陳勁松,李學(xué)軍
(湖北汽車工業(yè)學(xué)院 電子信息科學(xué)系,湖北 十堰 442002)
隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展,汽車倒車輔助系統(tǒng)也發(fā)生了巨大的變化。目前中高檔轎車已普遍安裝了超聲波倒車?yán)走_(dá),幫助司機(jī)監(jiān)控倒車時(shí)車尾與車后障礙物的距離,但受限于超聲波的傳播特性,倒車?yán)走_(dá)對(duì)車后的細(xì)桿狀障礙物有漏報(bào)現(xiàn)象。有生產(chǎn)廠家曾嘗試將車載視頻后視鏡與倒車?yán)走_(dá)整合,用于觀察車后情況和顯示倒車?yán)走_(dá)測(cè)得的數(shù)據(jù),以彌補(bǔ)傳統(tǒng)倒車?yán)走_(dá)性能的不足。將視頻后視鏡與倒車?yán)走_(dá)整合的核心是視頻字符疊加器的設(shè)計(jì),由于傳統(tǒng)視頻字符疊加器結(jié)構(gòu)復(fù)雜,在車載環(huán)境下可靠性差,造成整合后的可視倒車?yán)走_(dá)故障率高,成本高昂,未能在市場(chǎng)上推廣。因此,這里提出一種采用新型視頻字符顯示芯片MAX7456設(shè)計(jì)的倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng),該系統(tǒng)極大地簡(jiǎn)化了視頻字符疊加器的設(shè)計(jì),有效地克服了傳統(tǒng)視頻字符疊加器的缺點(diǎn),提高了系統(tǒng)的可靠性,降低了系統(tǒng)成本。若對(duì)該倒車?yán)走_(dá)的攝像系統(tǒng)稍加改進(jìn),還可擴(kuò)展出視頻變焦、夜視等功能,具有很好的市場(chǎng)前景。
MAX7456是MAXIM公司推出的專用視頻字符疊加芯片。該器件集成了所有用于產(chǎn)生用戶定義OSD,并將其插入視頻信號(hào)中所需的全部功能,即將輸入箝位電路、同步分離器、視頻時(shí)序發(fā)生器、OSD插入復(fù)用器、EEPROM、顯示存儲(chǔ)器、OSD發(fā)生器、時(shí)鐘晶體振蕩器及SPI通信接口等都集成到了芯片中,用戶只需外接一只27 MHz晶振和少量阻容元件,就可構(gòu)成一個(gè)完整的視頻字符疊加器。為方便用戶使用,MAX7456內(nèi)部字符存儲(chǔ)器預(yù)先裝入了256個(gè)字符和圖形供用戶調(diào)用。MAX7456顯示字符大小為18×12像素,在屏幕上最多可顯示16行×30列=480個(gè)字符。在無(wú)視頻信號(hào)輸入時(shí),MAX7456可產(chǎn)生內(nèi)部視頻信號(hào),保證正常的字幕顯示。字符存儲(chǔ)器的內(nèi)容可通過(guò)SPI接口進(jìn)行修改,以滿足用戶需求。
MAX7456為28引腳封裝,其端口功能可劃分為視頻信號(hào)端口、控制信號(hào)端口和輔助端口,下面對(duì)各端口功能分別加以說(shuō)明:
1)MAX7456的視頻信號(hào)輸入、輸出端口為 VIN和VOUT。VIN端口可接收標(biāo)準(zhǔn)的NTSC或PAL制視頻信號(hào),輸入的視頻信號(hào)在MAX7456內(nèi)部完成顯示字符信號(hào)插入后由VOUT端子輸出。
1.2.1 字符控制原理
MAX7456使用字符存儲(chǔ)器(NVM)存儲(chǔ)顯示字符的點(diǎn)陣信息,每一字符為18行×12列點(diǎn)陣,點(diǎn)陣編址順序?yàn)閺淖蟮接遥瑥纳系较?,?16個(gè)像素。每像素用2個(gè)bit描述該點(diǎn)特征:00代表黑色,10代表白色,X1代表透明(外同步模式)或灰色(內(nèi)同步模式)(X代表任意值),因此每字節(jié)可存儲(chǔ)4個(gè)像素的信息,每字符共需54字節(jié)存儲(chǔ)空間。為方便尋址,字符存儲(chǔ)器中每64字節(jié)存儲(chǔ)空間設(shè)為1個(gè)字符存儲(chǔ)單元,其中前54字節(jié)存儲(chǔ)1個(gè)字符的點(diǎn)陣信息,剩余10個(gè)字節(jié)未使用。MAX7456共提供256個(gè)字符存儲(chǔ)單元,這些存儲(chǔ)單元在出廠時(shí)已寫(xiě)入了常用的數(shù)字、英文大小寫(xiě)字母、部分日文、中文字符和少量圖形等供用戶使用。用戶若需顯示自定義的字符或圖形,只需要通過(guò)SPI串行接口將自定義字符或圖形的點(diǎn)陣輸入到相應(yīng)地址的字符存儲(chǔ)單元中對(duì)原有字符點(diǎn)陣進(jìn)行替換即可。
MAX7456使用顯示存儲(chǔ)器(SRAM)存儲(chǔ)字符在屏幕上的顯示特征。MAX7456將屏幕顯示劃分成16行×30列(PAL制,NTSC制為13行×30列),共480個(gè)顯示位置。顯示位置編址順序?yàn)閺淖蟮接遥瑥纳系较?。顯示存儲(chǔ)器的地址編址與屏幕顯示位置一一對(duì)應(yīng),因此顯示存儲(chǔ)器共有480個(gè)存儲(chǔ)單元,每存儲(chǔ)單元有2個(gè)字節(jié),高位字節(jié)存儲(chǔ)被顯示字符在字符存儲(chǔ)器(NVM)中的存儲(chǔ)單元地址,低位字節(jié)存儲(chǔ)被顯示字符的屬性狀態(tài)位。用戶若需在屏幕某個(gè)位置顯示某特定的字符,只需將該相應(yīng)位置所對(duì)應(yīng)的顯示存儲(chǔ)器單元中的特定字符在字符存儲(chǔ)器(NVM)中的存儲(chǔ)單元地址存入顯示存儲(chǔ)單元的高位字節(jié),將顯示字符的狀態(tài)屬性存入低位字節(jié),然后開(kāi)啟OSD顯示即可。
1.2.2 顯示存儲(chǔ)器配置
要在屏幕上正確顯示所需的內(nèi)容,必需正確配置顯示存儲(chǔ)器。該存儲(chǔ)器由模式寄存器 (DMM)、地址高位寄存器(DMAH)、地址低位寄存器 (DMAL)和數(shù)據(jù)輸入寄存器(DMDI)共同控制。配置過(guò)程包括:通過(guò)模式寄存器設(shè)置通信工作模式;通過(guò)地址寄存器(DMAH、DMAL)選擇顯示單元;通過(guò)地址寄存器的DMAH[1]位(注:數(shù)據(jù)格式為“寄存器名[比特位]”)及數(shù)據(jù)輸入寄存器DMDI對(duì)選中的顯示存儲(chǔ)單元進(jìn)行配置。下面以8位工作模式,在屏幕第2行第2列(顯示地址為1Fh)顯示字符“C”(NVM存儲(chǔ)單元地址為0Dh)為例,說(shuō)明通過(guò)SPI對(duì)顯示存儲(chǔ)器的配置過(guò)程[1]:
1)寫(xiě)模式寄存器DMM[6]=1,選擇8位工作模式;
2)寫(xiě)地址寄存器DMAH[1]=0,設(shè)定寫(xiě)入到數(shù)據(jù)輸入寄存器(DMDI)的數(shù)據(jù)是被顯示字符在顯示存儲(chǔ)器(NVM)中的存儲(chǔ)單元地址;
3)寫(xiě)字符屏顯位置的最高位地址“0b”到地址寄存器DMAH[0];
4)寫(xiě)字符屏顯位置的低8位地址“00011111b”到地址寄存器 DMAL[7:0];由 DMAH[0]+DMAL[7:0]共同尋址顯示存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元地址,共有512個(gè)地址,因此需要9 bit地址位,MAX7456使用了前480個(gè)地址;
5)寫(xiě)被顯示字符“C”的存儲(chǔ)單元(NVM)地址“00001101b”到DMDI[7:0],該數(shù)據(jù)將被存儲(chǔ)到 DMAH[0]+DMAL[7:0]地址單元的顯示存儲(chǔ)器高位字節(jié)中;
6)寫(xiě)地址寄存器DMAH[1]=1,設(shè)定寫(xiě)入到數(shù)據(jù)輸入寄存器(DMDI)的數(shù)據(jù)是被顯示字符的字符屬性字節(jié);
7)寫(xiě)字符屏顯位置的最高位地址“0b”到地址寄存器DMAH[0];
8)寫(xiě)字符屏顯位置的低8位地址“00011111b”到地址寄存器DMAL[7:0];
9)寫(xiě)被顯示字符的字符屬性字節(jié)“LBIXXXXXb”到DMDI[7:0],該數(shù)據(jù)將被存儲(chǔ)到MAH[0]+DMAL[7:0]地址單元的顯示存儲(chǔ)器低位字節(jié)中。其中:L為本地背景顏色控制位,L=0為透明,L=1為灰色;B為閃爍控制位;I為反色控制位,I=0為正常顯示,I=1為反色顯示;X為未使用位;
10)寫(xiě)視頻模式寄存器VM0[3]=1,使能OSD圖像顯示。
1.2.3 存儲(chǔ)器讀寫(xiě)時(shí)序
對(duì)MAX7456顯示存儲(chǔ)器(SRAM)及字符存儲(chǔ)器(NVM)的配置是通過(guò)SPI接口在線編程實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)SPI接口SDIN及SCLK等3個(gè)信號(hào)的相互配合,可實(shí)現(xiàn)對(duì)MAX7456內(nèi)部寄存器的讀寫(xiě)操作及設(shè)置,進(jìn)而通過(guò)寄存器完成對(duì)顯示存儲(chǔ)器 (SRAM)及字符存儲(chǔ)器 (NVM)的配置。圖1為MAX7456數(shù)據(jù)讀寫(xiě)時(shí)序[1]。在一個(gè)操作周期中,片選信號(hào)變低之后,通過(guò)SDIN輸入的第1個(gè)字節(jié)為寄存器地址,其最高位為0時(shí)為寫(xiě)操作,最高位為1時(shí)為讀操作;第2個(gè)字節(jié)為數(shù)據(jù)。這種格式有2個(gè)例外:
1)自動(dòng)遞增寫(xiě)模式,該模式用于訪問(wèn)顯示存儲(chǔ)器,是一個(gè)8位操作。在寫(xiě)數(shù)據(jù)前必須將顯示起始地址寫(xiě)入顯示地址寄存器DMAH和DMAL中。然后對(duì)顯示存儲(chǔ)器執(zhí)行自動(dòng)遞增寫(xiě)命令(DMM[6]=1,DMM[0]=1),此時(shí)8位遞增地址由內(nèi)部產(chǎn)生,SDIN每個(gè)操作周期只需傳送8位數(shù)據(jù),直到傳送的值為0xff時(shí)MXA7456接收終止。
2)從顯示存儲(chǔ)器讀字符數(shù)據(jù)時(shí),若處于16位工作模式,在第1個(gè)操作周期中,控制器只能從SDOUT讀到高8位數(shù)據(jù)(如圖1(b)所示);第2個(gè)操作周期不再需要向 MAX7456發(fā)地址,可直接從SDOUT讀出低8位數(shù)據(jù),因此第2個(gè)操作周期是8位。2個(gè)操作周期共24位(8位地址+16位數(shù)據(jù))。
圖1 MAX7456數(shù)據(jù)讀寫(xiě)時(shí)序Fig.1 MAX7456 read-write timing
可視倒車?yán)走_(dá)由視頻后視系統(tǒng)和超聲測(cè)距系統(tǒng)2大部分構(gòu)成。視頻后視系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)車后視頻圖像進(jìn)行采集及顯示,主要用于取代傳統(tǒng)的汽車后視鏡的功能,同時(shí)在本系統(tǒng)中還用來(lái)顯示超聲測(cè)距系統(tǒng)測(cè)得的車尾到障礙物的距離值。由單片機(jī)控制超聲波測(cè)距系統(tǒng)完成對(duì)車后障礙物的測(cè)距,并完成將測(cè)距值在監(jiān)視器上的顯示操作。圖2所示為可視倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)框圖,其中的字符疊加電路即為MAX7456。
圖2 系統(tǒng)框圖Fig.2 System block diagram
考慮到汽車周圍環(huán)境復(fù)雜、輔助倒車系統(tǒng)所需測(cè)量距離短及成本限制等原因,目前倒車?yán)走_(dá)大都采用超聲波進(jìn)行測(cè)距。其基本原理是利用單片機(jī)控制超聲波探頭向車后發(fā)射一串超聲波脈沖,然后測(cè)量該脈沖遇到障礙物后返回的時(shí)間t,在已知聲波在空氣中傳播速度v時(shí),根據(jù)公式:
即可計(jì)算出車尾到障礙物之間的距離。通常聲波在空氣中的傳播速度受氣溫的影響較大,因此必需對(duì)氣溫進(jìn)行測(cè)量,然后根據(jù)聲波在空氣中的傳播速度公式[2]:
進(jìn)行修正,這樣才能得到較準(zhǔn)確的距離值。在單片機(jī)控制系統(tǒng)中,因?yàn)橐骖欉\(yùn)算速度和測(cè)量精度的關(guān)系,常使用式(2)的近似表達(dá)式
進(jìn)行運(yùn)算,這樣就得到超聲波倒車?yán)走_(dá)的距離測(cè)量公式:
由該公式可計(jì)算出車尾到障礙物之間的距離。
根據(jù)車載超聲波雷達(dá)的工作特點(diǎn)及工作環(huán)境的要求,超聲波測(cè)距電路在設(shè)計(jì)時(shí)必需遵循以下原則:1)考慮到車載環(huán)境惡劣及布線方便,超聲波探頭必需選用全密封防水、防振型收發(fā)兩用專用探頭;2)超聲波探頭通常使用壓電陶瓷材料,其諧振頻率為40 kHz,且起動(dòng)時(shí)有一定的惰性,因此不能采用單脈沖驅(qū)動(dòng),必須采用10~20個(gè)群脈沖驅(qū)動(dòng)才能取得較好效果;3)由于超聲波基本沿直線傳播,單個(gè)探頭探測(cè)范圍有限,通常需要3~4個(gè)探頭才能完全覆蓋車尾。根據(jù)以上原則所設(shè)計(jì)的超聲波測(cè)距電路如圖3所示。
圖3 測(cè)距電路Fig.3 Distance measurement circuit
測(cè)距電路分發(fā)射和接收2部分,發(fā)射部分由SN7414、模擬電子開(kāi)關(guān)HC4052的Y通道驅(qū)動(dòng)4路超聲波探頭 (圖3中僅畫(huà)出了其中一路)。超聲波探頭U3采用車用全密封防水、防振型收發(fā)兩用探頭,該探頭的工作電壓為120 V左右。為使其能夠正常工作,設(shè)計(jì)了由VQ1、T1、C2和VD3組成的驅(qū)動(dòng)器。VQ1工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài),T1為變比1∶10的升壓變壓器,用于將12 V的驅(qū)動(dòng)電壓升壓到120 V,VD3為C2提供放電通路。為防止在發(fā)射超聲波時(shí)的高電壓通過(guò)接收回路C1回串,燒毀HC4052模擬電子開(kāi)關(guān),在接收回路的輸入端接入由R2、VD1和VD2組成的保護(hù)電路,將輸入HC4052的信號(hào)箝位在0.7 V。由于超聲波探頭接收到的正?;夭ㄐ盘?hào)通常只有幾十毫伏,因此保護(hù)電路對(duì)回波信號(hào)無(wú)影響。
超聲波測(cè)量采用循環(huán)工作方式,四路探頭的選擇由單片機(jī)通過(guò)P1.5、P1.6引腳控制HC4052來(lái)完成;測(cè)距時(shí)由單片機(jī)內(nèi)部計(jì)數(shù)器控制,產(chǎn)生12個(gè)頻率為40 kHz,占空比為50%的脈沖信號(hào),由P1.7引腳發(fā)出,通過(guò)發(fā)射電路送到選定的超聲波探頭中。
接收回路由超聲波探頭U3、HC4052的X通道和UPC2800構(gòu)成。UPC2800為紅外接收器專用IC,內(nèi)部集成有前置放大器、ABLC控制器、限幅放大器、帶通濾波器、檢波器和輸出整形電路。其帶通濾波器的中心頻率可在30~80 kHz之間調(diào)整,正好覆蓋40 kHz的超聲波應(yīng)用頻率,因此本電路中用它完成對(duì)回波信號(hào)的放大、整形及檢波。UPC2800的8引腳為信號(hào)輸入腳,7引腳為前置放大器增益調(diào)整腳,其外接電阻可根據(jù)增益要求在0~1 kΩ之間調(diào)整,串接的0.1 μF電容用于隔直;3引腳為內(nèi)部電源濾波電容接入腳,典型值為47 μF;4引腳為內(nèi)部帶通濾波器中心頻率調(diào)整腳,當(dāng)外接電阻值為123 kΩ時(shí),濾波器的中心頻率為40 kHz;6引腳為檢波器濾波電容連接端子,其外接濾波電容典型值為0.1 μF。檢波完成后的脈沖信號(hào)由2引腳輸出,送單片機(jī)的P3.2用作中斷控制信號(hào)。
視頻疊加及控制電路如圖4所示,車尾攝像頭拍攝的視頻信號(hào)經(jīng)視頻輸入端子P1、MAX7456的VIN端子輸入,為防止輸入信號(hào)對(duì)MAX7456內(nèi)部電路的影響,必須在P1與VIN端口之間接0.1 μF的輸入耦合電容對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行直流隔離。輸入的視頻信號(hào)在MAX7456內(nèi)部進(jìn)行鉗位,消噪聲,字符點(diǎn)陣信號(hào)插入,電壓衰減修正后由VOUT端子經(jīng)P2輸出,完成字符疊加工作。輸出電路同樣需要接輸出耦合電容進(jìn)行隔直,為不影響場(chǎng)同步信號(hào)通過(guò),該電容通常應(yīng)取330 μF以上,為降低耦合電容的成本和體積,MAX7456通過(guò)SAG端口連接電壓衰減修正電容到VOUT輸出端,用以在可接受的失真范圍內(nèi)盡量減小輸出電容的容量,圖4所示為其典型取值。
圖4 視頻疊加及控制電路Fig.4 Video overlay and control circuit
本設(shè)計(jì)中采用AT89C52對(duì)MAX7456進(jìn)行控制,由于AT89C52沒(méi)有SPI串行口,因此采用P1.2、P1.3、P1.4端口模擬SPI的時(shí)序?qū)AX7456進(jìn)行控制。為防止在操作期間顯示字符不穩(wěn)定影響顯示效果,此處采用MAX7456輸出的場(chǎng)同步信號(hào)作為中斷信號(hào),控制AT89C52在視頻信號(hào)的場(chǎng)消隱期間進(jìn)行數(shù)據(jù)更新,以獲得良好的顯示效果。
AT89C52的另一個(gè)任務(wù)就是控制測(cè)距電路進(jìn)行超聲波測(cè)距。由于測(cè)距電路共有4個(gè)探頭,因此采用循環(huán)測(cè)距的方法進(jìn)行工作,本測(cè)距雷達(dá)設(shè)計(jì)測(cè)量距離最大為5 m,根據(jù)超聲波在空氣中的傳播速度式(3)可計(jì)算出倒車?yán)走_(dá)在25℃時(shí)的聲速為346.45 m,以此為基準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算,一次測(cè)距所需時(shí)間為28.8 ms,考慮到數(shù)據(jù)處理及顯示控制時(shí)間,選擇循環(huán)測(cè)距的切換時(shí)間為40 ms。測(cè)距時(shí)由AT89C52內(nèi)部定時(shí)器進(jìn)行控制,每隔40 ms由AT89C52的P1.5、P1.6控制HC4052切換一次探頭,然后由P1.7發(fā)出12個(gè)頻率為40 kHz、占空比為50%的脈沖信號(hào)通過(guò)發(fā)射電路到超聲波探頭,同時(shí)開(kāi)啟內(nèi)部計(jì)時(shí)器進(jìn)行時(shí)間測(cè)量。由于超聲波探頭在發(fā)射完探測(cè)信號(hào)后,還會(huì)有余振存在,在此期間檢測(cè)不出有用信號(hào)。為防止此時(shí)的超聲波余振信號(hào)通過(guò)接收電路回串引起AT89C52誤中斷,在該期間需關(guān)閉接收中斷INT0。經(jīng)實(shí)際測(cè)量,所使用的超聲波探頭在25℃時(shí)有1.7 ms的余振,因此關(guān)閉中斷時(shí)間設(shè)置為2 ms,則由此產(chǎn)生的測(cè)量盲區(qū)在25℃時(shí)為0.35 m。由以上分析可得,在25℃時(shí)該超聲雷達(dá)的測(cè)量范圍在0.35~5 m之間。
系統(tǒng)程序采用模塊化設(shè)計(jì),由主程序、后視系統(tǒng)控制、溫度測(cè)量、距離測(cè)量、報(bào)警、溫度及距離顯示等模塊組成,圖5是主程序流程圖。
系統(tǒng)在接通電源后,首先對(duì)MAX7456及DS18B20初始化,然后開(kāi)攝像頭及監(jiān)視器,作為行車過(guò)程中的視頻后視鏡。在此期間MCU控制DS18B20對(duì)車外溫度進(jìn)行測(cè)量,并將測(cè)量值送MAX7456與攝像頭采集的車后視頻圖像進(jìn)行疊加后送監(jiān)視器。當(dāng)MCU檢測(cè)到倒車檔時(shí),輪流打開(kāi)4個(gè)超聲波探頭對(duì)車后障礙物進(jìn)行測(cè)量,并通過(guò)檢測(cè)到的回波時(shí)間和車外溫度,通過(guò)式(4)計(jì)算車尾到障礙物的距離,然后判斷該值時(shí)否小于安全距離,若是,則打開(kāi)報(bào)警器報(bào)警,同時(shí)將該距離值送MAX7456與視頻疊加后送監(jiān)視器顯示。若檢測(cè)到汽車檔位不在倒車檔位,則自動(dòng)退出測(cè)距程序,恢復(fù)到后視鏡狀態(tài)。
圖5 主程序流程圖Fig.5 Flow chart of main program
經(jīng)實(shí)際裝車測(cè)試,在25℃的環(huán)境中,對(duì)車后面積為1 m2的粗糙平面障礙物,其測(cè)量范圍為0.36~5.12 m。在3 m內(nèi),其測(cè)量誤差在1.5%~3%,大于3 m時(shí),隨測(cè)量距離的增加,誤差逐漸增大;在5 m時(shí)誤差為4.6%。測(cè)量距離值在監(jiān)視器上的顯示效果如圖6所示,其視場(chǎng)清晰、提示字符醒目。
圖6 監(jiān)視器顯示效果Fig.6 Monitor display
通過(guò)合理的硬件及軟件設(shè)計(jì),該裝置實(shí)現(xiàn)了倒車?yán)走_(dá)與視頻后視鏡的復(fù)合功能。與傳統(tǒng)的倒車?yán)走_(dá)相比,該系統(tǒng)將雷達(dá)測(cè)距信息疊加在視頻后視鏡的圖像上,符合駕駛員的視覺(jué)習(xí)慣,減輕了駕駛員的工作強(qiáng)度,對(duì)防止傳統(tǒng)倒車?yán)走_(dá)對(duì)障礙物的漏報(bào)起到了良好的防范作用。該裝置電路簡(jiǎn)單,功能豐富,價(jià)格低廉,具有很高的推廣價(jià)值。
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