基于arm的防汽车追尾碰撞系统的设计(编辑修改稿)

基于arm的防汽车追尾碰撞系统的设计(编辑修改稿)内容摘要：

这是我们 CPLD 逻辑单元就会选择它需要的像素单元，选定之后的信号就会被系统通过总线传送到模拟信号处，在经过 A/D 转换器变成数字信号。 这个逻辑单元 CPLD 对像素列阵的扫描是逐行和隔行两种方式的。 辅助电路主要就是用于光电信号的处理和输出的任务。 视频的采集方案 摄像头 是记录人们生活的一种工具，在其他方面也有很多的用途，例如远程会议，交通管理，商场监控等等。 近些年，随着技术的升级，许多技术都有了很大的提升，其中图像传感技术对于成像的画质有 了 很大的提升，于此 ，摄像头的价格也下降了很多。 摄像头在人们生活中变成了不可或缺的物品。 摄像头 分 为两类。 一类 是数字式的摄像头，数字式摄像头 的作用就是 可以把采集设备采集到的模拟信号转变为数字信号， 之后 PC 机就把这些视频存贮下来。 模拟式摄像头是把采集到的视频信号必须通过某种特定的视频采集卡将模拟信号转变为数字信号，并且将其进行压缩之后才可以传输到计算机上进行运用。 现在一般的地方都是使用数字式的摄像头。 在 设计 基于 ARM 的 防追尾小车 时， 考虑到要求视频要实时显示和实用化两方面的具体要求，需要做出一个成像速度快、清晰、集成度高的视频采 集系统，因此我们采用了一款 带有 FIFO 的 摄像头，这个摄像头有自己的缓存结构，还有一个 CPLD 逻辑片机器，这些设备为设计带来了很大的便利，其中 FIFO 因为和摄像头在一起，加快了成像的速度，对于视频信号的采集和读取一起进行。 这个摄像头的电路非常的简单，易于安装，对我起到了很大的帮助，而且系统也非常的稳定、可靠性也非常的的高 [3]。 本课题设计的视频采集器件我们拟采用 OV7670 为芯片的摄像头 ，该芯片与摄像头集成于一体。 该采集器 是一款高集成的视频采集芯片，通过 ARM 系统对其进行控制，便可以实现视频的采集了。 这块摄像头是 OmniVision 公司推出的，它的需要的工作电压非常的低，其特性有以下几点： （ 1） 支持 VGA 和 40*30 尺寸的 CIF。 （ 2） 有标准的 SCCB 接口，兼容 I2C 总线接口。 （ 3） 对于红外线能非常敏锐的检测出来。 齐齐哈尔大学毕业设计（论文） 6 视频处理芯片的分析 嵌入式的快速发展使其在摄像领域得到了很广泛的应用。 目前一般的实验中用到的摄像头大概分四种，一种是 DSP 摄像头， 这种摄像头的优点就是其运算能力，非常的快，非常的灵活，编程也非常的简单，但是这种摄像头对于控制要求比较多的设备就不能应用。 由于 FPGA 芯片具有数据的同时处理的功能，所以适合实现视频算法，而且具有流水线的结构。 但是 做 实物的时候要考虑到并行处理时的编程不好实现，而且这种芯片的价格普遍较高、体积大、耗能较高，所以很难被本设计采用 [4]。 ASIC，由于 它 的视频编码和解码不灵活限制了 它 的应用，而且需要更多的时间来完成，通用性又很低，所以不能应用于本设计。 还有一种芯片是嵌入式的 ARM 芯片对于视频信号的采集和视频信号的处 理都比较的快，而且价格较低，应用的范围比较广，而且通用性非常的高，实时操作性强，因此非常适合用于控制比较复杂的设计中，但是这种芯片的计算能力比较弱，短时间完成数据的运算是不可能的，所以处理一些要求低的视频设备是可以实现的。 这些芯片都各有各的优点和缺点， 所以选择时 需要逐个的比较其功能和实用性。 本 文的防汽车追尾碰撞 系统的图像处理主要是对 30 万 像素 CMOS 图像传感器的信号进行采集和处理，图片尺寸较小、计算量不大、实时性要求不是很高，因此，从实现功能单方面来讲，采用 ARM 处理器可以满足本系统对视频性能的要求。 还有 自带的缓存芯片 AL422B，由这个芯片支持的 FIFO 可以帮助摄像头存贮采集到的信号。 AL422B芯片主要由下列特性： （ 1） 自己能读写，对于不同速率的 I/O 接口都可以接受 ； （ 2） 同时存取 ； （ 3） 20ns 为一个读写周期。 视频的压缩 与 传输方案 对于各视频来说，其压缩的过程是整个技术的核心，因为我们这个设计是防追尾小车，所以我们要用到的视频压缩方法是实时压缩，实时压缩也正是用处很广泛的方法。 本设计编码芯片选用 STM32F103RCT6，视频压缩也是通过 ARM 系统来控制STM32F103RCT6 芯片来进行的 ，将采集到的视频经过 ARM 系统进行压缩，该压缩是高比例压缩。 视频的传输就是把摄像头采集来的信号进行传输，一般的传感器分为 CCD（ charge couple device） 传感器和 CMOS(plementary metal oxide semiconductor)传感器，下面我就来比较一下这两种传感器各方面的特性，在以前的应用中，由于 CMOS 传感器成型不清晰的缘故， CCD 传感器就一直被最为主流的传感器被大家使用者，但是随着科 齐齐哈尔大学毕业设计（论文） 7 技的发展， CMOS 传感器的集成度也越来越高，所以成像的效果也大幅度的提高了，下面我们来对比下这两种传感器，以便于我们来选择。 CCD 对于 CMOS 相比灵敏度上高，噪声上小，这都是 CCD 的一些优点，但是 CCD 功耗高，生产成本高，这就限制了 CCD传感器的应用 [5]。 而且 CMOS 传感器的传输速度高于 CCD 传感器， CMOS 传感器的逻辑摆幅大，高电平和低电平分别与电源的高电平、低电平相近，并且它的稳定性比较好，它内部的结构大多数都是对称的，消耗的功率就比较少，发热也就少了，接口也是非常的方便，因为输入的阻抗比较高，所以容易驱动。 综上所述，我们选择了 CMOS 传感器。 超声波测距方案 超声波测距主要就是利用超声波内的两个压电晶片和一个共振板， 当它的两级外 加脉冲信号 相同 ，其频率等于 超声波的两个 压电晶片的固有振荡频率时， 共振板由压电晶片共振引起的震动会产生超声波。 超声波电路是由发射端和接收端组成的，发射端发出脉冲方波，它的宽度是发射端和接收端的时间间隔，而且它的宽度是随着测距的远近来变化的，越远就越宽。 接收端就是来接收发出的脉冲 [6]。 现在主流的一些测距方法有 以下 几种 : 一种叫相位检测，这种测试方法精度很高，可视检测范围比较小，还有一种叫声波幅值检测法，它的超声波易受到反射波的影响。 所以 相位检测法适合于本设计，我们选择这个测法。 其原理为：超声波发射端输出 40KHz的脉冲信号，内部振子处理脉冲信号产生机械振动，这些脉冲串通过空气传播，被测面接到脉冲信号之后，在接收端处理 正弦波 信号，超声波发出到接收的这段时间就是往返时间。 时间乘上声速就是传输距离。 但是我们测的距离是实际的一半，所以可由下公式表示： CTL 21 (21) 上 式中， L为待测距离， C为超波的声速， t为往返时间。 采用微处理器脉冲计数的方法．可以精确地测出 t的值。 假设微处理器的周期为 T机，则 t=N*T，则探测距离可由下公式 表示： 221 TNcCTL  (22) 齐齐哈尔大学毕业设计（论文） 8 第 3章 防汽车追尾碰撞 系统硬件设计 硬件系统的构成 本设计 的硬件设计包括三部分 :用于视频采集的摄像头 设计、 显示屏设计 、 超声波 设计。 STM32F103ZET6 作为本系统的核心，主要负责 处理图像采集到的信息和超声波 信号 ，设置和控制 LCD 显示屏显示 车后路况 ，检测参数设置和操作， 发出 命令控制 视频采集 模块采集图像信息，读取和解析模块接到的 命令 ，访问 FIFO 操作文件 ,图像通讯系统在微控制器 STM32F103ZET6 的控制下，主要完成图像采集和处理、存储图像信息到FIFO 储存器 中、通过 COMS 传输图像和发送 /接受 信息； 电源系统由外部直流电源和 锂电池组成，为系统各个功能模块提供合适的电压和电流等。 当有外部直流电源时，系统由外部电源供电，同时，外部电源对 锂 电池进行 充电。 当外部电源意外断电时，系统自动无缝切换到 锂 电池供电。 监控终端硬件框架如图 31 所示。 O V 7 6 7 0 摄 像 头采 集S T M 3 2 F 1 0 3Z E T 6 主 控 芯片电 源 系 统 （ 外部 电 源 和 锂 电池 )2 . 8 寸 T F T 显 示屏 超 声 波 测 距主 控 芯片 图 31 系统硬件的框图 STM32F103RCT6主控系统硬件设计 该部分主要包括最小微控制器系统设计、 超声波发出、接收 、控制、差分放大、滤波 电路的设计 、 LCD 屏接口电路设计、与 OV7670 摄像头 电路设计。 齐齐哈尔大学毕业设计（论文） 9 最小微控制器系统设计 本系统最小微控制器系统由复位电路、石英晶振电路、启动配置电路、 JTAG 调试接口电路组成。 最小微控制器 具体如下图 32。 图 32 最小微控制器 石英晶振电路的设计 石英晶振荡电路设计：输入一个时钟信号使时序电路工作，本设计的微处理器就是一个时序电路。 STM32103RC 微控制器外部的时钟源可以使用，还有内外部的晶振，内部还有调整电路的 PLL 电路，使系统运行的更顺畅 [7]。 虽然在经过技术工人调整的 RC振荡器已经很精准了，但是为了使设计更加的完善，提高系统的可靠性。 本设计的 控制器 STM32F103RC 的时钟源 还是采用了一个 8MHz 和 石英晶振。 微控制器上电复位之后，微控制器 STM32F103RC 选用 8MHz 的石英晶振作为系统的时钟源。 为 此我们要用软件设置微控制器，让外部石英晶振作为时钟源。 具体的电路图如 33 所示。 齐齐哈尔大学毕业设计（论文） 10 图 33 石英晶振电路 复位电路的设计 复位电路 设计：一般微控制器工作出现问题的原因就是因为其上电状态不确定。 为此我们需要构建一个复位逻辑电路来解决这个问题，这个电路的功能就是确定微处理器的初始状态，这时我们就需要个外部电路提供一个复位信号。 当逻辑到达 “0”状态时，STM32F103RC 的复位引脚进入复位状态，这个过程需要一定的复位时间，其时间与复位闸阀值相等，还有微控制器供电电压，内部 RC 振荡器输出 时钟时间都是一样的。 为了给复位预留足够的时间，我们给 200ms 作为复位时间，并且使其始终工作在 电压下 [8]。 STM32F103RC 的 RESET引脚和 JATG 接口电路的复位脚与 RC 充电复位电路相连。 具体电路如图 34 所示。 图 34 复位电路 电源电路的设计 电源电路设计，电源电路是设计的核心，作为系统的能源非常重要。 这个电源电路的作用就是用来控制电压的，因为本设计使用的电池是 的锂电池，所以我们需要这个电路来变化电压，经过电路的稳压处理之后，电源就可以保持在 [9]。 具体的电路图如图 所示。 齐齐哈尔大学毕业设计（论文） 11 图 35 电源电路设计 调试电路的设计 调试接口电路设计 ,本设计采用的调试接口是 SWD/JTAG 口，这是 ARM 芯片标准的调试接口。 我们将 JTAG 的部分功能引脚作为复用，作为 主要 功能使用 [10]。 具体电路如图 36 所示。 图 36 JTAG 电路 齐齐哈尔大学毕业设计（论文） 12 启动配置电路电路的设计 这部分电路主要是用于开启电路，其中含有复位电路，和启动电路，当电源。