基于嵌入式Linux的倒车影音系统设计
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为核心的主控模块硬件平台的组成如图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。
stm32/stm8
意法半导体/st/stm
成都高新区出台《关于科技创新驱动高质量发展的若干政策》
特斯拉市值一天跌73亿的背后解析 SEC调查始末
小米鸿蒙系统刷机包下载 安装教程如下
预测2020年应用商店将迎来1300亿次下载
三星或在明年发布四款可折叠手机
基于嵌入式Linux的倒车影音系统设计
超燃冲压发动机关键技术
家电产业未来将会如何发展
FT-WQX2超声波风速风向传感器产品特性
移动通信系统中互调的产生机制与干扰排查
Stack Overflow上的用户在过去和现在都在关注哪些问题?
浅谈频谱分析仪的基本模块
焊接变位机对焊接机器人的作用
360成为Ecma会员，国内第一家参与JavaScript标准制定
食用级材料和完全降解的机器人研发成功
阳光电源表示 光伏制氢正处于技术研发及项目示范阶段
在不断演进的道路上，机器视觉经历过四次重大变革
冲压发动机的分类
关于日本的科技实力的分析和介绍
为IoT解决方案开发互联应用时要关注的关键领域
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为核心的主控模块硬件平台的组成如图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。
stm32/stm8
意法半导体/st/stm
成都高新区出台《关于科技创新驱动高质量发展的若干政策》
特斯拉市值一天跌73亿的背后解析 SEC调查始末
小米鸿蒙系统刷机包下载 安装教程如下
预测2020年应用商店将迎来1300亿次下载
三星或在明年发布四款可折叠手机
基于嵌入式Linux的倒车影音系统设计
超燃冲压发动机关键技术
家电产业未来将会如何发展
FT-WQX2超声波风速风向传感器产品特性
移动通信系统中互调的产生机制与干扰排查
Stack Overflow上的用户在过去和现在都在关注哪些问题?
浅谈频谱分析仪的基本模块
焊接变位机对焊接机器人的作用
360成为Ecma会员，国内第一家参与JavaScript标准制定
食用级材料和完全降解的机器人研发成功
阳光电源表示 光伏制氢正处于技术研发及项目示范阶段
在不断演进的道路上，机器视觉经历过四次重大变革
冲压发动机的分类
关于日本的科技实力的分析和介绍
为IoT解决方案开发互联应用时要关注的关键领域