叶圣伟，胡燕娇

（安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心，安徽 合肥 230601）

基于SOPC的汽车电子后视镜系统的研究与设计

叶圣伟，胡燕娇

（安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心，安徽 合肥 230601）

汽车在倒车过程中，驾驶员一般通过传统后视镜来观察车后状况，观察中会出现视野死角，视线模糊、目测不准等情况而不能实现安全倒车。为了弥补传统后视镜的不足，提出了一种基于SOPC的汽车电子后视镜系统，能够满足汽车电子设计灵活性、稳定性、低成本、快速开发等要求。

汽车电子；电子后视镜；SOPC

CLC NO.: TP274.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)10-75-03

引言

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。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。因此无论是后视摄像还是倒车雷达都不能完全解决驾驶者在倒车过程中出现的问题，实现安全倒车一方面要求驾驶者能掌握车后状况，能直观的看清障碍物的位置、外形，另一方面又需要能准确判断出障碍物与车的距离。

本文设计的汽车电子后视镜系统能够很好的解决上述问题，采用可编程的片上系统SOPC(System On Programmable Chip)技术，将处理器、存储器、I/ O接口、硬件协处理器和普通的用户逻辑等功能模块都集成到一个FPGA芯片里，构建一个可编程的片上系统。在分析各种车辆后视摄像，倒车雷达的基础上，增加高清视频显示，精准语音报警，将雷达测距与汽车后视摄像两者优势更好的融合起来，让驾驶员在倒车、变道时，可以直接通过安装在汽车驾驶室内的多功能显示屏，无需扭头，就能清楚地观察汽车车后景况，准确得知车与障碍物的距离。

1、汽车电子后视镜系统结构设计

汽车电子后视镜主要功能是汽车在倒车的过程中，能为驾驶者提供高清的后视景显示图像和精确的车尾障碍物与车的距离数据，并辅助有相应的语音报警提醒功能。该系统设计采用可编程的片上系统SOPC技术将处理器、存储器、I/O接口等模块集成到一个可编程器件FPGA上。系统FPGA器件选用Altera公司的CycloneⅡ系列的EP2C35，该系统设计能够实现汽车防盗自动报警、倒车影像和车内摄像、USB数据传输和CAN总线控制器接口等功能。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。系统结构如图1所示：

图1 汽车电子后视镜系统总体结构框图

CMOS图像传感器将采集到的图像数据送到FPGA中，处理后数据经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。

2、汽车电子后视镜系统主要功能模块的设计

整个系统主要由FPGA芯片、超声波测距模块、高速图像采集模块、语音提醒模块及显示模块构成，这里主要介绍超声波测距模块和图像采集模块的功能。

2.1 超声波测距

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；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。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。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。

2.2 高速图像采集

采集模块的硬件结构如图2所示。本系统选用的FPGA芯片是Altera公司最新推出的Cyclone Ⅱ系列的EP2C35。该芯片具有35000个逻辑单元、672个引脚、475个用户自定义I/O接口、35个嵌入式乘法器和4个锁相环,是一个集成度极高和功能强大的FPGA芯片。在FPGA中设计有NiosⅡ软核处理器和挂接在该NiosⅡ系统的Avalon总线上的I2C配置接口模块、先入先出控制接口(FIFO）、存储器控制接口(SDRAM)。DMA控制器(DMA)和用于定时中断的通用并行接口(PIO)等模块。FPGA外连接有视频解码芯片(ADV7181)、图像数据存储模块(SDRAM)和定时中断等。

图2 高速图像采集硬件结构原理图

采集模块以在FPGA芯片EP2C35上配置的NiosⅡ软核处理器作为控制核心，并在Avalon总线上挂接相应的接口模块，与FPGA的外围单元共同完成图像采集功能。在设定的定时时间内，产生一次定时中断，经过I2C配置好后的视频解码芯片ADV7181将来自CMOS的视频信号进行解码,并从输出端交给FIFO控制接口进行先入先出式缓存。当FIFO存储的数据达到设定的容量域值时,向DMA控制器请求一次DMA传送。DMA控制器接收请求后就完成一次FIFO到SDRAM之间的一次DMA传送。在定时时间内多次重复FIFO到SDRAM之间的DMA传送，在达到设定次数后将SDRAM的视频数据通过Avalon总线发送到LCD显示模块上。

2.3 语音播放及温度测量

语音播放电路主要由录放音电路ISD4002、功放电路LM386等组成。NiosII通过I/O口模拟SPI时序实现对ISD4002 的控制，以中断的方式处理ISD4002中各段的播放从而实现语音的连续播放。温度测量电路主要由数字温度传感器LM75构成。

3、汽车电子后视镜系统软件设计

系统硬件构架了超声波测距、后视摄像、语音提醒及液晶显示基本功能之后，系统软件所实现的功能主要是针对系统数据的处理与应用。根据系统硬件的模块化划分，系统软件需要完成的功能有：

（1）为保证汽车电子后视镜系统能够正常运行，系统需要对各硬件设备进行初始化，初始化对象包括测距设备、视频设备、语音报警设备等。

（2）针对测距系统，需要在FPGA芯片中由软件产生一连串的超声波脉冲信号，并控制超声波发射与接收，最后计算出距离。

图3 汽车电子后视镜系统程序流程图

（3）在后视摄像系统中，需要驱动摄像头对视频图像采集的控制，及图像数据存储以及调用图像处理算法对图像进行处理。

（4）语音提醒系统中，调用距离判定子程序对测得的实时距离进行判定，根据判定结果选择对应的语音提醒。

针对这些需要实现的功能，软件设计采用模块化设计思想，由主程序、测距系统子程序、后视摄像子程序、语音提醒子程序等组成。将各模块独立来实现，提供程序的灵活性、层次性和可扩展性。主流程如图3所示。

4、结束语

基于SOPC的汽车电子后视镜系统主要是针对汽车在倒车过程中人通过后视镜观看车后障碍存在困难，无法实现安全倒车而设计的。该系统利用CMOS 图像传感器采集车辆后方的图像并实时显示在LCD屏上，同时利用双频超声波实现了大范围、高精度的测距，使驾驶者及时、准确、全面地掌握车辆后方的情况，极大地提高了倒车的安全性。再加上SOPC技术在软、硬件设计上的可裁减和很方便移植等优点，可大大缩短系统整体设计周期，有很好的应用前景和科研价值。

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Research and Design on automotive electronic rear-view mirror system based on SOPC

Ye Shengwei, Hu Yanjiao
（AnHui JiangHuai Automobile Group CO., LTD. Technical Center, Anhui Hefei 230601）

Generally speaking, drivers observe the status after the vehicle through traditional rear-view mirror in the process of reserving the car. However, invisible comer, blurred and inaccurate vision may happen in this observation as well as some other situations just like this, which often lead to the fact that the drivers cannot reverse their cars safely. In order to make up the disadvantages of the traditional rear-view mirror, A design of automotive electronic rear-view mirror system based on SOPC is presented, is easy to deal with the current automotive electronic design which needs flexibility, stability, low cost and fast developments.

automotive electronic; electronic rear-view mirror; SOPC

TP274.2

A

1671-7988 (2017)10-75-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.10.026

叶圣伟（1987-），男，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心。