基于SOPC的汽車電子后視鏡系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

葉圣偉，胡燕嬌

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

基于SOPC的汽車電子后視鏡系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

葉圣偉，胡燕嬌

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

汽車在倒車過(guò)程中，駕駛員一般通過(guò)傳統(tǒng)后視鏡來(lái)觀察車后狀況，觀察中會(huì)出現(xiàn)視野死角，視線模糊、目測(cè)不準(zhǔn)等情況而不能實(shí)現(xiàn)安全倒車。為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)后視鏡的不足，提出了一種基于SOPC的汽車電子后視鏡系統(tǒng)，能夠滿足汽車電子設(shè)計(jì)靈活性、穩(wěn)定性、低成本、快速開(kāi)發(fā)等要求。

汽車電子；電子后視鏡；SOPC

CLC NO.: TP274.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)10-75-03

引言

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，許多智能化技術(shù)被廣泛應(yīng)用到車輛上，車輛后視鏡系統(tǒng)作為重要的安全輔助裝置也經(jīng)歷了幾代的技術(shù)發(fā)展。目前車輛后視鏡系統(tǒng)出現(xiàn)了兩種新技術(shù)：后視攝像和倒車?yán)走_(dá)。前者圖像直觀、真實(shí)，但無(wú)法給出精確的距離；后者能精確地測(cè)量距離，但對(duì)于車后方的水坑、凸出的鋼筋等無(wú)法做出反映，因此存在安全上的死角。因此無(wú)論是后視攝像還是倒車?yán)走_(dá)都不能完全解決駕駛者在倒車過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)安全倒車一方面要求駕駛者能掌握車后狀況，能直觀的看清障礙物的位置、外形，另一方面又需要能準(zhǔn)確判斷出障礙物與車的距離。

本文設(shè)計(jì)的汽車電子后視鏡系統(tǒng)能夠很好的解決上述問(wèn)題，采用可編程的片上系統(tǒng)SOPC(System On Programmable Chip)技術(shù)，將處理器、存儲(chǔ)器、I/ O接口、硬件協(xié)處理器和普通的用戶邏輯等功能模塊都集成到一個(gè)FPGA芯片里，構(gòu)建一個(gè)可編程的片上系統(tǒng)。在分析各種車輛后視攝像，倒車?yán)走_(dá)的基礎(chǔ)上，增加高清視頻顯示，精準(zhǔn)語(yǔ)音報(bào)警，將雷達(dá)測(cè)距與汽車后視攝像兩者優(yōu)勢(shì)更好的融合起來(lái)，讓駕駛員在倒車、變道時(shí)，可以直接通過(guò)安裝在汽車駕駛室內(nèi)的多功能顯示屏，無(wú)需扭頭，就能清楚地觀察汽車車后景況，準(zhǔn)確得知車與障礙物的距離。

1、汽車電子后視鏡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

汽車電子后視鏡主要功能是汽車在倒車的過(guò)程中，能為駕駛者提供高清的后視景顯示圖像和精確的車尾障礙物與車的距離數(shù)據(jù)，并輔助有相應(yīng)的語(yǔ)音報(bào)警提醒功能。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用可編程的片上系統(tǒng)SOPC技術(shù)將處理器、存儲(chǔ)器、I/O接口等模塊集成到一個(gè)可編程器件FPGA上。系統(tǒng)FPGA器件選用Altera公司的CycloneⅡ系列的EP2C35，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)汽車防盜自動(dòng)報(bào)警、倒車影像和車內(nèi)攝像、USB數(shù)據(jù)傳輸和CAN總線控制器接口等功能。整個(gè)系統(tǒng)可劃分為圖像采集及轉(zhuǎn)換、圖像及信息顯示、超聲波測(cè)距、語(yǔ)音播報(bào)及警告、溫度測(cè)量等部分。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 汽車電子后視鏡系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

CMOS圖像傳感器將采集到的圖像數(shù)據(jù)送到FPGA中，處理后數(shù)據(jù)經(jīng)LCD控制電路送往LCD屏上顯示。超聲波測(cè)距電路共有左右兩個(gè)通道，利用頻率為40kHz和25kHz兩種超聲波脈沖測(cè)量障礙物的距離及車輛的相對(duì)速度，隨后進(jìn)行危險(xiǎn)評(píng)估再將相關(guān)的信息顯示在LCD 屏上，并播報(bào)距離測(cè)量結(jié)果，然后控制報(bào)警電路發(fā)出急促程度不同的警示音。

2、汽車電子后視鏡系統(tǒng)主要功能模塊的設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)主要由FPGA芯片、超聲波測(cè)距模塊、高速圖像采集模塊、語(yǔ)音提醒模塊及顯示模塊構(gòu)成，這里主要介紹超聲波測(cè)距模塊和圖像采集模塊的功能。

2.1 超聲波測(cè)距

超聲波測(cè)距中如果使用較高頻率的超聲波，則會(huì)因空氣吸收較大而較快衰減，因此測(cè)量距離較短；由于空氣對(duì)超聲波的吸收與超聲波頻率的平方成正比，因此降低超聲波的頻率能增大測(cè)距范圍，但是如果頻率太低，測(cè)距的絕對(duì)誤差較大。為了兼顧測(cè)距范圍和精度，設(shè)計(jì)中采用40kHz 和25kHz兩種超聲波測(cè)距。對(duì)于近距離的目標(biāo)，首先用高頻超聲波探測(cè)，測(cè)量絕對(duì)誤差較?。粚?duì)于遠(yuǎn)處的目標(biāo)，由于高頻超聲波被空氣吸收而大幅衰減，所以回波只有低頻超聲波，此時(shí)測(cè)量絕對(duì)誤差稍大，但因測(cè)距范圍大因此仍可接受。接收到的超聲波信號(hào)經(jīng)放大、比較等處理后送給NiosII的PIO口，使PIO口產(chǎn)生中斷，通過(guò)執(zhí)行中斷服務(wù)程序獲取超聲波傳播時(shí)間，再根據(jù)測(cè)得的環(huán)境溫度計(jì)算出障礙物的距離，由連續(xù)兩次測(cè)量情況計(jì)算出相對(duì)速度。

2.2 高速圖像采集

采集模塊的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。本系統(tǒng)選用的FPGA芯片是Altera公司最新推出的Cyclone Ⅱ系列的EP2C35。該芯片具有35000個(gè)邏輯單元、672個(gè)引腳、475個(gè)用戶自定義I/O接口、35個(gè)嵌入式乘法器和4個(gè)鎖相環(huán),是一個(gè)集成度極高和功能強(qiáng)大的FPGA芯片。在FPGA中設(shè)計(jì)有NiosⅡ軟核處理器和掛接在該NiosⅡ系統(tǒng)的Avalon總線上的I2C配置接口模塊、先入先出控制接口(FIFO）、存儲(chǔ)器控制接口(SDRAM)。DMA控制器(DMA)和用于定時(shí)中斷的通用并行接口(PIO)等模塊。FPGA外連接有視頻解碼芯片(ADV7181)、圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊(SDRAM)和定時(shí)中斷等。

圖2 高速圖像采集硬件結(jié)構(gòu)原理圖

采集模塊以在FPGA芯片EP2C35上配置的NiosⅡ軟核處理器作為控制核心，并在Avalon總線上掛接相應(yīng)的接口模塊，與FPGA的外圍單元共同完成圖像采集功能。在設(shè)定的定時(shí)時(shí)間內(nèi)，產(chǎn)生一次定時(shí)中斷，經(jīng)過(guò)I2C配置好后的視頻解碼芯片ADV7181將來(lái)自CMOS的視頻信號(hào)進(jìn)行解碼,并從輸出端交給FIFO控制接口進(jìn)行先入先出式緩存。當(dāng)FIFO存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)達(dá)到設(shè)定的容量域值時(shí),向DMA控制器請(qǐng)求一次DMA傳送。DMA控制器接收請(qǐng)求后就完成一次FIFO到SDRAM之間的一次DMA傳送。在定時(shí)時(shí)間內(nèi)多次重復(fù)FIFO到SDRAM之間的DMA傳送，在達(dá)到設(shè)定次數(shù)后將SDRAM的視頻數(shù)據(jù)通過(guò)Avalon總線發(fā)送到LCD顯示模塊上。

2.3 語(yǔ)音播放及溫度測(cè)量

語(yǔ)音播放電路主要由錄放音電路ISD4002、功放電路LM386等組成。NiosII通過(guò)I/O口模擬SPI時(shí)序?qū)崿F(xiàn)對(duì)ISD4002 的控制，以中斷的方式處理ISD4002中各段的播放從而實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音的連續(xù)播放。溫度測(cè)量電路主要由數(shù)字溫度傳感器LM75構(gòu)成。

3、汽車電子后視鏡系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件構(gòu)架了超聲波測(cè)距、后視攝像、語(yǔ)音提醒及液晶顯示基本功能之后，系統(tǒng)軟件所實(shí)現(xiàn)的功能主要是針對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的處理與應(yīng)用。根據(jù)系統(tǒng)硬件的模塊化劃分，系統(tǒng)軟件需要完成的功能有：

（1）為保證汽車電子后視鏡系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行，系統(tǒng)需要對(duì)各硬件設(shè)備進(jìn)行初始化，初始化對(duì)象包括測(cè)距設(shè)備、視頻設(shè)備、語(yǔ)音報(bào)警設(shè)備等。

（2）針對(duì)測(cè)距系統(tǒng)，需要在FPGA芯片中由軟件產(chǎn)生一連串的超聲波脈沖信號(hào)，并控制超聲波發(fā)射與接收，最后計(jì)算出距離。

圖3 汽車電子后視鏡系統(tǒng)程序流程圖

（3）在后視攝像系統(tǒng)中，需要驅(qū)動(dòng)攝像頭對(duì)視頻圖像采集的控制，及圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及調(diào)用圖像處理算法對(duì)圖像進(jìn)行處理。

（4）語(yǔ)音提醒系統(tǒng)中，調(diào)用距離判定子程序?qū)y(cè)得的實(shí)時(shí)距離進(jìn)行判定，根據(jù)判定結(jié)果選擇對(duì)應(yīng)的語(yǔ)音提醒。

針對(duì)這些需要實(shí)現(xiàn)的功能，軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，由主程序、測(cè)距系統(tǒng)子程序、后視攝像子程序、語(yǔ)音提醒子程序等組成。將各模塊獨(dú)立來(lái)實(shí)現(xiàn)，提供程序的靈活性、層次性和可擴(kuò)展性。主流程如圖3所示。

4、結(jié)束語(yǔ)

基于SOPC的汽車電子后視鏡系統(tǒng)主要是針對(duì)汽車在倒車過(guò)程中人通過(guò)后視鏡觀看車后障礙存在困難，無(wú)法實(shí)現(xiàn)安全倒車而設(shè)計(jì)的。該系統(tǒng)利用CMOS 圖像傳感器采集車輛后方的圖像并實(shí)時(shí)顯示在LCD屏上，同時(shí)利用雙頻超聲波實(shí)現(xiàn)了大范圍、高精度的測(cè)距，使駕駛者及時(shí)、準(zhǔn)確、全面地掌握車輛后方的情況，極大地提高了倒車的安全性。再加上SOPC技術(shù)在軟、硬件設(shè)計(jì)上的可裁減和很方便移植等優(yōu)點(diǎn)，可大大縮短系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)周期，有很好的應(yīng)用前景和科研價(jià)值。

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Research and Design on automotive electronic rear-view mirror system based on SOPC

Ye Shengwei, Hu Yanjiao
（AnHui JiangHuai Automobile Group CO., LTD. Technical Center, Anhui Hefei 230601）

Generally speaking, drivers observe the status after the vehicle through traditional rear-view mirror in the process of reserving the car. However, invisible comer, blurred and inaccurate vision may happen in this observation as well as some other situations just like this, which often lead to the fact that the drivers cannot reverse their cars safely. In order to make up the disadvantages of the traditional rear-view mirror, A design of automotive electronic rear-view mirror system based on SOPC is presented, is easy to deal with the current automotive electronic design which needs flexibility, stability, low cost and fast developments.

automotive electronic; electronic rear-view mirror; SOPC

TP274.2

A

1671-7988 (2017)10-75-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.10.026

葉圣偉（1987-），男，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心。