基于單片機(jī)的倒車后視系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)和汽車價(jià)格的持續(xù)下降，越來(lái)越多的家庭擁有自己的汽車。然而，在享受汽車給人們帶來(lái)便利的同時(shí)，由于倒車時(shí)駕駛員視覺上存在死角或視線模糊而引起倒車困難而讓人難以忍受。因此，人們迫切需要有倒車后視裝置輔助駕駛員快速準(zhǔn)確地倒車。目前，倒車后視系統(tǒng)主要采用超聲波測(cè)距或后視攝像技術(shù)。超聲波測(cè)距的優(yōu)點(diǎn)是可以測(cè)得準(zhǔn)確的距離，缺點(diǎn)是對(duì)車后的路坑、山崖、凸出的某些障礙物無(wú)法感應(yīng)；攝像技術(shù)卻可以獲得這些障礙物的直觀圖像，但無(wú)法測(cè)得準(zhǔn)確的距離。結(jié)合這兩種技術(shù)的特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種能同時(shí)顯示障礙物的圖像及準(zhǔn)確距離的后視系統(tǒng)。
1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
　　為了在系統(tǒng)顯示終端同時(shí)顯示障礙物的圖像及安全距離信息，必須讓圖像及距離信號(hào)同步。系統(tǒng)采用中規(guī)模集成電路來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)同步，可以大大提高系統(tǒng)的靈活性及穩(wěn)定性。根據(jù)系統(tǒng)功能需求，可以將整個(gè)倒車后視系統(tǒng)劃分為超聲波測(cè)距、圖像采集、同步信號(hào)分離、字符與視頻信號(hào)疊加、系統(tǒng)控制、顯示終端等功能子模塊，系統(tǒng)硬件框圖及各模塊之間的連接如圖1所示。

該倒車后視系統(tǒng)的控制中心采用華邦W78E58單片機(jī)；超聲波測(cè)距模塊由超聲波發(fā)送和超聲波接收電路組成；圖像采集由攝像頭組成；同步信號(hào)分離由行場(chǎng)同步分離模塊LM1881及視頻輸入電路組成；字符與視頻信號(hào)疊加由字符與視頻信號(hào)疊加模塊UPD6450實(shí)現(xiàn)；顯示終端由車載電視組成。其中，超聲波測(cè)距模塊采用小規(guī)模集成電路及分立元件實(shí)現(xiàn)，其他模塊都基于大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)。
1.1 超聲波測(cè)距模塊設(shè)計(jì)
1.1.1超聲波發(fā)射電路設(shè)計(jì)
　　超聲波測(cè)距模塊包括超聲波發(fā)射及接收電路，其發(fā)射電路如圖2所示。

圖中，超聲波探頭選用CSB40T，40kHz的超聲波由NE555振蕩電路產(chǎn)生，根據(jù)振蕩電路頻率公式：

確定電路中各參數(shù)的值。R2采用可調(diào)電阻，調(diào)整它的阻值可以使振蕩頻率與超聲波探頭的40kHz固有頻率一致，為保證 555定時(shí)器具有足夠的驅(qū)動(dòng)能力，采用+12V電源，復(fù)位端子(NE555的第4腳)接單片機(jī)發(fā)送的超聲波發(fā)射控制信號(hào)TXD。TXD為高電平時(shí)使電路發(fā)射超聲波，反之,為低電平時(shí)則使電路停止發(fā)射超聲波。
1.1.2 超聲波接收電路設(shè)計(jì)
　　超聲波接收電路由超聲波接收探頭、信號(hào)放大電路及檢波電路和比較電路組成。超聲波接收探頭采用與發(fā)射探頭對(duì)應(yīng)的CSB40R。但探頭變換后的正弦波信號(hào)非常弱，必須用放大電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。但單片機(jī)不能直接接收正弦波信號(hào)，故必須把模擬信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)。其接收電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖中，超聲波接收探頭輸出的信號(hào)首先經(jīng)UA、UB兩級(jí)放大，然后由D1檢波后進(jìn)入由C5和R10組成的濾波電路，旁路掉超聲區(qū)域內(nèi)環(huán)境瞬時(shí)噪聲和40kHz超聲波基頻信號(hào)，因此只取出反射信號(hào)的正電平部分。所產(chǎn)生的正電平輸入到由UC組成的比較反向器正向輸入端，與反相輸入端基準(zhǔn)電平比較后產(chǎn)生單片機(jī)能接收的脈沖信號(hào)，最后輸入到單片機(jī)的RXD端口，再由單片機(jī)對(duì)接收到的超聲波信號(hào)進(jìn)行解碼并做出相應(yīng)的控制操作。
1.2 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)
　　系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)同時(shí)顯示障礙物圖像及距離信息即通過攝像頭采集到的視頻信號(hào)上疊加表示距離的字符信號(hào)。視頻疊加是指在屏幕上的指定位置，將需要顯示的字符覆蓋原來(lái)的圖像。疊加過程需要解決兩個(gè)問題：(1)精確定位像素點(diǎn)，確定它的行、列位置；(2)定位后修改視頻信號(hào)，將要顯示的字符的像素疊加到原來(lái)的圖像信號(hào)上。而視頻信號(hào)包含了行同步信號(hào)和場(chǎng)同步信號(hào)，行同步信號(hào)確定一行的開始，場(chǎng)同步信號(hào)確定一場(chǎng)的開始，從視頻信號(hào)提取行、場(chǎng)同步信號(hào)就能對(duì)像素準(zhǔn)確定位。系統(tǒng)總體電路如圖4所示。首先，采集到的視頻信號(hào)經(jīng)兩路分別輸入LM1881和UPD6450(NEC公司生產(chǎn)的專用字符與視頻疊加芯片，內(nèi)部存儲(chǔ)了數(shù)字字符的字模信息)，由LM1881取得視頻信號(hào)的行、場(chǎng)同步信號(hào)，同步信號(hào)再輸入到UPD6450。單片機(jī)W78E58從P3口以串行方式讀取超聲波測(cè)得的障礙物距離值，當(dāng)UPD6450的BUSY為低電平時(shí)，單片機(jī)從P1口以串行方式向UPD6450的Data端發(fā)送距離值，且由高位到低位的方式發(fā)送數(shù)據(jù)，并在STB的上升沿將該8位串行數(shù)據(jù)寫入其內(nèi)部寄存器；然后由UPD6450完成字符信號(hào)與視頻信號(hào)的疊加，疊加的位置以及圖像的顯示情況可以通過UPD6450的軟件實(shí)現(xiàn)控制；最后將疊加后的復(fù)合視頻信號(hào)輸出到顯示終端進(jìn)行顯示。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
　　系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，由主程序、超聲波發(fā)送、超聲波接收、延時(shí)、視頻信號(hào)疊加等子程序組成。系統(tǒng)主程序流程圖如圖5所示。

系統(tǒng)首先對(duì)環(huán)境進(jìn)行初始化，將P3口清零，當(dāng)車子掛到倒車檔時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)，由單片機(jī)的P3口發(fā)送一個(gè)0.2ms的寬脈沖送入NE555定時(shí)器，接著振蕩電路產(chǎn)生10個(gè)連續(xù)的40kHz的脈沖送入超聲波傳感器發(fā)射出40kHz的超聲波。發(fā)射后等待20ms，判斷是否接收到回波信號(hào)，如果收到，則將讀取單片機(jī)P3口超聲波回傳的距離檢測(cè)數(shù)據(jù)并計(jì)算距離值，然后將距離數(shù)據(jù)寫入U(xiǎn)PD6450字符存儲(chǔ)區(qū)，再通過UPD6453實(shí)現(xiàn)字符與視頻信號(hào)的疊加，最后將疊加后的復(fù)合視頻信號(hào)輸出到顯示終端并進(jìn)行顯示。
　　本系統(tǒng)采用單片機(jī)作為控制中心，通過視頻疊加方法把由攝像頭采集的障礙物圖像和由超聲波測(cè)距模塊測(cè)得的障礙物距離值疊加成復(fù)合視頻信號(hào)，然后通過顯示終端顯示障礙物的準(zhǔn)確信息。系統(tǒng)以直觀準(zhǔn)確的方式提醒汽車駕駛員更好地完成倒車動(dòng)作，從減輕因視覺等問題帶來(lái)的倒車?yán)щy。系統(tǒng)還可以根據(jù)需要進(jìn)行多種功能擴(kuò)展，如遙控、聲光報(bào)警等功能。