無(wú)盲區(qū)車載全景影像倒車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

鞠劍平，吳思華，呂 毅，潘飛平

(1湖北工業(yè)大學(xué)商貿(mào)學(xué)院，湖北武漢430079;2武漢工程大學(xué)國(guó)際學(xué)院，湖北武漢430074)

可視倒車系統(tǒng)就是汽車輔助系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，其主要功能是幫助司機(jī)克服行車盲區(qū)的困擾［1］。早期的汽車倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)雖然能夠偵測(cè)盲區(qū)范圍內(nèi)的障礙物，但是它只能夠識(shí)別與雷達(dá)在一個(gè)水平面的障礙物。其后出現(xiàn)的由一個(gè)車載后視攝像頭和車載顯示屏組成的影像倒車系統(tǒng)，可以清晰看到車后的狀況，解決了車后方的視覺盲區(qū)問題，但對(duì)于轉(zhuǎn)彎過程中的車輛正前方及左右側(cè)仍然存在視覺盲區(qū)。因此，研究可以消除車輛四周視覺盲區(qū)的全景影像倒車系統(tǒng)具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

本文所設(shè)計(jì)的車載全景影像倒車系統(tǒng)由分別安裝在車輛前格柵或車標(biāo)、左右側(cè)門后視鏡及尾門的4個(gè)指向地面的高清攝像頭來收集車身四周的實(shí)時(shí)影像數(shù)據(jù)，然后利用圖像處理技術(shù)實(shí)時(shí)在車載DVD的屏幕上顯示1個(gè)、2個(gè)、3個(gè)或4個(gè)攝像頭的車身四周全景影像信息。

1 主要元器件的選擇

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)所涉及的主要元器件包括:核心控制芯片、圖形處理專用芯片以及與圖形處理芯片相配套的SDRAM芯片。

本系統(tǒng)核心控制CPU選擇的是STM32系列CPU，而沒有選擇一般常見的8位和16位單片機(jī)，主要原因如下:1)本系統(tǒng)由于需要控制實(shí)時(shí)視頻圖像的輸出，需要CPU有較高主頻，而8位51兼容型單片機(jī)主頻一般為6～40 MHz，不能滿足要求;2)STM32系列微控制器I/O引腳較多，板載資源豐富，集成度高，便于系統(tǒng)將來外接SD卡，實(shí)現(xiàn)行車記錄儀等擴(kuò)展功能［2］;3)STM32系列微控制器基于先進(jìn) Cortex-M3架構(gòu)，同系列 CPU間引腳相互兼容，便于將來硬件升級(jí)時(shí)更換同系列主頻更高的CPU。

由于本系統(tǒng)需要對(duì)四路輸入視頻進(jìn)行處理，控制輸出一路視頻，故除有控制芯片外，還需要有專用于圖像處理的DSP芯片。對(duì)于進(jìn)行圖像處理的DSP芯片，沒有選擇常見的TI公司的C6000系列DSP，而是選用了TECHWELL公司推出的TW2824視頻處理芯片，原因如下:1)TI公司的C6000系列DSP，其功能強(qiáng)大，使用靈活，對(duì)開發(fā)人員有較高要求，需要開發(fā)人員有較強(qiáng)圖像處理算法方面的編程經(jīng)驗(yàn)，而TECHWELL公司的TW2824視頻處理芯片屬于硬件固化型的DSP芯片，該芯片所用到的基本算法已固化到DSP芯片中，用戶主要通過設(shè)置相關(guān)寄存器的值來完成相關(guān)功能的實(shí)現(xiàn)，大大降低了開發(fā)難度;2)TW2824具有視頻輸入、動(dòng)態(tài)檢測(cè)、視頻控制、OSD疊加、視頻輸出和多片級(jí)聯(lián)等功能，可應(yīng)用于模擬矩陣視頻切換系統(tǒng)、4/8/16路DVR、車載后視系統(tǒng)等眾多領(lǐng)域，在車載電子領(lǐng)域其可靠性得到了充分的保障［3］，而 TI公司的 C6000系列 DSP屬于通用的圖形處理芯片，不是針對(duì)車載電子進(jìn)行專門設(shè)計(jì)的芯片;3)TW2824內(nèi)部集成有4路模擬復(fù)合視頻輸入接口，能夠直接將4路模擬輸入視頻信號(hào)進(jìn)行ADC轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生相應(yīng)的數(shù)字視頻信號(hào)，如采用TI公司的 C6000系列 DSP，則需要外接如TVP5158等型號(hào)的專用4路視頻解碼芯片，這樣不僅會(huì)增加硬件成本，而且會(huì)增大電路板面積;4)TW2824的價(jià)格遠(yuǎn)低于TI公司的C6000系列DSP，且采用TW2824制版工藝較為簡(jiǎn)單，只需制成雙面板，而如果采用C6000系列DSP，核心板通常需要制成6～8層多層板。

使用TW2824進(jìn)行圖像處理時(shí)，需要配套連接兩片SDRAM。根據(jù)TW2824的用戶手冊(cè)，其配套使用的是第一代SDR SDRAM。

2 設(shè)計(jì)方案

車載全景影像倒車系統(tǒng)的控制電路板通過車載DC12V輸入電源信號(hào)，4路攝像頭視頻輸入控制電路板，由控制電路板上的視頻處理芯片對(duì)視頻圖像進(jìn)行處理，處理以后的圖像通過控制電路板上唯一的輸出接口輸出到車載DVD的屏幕上(將輸出接口與原車顯示器或者后視鏡/儀表臺(tái)顯示器支持AV輸入對(duì)插即可)。

汽車啟動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入開機(jī)狀態(tài)。當(dāng)司機(jī)打左(右)轉(zhuǎn)向燈時(shí)，左(右)轉(zhuǎn)向燈觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)控制電路板相關(guān)引腳，從而控制視頻輸出接口的信號(hào)，自動(dòng)顯示相應(yīng)左(右)攝像頭畫面。任何情況下，當(dāng)司機(jī)倒車時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)顯示后視攝像頭畫面，倒車檔復(fù)位后，系統(tǒng)自動(dòng)切換前視攝像頭畫面，15 s后自動(dòng)關(guān)閉。在汽車正常行駛過程中，駕駛員可以通過按鍵控制，切換選擇所顯示的攝像頭。

本系統(tǒng)通過對(duì)外接的4個(gè)攝像頭的視頻信號(hào)進(jìn)行采集處理，并分割畫面顯示在車載DVD的顯示屏幕中。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

攝像頭視頻信號(hào)的動(dòng)態(tài)偵測(cè)、裁剪、縮放是由視頻控制芯片TW2824構(gòu)成的畫面分割電路完成。TW2824由 STM32控制，STM32采用并行方式與TW2824連接，相關(guān)控制信號(hào)連接到STM32上，通過軟件編程實(shí)現(xiàn)STM32控制TW2824選擇視頻信號(hào)進(jìn)行裁剪、縮放，實(shí)現(xiàn)三分屏顯示。同時(shí)使用TW2824提供的OSD技術(shù)，疊加相應(yīng)中英文字符菜單。由于顯示的字符數(shù)目較多，TW2824的內(nèi)部存儲(chǔ)放不下所有待顯示字符，故需外接存儲(chǔ)芯片專用于存儲(chǔ)待顯示的字符點(diǎn)陣字庫(kù)。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)控制電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)只需要使用最基本的I/O引腳控制視頻輸入輸出電路，不需要其他的復(fù)雜功能。從成本上考慮，選擇增強(qiáng)型STM32F103xx系列的微控制器，具體型號(hào)為STM32F103C8T6，封裝為L(zhǎng)QFP-48?；赟TM32的系統(tǒng)控制電路包括STM32最小系統(tǒng)、JTAG仿真接口、控制視頻輸入電路。

本文所設(shè)計(jì)的車載360影像倒車系統(tǒng)通過專用的接口插座，從汽車上獲得系統(tǒng)工作電壓(+12V)，并獲得汽車的左轉(zhuǎn)向、右轉(zhuǎn)向、倒車、車頂燈等信號(hào)，根據(jù)這些信號(hào)，由STM32控制相應(yīng)的左右和前后攝像頭的視頻輸入。

這里以倒車信號(hào)為例說明其工作過程。如圖2所示，當(dāng)汽車啟動(dòng)時(shí)，J1中的 ACC輸出高電平，PB14為低電平。STM32檢測(cè)到PB14為低電平時(shí)，在PA3上輸出高電平，Header4的1號(hào)引腳即為高電平，使倒車攝像頭獲得電源，向TW2824輸入視頻信號(hào)，但此時(shí)倒車攝像頭信號(hào)并沒有顯示在車載DVD的屏幕上。當(dāng)?shù)管囕斎胄盘?hào)輸入高電平時(shí)，PB15輸入為低電平;當(dāng)STM32檢測(cè)到PB15為低電平時(shí)，在PA4上輸出高電平，使得Header4的2號(hào)引腳為高電平。只有當(dāng)PA3、PA4同時(shí)為高電平時(shí)，TW2824才控制輸出端口，將倒車攝像頭信號(hào)顯示到車載DVD的屏幕上。與此同時(shí)，STM32的PB13輸出高電平，使得J1_4輸出高電平，點(diǎn)亮倒車攝像頭上所附帶的補(bǔ)光燈［5］。

3.2 視頻處理電路設(shè)計(jì)

選用PQFP208封裝的TW2824M，其帶有多路復(fù)用(MUX)和雙通道輸出功能。

1)STM32與TW2824的接口電路

TW2824的HSPB引腳可以將HOST總線設(shè)置為串行或并行工作方式。這里將該引腳接地，設(shè)置為并行工作方式，對(duì)應(yīng)引腳 HDAT［0］－HDAT［7］與 STM32的 PA6-PA15相連接。TW2824并行HOST總線的數(shù)據(jù)線和地址線都是復(fù)用的，也就是說TW2824利用相同的引腳既傳送地址又傳送數(shù)值。

TW2824工作在并口方式時(shí)，通過引腳HCSB0和HCSB1來選擇寄存器的頁(yè)，寫使能信號(hào)線HWRB和讀使能信號(hào)線HRDB來完成讀寫控制，地址引腳HLAE在高電平時(shí)表示 HDAT［0］－HDAT［7］上傳輸?shù)臑榈刂沸盘?hào)，當(dāng)它為低電平時(shí)，表示HDAT［0］－HDAT［7］上傳輸?shù)臑閿?shù)據(jù)信號(hào)。

圖2 STM32控制倒車視頻信號(hào)輸入

2)TW2824與SDRAM的接口電路

為了能夠同時(shí)顯示捕獲視頻圖像，TW2824提供了2個(gè)獨(dú)立的視頻控制器，除了接擴(kuò)展 SDRAM存儲(chǔ)器能力不同外，這2個(gè)視頻控制器(2個(gè)視頻處理徑X PATH和Y PATH)是完全相同的。對(duì)于顯示路徑(X PATH)，外接SDRAM的大小是16～512 Mbits。外接的擴(kuò)展存儲(chǔ)器大小只與視頻緩存和回放能力相關(guān)。

如圖3所示，選擇的SDRAM為容量為1M×16bits的 K4S161622。K4S161622內(nèi)部包括 2個(gè)bank，11根行地址線RA0－RA10和8根列地址線CA0－CA7復(fù)用在引腳 A0－A10上，A0－A10與TW2824 X通道地址線 ADDRX［0:10］相連。K4S161622的數(shù)據(jù)總線DATA_D［0:15］與TW2824 X通道的 DATAX［0:15］相連。K4S161622的 BA引腳、WE引腳、CAS引腳和 RAS引腳分別和TW2824的BA0X、WEBX、CASBX和RASBX引腳相連接［6］。

K4S161622的DQM0、DQM1引腳是數(shù)據(jù)輸入輸出屏蔽引腳。DQM1、DQM0分別代表16位數(shù)據(jù)的高、低字節(jié)讀取信號(hào)。當(dāng)讀取數(shù)據(jù)時(shí)，DQM1、DQM0分別用來控制16位數(shù)據(jù)中高低字節(jié)能否被讀取;當(dāng)DQM1、DQM0為低電平時(shí)，對(duì)應(yīng)的高(低)字節(jié)就可以被讀取，如果DQM1、DQM0為高電平時(shí)，對(duì)應(yīng)的高(低)字節(jié)就不能被讀取。當(dāng)向內(nèi)存里寫入數(shù)據(jù)時(shí)，DQM1、DQM0控制數(shù)據(jù)能否被寫入:當(dāng)DQM1、DQM0為低電平時(shí)，對(duì)應(yīng)的高(低)字節(jié)就可以被寫入;如果DQM1、DQM0為高電平時(shí)，對(duì)應(yīng)的高(低)字節(jié)就不能被寫入。

3)TW2824的視頻輸入輸出接口電路設(shè)計(jì)

TW2824具有5個(gè)輸入接口，包括1路數(shù)字視頻信號(hào)輸入和4路模擬視頻信號(hào)輸入。4個(gè)模擬視頻輸入信號(hào)由內(nèi)置的10位ADC和亮度/色度處理器轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)流，每個(gè)通道內(nèi)置的編碼器都有動(dòng)態(tài)偵測(cè)和垂直水平縮放功能，經(jīng)過縮放后的數(shù)字視頻信號(hào)被傳送給后續(xù)的視頻控制部分。

使用TW2824的VIN0A－VIN3A來輸入視頻信號(hào)，而根據(jù)用戶手冊(cè)，不使用的VIN0B－VIN3B要串0.1 μF的電容接模擬地。視頻信號(hào)在送到VIN0A－VIN3A之前先經(jīng)過3階LC無(wú)源低通濾波器進(jìn)行濾波。

TW2824有兩組輸出通道、4個(gè)輸出引腳，分別是 VOUTYX、VOUTCX、VOUTYY、VOUTCY，這里只使用X通道，

將VOUTYX(復(fù)合/亮度信號(hào)輸出)、VOUTCX(復(fù)合/色度信號(hào)輸出)都引出，通過并聯(lián)LC濾波器濾波輸出到接口座，與車載DVD輸入端相連，以便于將輸出視頻顯示在車載DVD的屏幕上。

圖3 TW2824與SDRAM的連接

圖4 TW2824的視頻輸入輸出接口電路

3.3 電源電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中STM32工作電壓為3.3 V，TW2824的數(shù)字電源的工作電壓也為3.3 V，但TW2824的內(nèi)部邏輯單元的工作電壓和ADC、DAC模擬電源的工作電壓為2.5 V，而汽車提供的標(biāo)準(zhǔn)電源電壓為12 V，所以設(shè)計(jì)了相應(yīng)的電壓轉(zhuǎn)換電路:首先用LM2576將12 V電壓轉(zhuǎn)換為5 V電壓，然后使用LM1117_3.3和LM1117_2.5轉(zhuǎn)化產(chǎn)生 3.3 V 和 2.5 V 電壓源［7］。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與調(diào)試

本系統(tǒng)軟件部分主要是對(duì)TW2824的控制器進(jìn)行相應(yīng)操作。TW2824的內(nèi)部寄存器分為3頁(yè)，分別以前綴0x，1x，2x開頭，每頁(yè)寄存器頁(yè)內(nèi)地址為00～ff，256個(gè)字節(jié)。系統(tǒng)并未用到TW2824的所有功能，當(dāng)設(shè)計(jì)不同的系統(tǒng)時(shí)，需要對(duì)寄存器值進(jìn)行不同的設(shè)定。對(duì)TW2824的片內(nèi)寄存器讀寫有串行與并行2種方式，串行方式使用I2C協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)2線連接，傳輸速度可達(dá)到400 Kb/s，而并行方式可達(dá)到更快的傳輸速度［8］。本系統(tǒng)中采用的是并行方式，CSB0和CSB1兩根線用來選擇TW2824內(nèi)部寄存器頁(yè)，在并行的接口方式下，TW2824也支持同寄存器頁(yè)內(nèi)寄存器地址自動(dòng)加1功能，可方便地執(zhí)行同頁(yè)內(nèi)寄存器的連續(xù)地址讀操作或?qū)懖僮?。軟件開發(fā)環(huán)境使用的是RealView MDK，相應(yīng)的軟件流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)程序流程圖

在硬件和軟件都設(shè)計(jì)完成后，給電路板連接12 V電源，系統(tǒng)正常上電，檢查各部分模塊的電壓均為正常。將系統(tǒng)視頻輸出端連接到車載DVD的顯示屏上，系統(tǒng)能夠正常顯示圖像(圖6)。為方便硬件調(diào)試并根據(jù)司機(jī)實(shí)際使用的需求，在電路的電源上增加了一個(gè)按鍵開關(guān)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了以下的功能:

圖6 電路板測(cè)試輸出視頻到車載DVD上

1)長(zhǎng)按5 s可開機(jī)或關(guān)機(jī);

2)短按即按以下順序切換攝像頭:前(前左右三畫面)→左(左全屏)→右(右全屏)→后(后左右三畫面);

3)如果倒車，自動(dòng)切換到倒車的三畫面(后、左、右三個(gè)畫面);

4)沒有倒車，車主可以按動(dòng)開關(guān)切換畫面，切換順序:前(前左右三畫面)→左(左全屏)→右(右全屏)→后(后左右三畫面)。

［1］ 陳紅兵，劉怡俊，李 超.多視角智能可視倒車輔助系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代計(jì)算機(jī)(專業(yè)版)，2014(15):51-57.

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