基于嵌入式Linux的倒车影音系统设计

摘要：采用S3C2440微处理器为控制芯片，基于嵌入式Linux操作系统设计了一种安全可视化倒车系统。通过嵌入式Linux操作系统内核驱动USB摄像头实时地监控车后状况，通过超声波测距结果与阈值的比较来启动语音报警模块以提醒驾驶员注意。经实验验证，该系统运行稳定，采集的视频图像清楚且实时性高，能够满足可视化倒车的要求。
关键词：S3C2440；视频图像采集；超声波测距；语音报警

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。