信號產生控制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器及雙口RAM地址發生器，兩者都在每個場信號到來時清零，然后行計數器對行同步信號計數，當計數值在 16～240 之間時控制器將數據緩沖器中的圖像數據送到LCD模塊，當計數值在0～15之間時將雙口RAM中的數據依次讀出來送LCD屏顯示。框圖中的雙口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行數據顯示時間）， NiosII 將測得的障礙物距離、速度等需要更新的顯示數據寫入雙口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行才讀取數據，因此不會出現讀寫沖突的情況。這種設計大大減輕了NiosII 處理器的占用率，使得系統有足夠的時間完成其它任務。
圖3 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時序實現對ISD4002 的控制，以中斷的方式處理ISD4002 中各段的播放，從而實現語音的連續播放。溫度測量電路主要由數字溫度傳感器LM75構成。
3 系統軟件的設計
本系統的軟件比較復雜，限于篇幅這里僅簡要介紹其中的超聲波測量模塊。執行超聲波測量模塊時，首先統計測量次數，如果所有通道都已完成兩次測量（由連續兩次測量計算相對速度），則一個測量周期結束。在一個測量周期中，在每次測量前都讀取時間戳定時器T0，由讀取結果求出時間差進而求出相對速度。在發送超聲波時先發送40kHz 的高頻波，后發送25kHz 的低頻波。如果在50ms 內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。
系統實現及測試
以Altera的DE2開發板為實驗平臺，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的設計驗證。實驗表明對于平面物體本系統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定。系統工作情況如圖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節狀態，速度是負值表示接近中。
圖4 系統工作情況
結束語
本文利用SOPC 技術設計了一種車輛電子后視鏡系統，該系統利用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。
本文作者創新點：將雙頻超聲波測距應用到倒車雷達中，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合起來，設計了一套較為完整的車輛電子后視鏡系統。
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