鞠劍平，吳思華，呂 毅，潘飛平

(1湖北工業(yè)大學商貿(mào)學院，湖北武漢430079;2武漢工程大學國際學院，湖北武漢430074)

可視倒車系統(tǒng)就是汽車輔助系統(tǒng)的一個重要組成部分，其主要功能是幫助司機克服行車盲區(qū)的困擾［1］。早期的汽車倒車雷達系統(tǒng)雖然能夠偵測盲區(qū)范圍內(nèi)的障礙物，但是它只能夠識別與雷達在一個水平面的障礙物。其后出現(xiàn)的由一個車載后視攝像頭和車載顯示屏組成的影像倒車系統(tǒng)，可以清晰看到車后的狀況，解決了車后方的視覺盲區(qū)問題，但對于轉(zhuǎn)彎過程中的車輛正前方及左右側(cè)仍然存在視覺盲區(qū)。因此，研究可以消除車輛四周視覺盲區(qū)的全景影像倒車系統(tǒng)具有一定的現(xiàn)實意義。

本文所設計的車載全景影像倒車系統(tǒng)由分別安裝在車輛前格柵或車標、左右側(cè)門后視鏡及尾門的4個指向地面的高清攝像頭來收集車身四周的實時影像數(shù)據(jù)，然后利用圖像處理技術實時在車載DVD的屏幕上顯示1個、2個、3個或4個攝像頭的車身四周全景影像信息。

1 主要元器件的選擇

本系統(tǒng)設計所涉及的主要元器件包括:核心控制芯片、圖形處理專用芯片以及與圖形處理芯片相配套的SDRAM芯片。

本系統(tǒng)核心控制CPU選擇的是STM32系列CPU，而沒有選擇一般常見的8位和16位單片機，主要原因如下:1)本系統(tǒng)由于需要控制實時視頻圖像的輸出，需要CPU有較高主頻，而8位51兼容型單片機主頻一般為6～40 MHz，不能滿足要求;2)STM32系列微控制器I/O引腳較多，板載資源豐富，集成度高，便于系統(tǒng)將來外接SD卡，實現(xiàn)行車記錄儀等擴展功能［2］;3)STM32系列微控制器基于先進 Cortex-M3架構(gòu)，同系列 CPU間引腳相互兼容，便于將來硬件升級時更換同系列主頻更高的CPU。

由于本系統(tǒng)需要對四路輸入視頻進行處理，控制輸出一路視頻，故除有控制芯片外，還需要有專用于圖像處理的DSP芯片。對于進行圖像處理的DSP芯片，沒有選擇常見的TI公司的C6000系列DSP，而是選用了TECHWELL公司推出的TW2824視頻處理芯片，原因如下:1)TI公司的C6000系列DSP，其功能強大，使用靈活，對開發(fā)人員有較高要求，需要開發(fā)人員有較強圖像處理算法方面的編程經(jīng)驗，而TECHWELL公司的TW2824視頻處理芯片屬于硬件固化型的DSP芯片，該芯片所用到的基本算法已固化到DSP芯片中，用戶主要通過設置相關寄存器的值來完成相關功能的實現(xiàn)，大大降低了開發(fā)難度;2)TW2824具有視頻輸入、動態(tài)檢測、視頻控制、OSD疊加、視頻輸出和多片級聯(lián)等功能，可應用于模擬矩陣視頻切換系統(tǒng)、4/8/16路DVR、車載后視系統(tǒng)等眾多領域，在車載電子領域其可靠性得到了充分的保障［3］，而 TI公司的 C6000系列 DSP屬于通用的圖形處理芯片，不是針對車載電子進行專門設計的芯片;3)TW2824內(nèi)部集成有4路模擬復合視頻輸入接口，能夠直接將4路模擬輸入視頻信號進行ADC轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生相應的數(shù)字視頻信號，如采用TI公司的 C6000系列 DSP，則需要外接如TVP5158等型號的專用4路視頻解碼芯片，這樣不僅會增加硬件成本，而且會增大電路板面積;4)TW2824的價格遠低于TI公司的C6000系列DSP，且采用TW2824制版工藝較為簡單，只需制成雙面板，而如果采用C6000系列DSP，核心板通常需要制成6～8層多層板。

使用TW2824進行圖像處理時，需要配套連接兩片SDRAM。根據(jù)TW2824的用戶手冊，其配套使用的是第一代SDR SDRAM。

2 設計方案

車載全景影像倒車系統(tǒng)的控制電路板通過車載DC12V輸入電源信號，4路攝像頭視頻輸入控制電路板，由控制電路板上的視頻處理芯片對視頻圖像進行處理，處理以后的圖像通過控制電路板上唯一的輸出接口輸出到車載DVD的屏幕上(將輸出接口與原車顯示器或者后視鏡/儀表臺顯示器支持AV輸入對插即可)。

汽車啟動時，系統(tǒng)自動進入開機狀態(tài)。當司機打左(右)轉(zhuǎn)向燈時，左(右)轉(zhuǎn)向燈觸發(fā)信號觸發(fā)控制電路板相關引腳，從而控制視頻輸出接口的信號，自動顯示相應左(右)攝像頭畫面。任何情況下，當司機倒車時，系統(tǒng)自動顯示后視攝像頭畫面，倒車檔復位后，系統(tǒng)自動切換前視攝像頭畫面，15 s后自動關閉。在汽車正常行駛過程中，駕駛員可以通過按鍵控制，切換選擇所顯示的攝像頭。

本系統(tǒng)通過對外接的4個攝像頭的視頻信號進行采集處理，并分割畫面顯示在車載DVD的顯示屏幕中。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

攝像頭視頻信號的動態(tài)偵測、裁剪、縮放是由視頻控制芯片TW2824構(gòu)成的畫面分割電路完成。TW2824由 STM32控制，STM32采用并行方式與TW2824連接，相關控制信號連接到STM32上，通過軟件編程實現(xiàn)STM32控制TW2824選擇視頻信號進行裁剪、縮放，實現(xiàn)三分屏顯示。同時使用TW2824提供的OSD技術，疊加相應中英文字符菜單。由于顯示的字符數(shù)目較多，TW2824的內(nèi)部存儲放不下所有待顯示字符，故需外接存儲芯片專用于存儲待顯示的字符點陣字庫。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

3 系統(tǒng)硬件電路設計

3.1 系統(tǒng)控制電路設計

本系統(tǒng)只需要使用最基本的I/O引腳控制視頻輸入輸出電路，不需要其他的復雜功能。從成本上考慮，選擇增強型STM32F103xx系列的微控制器，具體型號為STM32F103C8T6，封裝為LQFP-48?；赟TM32的系統(tǒng)控制電路包括STM32最小系統(tǒng)、JTAG仿真接口、控制視頻輸入電路。

本文所設計的車載360影像倒車系統(tǒng)通過專用的接口插座，從汽車上獲得系統(tǒng)工作電壓(+12V)，并獲得汽車的左轉(zhuǎn)向、右轉(zhuǎn)向、倒車、車頂燈等信號，根據(jù)這些信號，由STM32控制相應的左右和前后攝像頭的視頻輸入。

這里以倒車信號為例說明其工作過程。如圖2所示，當汽車啟動時，J1中的 ACC輸出高電平，PB14為低電平。STM32檢測到PB14為低電平時，在PA3上輸出高電平，Header4的1號引腳即為高電平，使倒車攝像頭獲得電源，向TW2824輸入視頻信號，但此時倒車攝像頭信號并沒有顯示在車載DVD的屏幕上。當?shù)管囕斎胄盘栞斎敫唠娖綍r，PB15輸入為低電平;當STM32檢測到PB15為低電平時，在PA4上輸出高電平，使得Header4的2號引腳為高電平。只有當PA3、PA4同時為高電平時，TW2824才控制輸出端口，將倒車攝像頭信號顯示到車載DVD的屏幕上。與此同時，STM32的PB13輸出高電平，使得J1_4輸出高電平，點亮倒車攝像頭上所附帶的補光燈［5］。

3.2 視頻處理電路設計

選用PQFP208封裝的TW2824M，其帶有多路復用(MUX)和雙通道輸出功能。

1)STM32與TW2824的接口電路

TW2824的HSPB引腳可以將HOST總線設置為串行或并行工作方式。這里將該引腳接地，設置為并行工作方式，對應引腳 HDAT［0］－HDAT［7］與 STM32的 PA6-PA15相連接。TW2824并行HOST總線的數(shù)據(jù)線和地址線都是復用的，也就是說TW2824利用相同的引腳既傳送地址又傳送數(shù)值。

TW2824工作在并口方式時，通過引腳HCSB0和HCSB1來選擇寄存器的頁，寫使能信號線HWRB和讀使能信號線HRDB來完成讀寫控制，地址引腳HLAE在高電平時表示 HDAT［0］－HDAT［7］上傳輸?shù)臑榈刂沸盘?，當它為低電平時，表示HDAT［0］－HDAT［7］上傳輸?shù)臑閿?shù)據(jù)信號。

圖2 STM32控制倒車視頻信號輸入

2)TW2824與SDRAM的接口電路

為了能夠同時顯示捕獲視頻圖像，TW2824提供了2個獨立的視頻控制器，除了接擴展 SDRAM存儲器能力不同外，這2個視頻控制器(2個視頻處理徑X PATH和Y PATH)是完全相同的。對于顯示路徑(X PATH)，外接SDRAM的大小是16～512 Mbits。外接的擴展存儲器大小只與視頻緩存和回放能力相關。

如圖3所示，選擇的SDRAM為容量為1M×16bits的 K4S161622。K4S161622內(nèi)部包括 2個bank，11根行地址線RA0－RA10和8根列地址線CA0－CA7復用在引腳 A0－A10上，A0－A10與TW2824 X通道地址線 ADDRX［0:10］相連。K4S161622的數(shù)據(jù)總線DATA_D［0:15］與TW2824 X通道的 DATAX［0:15］相連。K4S161622的 BA引腳、WE引腳、CAS引腳和 RAS引腳分別和TW2824的BA0X、WEBX、CASBX和RASBX引腳相連接［6］。

K4S161622的DQM0、DQM1引腳是數(shù)據(jù)輸入輸出屏蔽引腳。DQM1、DQM0分別代表16位數(shù)據(jù)的高、低字節(jié)讀取信號。當讀取數(shù)據(jù)時，DQM1、DQM0分別用來控制16位數(shù)據(jù)中高低字節(jié)能否被讀取;當DQM1、DQM0為低電平時，對應的高(低)字節(jié)就可以被讀取，如果DQM1、DQM0為高電平時，對應的高(低)字節(jié)就不能被讀取。當向內(nèi)存里寫入數(shù)據(jù)時，DQM1、DQM0控制數(shù)據(jù)能否被寫入:當DQM1、DQM0為低電平時，對應的高(低)字節(jié)就可以被寫入;如果DQM1、DQM0為高電平時，對應的高(低)字節(jié)就不能被寫入。

3)TW2824的視頻輸入輸出接口電路設計

TW2824具有5個輸入接口，包括1路數(shù)字視頻信號輸入和4路模擬視頻信號輸入。4個模擬視頻輸入信號由內(nèi)置的10位ADC和亮度/色度處理器轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)流，每個通道內(nèi)置的編碼器都有動態(tài)偵測和垂直水平縮放功能，經(jīng)過縮放后的數(shù)字視頻信號被傳送給后續(xù)的視頻控制部分。

使用TW2824的VIN0A－VIN3A來輸入視頻信號，而根據(jù)用戶手冊，不使用的VIN0B－VIN3B要串0.1 μF的電容接模擬地。視頻信號在送到VIN0A－VIN3A之前先經(jīng)過3階LC無源低通濾波器進行濾波。

TW2824有兩組輸出通道、4個輸出引腳，分別是 VOUTYX、VOUTCX、VOUTYY、VOUTCY，這里只使用X通道，

將VOUTYX(復合/亮度信號輸出)、VOUTCX(復合/色度信號輸出)都引出，通過并聯(lián)LC濾波器濾波輸出到接口座，與車載DVD輸入端相連，以便于將輸出視頻顯示在車載DVD的屏幕上。

圖3 TW2824與SDRAM的連接

圖4 TW2824的視頻輸入輸出接口電路

3.3 電源電路設計

本系統(tǒng)中STM32工作電壓為3.3 V，TW2824的數(shù)字電源的工作電壓也為3.3 V，但TW2824的內(nèi)部邏輯單元的工作電壓和ADC、DAC模擬電源的工作電壓為2.5 V，而汽車提供的標準電源電壓為12 V，所以設計了相應的電壓轉(zhuǎn)換電路:首先用LM2576將12 V電壓轉(zhuǎn)換為5 V電壓，然后使用LM1117_3.3和LM1117_2.5轉(zhuǎn)化產(chǎn)生 3.3 V 和 2.5 V 電壓源［7］。

4 系統(tǒng)軟件設計與調(diào)試

本系統(tǒng)軟件部分主要是對TW2824的控制器進行相應操作。TW2824的內(nèi)部寄存器分為3頁，分別以前綴0x，1x，2x開頭，每頁寄存器頁內(nèi)地址為00～ff，256個字節(jié)。系統(tǒng)并未用到TW2824的所有功能，當設計不同的系統(tǒng)時，需要對寄存器值進行不同的設定。對TW2824的片內(nèi)寄存器讀寫有串行與并行2種方式，串行方式使用I2C協(xié)議標準2線連接，傳輸速度可達到400 Kb/s，而并行方式可達到更快的傳輸速度［8］。本系統(tǒng)中采用的是并行方式，CSB0和CSB1兩根線用來選擇TW2824內(nèi)部寄存器頁，在并行的接口方式下，TW2824也支持同寄存器頁內(nèi)寄存器地址自動加1功能，可方便地執(zhí)行同頁內(nèi)寄存器的連續(xù)地址讀操作或?qū)懖僮鳌＼浖_發(fā)環(huán)境使用的是RealView MDK，相應的軟件流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)程序流程圖

在硬件和軟件都設計完成后，給電路板連接12 V電源，系統(tǒng)正常上電，檢查各部分模塊的電壓均為正常。將系統(tǒng)視頻輸出端連接到車載DVD的顯示屏上，系統(tǒng)能夠正常顯示圖像(圖6)。為方便硬件調(diào)試并根據(jù)司機實際使用的需求，在電路的電源上增加了一個按鍵開關，系統(tǒng)實現(xiàn)了以下的功能:

圖6 電路板測試輸出視頻到車載DVD上

1)長按5 s可開機或關機;

2)短按即按以下順序切換攝像頭:前(前左右三畫面)→左(左全屏)→右(右全屏)→后(后左右三畫面);

3)如果倒車，自動切換到倒車的三畫面(后、左、右三個畫面);

4)沒有倒車，車主可以按動開關切換畫面，切換順序:前(前左右三畫面)→左(左全屏)→右(右全屏)→后(后左右三畫面)。

［1］ 陳紅兵，劉怡俊，李 超.多視角智能可視倒車輔助系統(tǒng)的研究和設計［J］.現(xiàn)代計算機(專業(yè)版)，2014(15):51-57.

［2］ 何華芝.基于STM32的車載監(jiān)控設備的硬件設計［J］.電子測量技術，2008(12):139-146.

［3］ Techwell Inc.TW2824 DATASHEET［EB/OL］.［2013-10-04］http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/131354/ETC1/TW2824.html.

［4］ 盧有亮.基于STM32的嵌入式系統(tǒng)原理與設計［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2012:93-113.

［5］ 意法半導體.STM32F10xxx參考手冊［EB/OL］.(2009-12-01)［2013-11-07］http://www.st.com/web/en/catalog/tools/FM147/CL1794/SC961/SS1743/LN1939/PF257859?s_searchtype=keyword.

［6］ Samsung Electronics.K4S161622D DATASHEET［EB/OL］.(2003-06-08) ［2013-12-24］http://datasheet.eeworld.com.cn/pdf/SAMSUNG/138168_K4S161622D-TC_L80.pdf.

［7］王劍宇.高速電路設計［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2010:113-121.

［8］范慶輝，陽富民.基于TW2824的OSD技術研究與實現(xiàn)［J］.計算機工程與設計，2007(10):2 469-2 474.