基于單片機的倒車后視系統(tǒng)設計

隨著中國經濟的快速增長和汽車價格的持續(xù)下降，越來越多的家庭擁有自己的汽車。然而，在享受汽車給人們帶來便利的同時，由于倒車時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確地倒車。目前，倒車后視系統(tǒng)主要采用超聲波測距或后視攝像技術。超聲波測距的優(yōu)點是可以測得準確的距離，缺點是對車后的路坑、山崖、凸出的某些障礙物無法感應；攝像技術卻可以獲得這些障礙物的直觀圖像，但無法測得準確的距離。結合這兩種技術的特點，本文設計了一種能同時顯示障礙物的圖像及準確距離的后視系統(tǒng)。
1 系統(tǒng)硬件設計
　　為了在系統(tǒng)顯示終端同時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同步。系統(tǒng)采用中規(guī)模集成電路來實現(xiàn)信號同步，可以大大提高系統(tǒng)的靈活性及穩(wěn)定性。根據系統(tǒng)功能需求，可以將整個倒車后視系統(tǒng)劃分為超聲波測距、圖像采集、同步信號分離、字符與視頻信號疊加、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；超聲波測距模塊由超聲波發(fā)送和超聲波接收電路組成；圖像采集由攝像頭組成；同步信號分離由行場同步分離模塊LM1881及視頻輸入電路組成；字符與視頻信號疊加由字符與視頻信號疊加模塊UPD6450實現(xiàn)；顯示終端由車載電視組成。其中，超聲波測距模塊采用小規(guī)模集成電路及分立元件實現(xiàn)，其他模塊都基于大規(guī)模集成電路設計。
1.1 超聲波測距模塊設計
1.1.1超聲波發(fā)射電路設計
　　超聲波測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振蕩電路產生，根據振蕩電路頻率公式：

確定電路中各參數的值。R2采用可調電阻，調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定時器具有足夠的驅動能力，采用+12V電源，復位端子(NE555的第4腳)接單片機發(fā)送的超聲波發(fā)射控制信號TXD。TXD為高電平時使電路發(fā)射超聲波，反之,為低電平時則使電路停止發(fā)射超聲波。
1.1.2 超聲波接收電路設計
　　超聲波接收電路由超聲波接收探頭、信號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)射探頭對應的CSB40R。但探頭變換后的正弦波信號非常弱，必須用放大電路對信號進行放大。但單片機不能直接接收正弦波信號，故必須把模擬信號變換成數字信號。其接收電路設計如圖3所示。

圖中，超聲波接收探頭輸出的信號首先經UA、UB兩級放大，然后由D1檢波后進入由C5和R10組成的濾波電路，旁路掉超聲區(qū)域內環(huán)境瞬時噪聲和40kHz超聲波基頻信號，因此只取出反射信號的正電平部分。所產生的正電平輸入到由UC組成的比較反向器正向輸入端，與反相輸入端基準電平比較后產生單片機能接收的脈沖信號，最后輸入到單片機的RXD端口，再由單片機對接收到的超聲波信號進行解碼并做出相應的控制操作。
1.2 系統(tǒng)硬件總體設計
　　系統(tǒng)要實現(xiàn)同時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上疊加表示距離的字符信號。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的圖像。疊加過程需要解決兩個問題：(1)精確定位像素點，確定它的行、列位置；(2)定位后修改視頻信號，將要顯示的字符的像素疊加到原來的圖像信號上。而視頻信號包含了行同步信號和場同步信號，行同步信號確定一行的開始，場同步信號確定一場的開始，從視頻信號提取行、場同步信號就能對像素準確定位。系統(tǒng)總體電路如圖4所示。首先，采集到的視頻信號經兩路分別輸入LM1881和UPD6450(NEC公司生產的專用字符與視頻疊加芯片，內部存儲了數字字符的字模信息)，由LM1881取得視頻信號的行、場同步信號，同步信號再輸入到UPD6450。單片機W78E58從P3口以串行方式讀取超聲波測得的障礙物距離值，當UPD6450的BUSY為低電平時，單片機從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)送數據，并在STB的上升沿將該8位串行數據寫入其內部寄存器；然后由UPD6450完成字符信號與視頻信號的疊加，疊加的位置以及圖像的顯示情況可以通過UPD6450的軟件實現(xiàn)控制；最后將疊加后的復合視頻信號輸出到顯示終端進行顯示。

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

系統(tǒng)首先對環(huán)境進行初始化，將P3口清零，當車子掛到倒車檔時，系統(tǒng)啟動，由單片機的P3口發(fā)送一個0.2ms的寬脈沖送入NE555定時器，接著振蕩電路產生10個連續(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，如果收到，則將讀取單片機P3口超聲波回傳的距離檢測數據并計算距離值，然后將距離數據寫入UPD6450字符存儲區(qū)，再通過UPD6453實現(xiàn)字符與視頻信號的疊加，最后將疊加后的復合視頻信號輸出到顯示終端并進行顯示。
　　本系統(tǒng)采用單片機作為控制中心，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距模塊測得的障礙物距離值疊加成復合視頻信號，然后通過顯示終端顯示障礙物的準確信息。系統(tǒng)以直觀準確的方式提醒汽車駕駛員更好地完成倒車動作，從減輕因視覺等問題帶來的倒車困難。系統(tǒng)還可以根據需要進行多種功能擴展，如遙控、聲光報警等功能。