車載可視倒車裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李媛媛， 童添柱， 顏孫兵， 薛鵬沖， 黃牡丹

(上海工程技術(shù)大學(xué) 電子電氣工程學(xué)院， 上海 201620)

0 引 言

倒車影像和超聲波測(cè)距系統(tǒng)是汽車泊車或倒車時(shí)的安全輔助裝置，能以聲音或者更為直觀的顯示告知駕駛員周圍障礙物的情況，解除了駕駛員泊車、倒車和起動(dòng)車輛時(shí)前后左右探視所引起的困擾，幫助駕駛員掃除視野死角和視線模糊的缺陷，提高駕駛的安全性。

通常，倒車裝置由超聲波傳感器、控制器和顯示器(或蜂鳴器)等部分組成，一般采用超聲波測(cè)距原理，在控制器的控制下，由傳感器發(fā)射超聲波信號(hào)。當(dāng)遇到障礙物時(shí)，產(chǎn)生回波信號(hào)，傳感器接收到回波信號(hào)后經(jīng)控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、判斷出障礙物的位置，由顯示器顯示距離并發(fā)出其他警示信號(hào)，得到及時(shí)警示，從而使駕駛者倒車時(shí)做到心中有數(shù)，使倒車變得更輕松。

近些年，隨著技術(shù)發(fā)展和用戶需求的變化，倒車控制器經(jīng)過五代的發(fā)展。第一代：倒車時(shí)通過喇叭提醒。從某種意義上說，它對(duì)司機(jī)并沒有直接的幫助，不是真正的倒車?yán)走_(dá)。價(jià)格便宜，基本屬于淘汰產(chǎn)品。第二代：用蜂鳴器不同聲音提示駕駛員。這是車載倒車系統(tǒng)的真正開始。但沒有語音提示，也沒有距離顯示，雖然司機(jī)知道有障礙物，但不能確定障礙物離車有多遠(yuǎn)，對(duì)駕駛員幫助不大。第三代：數(shù)碼波段顯示具體距離或者距離范圍。把數(shù)碼和波段組合在一起，比較實(shí)用，但安裝在車內(nèi)不太美觀。第四代：液晶熒屏動(dòng)態(tài)顯示。這一代產(chǎn)品有質(zhì)的飛躍，特別是屏幕顯示開始出現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示系統(tǒng)。不過液晶顯示器外觀雖精巧，但靈敏度較高，抗干擾能力不強(qiáng)，所以誤報(bào)也較多。第五代：魔幻鏡倒車?yán)走_(dá)。結(jié)合了前幾代產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)，采用了最新仿生超聲雷達(dá)技術(shù)，配以高速電腦控制，可全天候準(zhǔn)確地測(cè)知2 m以內(nèi)的障礙物，能以不同等級(jí)的聲音提醒駕駛員，但該產(chǎn)品缺乏可視化的顯示，不能直觀地告知駕駛員車后障礙物的具體形狀。

因此，本文提出開發(fā)下一代車載倒車裝置，即能夠?qū)⒂耙粝到y(tǒng)整合在一起的產(chǎn)品，該車載可視倒車裝置利用單片機(jī)技術(shù)，通過攝像頭模塊進(jìn)行車后障礙物圖像的采集，并通過單片機(jī)處理之后在TFT-LCD薄膜晶體管型液晶顯示屏上顯示，使駕駛員能更清晰的看清障礙物圖像，同時(shí)通過超聲波測(cè)距模塊進(jìn)行距離監(jiān)測(cè)，根據(jù)車與障礙物的距離進(jìn)行蜂鳴器預(yù)警，通過該可視倒車裝置能使倒車安全得到更好的保障。

1 基本原理及設(shè)計(jì)思路

1.1 基本工作原理

車載倒車裝置通過傳感器和攝像頭感知車輛周圍的物體，如圖1所示。當(dāng)傳感器感應(yīng)到障礙物時(shí)攝像頭也將障礙物攝入視頻，同時(shí)傳感器進(jìn)行測(cè)距，保證駕駛員在看到障礙物的同時(shí)也能迅速掌握障礙物距離車輛的實(shí)際距離，從而更加有效地調(diào)整行車狀態(tài)。

圖1 車載倒車裝置安裝位置示意圖

1.2 設(shè)計(jì)思路

本文設(shè)計(jì)的車載可視倒車裝置主要由單片機(jī)處理器、攝像頭模塊、超聲波測(cè)距模塊、顯示模塊、報(bào)警模塊組成，系統(tǒng)總體工作結(jié)構(gòu)如圖2所示。攝像頭模塊把采集到的障礙物圖像傳送給STM32單片機(jī)，經(jīng)過單片機(jī)處理在TFT顯示屏實(shí)時(shí)顯示采集到的圖像，超聲波測(cè)距模塊將障礙物與車的測(cè)距信號(hào)通過串口通信輸入STM32單片機(jī)上，經(jīng)處理后在5110LCD液晶屏上顯示出障礙物與車的距離，并由紅藍(lán)綠三盞燈的亮滅來指示障礙物的遠(yuǎn)近，如果距離非常近，紅燈亮，蜂鳴器急促的響，表示有危險(xiǎn)；如果距離接近，黃燈亮起，蜂鳴器平緩的響，表示即將進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)；如果在安全距離內(nèi)，綠燈亮且蜂鳴器不發(fā)出警報(bào)。整個(gè)系統(tǒng)通過USB供電。

圖2 汽車側(cè)方障礙物信號(hào)檢測(cè)模擬圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 超聲波測(cè)距模塊

DYP-ME007超聲波測(cè)距模塊可提供2～400 cm的非接觸式距離感測(cè)功能，測(cè)距精度可達(dá)到3 mm，模塊包括超聲波發(fā)射器[7-9]、接收器與控制電路。其基本工作原理如下(實(shí)物圖見圖3)。

(1) 用IO口TRIG觸發(fā)測(cè)距，給至少10 μm的高電平信號(hào)。

(2) 模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40 kHz的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回。

若有信號(hào)返回，通過IO口ECHO輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間,其公式如下：

圖3 超聲波測(cè)距傳感器

2.2 STM 32 單片機(jī)

本文單片機(jī)在選擇上考慮了需求，功耗、價(jià)格、穩(wěn)定性和開發(fā)難易程度等因素，采用的單片機(jī)型號(hào)為STM32F1032ET6，如圖4所示。

本文主控單片機(jī)在系統(tǒng)中的作用有：

(1) 控制超聲波發(fā)射電路在固定的發(fā)射時(shí)段內(nèi)發(fā)射超聲波，在接收時(shí)段內(nèi)停止發(fā)射超聲波。

(2) 控制超聲波接收電路在接收時(shí)間段內(nèi)檢測(cè)超聲波，并接收回波信號(hào)。

(3) 通過超聲波接收電路接收的回波信號(hào)來計(jì)算超聲波在空氣中傳播所需要的渡越時(shí)間，通常，是通過芯片內(nèi)部定時(shí)器的計(jì)時(shí)功能完成的。

圖4 STM 32 單片機(jī)

(4) 讀取攝像頭的圖像并顯示在TFT液晶屏上。

(5) 在顯示模塊上顯示所測(cè)到的距離值。

(6) 控制蜂鳴器及LED燈，根據(jù)距離進(jìn)行報(bào)警。

2.3 CF7670C攝像頭模塊

本文采用的攝像頭模塊為CF7670C-V2模塊，視頻采集能力強(qiáng)，響應(yīng)速度快，低功耗，其性能特點(diǎn)如下：

(1) 帶380 kB 大容量的FIFO AL422B，非常適合慢速M(fèi)CU直接通過I/O采集圖象數(shù)據(jù)。

(2) 帶24 MHz有源晶振。

(3) 帶OV7670必須的2.8 V 穩(wěn)壓LDO。

(4) 單工作電源3.3 V(+/-0.1 V) ，工作溫度0～50℃。

(5) 鏡頭為全玻璃鏡片，鏡頭(含座)為鎂鋁合金材料，鏡頭焦距3.6 mm, 650 nm波段。

(6) PCB為黑色FR-4 優(yōu)質(zhì)沉金板，有效防止PCB漏光問題。

2.4 2.8寸TFT彩屏觸摸模塊

顯示屏為2.8寸TFT彩屏觸摸屏，支持SD卡，支持DATAFLASH(可以做字庫(kù))，支持16位/8位模式。其默認(rèn)i8080 16位并行接口，可選8位并行接口方式。轉(zhuǎn)接板上R7開路是選擇16位模式，R7短路時(shí)選擇8位模式。

2.5 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的硬件電路版

本系統(tǒng)以單片機(jī)為控制核心，通過縝密的設(shè)計(jì)最后把所有模塊集成在一塊電路板上，能夠更好地進(jìn)行后續(xù)開發(fā)和大批量生產(chǎn)。如圖5所示，倒車影像和超聲波測(cè)距系統(tǒng)主線路板的3D模擬圖像，如圖6所示。

圖5 倒車影像和超聲波測(cè)距系統(tǒng)主線路圖

圖6 倒車影像和超聲波測(cè)距系統(tǒng)主線路板(3D模擬圖像)

3 軟件程序調(diào)試

基本流程圖如圖7所示。

圖7 程序基本流程圖

其中部分主程序如下：

int main(void)

{

ifdef DEBUG

debug();

endif

/* Intialize the STM32 SYSTEM_Init */

SYSTEM_Init();

LCD_write_english_string(5,66+16,".....2102

BSC SEUS",0Xf800,0X0000);

//LCD_write_english_string(5,66,"SUES CAOSHENGBO 2012",0Xf800,0X0000);

kkk=LCD_ReadID();

FIFO_Set_GPIO_Config();

FIFO_GPIO_INPUT();

FIFO_CS_L();

FIFO_WE_H();

Delay(500);

while(1!=Sensor_init())//初始化CMOS Sensor

{

}

LCD_write_english_string(5,66+16,"OK........2102 BSC SEUS",0Xf800,0X0000);

Sensor_EXTI_Config();

Sensor_Interrupts_Config();

bn=0;

////////////////////////////////////////

FIFO_RRST_L();

FIFO_RD_L();

FIFO_RD_H();

FIFO_RD_L();

FIFO_RRST_H();

FIFO_RD_H();

////////////////////////////////////////

while(1)

{

Delay(1);

cls();

hanzi1();

hanzi2();

locate(6,1);

printf("-----sues-----");

locate(4,36);

printf("%.2fcm",distanceValue);

if(distanceValue>=0&&distanceValue <15)

{

GPIO_SetBits(GPIO_LED,DS3_PIN); //紅燈亮

GPIO_ResetBits(GPIO_LED,DS2_PIN); //黃燈滅

GPIO_ResetBits(GPIO_LED,DS1_PIN); //綠燈滅

GPIO_SetBits(GPIO_BEEPER, BEEPER_PIN); /*開啟蜂鳴器*/

Delay(7);

GPIO_ResetBits(GPIO_BEEPER, BEEPER_PIN); /*關(guān)閉蜂鳴器*/

}

else if(distanceValue>=15&&distanceValue <30)

{

GPIO_SetBits(GPIO_LED,DS2_PIN); //黃燈亮

GPIO_ResetBits(GPIO_LED,DS3_PIN); //紅燈滅

GPIO_ResetBits(GPIO_LED,DS1_PIN); //綠燈滅

GPIO_SetBits(GPIO_BEEPER, BEEPER_PIN); /*開啟蜂鳴器*/

Delay(10);

GPIO_ResetBits(GPIO_BEEPER, BEEPER_PIN); /*關(guān)閉蜂鳴器*/

}

else if(distanceValue>=30&&distanceValue <1000)

{

GPIO_SetBits(GPIO_LED,DS1_PIN); //綠燈亮

GPIO_ResetBits(GPIO_LED,DS2_PIN); //黃燈滅

GPIO_ResetBits(GPIO_LED,DS3_PIN); //紅燈滅

GPIO_ResetBits(GPIO_BEEPER, BEEPER_PIN); /*蜂鳴器*/}

4 系統(tǒng)總體調(diào)試及測(cè)試

該裝置實(shí)物圖如圖8所示，本系統(tǒng)采用模塊化集成設(shè)計(jì)，因此系統(tǒng)所搭載的外形十分小巧，外觀設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，可視化程度高，可用性很強(qiáng)，系統(tǒng)下方配有4個(gè)可移動(dòng)輪來更仿真地模擬汽車倒車的整個(gè)過程。

圖8 倒車影像和超聲波測(cè)距裝置實(shí)物圖

實(shí)物測(cè)試過程如圖9所示，2.8寸TFT彩色液晶屏中顯示的是障礙物圖像， LCD液晶屏上實(shí)時(shí)顯示出與障礙物的距離，此時(shí)距離為47.00 cm。

圖9 倒車影像和超聲波測(cè)距裝置實(shí)物圖

此外，由距離的遠(yuǎn)近控制紅藍(lán)綠三盞燈亮滅，如果距離非常近(<20.00 cm)，紅燈亮，蜂鳴器響起而氣促，表示有危險(xiǎn)；如果距離接近(20.00～40.00 cm)，黃燈亮起，蜂鳴器平緩的響，表示即將進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)；如果在安全距離內(nèi)(>40.00 cm)，綠燈亮且蜂鳴器不發(fā)出警報(bào)。上述距離報(bào)警區(qū)間可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)節(jié)。其過程分別圖10，圖11所示。圖10所示距離為20.80cm，黃燈亮，蜂鳴器平緩的響，表示即將進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)。圖11所示距離為4.60 cm，紅燈亮，蜂鳴器響起而氣促，表示進(jìn)人了危險(xiǎn)距離。

圖10 黃燈顯示與后方障礙物距離即將進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)

圖11 紅燈顯示與后方障礙物距離已進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)

5 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)一款提升倒車安全系數(shù)的裝置。超聲波測(cè)距模塊DYP-ME007測(cè)量傳感器與障礙物的距離，并將采集到的信號(hào)通過串口形式傳輸給單片機(jī)STM32F1032ET6，再由單片機(jī)控制蜂鳴器的響應(yīng)頻率、3個(gè)LCD燈的亮滅以及5110LCD距離的實(shí)時(shí)顯示。CF7670C攝像頭模塊把采集到的圖像傳送給STM32單片機(jī)，經(jīng)過單片機(jī)處理，把圖像傳輸?shù)?.8寸TFT(ICI8328控制器)上顯示出來。經(jīng)測(cè)試，該裝置性能良好，性價(jià)比高，具有實(shí)際應(yīng)用的價(jià)值。

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·名人名言·

大學(xué)的榮譽(yù),不在它的校舍與人數(shù);而在于它一代一代人的質(zhì)量。

——柯南特