雙處理器智能車載終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

樊劉華，李大全，劉文怡，2*，石永亮，曹翱翔（.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原0005；2.儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原0005；.北京宇航系統(tǒng)研究所，北京00076）

雙處理器智能車載終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

樊劉華1，李大全3，劉文怡1，2*，石永亮1，曹翱翔1
（1.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051；2.儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051；3.北京宇航系統(tǒng)研究所，北京100076）

針對(duì)當(dāng)前對(duì)車載終端擴(kuò)展性和信息量的要求，結(jié)合嵌入式、CAN總線和全景拼接等關(guān)鍵技術(shù)，提出了一種新的智能車載終端的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法。采用以雙處理器Hi3520D和STM32F105V8為核心的主從板結(jié)構(gòu)，關(guān)鍵硬件電路有四路視頻采集、紅外接收、CAN總線接口等模塊，軟件部分基于嵌入式Linux平臺(tái)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了四路視頻全景拼接顯示和車輛狀態(tài)信息顯示功能，滿足各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。長(zhǎng)期測(cè)試證明，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，具有較強(qiáng)實(shí)用性。

智能車載終端；嵌入式；CAN總線；全景拼接

汽車數(shù)量的日益增長(zhǎng)引發(fā)了諸多交通安全問(wèn)題，智能車載終端的使用可大大降低事故發(fā)生率［1］?，F(xiàn)今車載系統(tǒng)主要存在以下不足：通過(guò)主機(jī)掛載新的傳感器進(jìn)行擴(kuò)展的方法難以滿足現(xiàn)今對(duì)車載終端擴(kuò)展性能的要求，其次，傳統(tǒng)車載終端能夠處理和呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)量有限，不足以滿足用戶需求。

本系統(tǒng)能夠?qū)Χ喾N車輛狀態(tài)信息進(jìn)行采集和處理，所設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集方法實(shí)時(shí)可靠，并可通過(guò)接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，使系統(tǒng)的通用性和擴(kuò)展性能都得到了增強(qiáng)。同時(shí)，利用安裝在車身前后左右4個(gè)方向的廣角攝像頭同時(shí)采集車輛四周影像，經(jīng)全景拼接算法處理后實(shí)時(shí)顯示所生成的全景拼接圖，給駕駛?cè)藛T直觀提供了豐富的信息量，起到提前預(yù)警的作用。

1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為使車載系統(tǒng)提供的輔助駕駛信息豐富有效，車載終端處理和提供的數(shù)據(jù)必須實(shí)時(shí)可靠，系統(tǒng)應(yīng)具有較強(qiáng)擴(kuò)展性和兼容性，整體性價(jià)比也應(yīng)盡可能高［2］。車載終端的設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于采集、處理并顯示車身所處環(huán)境信息和車輛狀態(tài)信息。其中車輛狀態(tài)信息十分繁復(fù)，為此選擇CAN總線進(jìn)行傳輸［3］。為保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性，硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用如圖1所示的主從板結(jié)構(gòu)，其中主控板主要負(fù)責(zé)處理通過(guò)串口獲取的車輛狀態(tài)信息以及采集得到的四路視頻信息，從板主要負(fù)責(zé)從CAN總線上采集車輛數(shù)據(jù)信息并進(jìn)行進(jìn)一步處理。

主控板選取多媒體處理芯片Hi3520D作為中央處理器，它內(nèi)置Cortex-A9處理器，具有優(yōu)異的編解碼算法和視頻引擎，可多路高清輸出，完全可滿足車載終端所需功能的要求。同時(shí)該芯片具有豐富的外圍接口，擴(kuò)展性很強(qiáng)，非常適合車載系統(tǒng)采集處理四路視頻信息。從板部分中央處理器選取意法半導(dǎo)體公司的STM32F105V8，它內(nèi)部集成的CAN控制器，可實(shí)時(shí)采集并處理接收到的CAN總線上豐富的車載數(shù)據(jù)信息，并且可將處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)串口傳至主控板，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示。

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的智能車載終端的關(guān)鍵電路包括主控板的四路視頻采集電路、紅外接收模塊電路以及從板的CAN總線接口電路，下面就這3個(gè)電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.1四路視頻采集電路設(shè)計(jì)

主控板的視頻采集電路采用Richnex公司的RN6318A芯片，用于對(duì)4路攝像頭采集的模擬視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和合成，所設(shè)計(jì)4路視頻采集電路如圖2所示。

圖2　四路視頻采集電路圖

圖中VIN1～VIN8為視頻信號(hào)輸入端，根據(jù)系統(tǒng)需求只需接入4路攝像頭視頻，攝像頭視頻信號(hào)經(jīng)過(guò)預(yù)處理后輸出至RN6318A芯片的VINA0～VINA7管腳，之后通過(guò)數(shù)字信號(hào)輸出端將經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后生成的數(shù)字視頻信號(hào)輸出到Hi3520D進(jìn)行后續(xù)全景拼接處理。

2.2紅外接收模塊電路設(shè)計(jì)

主控板中的紅外接收模塊用于對(duì)用戶的按鍵信息進(jìn)行接收，Hi3520D芯片提供一個(gè)專用IR接口，紅外接收模塊電路中采用SGR3638A芯片對(duì)紅外信號(hào)進(jìn)行接收［4］，其輸出信號(hào)通過(guò)IR_IN引腳輸入到Hi3520D處理器進(jìn)行后續(xù)解碼處理，使用戶可以通過(guò)按鍵選取想要顯示的畫面。紅外接收模塊具體電路圖如圖3所示。

圖3　紅外接收模塊電路圖

2.3CAN總線接口電路設(shè)計(jì)

從板部分選擇STM32F105V8作為處理器，它內(nèi)部集成兩個(gè)CAN控制器，可實(shí)時(shí)采集CAN總線上復(fù)雜的車輛數(shù)據(jù)信息。CAN總線不具時(shí)鐘信號(hào)線，但是有兩條信號(hào)線CAN_High和CAN_Low，它們組成一對(duì)差分信號(hào)線，因此CAN以差分信號(hào)的形式進(jìn)行通信。掛接在CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都由一個(gè)CAN控制器和一個(gè)CAN收發(fā)器構(gòu)成，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，CAN控制器通過(guò)CAN_TX線把要發(fā)送的二進(jìn)制編碼發(fā)送至CAN收發(fā)器，接著由CAN收發(fā)器把接收到的邏輯電平信號(hào)轉(zhuǎn)化為差分信號(hào)，通過(guò)差分信號(hào)線CAN_High和CAN_Low傳輸至CAN總線網(wǎng)絡(luò)，接收數(shù)據(jù)的過(guò)程與之相反［5］。

下面主要介紹CAN總線接口電路的設(shè)計(jì)，選用STM32F105V8內(nèi)部的CAN1控制器作為CAN總線控制器，省去了設(shè)計(jì)獨(dú)立CAN控制器與處理器之間電路的麻煩，使系統(tǒng)更加簡(jiǎn)潔可靠。選取TJA1040作為CAN總線收發(fā)器，與CAN1組成CAN總線上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，用來(lái)與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。系統(tǒng)CAN總線接口電路圖如圖4所示。

CAN收發(fā)器TJA1040的速度可高達(dá)1Mbit/s，能夠完成CAN總線與CAN控制器間信號(hào)的差動(dòng)發(fā)送和接收，在汽車領(lǐng)域應(yīng)用很廣。TJA1040的TXD和RXD引腳分別接CAN1控制器的CAN1_TX和CAN1_RX引腳，經(jīng)由TJA1040轉(zhuǎn)換的CAN1_H和CAN1_L信號(hào)通過(guò)保護(hù)電路連接至總線的CAN1_H和CAN1_L，保護(hù)電路可有效濾除總線上的電磁輻射和高頻干擾［6］，保證了信號(hào)傳輸質(zhì)量，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。

圖4　CAN總線接口電路

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以嵌入式Linux為平臺(tái)，進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)，采用模塊化設(shè)計(jì)思路［7］，分別對(duì)四路視頻全景顯示模塊和CAN數(shù)據(jù)接收解析模塊進(jìn)行軟件程序設(shè)計(jì)。利用Hi3520D芯片視頻開(kāi)發(fā)函數(shù)庫(kù)中的接口函數(shù)完成兩大模塊的軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了四路視頻全景顯示和車輛狀態(tài)信息顯示功能，實(shí)現(xiàn)方法如下：視頻采集模塊首先將采集到的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，然后進(jìn)行全景拼接顯示處理，從而實(shí)現(xiàn)四路視頻全景顯示功能；CAN數(shù)據(jù)信息通過(guò)串口傳輸至虛擬儀表顯示模塊并送入顯示屏，實(shí)現(xiàn)車輛狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示功能。下面對(duì)車載終端主要實(shí)現(xiàn)功能的軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

3.1車載終端四路視頻全景拼接顯示軟件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的4路視頻全景顯示界面由以下3部分組成：?jiǎn)温芬曨l顯示畫面、四路全景拼接圖像顯示畫面和警告畫面。系統(tǒng)采用標(biāo)清設(shè)備DSD0輸出，顯示界面的分辨率為720×480，所設(shè)計(jì)的全景顯示界面分配如圖5所示。

圖5　四路視頻全景顯示界面

四路視頻全景拼接顯示功能實(shí)現(xiàn)流程圖如圖6所示。實(shí)現(xiàn)該功能的總體思路如下：首先完成系統(tǒng)的初始化工作，之后配置并啟動(dòng)視頻輸入VI、視頻處理VPSS和視頻輸出VO，然后獲取四路經(jīng)初步處理后的視頻數(shù)據(jù)并進(jìn)行拷貝，采用查表法對(duì)此數(shù)據(jù)進(jìn)行全景拼接處理后，得到單路視頻數(shù)據(jù)、四路視頻融合數(shù)據(jù)以及警告圖片數(shù)據(jù)，對(duì)用于顯示的內(nèi)存區(qū)域進(jìn)行對(duì)應(yīng)位置的填充，之后調(diào)用接口函數(shù)HI_MPI_VO_Send-Frame（）把處理后的視頻數(shù)據(jù)接入指定視頻輸出通道，完成車輛周邊環(huán)境的全景拼接顯示。

圖6　四路視頻全景拼接顯示軟件流程圖

3.2CAN數(shù)據(jù)接收解析軟件設(shè)計(jì)

CAN總線接收解析模塊主要完成了對(duì)汽車CAN總線報(bào)文的接收與解析，可實(shí)時(shí)有效地提取到車輛自身各種狀態(tài)信息。該部分應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)采用固件庫(kù)開(kāi)發(fā)方式，通過(guò)調(diào)用庫(kù)函數(shù)接口配置寄存器［8］。下面介紹CAN數(shù)據(jù)的接收解析過(guò)程。

圖7為CAN數(shù)據(jù)接收解析模塊軟件流程圖，首先初始化串口和CAN接口，然后等待報(bào)文接收。采用中斷接收模式進(jìn)行CAN報(bào)文接收，設(shè)置一個(gè)標(biāo)志變量Flag，當(dāng)完成中斷接收時(shí)Flag置1，然后根據(jù)接收?qǐng)?bào)文的不同ID，軟件會(huì)調(diào)用對(duì)應(yīng)的解析函數(shù)對(duì)CAN數(shù)據(jù)進(jìn)行解析。舉例說(shuō)明，當(dāng)接收到的報(bào)文ID為0x00000288時(shí)，就會(huì)進(jìn)入HandleBCM_288（）函數(shù)對(duì)報(bào)文信息進(jìn)行解析。根據(jù)不同函數(shù)解析后得到的報(bào)文信息，最終可以獲得我們想要得到的物理量值，如車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、冷卻液溫度等車輛狀態(tài)信息，并在車載終端顯示屏上實(shí)時(shí)顯示。

圖7　CAN數(shù)據(jù)接收解析軟件流程圖

4　實(shí)測(cè)結(jié)果

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的四路視頻全景顯示圖如圖8所示，圖中左側(cè)上方為后路的單路原始圖像，可以幫助駕駛員獲取后路車況，左側(cè)下方為警示信息，可以提到提前預(yù)警的作用，顯示區(qū)域右側(cè)是全景拼接圖像，駕駛員可直觀獲取車輛周圍環(huán)境情況，做到無(wú)視角盲區(qū)，可有效預(yù)防安全事故的發(fā)生。

圖8　四路視頻全景圖

對(duì)從CAN總線上獲取的車輛狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行解析測(cè)試，將數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送給處理器Hi3520D，當(dāng)用戶使用紅外遙控器切換到車輛狀態(tài)信息顯示模式時(shí)，虛擬儀表顯示模塊就會(huì)按照事先規(guī)定的協(xié)議讀取串口數(shù)據(jù)，在車載終端顯示屏上實(shí)時(shí)顯示從CAN總線上獲取的數(shù)據(jù)信息。圖9為某時(shí)刻截取的車輛狀態(tài)信息顯示圖，通過(guò)虛擬儀表顯示界面我們可以直觀得到車速、轉(zhuǎn)向和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等車輛狀態(tài)信息，可完全滿足用戶需要。

圖9　車輛狀態(tài)信息顯示圖

5　總結(jié)

本設(shè)計(jì)以嵌入式技術(shù)、CAN總線技術(shù)、全景拼接等先進(jìn)技術(shù)為基礎(chǔ)，完成了雙處理器智能車載終端的設(shè)計(jì)，順利實(shí)現(xiàn)四路視頻全景顯示和車輛狀態(tài)信息顯示功能，系統(tǒng)所使用的數(shù)據(jù)采集和處理方式解決了當(dāng)前車載系統(tǒng)在擴(kuò)展性和信息量方面的不足。后期測(cè)試結(jié)果表明該系統(tǒng)運(yùn)行狀況穩(wěn)定，性能指標(biāo)正常，在智能交通領(lǐng)域具有較廣闊的應(yīng)用前景。

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樊劉華（1991-），男，漢族，山西洪洞人，中北大學(xué)在讀研究生，研究方向?yàn)闇y(cè)試測(cè)量技術(shù)及儀器，479045083@qq.com；

劉文怡（1970-），男，漢族，山西嵐縣人，中北大學(xué)教授，研究領(lǐng)域?yàn)闇y(cè)試計(jì)量技術(shù)及儀器，2258710822@qq.com。

Design and Implementation of Intelligent Vehicle Terminal with DualProcessor

FAN Liuhua1，LI Daquan3，LIU Wenyi1，2*，SHI Yongliang1，CAO Aoxiang1
（1.North Uniυersity of China，National Defense Key Laboratory For Electronic Measurement Technology，Taiyuan 030051，China；2.Key Laboratory of Instrumentation Science&Dynamic Measurement，Ministry of Education，Taiyuan 030051，China；3.Beijing Institute ofAstronautics System Engineering，Beijing 100076，China）

For the requirements of the expansion and the amount of information to vehicle terminal nowadays，combining with the key technologies like embedded technology，CAN bus，panoramic image stitching and so on，presents a new way of design and implementation of intelligent vehicle terminal.Adopting amain-assistant framework based on dual processor Hi3520D and STM32F105V8，the key hardware circuit including video capture of four pathsmodule，infrared receivingmodule，CAN bus interfacemodule，the design of the software part is based on the embedded Linux platform.The system successfully achieved the function of four videos panorama stitching display and vehicle status information display，meet various technical specifications.Long-term tests prove that the system is reliable，ithas strong practicability.

intelligentvehicle terminal；embedded system；CAN bus；panoramic stitching

TP391

A

1005-9490（2016）04-0929-05

2015-08-30修改日期：2015-09-23

EEACC:7320，221010.3969/j.issn.1005-9490.2016.04.034