【文章內(nèi)容簡介】 這是我們 CPLD 邏輯單元就會選擇它需要的像素單元，選定之后的信號就會被系統(tǒng)通過總線傳送到模擬信號處，在經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字信號。這個邏輯單元 CPLD 對像素列陣的掃描是逐行和隔行兩種方式的。輔助電路主要就是用于光電信號的處理和輸出的任務。 視頻的采集方案 攝像頭 是記錄人們生活的一種工具，在其他方面也有很多的用途，例如遠程會議，交通管理，商場監(jiān)控等等。近些年，隨著技術的升級，許多技術都有了很大的提升，其中圖像傳感技術對于成像的畫質(zhì)有 了 很大的提升，于此 ，攝像頭的價格也下降了很多。攝像頭在人們生活中變成了不可或缺的物品。 攝像頭 分 為兩類。 一類 是數(shù)字式的攝像頭，數(shù)字式攝像頭 的作用就是 可以把采集設備采集到的模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號， 之后 PC 機就把這些視頻存貯下來。 模擬式攝像頭是把采集到的視頻信號必須通過某種特定的視頻采集卡將模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，并且將其進行壓縮之后才可以傳輸?shù)接嬎銠C上進行運用。 現(xiàn)在一般的地方都是使用數(shù)字式的攝像頭。 在 設計 基于 ARM 的 防追尾小車 時， 考慮到要求視頻要實時顯示和實用化兩方面的具體要求，需要做出一個成像速度快、清晰、集成度高的視頻采 集系統(tǒng)，因此我們采用了一款 帶有 FIFO 的 攝像頭，這個攝像頭有自己的緩存結(jié)構，還有一個 CPLD 邏輯片機器，這些設備為設計帶來了很大的便利，其中 FIFO 因為和攝像頭在一起，加快了成像的速度，對于視頻信號的采集和讀取一起進行。這個攝像頭的電路非常的簡單，易于安裝，對我起到了很大的幫助，而且系統(tǒng)也非常的穩(wěn)定、可靠性也非常的的高 [3]。 本課題設計的視頻采集器件我們擬采用 OV7670 為芯片的攝像頭 ，該芯片與攝像頭集成于一體。 該采集器 是一款高集成的視頻采集芯片，通過 ARM 系統(tǒng)對其進行控制，便可以實現(xiàn)視頻的采集了。 這塊攝像頭是 OmniVision 公司推出的，它的需要的工作電壓非常的低，其特性有以下幾點： （ 1） 支持 VGA 和 40*30 尺寸的 CIF。 （ 2） 有標準的 SCCB 接口，兼容 I2C 總線接口。 （ 3） 對于紅外線能非常敏銳的檢測出來。 齊齊哈爾大學畢業(yè)設計（論文） 6 視頻處理芯片的分析 嵌入式的快速發(fā)展使其在攝像領域得到了很廣泛的應用。目前一般的實驗中用到的攝像頭大概分四種，一種是 DSP 攝像頭， 這種攝像頭的優(yōu)點就是其運算能力，非常的快，非常的靈活，編程也非常的簡單，但是這種攝像頭對于控制要求比較多的設備就不能應用。由于 FPGA 芯片具有數(shù)據(jù)的同時處理的功能，所以適合實現(xiàn)視頻算法，而且具有流水線的結(jié)構。但是 做 實物的時候要考慮到并行處理時的編程不好實現(xiàn)，而且這種芯片的價格普遍較高、體積大、耗能較高，所以很難被本設計采用 [4]。 ASIC，由于 它 的視頻編碼和解碼不靈活限制了 它 的應用，而且需要更多的時間來完成，通用性又很低，所以不能應用于本設計。還有一種芯片是嵌入式的 ARM 芯片對于視頻信號的采集和視頻信號的處 理都比較的快，而且價格較低，應用的范圍比較廣，而且通用性非常的高，實時操作性強，因此非常適合用于控制比較復雜的設計中，但是這種芯片的計算能力比較弱，短時間完成數(shù)據(jù)的運算是不可能的，所以處理一些要求低的視頻設備是可以實現(xiàn)的。這些芯片都各有各的優(yōu)點和缺點， 所以選擇時 需要逐個的比較其功能和實用性 。 本 文的防汽車追尾碰撞 系統(tǒng)的圖像處理主要是對 30 萬 像素 CMOS 圖像傳感器的信號進行采集和處理，圖片尺寸較小、計算量不大、實時性要求不是很高，因此，從實現(xiàn)功能單方面來講，采用 ARM 處理器可以滿足本系統(tǒng)對視頻性能的要求。 還有 自帶的緩存芯片 AL422B，由這個芯片支持的 FIFO 可以幫助攝像頭存貯采集到的信號。 AL422B芯片主要由下列特性： （ 1） 自己能讀寫，對于不同速率的 I/O 接口都可以接受 ； （ 2） 同時存取 ； （ 3） 20ns 為一個讀寫周期。 視頻的壓縮 與 傳輸方案 對于各視頻來說，其壓縮的過程是整個技術的核心，因為我們這個設計是防追尾小車，所以我們要用到的視頻壓縮方法是實時壓縮，實時壓縮也正是用處很廣泛的方法。 本設計編碼芯片選用 STM32F103RCT6，視頻壓縮也是通過 ARM 系統(tǒng)來控制STM32F103RCT6 芯片來進行的 ，將采集到的視頻經(jīng)過 ARM 系統(tǒng)進行壓縮，該壓縮是高比例壓縮。 視頻的傳輸就是把攝像頭采集來的信號進行傳輸，一般的傳感器分為 CCD（ charge couple device） 傳感器和 CMOS(plementary metal oxide semiconductor)傳感器，下面我就來比較一下這兩種傳感器各方面的特性，在以前的應用中，由于 CMOS 傳感器成型不清晰的緣故， CCD 傳感器就一直被最為主流的傳感器被大家使用者，但是隨著科 齊齊哈爾大學畢業(yè)設計（論文） 7 技的發(fā)展， CMOS 傳感器的集成度也越來越高，所以成像的效果也大幅度的提高了，下面我們來對比下這兩種傳感器，以便于我們來選擇。 CCD 對于 CMOS 相比靈敏度上高，噪聲上小，這都是 CCD 的一些優(yōu)點，但是 CCD 功耗高，生產(chǎn)成本高，這就限制了 CCD傳感器的應用 [5]。而且 CMOS 傳感器的傳輸速度高于 CCD 傳感器， CMOS 傳感器的邏輯擺幅大，高電平和低電平分別與電源的高電平、低電平相近，并且它的穩(wěn)定性比較好，它內(nèi)部的結(jié)構大多數(shù)都是對稱的，消耗的功率就比較少，發(fā)熱也就少了，接口也是非常的方便，因為輸入的阻抗比較高，所以容易驅(qū)動。綜上所述，我們選擇了 CMOS 傳感器。 超聲波測距方案 超聲波測距主要就是利用超聲波內(nèi)的兩個壓電晶片和一個共振板， 當它的兩級外 加脈沖信號 相同 ，其頻率等于 超聲波的兩個 壓電晶片的固有振蕩頻率時， 共振板由壓電晶片共振引起的震動會產(chǎn)生超聲波。 超聲波電路是由發(fā)射端和接收端組成的，發(fā)射端發(fā)出脈沖方波，它的寬度是發(fā)射端和接收端的時間間隔，而且它的寬度是隨著測距的遠近來變化的，越遠就越寬。接收端就是來接收發(fā)出的脈沖 [6]?，F(xiàn)在主流的一些測距方法有 以下 幾種 : 一種叫相位檢測，這種測試方法精度很高，可視檢測范圍比較小，還有一種叫聲波幅值檢測法，它的超聲波易受到反射波的影響。所以 相位檢測法適合于本設計，我們選擇這個測法。 其原理為：超聲波發(fā)射端輸出 40KHz的脈沖信號，內(nèi)部振子處理脈沖信號產(chǎn)生機械振動，這些脈沖串通過空氣傳播，被測面接到脈沖信號之后，在接收端處理 正弦波 信號，超聲波發(fā)出到接收的這段時間就是往返時間。時間乘上聲速就是傳輸距離。但是我們測的距離是實際的一半，所以可由下公式表示： CTL 21? (21) 上 式中， L為待測距離， C為超波的聲速， t為往返時間。采用微處理器脈沖計數(shù)的方法．可以精確地測出 t的值。假設微處理器的周期為 T機，則 t=N*T，則探測距離可由下公式 表示： 221 TNcCTL ???? (22) 齊齊哈爾大學畢業(yè)設計（論文） 8 第 3章 防汽車追尾碰撞 系統(tǒng)硬件設計 硬件系統(tǒng)的構成 本設計 的硬件設計包括三部分 :用于視頻采集的攝像頭 設計、 顯示屏設計 、 超聲波 設計。 STM32F103ZET6 作為本系統(tǒng)的核心，主要負責 處理圖像采集到的信息和超聲波 信號 ，設置和控制 LCD 顯示屏顯示 車后路況 ，檢測參數(shù)設置和操作， 發(fā)出 命令控制 視頻采集 模塊采集圖像信息，讀取和解析模塊接到的 命令 ，訪問 FIFO 操作文件 ,圖像通訊系統(tǒng)在微控制器 STM32F103ZET6 的控制下，主要完成圖像采集和處理、存儲圖像信息到FIFO 儲存器 中、通過 COMS 傳輸圖像和發(fā)送 /接受 信息； 電源系統(tǒng)由外部直流電源和 鋰電池組成，為系統(tǒng)各個功能模塊提供合適的電壓和電流等。當有外部直流電源時，系統(tǒng)由外部電源供電，同時，外部電源對 鋰 電池進行 充電。當外部電源意外斷電時，系統(tǒng)自動無縫切換到 鋰 電池供電。監(jiān)控終端硬件框架如圖 31 所示。 O V 7 6 7 0 攝 像 頭采 集S T M 3 2 F 1 0 3Z E T 6 主 控 芯片電 源 系 統(tǒng) （ 外部 電 源 和 鋰 電池 )2 . 8 寸 T F T 顯 示屏 超 聲 波 測 距主 控 芯片 圖 31 系統(tǒng)硬件的框圖 STM32F103RCT6主控系統(tǒng)硬件設計 該部分主要包括最小微控制器系統(tǒng)設計、 超聲波發(fā)出、接收 、控制、差分放大、濾波 電路的設計 、 LCD 屏接口電路設計、與 OV7670 攝像頭 電路設計。 齊齊哈爾大學畢業(yè)設計（論文） 9 最小微控制器系統(tǒng)設計 本系統(tǒng)最小微控制器系統(tǒng)由復位電路、石英晶振電路、啟動配置電路、 JTAG 調(diào)試接口電路組成。 最小微控制器 具體如下圖 32。 圖 32 最小微控制器 石英晶振電路的設計 石英晶振蕩電路設計：輸入一個時鐘信號使時序電路工作，本設計的微處理器就是一個時序電路。 STM32103RC 微控制器外部的時鐘源可以使用，還有內(nèi)外部的晶振，內(nèi)部還有調(diào)整電路的 PLL 電路，使系統(tǒng)運行的更順暢 [7]。雖然在經(jīng)過技術工人調(diào)整的 RC振蕩器已經(jīng)很精準了，但是為了使設計更加的完善，提高系統(tǒng)的可靠性。本設計的 控制器 STM32F103RC 的時鐘源 還是采用了一個 8MHz 和 石英晶振。微控制器上電復位之后，微控制器 STM32F103RC 選用 8MHz 的石英晶振作為系統(tǒng)的時鐘源。為 此我們要用軟件設置微控制器，讓外部石英晶振作為時鐘源。具體的電路圖如 33 所示。 齊齊哈爾大學畢業(yè)設計（論文） 10 圖 33 石英晶振電路 復位電路的設計 復位電路 設計：一般微控制器工作出現(xiàn)問題的原因就是因為其上電狀態(tài)不確定。為此我們需要構建一個復位邏輯電路來解決這個問題，這個電路的功能就是確定微處理器的初始狀態(tài)，這時我們就需要個外部電路提供一個復位信號。當邏輯到達 “0”狀態(tài)時，STM32F103RC 的復位引腳進入復位狀態(tài)，這個過程需要一定的復位時間，其時間與復位閘閥值相等，還有微控制器供電電壓，內(nèi)部 RC 振蕩器輸出 時鐘時間都是一樣的。為了給復位預留足夠的時間，我們給 200ms 作為復位時間，并且使其始終工作在 電壓下 [8]。 STM32F103RC 的 RESET引腳和 JATG 接口電路的復位腳與 RC 充電復位電路相連。具體電路如圖 34 所示。 圖 34 復位電路 電源電路的設計 電源電路設計，電源電路是設計的核心，作為系統(tǒng)的能源非常重要。 這個電源電路的作用就是用來控制電壓的，因為本設計使用的電池是 的鋰電池，所以我們需要這個電路來變化電壓，經(jīng)過電路的穩(wěn)壓處理之后，電源就可以保持在 [9]。具體的電路圖如圖 所示。 齊齊哈爾大學畢業(yè)設計（論文） 11 圖 35 電源電路設計 調(diào)試電路的設計 調(diào)試接口電路設計 ,本設計采用的調(diào)試接口是 SWD/JTAG 口，這是 ARM 芯片標準的調(diào)試接口。我們將 JTAG 的部分功能引腳作為復用，作為 主要 功能使用 [10]。 具體電路如圖 36 所示。 圖 36 JTAG 電路 齊齊哈爾大學畢業(yè)設計（論文） 12 啟動配置電路電路的設計 這部分電路主要是用于開啟電路，其中含有復位電路，和啟動電路，當電源