一种基于FPGA的车辆电子后视镜系统的设计

随着电子技术的发展，许多智能化技术被广泛应用到车辆上，车辆后视镜系统作为重要的安全辅助装置也经历了几代的技术发展[1]。目前车辆后视镜系统出现了两种新技术：后视摄像和倒车雷达。前者图像直观、真实，但无法给出精确的距离;后者能精确地测量距离，但对于车后方的水坑、凸出的钢筋等无法做出反映，因此存在安全上的死角[2][3]。车辆上的雷达测距有以下几种：激光测距、微波测距和超声波测距。前两者测量距离远、测量精度高，但成本很高;后者成本低，但测距范围通常小，在倒车速度稍快时安全性不佳。

本文提出了一种基于SOPC 技术的车辆电子后视镜系统，该系统可以实时显示车辆后方的图像，并利用双频超声波实现了10m 以上的大范围测距，同时该系统具有语音播报测量结果及报警等功能。

1 系统特点

本系统与其它电子倒车系统相比有以下特点：(1)采用40kHz 和25kHz 两种频率的超声波测距，既扩大了测量范围又能兼顾小范围测距时的测量精度。(2) 采用3.5吋彩色液晶屏在实时、直观地显示车辆后方图像的同时，又可显示障碍物的距离及车辆相对于障碍物的速度等。(3) 语音播报测距结果及报警。利用语音芯片ISD4002实现测距结果的语音播报，同时根据测量结果及车辆相对于障碍物的速度自动评估危险等级，并用急促程度不同的提示音示警。(4)采用SOPC实现系统设计，具有很好的灵活性。

2 硬件电路设计

2.1 系统硬件结构

车辆电子后视镜系统的电路框图如图1所示。整个系统可划分为图像采集及转换、图像及信息显示、超声波测距、语音播报及警告、温度测量等部分。CMOS图像传感器OV6620将采集到的图像数据送到FPGA中，处理后得到RGB888格式的数据，经LCD控制电路送往LCD屏上显示。超声波测距电路共有左右两个通道，利用频率为40kHz和25kHz两种超声波脉冲测量障碍物的距离及车辆的相对速度，随后进行危险评估再将相关的信息显示在LCD屏上，并播报距离测量结果，然后控制报警电路发出急促程度不同的警示音。

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图1 系统硬件结构框图

1. 2.2 主要功能模块的设计

2. 2.2.1 图像采集及转换电路

图像采集及转换电路的框图如图2所示。图像传感器OV6620 输出的YCrCb4:2:2 格式的数据经解交织电路转换为YCrCb4:4:4 格式数据，送给色彩空间转换电路完成数据格式转换，然后存入缓冲RAM中。下面重点介绍色彩空间转换电路。

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图像传感器ov6620输出的是YCrCb4:2:2 格式的数据，而设计中所使用的lcd屏要求输入RGB888格式的数据，因此需要色彩空间转换电路完成这种转换。转换公式如式(1)所示。

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转换结果中的RGB都是8位无符号数，取值范围为0～255， 因此运算结果为负数的取0; 运算结果超过255 的取255。这样会引入误差，但对图像的显示影响并不大。利用VerilogHDL 完成该电路的设计， YCrCb取值分别为197 、92、232 时， GRB输出(有延时)分别为186 、146 、255， 与根据(1) 式计算的结果一致。

2.2.2 超声波发射及接收部分

超声波测距中如果使用较高频率的超声波，则会因空气吸收较大而较快衰减，因此测量距离较短。比如采用40kHz 的超声波，测距范围一般不超过5m。由于空气对超声波的吸收与超声波频率的平方成正比，因此降低超声波的频率能增大测距范围。但是如果频率太低, 测距的绝对误差较大[4]。为了兼顾测距范围和精度，设计中采用40kHz 和25kHz 两种超声波测距。测量原理是：先输出10个40kHz 的超声波脉冲，再输出8个25kHz 的超声波脉冲，由于高频超声波先发出，对于同一目标，其回波先到达CPU， 因此对于近距离的目标，首先用高频超声波探测，测量绝对误差较小;对于远处的目标, 由于高频超声波被空气吸收而大幅衰减, 所以回波只有低频超声波，此时测量绝对误差稍大，但因测距范围大因此仍可接受。接收到的超声波信号经放大、比较等处理后送给NiosII 的PIO 口，使PIO口产生中断，通过执行中断服务程序获取超声波传播时间，再根据测得的环境温度计算出障碍物的距离，由连续两次测量情况计算出相对速度。这里仅给出25kHz 超声波发射和接收电路，如图3所示。

2.2.3 LCD 显示控制电路

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本设计中采用三星公司3.5 吋分辨率为320×240 的TFT 液晶屏(型号LTV350QV-F04)， 设计中将显示屏分为两部分：上部16行用于显示测得的距离、速度、当前状态等信息，下部224 行显示车辆后方的图像。为了提高显示刷新速度、降低CPU占用率，LCD显示控制由硬件电路实现，电路框图如图4所示。控制器利用OV6620 输出的行同步信号、场同步信号、像素时钟等信号产生控制LCD屏所需的控制信