基于嵌入式Linux的倒車影音系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

畢如俊,曹成茂,鄭泉,石鑫焱,葛俊

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院,合肥 230036)

引 言

電子信息與數(shù)字圖像處理技術(shù)目前已被廣泛地應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域,車載系統(tǒng)的信息化已成為現(xiàn)代汽車業(yè)的重要標(biāo)志?，F(xiàn)在的倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)可以為駕駛者提供許多幫助,多數(shù)采用超聲波測(cè)距技術(shù)[1-2],可以直接顯示出車尾與障礙物之間的距離。但由于超聲波的散射特性,如果地面有尖銳的突起或存在橫在半空的棱角狀物體,系統(tǒng)就不能有效地“察覺(jué)”。假如能為現(xiàn)有的倒車系統(tǒng)增加一個(gè)可視功能[3-4],那么駕駛員在倒車時(shí)不必回頭就可清楚車后的情況。本文設(shè)計(jì)了一種可視化安全倒車系統(tǒng),該系統(tǒng)采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核驅(qū)動(dòng)USB攝像頭實(shí)現(xiàn)車后狀況實(shí)時(shí)監(jiān)控,通過(guò)判斷超聲波測(cè)距是否達(dá)到閾值來(lái)啟動(dòng)語(yǔ)音報(bào)警功能。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

如圖1所示,系統(tǒng)由主控模塊、超聲波收發(fā)模塊、USB攝像頭圖像采集模塊、語(yǔ)音報(bào)警模塊與LCD顯示模塊等。主控模塊采用三星公司基于ARM9內(nèi)核的S3C2440微處理器,主頻最高可達(dá)533 MHz,處理速度快。采用軟件編程技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)其外圍電路的控制,并提供外圍電路所需的各種信號(hào),簡(jiǎn)化了外圍電路的設(shè)計(jì)難度。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控模塊

以S3C2440為核心的主控模塊硬件平臺(tái)的組成如圖2所示。

圖2 主控模塊硬件平臺(tái)簡(jiǎn)圖

2.2 超聲波發(fā)射電路

超聲波發(fā)射電路原理圖如圖3所示。發(fā)射電路主要由反相器74LS04和超聲波發(fā)射換能器T1構(gòu)成,使用CPU內(nèi)部的PWM定時(shí)計(jì)數(shù)器輸出的40 kHz方波信號(hào)。一路經(jīng)一級(jí)反相器(U1C與U1E并聯(lián)組成一級(jí))后送到超聲波換能器的一個(gè)電極(T1的1腳);另一路經(jīng)兩級(jí)反相器(U1D為第一級(jí),U1B和U1A組成第二級(jí))后送到超聲波換能器的另一個(gè)電極(T1的2腳)。用這種推換形式將方波信號(hào)加到超聲波換能器的兩端,可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。輸出端采兩個(gè)反相器并聯(lián),以提高驅(qū)動(dòng)能力。上位電阻 R1、R2一方面可以提高反相器74LS04輸出高電平的驅(qū)動(dòng)能力,另一方面可以增強(qiáng)超聲波換能器的阻尼效果。

圖3 超聲波發(fā)射電路原理圖

2.3 超聲波接收電路

超聲波接收電路原理圖如圖4所示。[5-6]CX20106A是一款紅外線檢波接收的專用芯片,常用于電視機(jī)紅外遙控接收器。其優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易用,電路連接簡(jiǎn)單,且減少了生產(chǎn)調(diào)試的麻煩。當(dāng)CX20106A接收到40 kHz的信號(hào)時(shí),會(huì)在第7腳產(chǎn)生一個(gè)低電平下降脈沖,這個(gè)信號(hào)可以接到ARM的外部中斷引腳作為中斷信號(hào)輸入。

圖4 超聲波接收電路原理圖

2.4 USB攝像頭圖像采集模塊

采用中星微電子ZC0301芯片組的USB數(shù)字?jǐn)z像頭。與模擬攝像頭相比,其優(yōu)勢(shì)在于：CMOS圖像傳感器能直接產(chǎn)生圖像原始數(shù)據(jù);硬件支持標(biāo)準(zhǔn)的JPEG壓縮;具有主流高速的USB總線設(shè)備接口等。對(duì)攝像頭而言,USB總線的上的信息傳輸類型通常采用的是實(shí)時(shí)傳輸。USB設(shè)備端提供若干通信端口,主機(jī)與端口間建立起邏輯上的通信管道,進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在攝像頭的設(shè)備初始化階段,主機(jī)與0號(hào)端口通信,驅(qū)動(dòng)程序檢測(cè)攝像頭型號(hào)和所有端口信息。進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸階段,主機(jī)與探測(cè)到的實(shí)時(shí)輸入端口建立通信管道,實(shí)時(shí)回傳攝像頭拍攝到的圖像數(shù)據(jù)。

2.5 語(yǔ)音報(bào)警模塊與LCD顯示模塊

語(yǔ)音報(bào)警模塊采用的是安徽中科大訊飛信息科技有限公司生產(chǎn)的XF-S3011中文語(yǔ)音合成芯片。它是一款針對(duì)嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域而設(shè)計(jì)的單芯片處理器,具有合成任意中文文本的能力。XF-S3011通過(guò)串口(UART)接收上位機(jī)發(fā)送的命令和數(shù)據(jù),命令和數(shù)據(jù)是以幀的方式進(jìn)行封裝與發(fā)送,允許發(fā)送的數(shù)據(jù)最大長(zhǎng)度為200個(gè)字節(jié)。其驅(qū)動(dòng)電路是用三極管驅(qū)動(dòng)方式設(shè)計(jì)的。當(dāng)超聲波測(cè)得的距離小于所設(shè)置的閾值時(shí),由S3C2440發(fā)送控制命令給XFS3011,啟動(dòng)語(yǔ)音報(bào)警提醒駕駛員注意。顯示模塊使用的是東華3.5寸TFT LCD(分辨率是320×240),采用嵌入式Linux下的Frame Buffer設(shè)備來(lái)驅(qū)動(dòng)LCD。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本文選擇嵌入式Linux操作系統(tǒng)。它具有可裁剪、內(nèi)核穩(wěn)定、功能強(qiáng)大、支持多種硬件平臺(tái)等特點(diǎn)。首先,在一臺(tái)裝有Linux操作系統(tǒng)的PC機(jī)(宿主機(jī))上建立一個(gè)交叉編譯開(kāi)發(fā)環(huán)境,把S3C2440控制模塊作為目標(biāo)板。然后,采用移植性較好的C語(yǔ)言在PC機(jī)上編寫(xiě)本設(shè)計(jì)所需的底層驅(qū)動(dòng)程序及頂層的應(yīng)用程序,再利用交叉編譯調(diào)試工具編譯、鏈接生成可執(zhí)行代碼,最后向目標(biāo)板移植。

3.1 視頻圖像采集及LCD顯示程序的設(shè)計(jì)

第1步,采用動(dòng)態(tài)加載ZC0301組芯片的USB攝像頭驅(qū)動(dòng)程序spca5xx。此驅(qū)動(dòng)程序源代碼由4個(gè)部分組成：設(shè)備模塊的初始化模塊、卸載模塊、上層軟件接口模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊。把它放在kernel/driver/usb下解壓,打補(bǔ)丁。在編譯系統(tǒng)內(nèi)核時(shí),在arm linux的kernel目錄下進(jìn)行make menuconfig;在＜*>下選擇 Multimedia device下的Video for linux,加載Video4linux模塊,為視頻采集設(shè)備提供編程接口函數(shù)和相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu);(M)選中SPCA5XX這一項(xiàng)。

圖5 視頻圖像采集流程

第2步,使用 Linux的Video4linux來(lái)訪問(wèn)USB攝像頭設(shè)備,進(jìn)行視頻圖像采集,捕獲實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)流。程序流程如圖5所示。

為程序定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

打開(kāi)視頻：

本設(shè)計(jì)是通過(guò)MiniGui加載jpeg來(lái)實(shí)現(xiàn)LCD實(shí)時(shí)顯示USB攝像頭采集到圖像的。在編譯程序時(shí),加上了jpeg庫(kù)的支持。編程的思路就是不斷地從攝像頭采集圖像并存儲(chǔ)在/tmp/1.jpg中。在Linux圖形用戶界面支持系統(tǒng)MiniGUI中,通過(guò)loadbitmap函數(shù)來(lái)加載圖像,而圖像加載后不會(huì)自動(dòng)更新,不能根據(jù)1.jpg的改變自動(dòng)變化。因此,在程序中要設(shè)定一個(gè)定時(shí)器,每隔100 ms刷新屏幕,基本上實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)更新。

3.2 超聲波測(cè)距驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)

超聲波發(fā)生程序[7]的作用是由PWM定時(shí)計(jì)數(shù)器產(chǎn)生一個(gè)超聲波信號(hào)頻率約40 kHz的方波。采用Timer0,同時(shí)把Timer1打開(kāi)進(jìn)行計(jì)時(shí)。超聲波測(cè)距器主程序利用外部中斷檢測(cè)返回的超聲波信號(hào),一旦發(fā)現(xiàn)立即進(jìn)入中斷程序。進(jìn)入該中斷后立即關(guān)閉Timer1停止計(jì)時(shí),并將測(cè)距成功標(biāo)志字賦值1。各程序流程如圖6～圖8所示。

圖6 主程序流程

圖7 定時(shí)中斷子程序流程

圖8 外部中斷子程序流程

當(dāng)主程序檢測(cè)到接收成功的標(biāo)志位后,按下式計(jì)算即可得到車尾與障礙物之間的距離(設(shè)計(jì)時(shí)取20℃時(shí)的聲速C為344 m/s)：

其中,T1為計(jì)數(shù)器Timer1的計(jì)數(shù)值。

該部分程序可設(shè)計(jì)為L(zhǎng)inux下字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。要使用Linux系統(tǒng)提供一個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口函數(shù)struct file_operations的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)[8-9],來(lái)實(shí)現(xiàn)超聲波傳感器設(shè)備的打開(kāi)、讀寫(xiě)、釋放和控制。定時(shí)器和外部中斷相關(guān)寄存器的初始化和參數(shù)的設(shè)定都是在open()接口函數(shù)中完成的。在此設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中定義的file_operations的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為：

s3c2440_sonar_open()函數(shù)用于打開(kāi)的設(shè)備。s3c2440_sonar_read()和s3c2440_sonar_write()函數(shù)用于讀寫(xiě)設(shè)備。s3c2440_sonar_release()函數(shù)完成中斷的釋放。s3c2440_sonar_ioctl()函數(shù)用于控制設(shè)備中定時(shí)中斷和測(cè)距值,由copy_to_user()函數(shù)和put_user()函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞,在應(yīng)用程序下打開(kāi)設(shè)備,實(shí)現(xiàn)內(nèi)核態(tài)與用戶態(tài)之間的數(shù)據(jù)傳遞。模塊初始化函數(shù)s3c2440_sonar_init()實(shí)現(xiàn)設(shè)備的初始化、中斷初始化及處理、設(shè)備注冊(cè)等。static void s3c2440_sonar_exit()用于模塊卸載時(shí)中斷停止、資源的釋放等。

3.3 語(yǔ)音報(bào)警程序設(shè)計(jì)

當(dāng)所測(cè)距離值小于閾值時(shí),由 S3C2440發(fā)控制命令給XF-S3011,啟動(dòng)語(yǔ)音模塊。組成一個(gè)語(yǔ)音合成命令幀[10]的部分代碼如下：

命令合成完畢后,就可以發(fā)送給XF-S3011模塊了。在嵌入式Linux系統(tǒng)中先打開(kāi)XF-S3011設(shè)備文件,然后將此命令幀寫(xiě)入該文件,最后關(guān)閉設(shè)備文件。

結(jié) 語(yǔ)

本文采用嵌入式 Linux操作系統(tǒng)和三星公司S3C2440微處理器設(shè)計(jì)的可視與語(yǔ)音報(bào)警為一體的安全倒車系統(tǒng),具有較高的實(shí)用價(jià)值。在顯示視頻圖像處理的過(guò)程中,能夠通過(guò)超聲波對(duì)車尾與障礙物之間進(jìn)行測(cè)距,當(dāng)測(cè)距值小于預(yù)設(shè)定的距離時(shí)會(huì)有語(yǔ)音對(duì)駕駛員進(jìn)行報(bào)警提示。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,能讓駕駛員準(zhǔn)確地把握車后路況,提高了倒車安全性。

[1]楊帆,劉暢,馬俊,等.超聲波測(cè)距儀研究[J].電子器件,2009,32(2)：476-478.

[2]林偉,梁家寧,李才安.便攜式多功能超聲波測(cè)距儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子測(cè)量技術(shù),2008,31(1)：165.

[3]尹克,高明煜,陳吉鋒.車載可視倒車裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].杭州電子科技大學(xué)學(xué)報(bào),2007,4(27)：1-4.

[4]易革,胡金亮.倒車多媒體測(cè)距終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子設(shè)計(jì)應(yīng)用,2006,4(12)：99-100.

[5]阮成功,藍(lán)兆輝,陳碩.基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)[J].應(yīng)用科技,2004(7)：22-24.

[6]張珂,劉剛海.提高超聲波測(cè)距精度方法的研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2007,30(15)：139-141.

[7]基于超聲波傳感器的測(cè)距報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科技信息,2009(7)：58-59.

[8]杜剛,劉建一.基于ARM 的超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].福建電腦 ,2009(3)：138-139.

[9]單承剛,戴學(xué)豐,劉樹(shù)東,等.嵌入式Linux下多路超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2007,23(6-2)：248-250.

[10]張輝,黃永強(qiáng),夏愛(ài)華.中文語(yǔ)音合成模塊XF-S4240在導(dǎo)航終端中的應(yīng)用[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2008(1)：43-44.