摘要：采用S3C2440微處理器為控制芯片，基于嵌入式Linux操作系統(tǒng)設計了一種安全可視化倒車系統(tǒng)。通過嵌入式Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核驅動USB攝像頭實時地監(jiān)控車后狀況，通過超聲波測距結果與閾值的比較來啟動語音報警模塊以提醒駕駛員注意。經(jīng)實驗驗證，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，采集的視頻圖像清楚且實時性高，能夠滿足可視化倒車的要求。
關鍵詞：S3C2440；視頻圖像采集；超聲波測距；語音報警

引言
    電子信息與數(shù)字圖像處理技術目前已被廣泛地應用在各個領域，車載系統(tǒng)的信息化已成為現(xiàn)代汽車業(yè)的重要標志?，F(xiàn)在的倒車雷達系統(tǒng)可以為駕駛者提供許多幫助，多數(shù)采用超聲波測距技術，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”。假如能為現(xiàn)有的倒車系統(tǒng)增加一個可視功能，那么駕駛員在倒車時不必回頭就可清楚車后的情況。本文設計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)核驅動USB攝像頭實現(xiàn)車后狀況實時監(jiān)控，通過判斷超聲波測距是否達到閾值來啟動語音報警功能。

1 系統(tǒng)方案設計
    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、語音報警模塊與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533 MHz，處理速度快。采用軟件編程技術實現(xiàn)對其外圍電路的控制，并提供外圍電路所需的各種信號，簡化了外圍電路的設計難度。

2 系統(tǒng)硬件設計
2．1 主控模塊
    以S3C2440為核心的主控模塊硬件平臺的組成如圖2所示。

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構成，使用CPU內(nèi)部的PWM定時計數(shù)器輸出的40 kHz方波信號。

    一路經(jīng)一級反相器(U1C與U1E并聯(lián)組成一級)后送到超聲波換能器的一個電極(T1的1腳)；另一路經(jīng)兩級反相器(U1D為第一級，U1B和U1A組成第二級)后送到超聲波換能器的另一個電極( T1的2腳 )。用這種推換形式將方波信號加到超聲波換能器的兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強度。輸出端采兩個反相器并聯(lián)，以提高驅動能力。上位電阻R1、R2一方面可以提高反相器74LS04輸出高電平的驅動能力，另一方面可以增強超聲波換能器的阻尼效果。
2．3 超聲波接收電路
    超聲波接收電路原理圖如圖4所示。CX20106A是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機紅外遙控接收器。其優(yōu)點是簡單易用，電路連接簡單，且減少了生產(chǎn)調(diào)試的麻煩。當CX20106A接收到40 kHz的信號時，會在第7腳產(chǎn)生一個低電平下降脈沖，這個信號可以接到ARM的外部中斷引腳作為中斷信號輸入。

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)字攝像頭。與模擬攝像頭相比，其優(yōu)勢在于：CMOS圖像傳感器能直接產(chǎn)生圖像原始數(shù)據(jù)；硬件支持標準的JPEG壓縮；具有主流高速的USB總線設備接口等。對攝像頭而言，USB總線的上的信息傳輸類型通常采用的是實時傳輸。USB設備端提供若干通信端口，主機與端口間建立起邏輯上的通信管道，進行數(shù)據(jù)傳輸。在攝像頭的設備初始化階段，主機與0號端口通信，驅動程序檢測攝像頭型號和所有端口信息。進入數(shù)據(jù)傳輸階段，主機與探測到的實時輸入端口建立通信管道，實時回傳攝像頭拍攝到的圖像數(shù)據(jù)。
2．5 語音報警模塊與LCD顯示模塊
    語音報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中文語音合成芯片。它是一款針對嵌入式應用領域而設計的單芯片處理器，具有合成任意中文文本的能力。XF-S3011通過串口(UART)接收上位機發(fā)送的命令和數(shù)據(jù)，命令和數(shù)據(jù)是以幀的方式進行封裝與發(fā)送，允許發(fā)送的數(shù)據(jù)最大長度為200個字節(jié)。其驅動電路是用三極管驅動方式設計的。當超聲波測得的距離小于所設置的閾值時，由S3C2 440發(fā)送控制命令給XF-S3011，啟動語音報警提醒駕駛員注意。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設備來驅動LCD。

3 系統(tǒng)軟件設計
    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、功能強大、支持多種硬件平臺等特點。首先，在一臺裝有Linux操作系統(tǒng)的PC機(宿主機)上建立一個交叉編譯開發(fā)環(huán)境，把S3C2440控制模塊作為目標板。然后，采用移植性較好的C語言在PC機上編寫本設計所需的底層驅動程序及頂層的應用程序，再利用交叉編譯調(diào)試工具編譯、鏈接生成可執(zhí)行代碼，最后向目標板移植。
3．1 視頻圖像采集及LCD顯示程序的設計
    第l步，采用動態(tài)加載ZC0301組芯片的USB攝像頭驅動程序spca5xx。此驅動程序源代碼由4個部分組成：設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，打補丁。在編譯系統(tǒng)內(nèi)核時，在arm linux的kernel目錄下進行make menueonfig；在<*>下選擇Multimedia device下的Video for linux，加載Vide04linux模塊，為視頻采集設備提供編程接口函數(shù)
和相關數(shù)據(jù)結構；(M)選中SPCA5XX這一項。
    第2步，使用Linux的Video4linux來訪問USB攝像頭設備，進行視頻圖像采集，捕獲實時的數(shù)據(jù)流。程序流程如圖5所示。

    為程序定義數(shù)據(jù)結構：

    本設計是通過MiniGui加載jpeg來實現(xiàn)LCD實時顯示USB攝像頭采集到圖像的。在編譯程序時，加上了jpeg庫的支持。編程的思路就是不斷地從攝像頭采集圖像并存儲在／tmp／l．jpg中。在Linux圖形用戶界面支持系統(tǒng)MiniGUI中，通過loadbitmap函數(shù)來加載圖像，而圖像加載后不會自動更新，不能根據(jù)1．jpg的改變自動變化。因此，在程序中要設定一個定時器，每隔100 ms刷新屏幕，基本上實現(xiàn)了實時更新。
3．2 超聲波測距驅動程序的設計
    超聲波發(fā)生程序的作用是由PWM定時計數(shù)器產(chǎn)生一個超聲波信號頻率約40 kHz的方波。采用Timer0，同時把Timerl打開進行計時。超聲波測距器主程序利用外部中斷檢測返回的超聲波信號，一旦發(fā)現(xiàn)立即進入中斷程序。進入該中斷后立即關閉Timerl停止計時，并將測距成功標志字賦值1。各程序流程如圖6～圖8所示。

    當主程序檢測到接收成功的標志位后，按下式計算即可得到車尾與障礙物之間的距離(設計時取20℃時的聲速C為344 m／s)：
    S=(C·T1)／2
    其中，T1為計數(shù)器Timerl的計數(shù)值。
    該部分程序可設計為Linux下字符設備驅動程序。要使用Linux系統(tǒng)提供一個設備驅動接口函數(shù)struct file_operations的數(shù)據(jù)結構，來實現(xiàn)超聲波傳感器設備的打開、讀寫、釋放和控制。定時器和外部中斷相關寄存器的初始化和參數(shù)的設定都是在open()接口函數(shù)中完成的。在此設備驅動程序中定義的。file_operations的數(shù)據(jù)結構為：

    s3c2440_sonar_open()函數(shù)用于打開的設備。s3c2440_sonar_rcad()和s3c2440_sonar_write()函數(shù)用于讀寫設備。s3c2440_sonar_re-lease()函數(shù)完成中斷的釋放。s3c2440_sonar_ioctl()函數(shù)用于控制設備中定時中斷和測距值，由copy_to_user()函數(shù)和put_user()函數(shù)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞，在應用程序下打開設備，實現(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()實現(xiàn)設備的初始化、中斷初始化及處理、設備注冊等。static void s3c2440_sonar_exit()用于模塊卸載時中斷停止、資源的釋放等。
3．3 語音報警程序設計
    當所測距離值小于閾值時，由S3C2440發(fā)控制命令給XF-S3011，啟動語音模塊。組成一個語音合成命令幀的部分代碼如下：

    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XF-S3011設備文件，然后將此命令幀寫入該文件，最后關閉設備文件。

結語
    本文采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)和三星公司S3C2440微處理器設計的可視與語音報警為一體的安全倒車系統(tǒng)，具有較高的實用價值。在顯示視頻圖像處理的過程中，能夠通過超聲波對車尾與障礙物之間進行測距，當測距值小于預設定的距離時會有語音對駕駛員進行報警提示。經(jīng)實驗驗證，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，能讓駕駛員準確地把握車后路況，提高了倒車安全性。