【文章內(nèi)容簡介】 生成，這是我們 CPLD 邏輯單元就會(huì)選擇它需要的像素單元，選定之后的信號(hào)就會(huì)被系統(tǒng)通過總線傳送到模擬信號(hào)處，在經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字信號(hào)。這個(gè)邏輯單元 CPLD 對(duì)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(hào)的處理和輸出的任務(wù)。 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(yuǎn)程會(huì)議，交通管理，商場監(jiān)控等等。近些年，隨著技術(shù)的升級(jí)，許多技術(shù)都有了很大的提升，其中圖像傳感技術(shù)對(duì)于成像的畫質(zhì)有 了 很大的提升，于此 ，攝像頭的價(jià)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(shè)備采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)， 之后 PC 機(jī)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(hào)必須通過某種特定的視頻采集卡將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，并且將其進(jìn)行壓縮之后才可以傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上進(jìn)行運(yùn)用。 現(xiàn)在一般的地方都是使用數(shù)字式的攝像頭。 在 設(shè)計(jì) 基于 ARM 的 防追尾小車 時(shí)， 考慮到要求視頻要實(shí)時(shí)顯示和實(shí)用化兩方面的具體要求，需要做出一個(gè)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(gè)攝像頭有自己的緩存結(jié)構(gòu)，還有一個(gè) CPLD 邏輯片機(jī)器，這些設(shè)備為設(shè)計(jì)帶來了很大的便利，其中 FIFO 因?yàn)楹蛿z像頭在一起，加快了成像的速度，對(duì)于視頻信號(hào)的采集和讀取一起進(jìn)行。這個(gè)攝像頭的電路非常的簡單，易于安裝，對(duì)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(shè)計(jì)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(duì)其進(jìn)行控制，便可以實(shí)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(diǎn)： （ 1） 支持 VGA 和 40*30 尺寸的 CIF。 （ 2） 有標(biāo)準(zhǔn)的 SCCB 接口，兼容 I2C 總線接口。 （ 3） 對(duì)于紅外線能非常敏銳的檢測(cè)出來。 齊齊哈爾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(lǐng)域得到了很廣泛的應(yīng)用。目前一般的實(shí)驗(yàn)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(diǎn)就是其運(yùn)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(duì)于控制要求比較多的設(shè)備就不能應(yīng)用。由于 FPGA 芯片具有數(shù)據(jù)的同時(shí)處理的功能，所以適合實(shí)現(xiàn)視頻算法，而且具有流水線的結(jié)構(gòu)。但是 做 實(shí)物的時(shí)候要考慮到并行處理時(shí)的編程不好實(shí)現(xiàn)，而且這種芯片的價(jià)格普遍較高、體積大、耗能較高，所以很難被本設(shè)計(jì)采用 [4]。 ASIC，由于 它 的視頻編碼和解碼不靈活限制了 它 的應(yīng)用，而且需要更多的時(shí)間來完成，通用性又很低，所以不能應(yīng)用于本設(shè)計(jì)。還有一種芯片是嵌入式的 ARM 芯片對(duì)于視頻信號(hào)的采集和視頻信號(hào)的處 理都比較的快，而且價(jià)格較低，應(yīng)用的范圍比較廣，而且通用性非常的高，實(shí)時(shí)操作性強(qiáng)，因此非常適合用于控制比較復(fù)雜的設(shè)計(jì)中，但是這種芯片的計(jì)算能力比較弱，短時(shí)間完成數(shù)據(jù)的運(yùn)算是不可能的，所以處理一些要求低的視頻設(shè)備是可以實(shí)現(xiàn)的。這些芯片都各有各的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)， 所以選擇時(shí) 需要逐個(gè)的比較其功能和實(shí)用性 。 本 文的防汽車追尾碰撞 系統(tǒng)的圖像處理主要是對(duì) 30 萬 像素 CMOS 圖像傳感器的信號(hào)進(jìn)行采集和處理，圖片尺寸較小、計(jì)算量不大、實(shí)時(shí)性要求不是很高，因此，從實(shí)現(xiàn)功能單方面來講，采用 ARM 處理器可以滿足本系統(tǒng)對(duì)視頻性能的要求。 還有 自帶的緩存芯片 AL422B，由這個(gè)芯片支持的 FIFO 可以幫助攝像頭存貯采集到的信號(hào)。 AL422B芯片主要由下列特性： （ 1） 自己能讀寫，對(duì)于不同速率的 I/O 接口都可以接受 ； （ 2） 同時(shí)存取 ； （ 3） 20ns 為一個(gè)讀寫周期。 視頻的壓縮 與 傳輸方案 對(duì)于各視頻來說，其壓縮的過程是整個(gè)技術(shù)的核心，因?yàn)槲覀冞@個(gè)設(shè)計(jì)是防追尾小車，所以我們要用到的視頻壓縮方法是實(shí)時(shí)壓縮，實(shí)時(shí)壓縮也正是用處很廣泛的方法。 本設(shè)計(jì)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(jìn)行的 ，將采集到的視頻經(jīng)過 ARM 系統(tǒng)進(jìn)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(hào)進(jìn)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(yīng)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(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(duì)比下這兩種傳感器，以便于我們來選擇。 CCD 對(duì)于 CMOS 相比靈敏度上高，噪聲上小，這都是 CCD 的一些優(yōu)點(diǎn)，但是 CCD 功耗高，生產(chǎn)成本高，這就限制了 CCD傳感器的應(yīng)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(gòu)大多數(shù)都是對(duì)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?yàn)檩斎氲淖杩贡容^高，所以容易驅(qū)動(dòng)。綜上所述，我們選擇了 CMOS 傳感器。 超聲波測(cè)距方案 超聲波測(cè)距主要就是利用超聲波內(nèi)的兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板， 當(dāng)它的兩級(jí)外 加脈沖信號(hào) 相同 ，其頻率等于 超聲波的兩個(gè) 壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)， 共振板由壓電晶片共振引起的震動(dòng)會(huì)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(shí)間間隔，而且它的寬度是隨著測(cè)距的遠(yuǎn)近來變化的，越遠(yuǎn)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(cè)距方法有 以下 幾種 : 一種叫相位檢測(cè)，這種測(cè)試方法精度很高，可視檢測(cè)范圍比較小，還有一種叫聲波幅值檢測(cè)法，它的超聲波易受到反射波的影響。所以 相位檢測(cè)法適合于本設(shè)計(jì)，我們選擇這個(gè)測(cè)法。 其原理為：超聲波發(fā)射端輸出 40KHz的脈沖信號(hào)，內(nèi)部振子處理脈沖信號(hào)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，這些脈沖串通過空氣傳播，被測(cè)面接到脈沖信號(hào)之后，在接收端處理 正弦波 信號(hào)，超聲波發(fā)出到接收的這段時(shí)間就是往返時(shí)間。時(shí)間乘上聲速就是傳輸距離。但是我們測(cè)的距離是實(shí)際的一半，所以可由下公式表示： CTL 21? (21) 上 式中， L為待測(cè)距離， C為超波的聲速， t為往返時(shí)間。采用微處理器脈沖計(jì)數(shù)的方法．可以精確地測(cè)出 t的值。假設(shè)微處理器的周期為 T機(jī)，則 t=N*T，則探測(cè)距離可由下公式 表示： 221 TNcCTL ???? (22) 齊齊哈爾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 第 3章 防汽車追尾碰撞 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 硬件系統(tǒng)的構(gòu)成 本設(shè)計(jì) 的硬件設(shè)計(jì)包括三部分 :用于視頻采集的攝像頭 設(shè)計(jì)、 顯示屏設(shè)計(jì) 、 超聲波 設(shè)計(jì)。 STM32F103ZET6 作為本系統(tǒng)的核心，主要負(fù)責(zé) 處理圖像采集到的信息和超聲波 信號(hào) ，設(shè)置和控制 LCD 顯示屏顯示 車后路況 ，檢測(cè)參數(shù)設(shè)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(chǔ)圖像信息到FIFO 儲(chǔ)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(gè)功能模塊提供合適的電壓和電流等。當(dāng)有外部直流電源時(shí)，系統(tǒng)由外部電源供電，同時(shí)，外部電源對(duì) 鋰 電池進(jìn)行 充電。當(dāng)外部電源意外斷電時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)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(cè) 距主 控 芯片 圖 31 系統(tǒng)硬件的框圖 STM32F103RCT6主控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 該部分主要包括最小微控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)、 超聲波發(fā)出、接收 、控制、差分放大、濾波 電路的設(shè)計(jì) 、 LCD 屏接口電路設(shè)計(jì)、與 OV7670 攝像頭 電路設(shè)計(jì)。 齊齊哈爾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 最小微控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)最小微控制器系統(tǒng)由復(fù)位電路、石英晶振電路、啟動(dòng)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(shè)計(jì) 石英晶振蕩電路設(shè)計(jì)：輸入一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)使時(shí)序電路工作，本設(shè)計(jì)的微處理器就是一個(gè)時(shí)序電路。 STM32103RC 微控制器外部的時(shí)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(yùn)行的更順暢 [7]。雖然在經(jīng)過技術(shù)工人調(diào)整的 RC振蕩器已經(jīng)很精準(zhǔn)了，但是為了使設(shè)計(jì)更加的完善，提高系統(tǒng)的可靠性。本設(shè)計(jì)的 控制器 STM32F103RC 的時(shí)鐘源 還是采用了一個(gè) 8MHz 和 石英晶振。微控制器上電復(fù)位之后，微控制器 STM32F103RC 選用 8MHz 的石英晶振作為系統(tǒng)的時(shí)鐘源。為 此我們要用軟件設(shè)置微控制器，讓外部石英晶振作為時(shí)鐘源。具體的電路圖如 33 所示。 齊齊哈爾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 圖 33 石英晶振電路 復(fù)位電路的設(shè)計(jì) 復(fù)位電路 設(shè)計(jì)：一般微控制器工作出現(xiàn)問題的原因就是因?yàn)槠渖想姞顟B(tài)不確定。為此我們需要構(gòu)建一個(gè)復(fù)位邏輯電路來解決這個(gè)問題，這個(gè)電路的功能就是確定微處理器的初始狀態(tài)，這時(shí)我們就需要個(gè)外部電路提供一個(gè)復(fù)位信號(hào)。當(dāng)邏輯到達(dá) “0”狀態(tài)時(shí)，STM32F103RC 的復(fù)位引腳進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，這個(gè)過程需要一定的復(fù)位時(shí)間，其時(shí)間與復(fù)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(shí)鐘時(shí)間都是一樣的。為了給復(fù)位預(yù)留足夠的時(shí)間，我們給 200ms 作為復(fù)位時(shí)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(fù)位腳與 RC 充電復(fù)位電路相連。具體電路如圖 34 所示。 圖 34 復(fù)位電路 電源電路的設(shè)計(jì) 電源電路設(shè)計(jì)，電源電路是設(shè)計(jì)的核心，作為系統(tǒng)的能源非常重要。 這個(gè)電源電路的作用就是用來控制電壓的，因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)使用的電池是 的鋰電池，所以我們需要這個(gè)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(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 圖 35 電源電路設(shè)計(jì) 調(diào)試電路的設(shè)計(jì) 調(diào)試接口電路設(shè)計(jì) ,本設(shè)計(jì)采用的調(diào)試接口是 SWD/JTAG 口，這是 ARM 芯片標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)試接口。我們將 JTAG 的部分功能引腳作為復(fù)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(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 啟動(dòng)配置電路電路的設(shè)計(jì) 這部分電路主要是用于開啟電路，其中含有復(fù)位電路，和啟動(dòng)電路，