（通信与信息系统专业论文）汽车倒车信息系统的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 汽车是人们日常生活中重要的交通工具，随着电子技术和软件技术的发展， 特别是嵌入式微处理器技术的突飞猛进和嵌入式操作系统的出现，车载电子产 品无论是从功能、性能还是人机界面上，都有了质的飞跃，车载电子产品上也 开始了使用高级的嵌入式微处理器和嵌入式操作系统。本文就是在这一背景之 下，提出了一种基于嵌入式操作系统的新型倒车信息系统设计方案。 本文设计了以a r m 9 为主控芯片、嵌入式l i n u x 为操作系统、q 班为g u i ， 通过u s b 摄像头采集车后实时图像信息并用超声波时间渡越法检测车后障碍物 距离的倒车信息系统。与以往倒车信息系统不同的是该系统以嵌入式l i n u x 作为 主控系统，并通过在嵌入式l i n u x 上运行的q 1 哺应用程序把摄像头采集到的视 频信息和测距模块检测到的障碍物距离数据在l c d 上实时显示出来，并具有对 驾驶员和路人的语音预警功能，同时向驾驶员提供了控制预警语音的功能按钮。 本文首先根据倒车信息系统国内外的研究现状和发展水平，提出了研究目 的和主要研究内容。接下来研究了系统的总体硬件构成、超声波测距模块的构 成、超声波测距的原理、所采用的嵌入式操作系统以及g u i 。接下来，根据系 统的总体构成，对系统各硬件模块进行了研究，重点研究了主系统的三大接口 一i c d 接口、音频接口和u s b 接口，然后对超声波测距模块的硬件做了研究。 最后，研究了系统软件和应用软件的设计。系统软件部分研究的是嵌入式 系统的移植，重点研究了基于q t e 的根文件系统的制作和移植。应用软件部分 研究了超声波测距模块软件的设计、v 4 l 2 视频采集程序的设计、l i n u x 串口通 信程序的设计、l i n u x 下p w m 定时器驱动的设计以及语音预警程序的设计，然 后重点研究了系统的q 班图形界面应用程序的设计并对系统设计好之后的运行 效果进行了验证。经实验，系统软硬件运行良好，q 班g u i 应用程序运行流畅， 能满足倒车时的实时性要求。 在本文的最后还对所使用的超声波测距模块进行了数据实测和误差分析。 经实验，超声波测距模块的测量误差在倒车允许的范围之内。 关键词：a r m ，超声波测距，嵌入式l i n u x ，v i d e of o rl i n u x2 ，q 明 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t i no u rd a i l yl i f e ，c a ri st h ev e r yi m p o r t a n tm e a n so ft r a n s p o r t a se l e c t r o n i c t e c h n o l o g ya n ds o f t w a r et e c h n o l o g y sd e v e l o p m e n t ，e s p e c i a l l yt h er a p i dp r o g r e s so f e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o rt e c h n o l o g ya n dt h ee m e r g e n c eo fe m b e d d e do p e r a t i n g s y s t e m s ，c 盯e l e c t r o n i cp r o d u c t sh a v eaq u a l i m t i v el e a pw i t ht h ef u n c t i o n a l i t y ， p e r f o r m a n c ea n dg r a p h i cu s e ri n t e r f a c e c a re l e c t r o n i cp r o d u c t sa l s ob e g i nt ou s e a d v a n c e dm i c r o p r o c e s s o r sa n de m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m s t h i sa r t i c l ee x p l o r ea n d d e s i g nan e wi n f o r m a t i o ns y s t e mf o rc a rb a c k i n gb a s e do nt h ee m b e d d e ds y s t e mi n t h i sb a c k g r o u n d t h i sn e wi n f o r m a t i o ns y s t e mf o rc a rb a c k i n gu s e sa na r mc p ua st h em a i n c o n t r o lu n i t ，t h ee m b e d d e dl i n u xa st h eo p e r a t i n gs y s t e m ，q t ea st h eg u i t h i s s y s t e mu s e st h ec a m e r at og a t h e rt h ev i d e od a t ao ft h ec a sr e a ra n dt h eu l t r a s o n i c r a n g i n gt om e a s u r et h ed i s t a n c eb e t w e e nt h ec a r sb a c ka n dt h eo b s t a c l e u n l i k et h e p a s ti n f o r m a t i o ns y s t e mf o rc a rb a c k i n g , t h i ss y s t e mi sc o n t r o l l e db yt h ee m b e d d e d l i n u xo p e r a t i n gs y s t e ma n dc a nd i s p l a yt h er e a l t i m ev i d e oa n dd i s t a n c ed a t ao nt h e l c d t h r o u g ht h eq t eg u ia p p l i c a t i o np r o g r a mw h i c hm i m i n go nt h ee m b e d d e d l i n u x ，t h i ss y s t e ma l s oc a ng i v et h ev o i c ew a r n i n ga n dp r o v i d et h ed r i v e rt w of u n c t i o n b u t t o n st oc o n t r o lt h ew a r n i n gv o i c e f i r s t l y , t h i sa r t i c l ep r o p o s e dt h ep u r p o s ea n dm a i nr e s e a r c hc o n t e n t so ft h i sp a p e r a c c o r d i n gt ot h ei n f o r m a t i o ns y s t e mf o rc a rb a c k i n g sr e c e n tr e s e a r c hs t a t u sa n dt h e l e v e lo fd e v e l o p m e n t n e x t ，t h i sp a p e rh a sd o n ean e e d sa n a l y s i sf o rt h i ss y s t e ma n d t h e ne x p l o r et h es y s t e m so v e r a l lc o n s t r u c t i o no ft h eh a r d w a r e ，t h ec o n s t r u c t i o no f u l t r a s o n i c r a n g i n gm o d u l e ，t h ep r i n c i p l eo fu l t r a s o n i c d i s t a n c e m e a s u r e m e n t ，t h e e m b e d d e ds y s t e ma n dg u iu s e db yt h es y s t e m t h i sp a p e re x p l o r et h eh a r d w a r e m o d u l eo ft h es y s t e mn e x ta n df o c u s e so nt h er e s e a r c ho ft h et h r e ei n t e r f a c e so ft h e m a i ns y s t e mw h i c ha r et h el c di n t e r f a c e ，t h ev o i c ea n dp w mt i m e ri n t e r f a c e ，t h e u s bi n t e r f a c ea n dt h e ne x p l o r et h eh a r d w a r eo ft h eu l t r a s o n i cr a n g i n gm o d u l e a tl a s t ，t h i sp a p e re x p l o r es y s t e ms o f t w a r ea n da p p l i c a t i o n sd e s i g n t h es y s t e m s o f t w a r ep a r te x p l o r et h ee m b e d d e ds y s t e m st r a n s p l a n ta n df o c u s e so nt h er o o t 武汉理工大学硕士学位论文 f i l e s y s t e m sm a k i n ga n dt r a n s p l a n t i n gb a s e d o nq t e t h ea p p l i c a t i o np a r te x p l o r et h e s o f t w a r ed e s i g no ft h eu l t r a s o n i cr a n g i n gm o d u l e ，t h ev i d e od a t aa c q u i s i t i o nb a s e do n v 4 1 2 ，t h el i n u xs e r i a lp o r tc o m m u n i c a t i o np r o g r a m ，t h ep w m d r i v e rf o rl i n u xa n dt h e v o i c ew a r n i n gm o d u l e t h i sp a p e rf o c u s e do nt h ed e s i g no ft h eg u ia p p l i c a t i o nb a s e d o nq t ei nt h es o f t w a r er e s e a r c hp a r tn e x t a f t e ra l lo ft h e s er e s e a r c h ，t h i sp a p e rt e s t a n dv e r i f yt h i ss y s t e ma n dh a v eaw e l lr e s u l t ，t h es y s t e m sh a r d w a r ea n ds o f t w a r er u n s w e l l ，t h eg u ia p p l i c a t i o nb a s e do nq t er u n ss m o o t h l ya n dc a nm e e tt h er e a l t i m e r e q u i r e m e n to ft h ec a rb a c k i n g t h i sp a p e ra l s oa n a l y s e st h ed e v i a t i o no ft h eu l t r a s o n i cr a n g i n gm o d u l e t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h eu l t r a s o n i cr a n g i n gm o d u l e sd e v i a t i o nw i t h i nt h e s c o p e o fa l l o w e dw h e nb a c k i n ga c a l k e y w o r d s ：a r m ，u l t r a s o n i cr a n g ef i n d i n g ，e m b e d d e dl i n u x ，v i d e of o rl i n u x 2 ，q t e l 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：堑蝉一日期：蚪一 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：专丑军导师( 签名) ：妒日期2 。i 。箩刁 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 近年来，随着经济的发展、市场的繁荣和人们生活水平的不断提高，私家车、 运输车及各种车辆与日俱增，汽车成为各地经济发展的中枢纽带，汽车数量的 增长，特别是私家车数量的增长，也带动了汽车配套产品市场的增长，汽车导 航产品、汽车影音娱乐产品等销量大涨。在众多的汽车配套电子产品中【1 】【2 1 ，与 倒车安全有关的配套产品格外引人注目，配有倒车辅助信息系统的车型也常常 成为高档车配置的重要标志之一。 倒车喇叭和倒车雷达是现有的汽车倒车辅助信息系统的主要代表。倒车喇叭 通过倒车时发出预警声音或倒车真人语音提醒车后路人正在倒车，使路人主动 闪避汽车，减少倒车时事故的发生。这种产品对于驾驶员作用不大，因为驾驶 员无法知道车后是否有人或障碍物。这种产品虽然能很大程度避免对路人的伤 害，但对驾驶员来说倒车还是有一定的盲目性，驾驶员在倒车时无法发现车后 障碍物，倒车事故还是时有发生。倒车雷达1 3 】虽然可以发现车后障碍物并通过安 装在驾驶室的显示设备显示车后障碍物离车的距离，但其显示界面不友好，人 机交互不方便，安装起来也不方便，有的需要专门为倒车辅助信息系统在驾驶 室安装一个额外的显示设备，影响汽车的美观。 随着电子技术1 4 j 和软件技术的发展，特别是嵌入式微处理器技术的突飞猛进 和嵌入式操作系统1 5 j 的出现，汽车上面的信息系统1 6 无论是从功能、性能还是人 机界面上，都有了质的飞跃。它们正在逐步的实现着由在嵌入式操作系统上运 行的嵌入式软件的控制，人机界面也由以前的简单按钮或界面向嵌入式g u i 发 展，然后通过运行嵌入式g u i 应用程序来实现信息的显示和功能控制。汽车上 的信息采集系统、导航系统、影音娱乐系统等都在逐步实现由操作系统的控制 和通过g u i 应用程序来使用这些功能。本文的研究内容正是在这样的背景下提 出的，本文设计了一种基于嵌入式l i n u x o l 和q t e t l l l 的新型倒车信息系统，该 系统可以把障碍物距离数据的采集显示、音频预警的控制、车后视频信息【1 2 d 5 】 的采集显示通过嵌入式操作系统来控制，并以g u i 应用程序的方式提供给驾驶 员。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 国内外研究水平和发展现状 倒车信息系统是汽车倒车安全辅助装置，能够用声音提醒路人该车正在倒 车，或者通过倒车雷达和语音提示驾驶员车后有障碍物，还有的是在有语音的 同时也在驾驶室向驾驶员显示车后障碍物的情况，使驾驶员倒车更加方便，使 汽车后视镜的视野死角和视线模糊的缺陷得到很大的改善，提高了倒车的安全 性。倒车信息系统使用较多的是数码显示、l c d 显示和魔幻镜倒车显示这三种。 经过多年的发展，汽车倒车信息系统经过了以下几代的发展【1 6 】： ( 1 ) 倒车喇叭。这种倒车信息系统通过播放“请注意倒车”这类音频来提醒 路人该车正在倒车，它从驾驶员开始倒车就会响起，直到倒车停止才结束。这 种倒车产品很便宜，对路人有一定提醒作用，但是对驾驶员没多大作用，驾驶 员并不能了解车后障碍物情况。 ( 2 ) 倒车蜂鸣器。这种倒车辅助信息系统在汽车倒车时，会通过安装在车 尾部的倒车雷达【1 7 1 9 】对车后障碍物及其距离车的远近进行判断，这一代产品是 倒车辅助信息系统雷达时代的开始。这代产品会根据采集到车后障碍物距离的 远近不同发出不同频率的蜂鸣声来提醒驾驶员车后有障碍物，并且障碍物距离 车越近，轰鸣器的声音就越急。这种倒车信息系统虽然可以提醒司机车后有障 碍物，但是没有具体距离的数字显示，驾驶员即使知道车后有障碍物存在也不 能确定障碍物离车到底有多远，倒车还是不方便。 ( 3 ) 数码距离和彩色波段显示。这代产品弥补了第二代产品无距离显示的 不足，这种倒车辅助信息系统可以通过雷达探测车后障碍物离车的具体距离， 并根据车后障碍物的距离以数码的方式在驾驶室显示出来。这种产品除了用数 码显示距离之外，还有一个特点就是用波段颜色来显示安全等级，例如障碍物 离车1 5 米以上就显示绿色波段，表示安全；障碍物距离车0 7 米一1 5 米显示黄 色波段，表示警告；障碍物离车o 7 米以下显示红色波段，表示这时十分危险， 驾驶员最好停车，否则有可能发生碰撞。这代产品把数码距离显示和彩色波段 显示结合在了一起，比较实用，缺点是装在驾驶室内不太美观。 ( 4 ) l c d 屏动态显示。这一代产品相比前三代产品，有了质的飞跃，出现 了l c d 屏动态显示系统。在倒车的时候，l c d 屏上会出现汽车倒车的图案并显 示车后障碍物的距离。这种产品可以在l c d 上动态显示倒车图案和障碍物距离， 其外表美观，显示的色彩清晰漂亮，并且可以直接和汽车的仪表盘装在一起而 2 武汉理工大学硕士学位论文 无需额外的安装空间。这代产品的缺点是抗干扰能力不强，容易出现误报情况。 ( 5 ) 倒车魔幻镜显示。这一代产品结合了前几代产品的优点，采用了高速 控制芯片和仿生超声雷达技术【捌，可以准确快速的判断车后的障碍物及其距离， 能把距离数据通过魔幻镜直观的显示给驾驶员并有语音等级提示。这种产品把 后视镜、温度湿度显示、倒车信息显示等多项功能结合在了一起，并且具有语 音功能。其外形就是一块倒车镜，直接安装在车内后视镜的位置即可。该产品 款式多样，驾驶员可以按照个人需求和车内装饰选配。 ( 6 ) 整合的倒车信息辅助系统。这一代产品在第五代的基础上，整合了车 载的影音系统、g p s 导航系统等，可以在显示器看d v d 视频、播放音乐等，这 种产品是专门为高档轿车生产的。 随着嵌入式技术的发展，特别是嵌入式操作系统【2 1 】的出现及其在车载电子产 品上的应用，倒车信息系系统也朝着有操作系统控制的方向发展，汽车上的导 航系统、g p s 定位系统、影音娱乐系统、行车信息记录系统等也都在逐步的实 现向嵌入式操作系统上的整合。 1 3 本研究的目的和主要研究内容及创新点 本文研究并设计了在嵌入式平台上实现由操作系统控制的新型倒车信息系 统，本系统可以对倒车时车后障碍物的距离信息、车后的实时环境视频信息进 行采集、处理和显示，还可以对驾驶员和路人提供语音预警信息。系统通过u s b 摄像头采集车后实时图像数据、通过超声波测距模块检测车后障碍物信息，并 在嵌入式l i n u x 的控制下，在l c d 上通过基于q ，i 饱的图形界面应用程序把这 些信息实时的显示出来。该系统还可以在倒车的时候播放倒车语音提醒路人并 根据采集到的障碍物距离信息通过蜂鸣器发出不同频率的声音给予驾驶员语音 提示预警，提高倒车的安全性，同时提供给驾驶员相关的g u i 按钮对语音预警 功能进行控制。本系统通过良好的g u i 界面使驾驶员在倒车时对倒车信息的获 取更加方便和及时、人机交互更加友好。 本课题的主要研究内容如下： ( 1 ) 根据系统需求，设计系统的总体构成，研究了所使用的嵌入式操系统和g u i 、 超声波测距的原理，并对系统所使用的超声波测距方法和超声波频率的选取进 行了研究； ( 2 ) 研究了系统的各硬件模块，重点研究了嵌入式系统的l c d 、音频、u s b 三 3 武汉理工大学硕士学位论文 大硬件接口和超声波测距模块的硬件。 ( 3 ) 研究了嵌入式操作系统的构建，重点研究了基于q 班的y a f f s 2 文件系 统制作和移植。 ( 4 ) 研究了系统软件的设计，包括超声波测距模块软件的设计、l i n u x 串口通 信程序的设计、基于v 4 l 2 的视频采集程序的设计、l i n u x 下p w m 定时器的驱 动程序的设计、语音预警程序的设计； ( 5 ) 研究了如何编写系统的q t e 图形界面应用程序把采集的视频信息、距离 信息通过l c d 实时显示出来，并播放真人语音预警音频和在g u i 应用程序中向 驾驶员提供功能按钮控制语音预警功能。最后对系统的运行效果进行了验证， 对所使用的超声波测距模块进行了数据实测和误差分析。 本文的创新点是通过在嵌入式l i n u x 操作系统上运行的基于q t e 的图形界 面应用程序向驾驶员同时提供了倒车时的车后环境实时视频信息、障碍物距离 信息、预警语音信息和预警语音功能控制按钮，使倒车更加方便。视频的采集 采用v i d e of o rl i n u x2a p i 以内存映射方式进行，提高了视频采集的效率。q t 的密集事件处理采用0 m s 的嘶e l 对象超时信号连接的槽函数来实现，系统响 应快。 1 4 本文的内容安排 第1 章，介绍了倒车信息系统的国内外研究水平和发展现状，提出了本文的 研究目的和主要研究内容及创新点。 第2 章，研究了系统的总体构成、超声波测距原理、超声波测距模块的控制 方案及测距模块的构成，对所使用的超声波测距方法和超声波频率的选择进行 了研究，对使用的嵌入式操作系统和g u i 进行了介绍。 第3 章，根据系统的总体构成，对系统的各个硬件模块进行研究。 第4 章，研究了嵌入式操作系统的构建和软件的设计，对l i n u x 内核、启动 引导程序、根文件系统以及q 1 僵的移植和超声波测距模块程序、视频采集程序、 l i n u x 串口通信程序、p w m 定时器驱动程序、语音预警程序的设计进行了研究。 第5 章，研究了基于q t e 的图形界面应用程序的设计，并对系统的运行效 果进行了实验，对使用的超声波测距模块进行了数据实测和误差分析。 第6 章，对全文做总结并对下一步的工作进行展望。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章倒车信息系统的系统构建 本章研究了倒车信息系统的总体设计、超声波测距的原理及测距模块的构 成、所使用的操作系统和g u i 。总体设计主要研究了系统的总体硬件设计方案， 超声波测距模块部分研究了超声波测距模块的控制方案、超声波测距的原理、 超声波测距模块的构成。本系统以嵌入式l i n u x 作为操作系统【2 2 】陋1 ，以q t e 作 为g u i ，在q t e 库下开发系统的图形界面应用软件，本章将对它们作分析。 2 1 系统硬件设计方案 倒车信息系统需要运行嵌入式操作系统，因此必须在拥有强大的处理能力的 硬件平台上运行。系统要能够采集车后障碍物距离数据和视频信息，并且要能 够直观、友好而流畅的显示倒车时的实时图像信息和测距模块采集到的距离数 据，能够提供合适的语音预警信息，应用程序要能够和驾驶员进行简单的交互 使驾驶员对语音预警功能进行控制。系统总体框图如图2 - 1 。 图2 - 1 系统总体框图 系统主控c p u 采用三星2 4 4 0 a 1 2 4 j 嵌入式微处理器，该款处理器为a r m 9 2 0 t 内核【2 5 1 【矧，拥有0 1 3 u r n 的c m o s 标准宏单元和存储单元，最高频率可达 5 3 3 m h z ，能够流畅的运行嵌入式操作系统。$ 3 c 2 4 4 0 a 具有价格低、小功耗、 高性能等优点，被广泛用于手持设备等嵌入式终端。该c p u 采用了新的总线构 5 武汉理工大学硕士学位论文 架a m b a ( a d v a n c c dm i c r o c o n t r o l l e rb u sa r c h i t e c t u r e ) ，是由a r m 公司生产的 1 6 3 2 位r i s c 处理器，它实现了m m u 、a m b ab u s 和h a r v a r d 高速缓冲体系 结构，具有独立的1 6 k b 指令c a c h e 和数据c a c h e 。$ 3 c 2 4 4 0 a 提供了一套完整 的通用系统外设，包括外部存储控制器、l c d 控制器、4 通道d m a 、3 通道u a r t 、 2 通道s p i 、1 通道i i c b u s 接口、1 通道i i s b u s 音频接口、a c 9 7 解码接口、 s d 卡接口、3 个u s b 接口( 2 个u s b 主机接口，一个u s b 设备接口) 、4 通道 p w m 定时器和1 通道内部定时器看门狗定时器、8 通道l o b i t a d c 和触摸屏接 口、1 3 0 个通用i o 和2 4 通道外部中断源，使用该芯片做为系统的主控芯片， 可以减少整体系统的成本和额外的组件。 该c p u 与2 片3 2 ms d r a m 、1 片2 mn o rf l a s h 、1 片6 4 mn a n dh a s h 组成 最小的核心系统，然后和u s b 摄像头、带触摸l c d 、超声波测距模块、音频编 解码芯片、蜂鸣器等外部设备一起构成了整个倒车信息系统的硬件部分。 本系统使用的摄像头为中微星3 0 1 pu s b 接口的摄像头，音频编解码芯片为 u d a l 3 1 4 t s ，l c d 为n e c3 5 寸带触摸功能的呵l c d ，支持6 5 5 3 6 色真色彩、 分辨率为2 4 0 x 3 2 0 。外部存储设备为2 mn o rf l a s h 和6 4 mn a n df l a s h ，n o rf l a s h 用来存储u b o o t 或者 等启动代码，n a n df l a s h 用来存储操作系统内核、文 件系统以及各应用软件代码。使用的超声波测距模块为一个通过串行口与系统 通信的外围模块，负责障碍物距离数据的采集和传送。 2 2 超声波测距模块构成 2 2 1 超声波测距模块控制方案选择 ( 1 ) l i n u x 驱动模块方式： 本系统使用的c p u 为拥有强大处理能力的a r m 9 嵌入式处理器，超声波测 距模块超声波信号的产生、超声波的发射、超声波的接收以及最后数据的处理 都可以通过该c p u 来控制，并以l i n u x 驱动模块的方式加载到操作系统中去， 但是考虑到该c p u 要用来运行操作系统，还要负责视频数据的采集显示以及预 警音频的播放等，而且倒车信息系统以后还可能导航系统、g p s 定位系统、行 车信息系统等整合在一起，这样c p u 在运行的时候负荷比较大，再由c p u 来控 制超声波测距对系统的实时性有较大影响。 ( 2 ) 上位机下位机方式： 6 武汉理工大学硕士学位论文 该方式通过单片机来控制超声波测距模块超声波的发射、接收以及距离的计 算等，然后通过r s 2 3 2 串口和a r m 主系统按规定的通信协议通信，向主系统 传输测距模块测得的距离数据，让主系统对数据做进一步处理。单片机是一种 很适合作实时控制的m c u ，用它来控制超声波测距模块，编程方便，电路设计 简单，容易做到实时控制，可靠性高。 通过上面的比较，为了满足倒车的实时性和控制的方便，提高系统的运行效 率，解放c p u ，本系统的超声波测距模块使用一个由单片机控制的外围模块， 通过上位机下位机方式用串口向主系统传输其测得的距离数据。 2 2 2 超声波测距原理 超声波是指频率高于2 0 0 0 0 h z 的声波，因入耳能听到的声音频率范围为 1 6 h z - 2 0 0 0 0 h z ，高于2 0 0 0 0 h z 的声波人耳是昕不见的，超声波由此而得名。 超声波的指向性很强，在传播的过程中能量消耗很缓慢，其在介质中传播的 距离通常较远，因此超声波经常用于距离的测量和物体的定位，常用的测距仪 和物位测量仪等都基本上都是通过超声波实现的。利用超声波测距和定位往往 比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到 工业实用的要求。超声波测距也常被用在汽车倒车雷达中。 超声波测距【2 7 1 【2 8 1 根据超声波发射后返回的回波的幅值、相位和超声波发出到 返回的时间差不同，有声波幅值检测法、相位检测法和渡越时间法，声波幅值 检测法容易受到介质不均匀和反射波的影响，相位检测法检测的距离有限，而 时间渡越法简单、测量距离较远、精度也能满足倒车的要求，因此本系统采用 超声波时间渡越法测距【2 9 1 1 3 0 l 。 时间渡越法是指利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量超声波在发射 后直至遇到障碍物反射回来的时间差即渡越时间，然后用渡越时间计算出发射 点到障碍物的实际距离。渡越时间法测距的公式表示为式2 - 1 。 s v x t 0 5 ( 2 1 ) 式中s 为测量的距离，t 为渡越时间。v 为超声波在空气中的传播速度，虽 然声波速度受温度的影响会有变化，但是变化一般不是很大，基本都在3 4 0m s 左右，相对倒车的距离以及倒车速度，这种变化的影响很小，因此本系统就按 3 4 0m s 计算超声波速度。如果精度要求很高，可以通过温度补偿措施来对超声 波速度做调整，超声波速度和温度关系如式2 2 所示。 7 武汉理工大学硕士学位论文 3 3 1 5 、笔警) 或者v , , 3 3 1 5 + 0 6 t ( m s ) ( 2 - 2 ) 式中t 为摄氏温度。在使用超声波测距时，要选择合适的超声波频率。超声 波的传播距离和频率有关，超声波的频率越高，其在传播过程中衰减的越厉害， 能够传播的有效距离越近。但是频率越低，测量精度也就越低，因此在选择超 声波频率的时候要根据系统的要求，选择合适的超声波频率，使其既能满足系 统量程的要求，又满足精度要求。本系统量程为5 米，精度为1 厘米，因此选 用频率为4 0 k h z 的超声波。 2 2 3 超声波测距模块的硬件框图 超声波测距模块包括m c u 、超声波发射电路、超声波接收电路、串行通信 接口等，超声波测距模块框图如图2 2 。 图2 2 超声波测距模块框图 测距模块的m c u 为a t 8 9 s 5 2 ，用来控制超声波的发射、接收、数据的计算 和数据的串行传输。超声波发射电路把m c u 产生的4 0 k h z 的方波信号通过放 大、阻抗匹配、换能器换能后变成超声波发射出去。超声波接收电路把接收到 的超声波信号换能、滤波、整形、放大后变为电信号后发送给c p u 去触发中断， 从而根据渡越时间计算出障碍物距离。串行通信接口为r s 2 3 2 接口，用来把数 据传送给主系统做进一步处理。 2 3 嵌入式操作系统的选择 本文研究的倒车信息系统中，需要操作系统来控制调度系统的软、硬件资源， 只有有了良好的嵌入式操作系统，设备才能高效的运行，发挥其最高性能。 嵌入式操作系统【3 1 e o s ( e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ) 是运行在嵌入式设备 中、支持嵌入式系统应用的操作系统。它具备通用操作系统的基本特性，能对 嵌入式系统中的软、硬件资源做有效的管理。嵌入式操作系统有许多，按不同 的分类方法可以分成不同的类别。按用途来分可分为专用型嵌入式操作系统和 8 武汉理工大学硕士学位论文 通用型嵌入式操作系统，按实时性可分为实时嵌入式操作系统和非实时嵌入式 操作系统。常见的嵌入式操作系统有w i n d o w sc e 、v x w o r k 、嵌入式l a n u x 、 a n d r o i d 、p a l m o s 、s y m b i a n 、u c o s i i 等，本系统选用嵌入式l i n u x 作操作系统。 选用嵌入式l i n u x 是因为l i n u x 包含了u n i x 的全部功能和特性，而嵌入式 l i n u x 具备l i n u x 的大部分特性，主要为以下这些特性： ( 1 ) 开放性。l i n u x 遵循世界标准规范，特别是开放系统互连( o s i ) 国际标准。 凡是基于此标准所开发的软件，都能和l i n u x 兼容。l i n u x 是开放源代码的，我 们可以得到全部的源代码，因此l i n u x 不存在黑箱技术，使用起来更安全。同时 遍布全球的众多l i n u x 爱好者又是l i n u x 开发者的强大技术支持，在开发过程中 遇到问题很容易解决。 ( 2 ) 良好的可移植性和高效率。l i n u x 是一个跨平台的操作系统，支持许多体 系构架，包括x 8 6 、p p c 、a r m 等，要在某个平台上运行l i n u x 操作系统，只 需要根据具体的硬件情况对l i n u x 做移植即可。l i n u x 的内核体积小、运行效率 高、更新速度快，l i n u x 是可以定制的。 ( 3 ) 多任务。l i n u x 能同时执行多个程序，而且各个程序的运行互相独立。 ( 4 ) 设备独立性。l i n u x 把所有外部设备统一当成文件来看待，在安装了设备 的驱动程序之后，用户就可以象使用普通文件一样使用这些设备，如对设备执 行o p e n 、d o s e 、w r i t e 、r e a d 、p o l l 、s e l e c t 等许多普通文件文件可以执行的操作， 而不必关心设备的具体存在形式。 ( 5 ) 有多种支持l i n u x 的嵌入式g u i ，如m i n i g u i 、q t e 、m i c r o w i n d o w s 、t m y x ，使得嵌入l i n u x 图形界面的选择更多、程序开发更方便。 ( 6 ) l i n u x 是免费的操作系统，可以降低开发的成本。 2 4g u i 的选择 g u i 即图形用户界面，它是人机交互的界面，良好的g u i 能够极大地方便 用户对设备的使用，它使用户不再需要死记硬背大量的命令，而可以通过窗口、 菜单、按钮等方式来方便地进行操作应用程序。嵌入式g u i 具有下面几个方面 的基本要求：体积小、占用资源少、高性能、高可靠性、上层接口与硬件无关、 便于移植、可根据需要配置裁剪、特殊场合具备实时性等。在嵌入式l i n u x 中， 常见的嵌入式g u i 有m i n i g u i 、 q t e 、m i c r o w i n d o w s 、t i n yx 等。本系统选 用q t e 作为g u i 。q t e 是q t 为嵌入式系统优化的版本，它提供给应用程序 9 武汉理工大学硕士学位论文 开发者建立艺术级的图形用户界面所需的所有功能。q t 是完全面向对象的，很 容易扩展，并且允许真正地组件编程。它是一个跨平台的c + + 图形用户界面应 用程序框架，为g u i 应用程序的开发提供了“一次编写，随处编写”的跨平台 解决方案。q t e 提供了和q t 桌面版相同的a p i 和工具，并且加入了嵌入式编 程所需要的工具和类。q 讹应用程序是基于f r a m e b u f f e r ( 帧缓冲) 的，它以帧 缓冲作为底层图形接口，将外部输入设备抽象为k e y b o a r d 和m o u s e 输入事件。 q 啦应用程序可以直接写入内核缓冲帧。q t e 应用程序的构架如图2 3 。 应用程序源代码 0 ta p i q q e m b e d d e d 帧缓冲( f r a m e b u f f e r ) l i n u x 内核 图2 3q 1 僵应用程序构架 本系统开发选用q 班是因为其具有下列特性： ( 1 ) 优良的跨平台特性。q t 可以在运行l i n u x 的任何硬件平台上运行包括 i n t e lx 8 6 、m 口s 、a r m 、p o w e r p c 等体系构架。 ( 2 ) 面向对象。q t 良好的封装机制使得q t 的模块化程度非常高，可重用性 较好，对于用户开发来说是非常方便的。 ( 3 ) 信号和槽( s i g n a l s s l o t s ) 机制。信号和槽机制是q t 编程的基础，它可以 让程序员把互不了解的对象绑定在一起。槽就是普通的c + + 成员函数，它可以 和信号连接在一起，每当发射信号的时候，和它相连的槽就会被调用。信号和 槽的使用十分灵活：一个信号可以连接多个槽、多个信号可以连接同一个槽、 一个信号可以与另外一个信号相连接、连接可以被移除。 ( 4 ) 节省内存。q 班不需要x 窗口系统，它实现的是自己的窗口系统q w s ； q t e 还可以被重新编译去掉那些不用的特性，从而大大的节省了存储和内存。 ( 5 ) 丰富的a p i 。q t 包括多达2 5 0 个以上的c + + 类。 ( 6 ) 大量的开发文档和x m l 支持以及有着良好的开发工具，使得基于q t 开 发应用程序十分简便。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章倒车信息系统硬件的设计 本章主要研究了倒车信息系统的各个硬件模块，对重点模块的电路实现与功 能做了研究，研究了系统的显示和触摸屏电路、音频电路、u s b 接口电路、超 声波测距模块电路。 3 1 嵌入式系统硬件设计 倒车信息系统的嵌入式系统部分主要包括c p u 及其外围电路，如系统复位 电路、s d r a m 电路、f l a s h 存储电路、u s b 接口电路等，这里主要研究系统 中的3 个接口电路：显示和触摸屏电路、音频电路和u s b 接口电路。 3 1 1 显示和触摸屏电路 根据系统要求，要在l c d 上显示采集到的障碍物的距离信息和u s b 摄像头 采集到的车后环境视频信息1 3 2 1 ，还要求可以接受用户的简单输入，如打开、关 闭应用程序以及使用g u i 应用程序按钮对语音预警功能进行控制，因此要求具 有触摸输入功能。本系统使用的显示模块为n e c 3 5 寸1 1 丌( 1 1 l i nf i l i nt r a n s i s t o r ) 液晶屏n l 2 4 3 2 h c 3 2 ，带触摸屏。 s 3 c 2 4 4 0 a 内部已经内置了l c d 控制器和触摸屏接口，但是n e c 3 5 寸l c d 的行场扫描时序和内部l c d 控制器之间有差异，因此需要通过一个c p l d 电路 来对该l c d 的行场扫描时序进行调整，调整之后为4 1 p i n 的接口。在$ 3 c 2 4 4 0 a 的l c d 控制器中，每个像素点的r g b 原色中r 、g 、b 都占8 位，r 为 v d l 6 - v d 2 3 ，g 为v d 8 v d l 5 ，b 为v d 0 一v d 7 。在l c d 接口电路中只需把l c d 接口的v d 0 一v d 2 3 和$ 3 c 2 4 4 0 a 对应的v d 管脚相连即可。 触摸屏有五个基本种类：矢量压力传感技术触摸屏、电阻技术触摸屏、电容 技术触摸屏、红外线技术触摸屏、表面声波技术触摸屏。其中电阻触摸屏还分 为四线电阻触摸屏和五线电阻触摸屏，这里使用的为四线电阻触摸屏。四线电 阻触摸屏工作时需要在两层透明金属层每层均增加5 v 恒定电压：一个竖直方向， 一个水平方向，总共需四根电缆。其特点是高解析度，高速传输反应，一次校 正，稳定性高，永不漂移。电阻触摸屏的精度只取决于a d 转换的精度。$ 3 c 2 4 4 0 a 内部带有8 通道1 0 位a d c ，能满足精度要求，其中有4 个通道可以用作触摸屏 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 接口，因此不需要额外的触摸屏控制器，只需要把s 3 c 2 4 4 0 a 和触摸屏对应的管 脚连接在一起即可，十分方便。 3 1 2 音频电路 音频电路【3 3 l 有2 个作用，一是用来播放倒车语音提醒路人正在倒车，另外就 是用音频来提醒司机车后有障碍物，并且障碍物离车距离不同时发出不同的预 警声音。本系统使用p w m 定时器控制的蜂鸣器和一片i i s 接口的音频芯片 u d a l 3 4 1 t s 来实现语音预警功能。p w m 定时器根据车后障碍物距离车的远近 控制蜂鸣器发出不同频率的声音来提醒司机。u d a l 3 4 1 t s 用来对存储在f l a s h 中的音频文件进行解码播放，提醒路人汽车正在倒车。 ( 1 ) p w m 定