基于嵌入式Linux操作系统的可视化安全倒车系统

　　引言

　　电子信息与数字图像处理技术目前已被广泛地应用在各个领域，车载系统的信息化已成为现代汽车业的重要标志。现在的倒车雷达系统可以为驾驶者提供许多帮助，多数采用超声波测距技术，可以直接显示出车尾与障碍物之间的距离。但由于超声波的散射特性，如果地面有尖锐的突起或存在横在半空的棱角状物体，系统就不能有效地“察觉”。假如能为现有的倒车系统增加一个可视功能，那么驾驶员在倒车时不必回头就可清楚车后的情况。本文设计了一种可视化安全倒车系统，该系统采用嵌入式Linux操作系统内核驱动 USB摄像头实现车后状况实时监控，通过判断超声波测距是否达到阈值来启动语音报警功能。

　　1 系统方案设计

　　如图1所示，系统由主控模块、超声波收发模块、USB摄像头图像采集模块、语音报警模块与LCD显示模块等。主控模块采用三星公司基于ARM9内核的S3C2440微处理器，主频最高可达533 MHz，处理速度快。采用软件编程技术实现对其外围电路的控制，并提供外围电路所需的各种信号，简化了外围电路的设计难度。

　　

　　2 系统硬件设计

　　2.1 主控模块

　　以S3C2440为核心的的组成如图2所示。

　　

　　2.2 超声波发射电路

　　超声波发射电路原理图如图3所示。发射电路主要由反相器74LS04和超声波发射换能器T1构成，使用CPU内部的PWM定时计数器输出的40 kHz方波信号。

　　

　　一路经一级反相器(U1C与U1E并联组成一级)后送到超声波换能器的一个电极(T1的1脚);另一路经两级反相器(U1D为第一级，U1B和 U1A组成第二级)后送到超声波换能器的另一个电极( T1的2脚 )。用这种推换形式将方波信号加到超声波换能器的两端，可以提高超声波的发射强度。输出端采两个反相器并联，以提高驱动能力。上位电阻R1、R2一方面可以提高反相器74LS04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增强超声波换能器的阻尼效果。

　　2.3 超声波接收电路

　　超声波接收电路原理图如图4所示。CX20106A是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。其优点是简单易用，电路连接简单，且减少了生产调试的麻烦。当CX20106A接收到40 kHz的信号时，会在第7脚产生一个低电平下降脉冲，这个信号可以接到ARM的外部中断引脚作为中断信号输入。

　　

　　2.4 USB摄像头图像采集模块

　　采用中星微电子ZC0301芯片组的USB数字摄像头。与模拟摄像头相比，其优势在于：CMOS图像传感器能直接产生图像原始数据;硬件支持标准的JPEG压缩;具有主流高速的USB总线设备接口等。对摄像头而言，USB总线的上的信息传输类型通常采用的是实时传输。USB设备端提供若干通信端口，主机与端口间建立起逻辑上的通信管道，进行数据传输。在摄像头的设备初始化阶段，主机与0号端口通信，驱动程序检测摄像头型号和所有端口信息。进入数据传输阶段，主机与探测到的实时输入端口建立通信管道，实时回传摄像头拍摄到的图像数据。

　　2.5 语音报警模块与LCD显示模块

　　语音报警模块采用的是安徽中科大讯飞信息科技有限公司生产的XF-S3011中文语音合成芯片。它是一款针对嵌入式应用领域而设计的单芯片处理器，具有合成任意中文文本的能力。XF-S3011通过串口(UART)接收上位机发送的命令和数据，命令和数据是以帧的方式进行封装与发送，允许发送的数据最大长度为200个字节。其驱动电路是用三极管驱动方式设计的。当超声波测得的距离小于所设置的阈值时，由S3C2 440发送控制命令给XF-S3011，启动语音报警提醒驾驶员注意。显示模块使用的是东华3.5寸TFT LCD(分辨率是320×240)，采用嵌入式Linux下的Frame. Buffer设备来驱动LCD。

　　3 系统软件设计

　　本文选择嵌入式Linux操作系统。它具有可裁剪、内核稳定、功能强大、支持多种硬件平台等特点。首先，在一台装有Linux操作系统的PC机(宿主机)上建立一个交叉编译开发环境，把S3C2440控制模块作为目标板。然后，采用移植性较好的C语言在PC机上编写本设计所需的底层驱动程序及顶层的应用程序，再利用交叉编译调试工具编译、链接生成可执行代码，最后向目标板移植。

　　3.1 视频图像采集及LCD显示程序的设计

　　第l步，采用动态加载ZC0301组芯片的USB摄像头驱动程序spca5xx。此驱动程序源代码由4个部分组成：设备模块的初始化模块、卸载模块、上层软件接口模块和数据传输模块。把它放在kernel/driver/usb下解压，打补丁。在编译系统内核时，在arm Linux的kernel目录下进行make menueonfig;在<*>下选择MulTImedia device下的Video for linux，加载Vide04linux模块，为视频采集设备提供编程接口函数和相关数据结构;(M)选中SPCA5XX这一项。

　　第2步，使用Linux的Video4linux来访问USB摄像头设备，进行视频图像采集，捕获实时的数据流。程序流程如图5所示。

　　

　　为程序定义数据结构：

　　

　　本设计是通过MiniGui加载jpeg来实现LCD实时显示USB摄像头采集到图像的。在编译程序时，加上了jpeg库的支持。编程的思路就是不断地从摄像头采集图像并存储在/tmp/l.jpg中。在Linux图形用户界面支持系统MiniGUI中，通过loadbitmap函数来加载图像，而图像加载后不会自动更新，不能根据1.jpg的改变自动变化。因此，在程序中要设定一个定时器，每隔100 ms刷新屏幕，基本上实现了实时更新。

　　3.2 超声波测距驱动程序的设计

　　超声波发生程序的作用是由PWM定时计数器产生一个超声波信号频率约40 kHz的方波。采用Timer0，同时把Timerl打开进行计时。超声波测距器主程序利用外部中断检测返回的超声波信号，一旦发现立即进入中断程序。进入该中断后立即关闭Timerl停止计时，并将测距成功标志字赋值1。各程序流程如图6～图8所示。

　　

　　当主程序检测到接收成功的标志位后，按下式计算即可得到车尾与障碍物之间的距离(设计时取20℃时的声速C为344 m/s)：

　　S=(C·T1)/2

　　其中，T1为计数器Timerl的计数值。

　　该部分程序可设计为Linux下字符设备驱动程序。要使用Linux系统提供一个设备驱动接口函数struct file_operations的数据结构，来实现超声波传感器设备的打开、读写、释放和控制。定时器和外部中断相关寄存器的初始化和参数的设定都是在open()接口函数中完成的。在此设备驱动程序中定义的。file_operations的数据结构为：

　　

　　S3C2440_sonar_open()函数用于打开的设备。S3C2440_sonar_rcad()和S3C2440_sonar_write()函数用于读写设备。S3C2440_sonar_re-lease()函数完成中断的释放。S3C2440_sonar_ioctl()函数用于控制设备中定时中断和测距值，由copy_to_user()函数和put_user()函数来实现数据传递，在应用程序下打开设备，实现内核态与用户态之间的数据传递。模块初始化函数S3C2440_sonar_init()实现设备的初始化、中断初始化及处理、设备注册等。static void S3C2440_sonar_exit()用于模块卸载时中断停止、资源的释放等。

　　3.3 语音报警程序设计

　　当所测距离值小于阈值时，由S3C2440发控制命令给XF-S3011，启动语音模块。组成一个语音合成命令帧的部分代码如下：

　　命令合成完毕后，就可以发送给XF-S3011模块了。在嵌入式Linux系统中先打开XF-S3011设备文件，然后将此命令帧写入该文件，最后关闭设备文件。

　　结语

　　本文采用嵌入式Linux操作系统和三星公司S3C2440微处理器设计的可视与语音报警为一体的安全倒车系统，具有较高的实用价值。在显示视频图像处理的过程中，能够通过超声波对车尾与障碍物之间进行测距，当测距值小于预设定的距离时会有语音对驾驶员进行报警提示。经实验验证，该系统运行稳定，能让驾驶员准确地把握车后路况，提高了倒车安全性。