基于SOPC 技术的车辆电子后视镜系统设计

随着电子技术的发展，许多智能化技术被广泛应用到车辆上，车辆后视镜系统作为重要的安全辅助装置也经历了几代的技术发展。目前车辆后视镜系统出现了两种新技术：后视摄像和倒车雷达。前者图像直观、真实，但无法给出精确的距离；后者能精确地测量距离，但对于车后方的水坑、凸出的钢筋等无法做出反映，因此存在安全上的死角。车辆上的雷达测距有以下几种：激光测距、微波测距和超声波测距。前两者测量距离远、测量精度高，但成本很高；后者成本低，但测距范围通常小，在倒车速度稍快时安全性不佳。

本文提出了一种基于SOPC 技术的车辆电子后视镜系统，该系统可以实时显示车辆后方的图像，并利用双频超声波实现了10m 以上的大范围测距，同时该系统具有语音播报测量结果及报警等功能。

1 系统特点

本系统与其它电子倒车系统相比有以下特点：（1）采用40kHz 和25kHz 两种频率的超声波测距，既扩大了测量范围又能兼顾小范围测距时的测量精度。（2）采用3.5吋彩色液晶屏在实时、直观地显示车辆后方图像的同时，又可显示障碍物的距离及车辆相对于障碍物的速度等。（3）语音播报测距结果及报警。利用语音芯片ISD4002实现测距结果的语音播报，同时根据测量结果及车辆相对于障碍物的速度自动评估危险等级，并用急促程度不同的提示音示警。（4）采用SOPC实现系统设计，具有很好的灵活性。 

2 硬件电路设计

2.1 系统硬件结构

车辆电子后视镜系统的电路框图如图1所示。整个系统可划分为图像采集及转换、图像及信息显示、超声波测距、语音播报及警告、温度测量等部分。 CMOS图像传感器OV6620将采集到的图像数据送到FPGA中，处理后得到RGB888格式的数据，经LCD控制电路送往LCD屏上显示。超声波测距电路共有左右两个通道，利用频率为40kHz和25kHz两种超声波脉冲测量障碍物的距离及车辆的相对速度，随后进行危险评估再将相关的信息显示在LCD 屏上，并播报距离测量结果，然后控制报警电路发出急促程度不同的警示音。





图1 系统硬件结构框图

2. 2.2 主要功能模块的设计

2. 2.2.1 图像采集及转换电路

图像采集及转换电路的框图如图2所示。图像传感器OV6620 输出的YCrCb4:2:2 格式的数据经解交织电路转换为YCrCb4:4:4 格式数据，送给色彩空间转换电路完成数据格式转换，然后存入缓冲RAM中。下面重点介绍色彩空间转换电路。





图像传感器ov6620输出的是YCrCb4:2:2 格式的数据，而设计中所使用的lcd屏要求输入RGB888格式的数据，因此需要色彩空间转换电路完成这种转换。转换公式如式（1）所示。

转换结果中的RGB都是8位无符号数，取值范围为0～255， 因此运算结果为负数的取0； 运算结果超过255 的取255。这样会引入误差，但对图像的显示影响并不大。利用VerilogHDL 完成该电路的设计， YCrCb取值分别为197 、 92、232 时， GRB输出（有延时）分别为186 、146 、255， 与根据（1） 式计算的结果一致。

2.2.2 超声波发射及接收部分

超声波测距中如果使用较高频率的超声波，则会因空气吸收较大而较快衰减，因此测量距离较短。比如采用40kHz 的超声波，测距范围一般不超过5m。由于空气对超声波的吸收与超声波频率的平方成正比，因此降低超声波的频率能增大测距范围。但是如果频率太低, 测距的绝对误差较大。为了兼顾测距范围和精度，设计中采用40kHz 和25kHz 两种超声波测距。测量原理是：先输出10个40kHz 的超声波脉冲，再输出8个25kHz 的超声波脉冲，由于高频超声波先发出，对于同一目标，其回波先到达 CPU， 因此对于近距离的目标，首先用高频超声波探测，测量绝对误差较小；对于远处的目标, 由于高频超声波被空气吸收而大幅衰减, 所以回波只有低频超声波，此时测量绝对误差稍大，但因测距范围大因此仍可接受。接收到的超声波信号经放大、比较等处理后送给NiosII 的PIO 口，使PIO口产生中断，通过执行中断服务程序获取超声波传播时间，再根据测得的环境温度计算出障碍物的距离，由连续两次测量情况计算出相对速度。这里仅给出25kHz 超声波发射和接收电路，如图3所示。 [page]


2.2.3 LCD 显示控制电路

本设计中采用三星公司3.5 吋分辨率为320×240 的TFT 液晶屏（型号LTV350QV-F04）， 设计中将显示屏分为两部分：上部16行用于显示测得的距离、速度、当前状态等信息，下部224 行显示车辆后方的图像。为了提高显示刷新速度、降低CPU占用率，LCD显示控制由硬件电路实 现，电路框图如图4所示。控制器利用OV6620 输出的行同步信号、场同步信号、像素时钟等信号产生控制LCD屏所需的控制信号；此外，该控制器包含一个行同步信号计数器及双口RAM地址发生器，两者都在每个场信号到来时清零，然后行计数器对行同步信号计数，当计数值在 16～240 之间时控制器将数据缓冲器中的图像数据送到LCD模块，当计数值在0～15之间时将双口RAM中的数据依次读出来送LCD屏显示。框图中的双口RAM对微控制器来说是只写的，在场信号到来并延迟一段时间后（大于LCD完成16行数据显示时间）， NiosII 将测得的障碍物距离、速度等需要更新的显示数据写入双口RAM中；对LCD控制器来说，此双口RAM是只读的，并且是在每场开始的16行才读取数据，因此不会出现读写冲突的情况。这种设计大大减轻了NiosII 处理器的占用率，使得系统有足够的时间完成其它任务。 





图4 LCD显示控制电路框图

2.2.4 语音播放及温度测量电路

语音播放电路主要由录放音电路ISD4002 、功放电路LM386等组成。NiosII通过I/O口模拟SPI时序实现对ISD4002 的控制，以中断的方式处理ISD4002 中各段的播放，从而实现语音的连续播放。温度测量电路主要由数字温度传感器LM75构成。

3 系统软件的设计

本系统的软件比较复杂，限于篇幅这里仅简要介绍其中的超声波测量模块。执行超声波测量模块时，首先统计测量次数，如果所有通道都已完成两次测量（由连续两次测量计算相对速度），则一个测量周期结束。在一个测量周期中，在每次测量前都读取时间戳定时器T0，由读取结果求出时间差进而求出相对速度。在发送超声波时先发送40kHz 的高频波，后发送25kHz 的低频波。如果在50ms 内没有接收到返回的超声波信号，则说明超出测距范围，进行下一通道的测距。

系统实现及测试

以Altera的DE2开发板为实验平台，利用该平台上两个通用I/O扩展槽外接实验电路板完成了本系统的设计验证。实验表明对于平面物体本系统超声波测距范围最小为7cm， 最大测量范围大于10m ，距离为2.5m以内时，测量误差不大于±1cm；语音提示清晰，LCD屏显示的图像清晰稳定。系统工作情况如图7所示，表示距障碍物（图5中车辆）距离为6.51m 、速度0.65m/s、当前处于曝光时间调节状态，速度是负值表示接近中。





图5 系统工作情况

结束语

本文利用SOPC 技术设计了一种车辆电子后视镜系统，该系统利用CMOS 图像传感器采集车辆后方的图像并实时显示在LCD 屏上，同时利用双频超声波实现了大范围、高精度的测距，使驾驶者及时、准确、全面地掌握车辆后方的情况，极大地提高了倒车的安全性。