基于Nios II的輔助駕駛視頻監控系統

黃海波，王衛華，江學煥

(湖北汽車工業學院電氣與信息工程學院，湖北十堰442002)

通常駕駛員都利用后視鏡作為輔助工具來觀看車后景象，不僅看不到車后擋風玻璃以下物體，而且由于其他干擾的影響造成車后盲區，在倒車時發生事故。另一方面，在交通事故發生后，通常辦案人員只能靠觀看事故現場，根據當事人及周圍目擊者提供的口供對事故發生的當時情景進行分析判斷。但是當某些證據不完全，以及其準確性受到質疑的時候，就會影響到公安機關的辦案，甚至可能會導致誤判。基于上述原因，本系統實現了輔助駕駛視頻監控系統，主要包括前視視頻抓拍存儲子系統和后視倒車測距子系統，整個系統利用EP2C35F672C6 FPGA芯片采用Altera公司的Nios II解決方案［1］。

1 系統總體方案

如圖1所示，本系統分為汽車前視和汽車后視2個部分，用2路攝像頭分別進行數據采集。Nios II作為系統的中央處理器，負責系統的控制和數據處理，以及存儲器的讀寫、鍵盤的掃描和LCD的顯示等。前視部分中，前視監控攝像頭將攝取到的模擬視頻信號，送往A/D轉換電路，轉換后的數字視頻信號經處理器壓縮后，存儲在SD卡中。在需要的時候，Nios II從SD卡中讀取視頻信號，經過解壓縮，送往VGA顯示器顯示。后視監控中，處理器發出的超聲波脈沖，經過功率放大電路，驅動超聲探頭放出超聲波，超聲波遇到障礙物后返回，超聲探頭接收后轉換為電脈沖，經過帶通濾波放大電路，送往Nios II處理，計算出所測距離。同時，后視模擬攝像頭將攝取到的模擬視頻信號，一路送往字庫掃描電路，提取行頻和場頻信號，一路送往字模疊加電路，和Nios II處理器控制的距離字符和漢字字模疊加在一起，構成既有后視景像、又有測距及其提示的視頻信號，輸出送往TFT液晶顯示器顯示。下面就對前視監控和后視監控的主要功能部分進行設計分析。

圖1 系統方案框圖

2 前視監控系統

2.1 前視視頻傳輸設計

如圖2所示，攝像頭采集到的視頻信號為模擬量，首要的任務是將模擬量來轉換成數字量，利用I2C總線來配置ADV7181，使其實現對PAL制式的視頻信號的轉換。從ADV7181中出來的數據為YCbCr格式的，符合ITU-BT.656電視TV標準［2］。但是TV與VGA的場頻相差很大，要解決兩個場頻相差很大的系統實現協調工作，即由隔行信息變成逐行信息，這里就需要將行頻變為原來的兩倍。可以把TV的場頻與變換成的VGA的場頻送到外部的示波器上來觀察頻率的關系。在這里倍頻不采用PLL來實現，而是用Verilog語言來描述一個倍頻的過程，采用了將場頻的起始和中間生成兩個脈沖來實現。其次完成將TV信號轉換成VGA顯示器所需的RGB基色［3］，這里采用的是色度空間的轉換來實現。色度空間的轉換首先是先轉換一幅圖像，轉換完成的RGB為數字量，需要經過數模轉換才能送到VGA上顯示，這3個分量經過芯片ADV7123來完成數模轉換。

圖2 前視監控結構框圖

2.2 視頻壓縮

前視監控系統要求對模擬攝像頭采集的視頻圖像進行實時傳輸和存儲，由于圖像信息量大，必須進行壓縮處理。而目前的圖像壓縮算法都比較復雜且耗時很多，因而僅靠軟件壓縮難以滿足前視監控的要求，通常的做法都是將硬件壓縮和軟件壓縮結合起來實現圖像的實施傳輸和存儲。

模擬圖像經過數字化后符合ITU-BT.656標準，系統實現了從隔行數據到逐行數據的轉換，圖像的分辨力為640×480。每一幅灰度圖片大小都高達300 kbyte，向SD卡里寫入的數據量太大，并且軟件處理的速度與硬件的處理的速度相差甚遠，達不到存儲的要求。因為監控圖像信息的細節要求不是很高，因此，采取簡單壓縮的處理方法就可以實現。即對圖像信息進行隔行與隔點的抽取，使數據量降低到原來的1/4，每幅圖片達到了75 kbyte。為了解決軟件與硬件的處理速度問題，采用了片上RAM作為緩存。圖像的壓縮提高了圖像的存儲速度和效率，并且也滿足了向SD卡里寫入數據時軟件處理速度不足的問題。

2.3 SD卡的讀寫

本系統采用SD卡實現圖像的實時存儲。SD卡定義了兩種可選擇的通信模式——SD模式和SPI模式，應用中可選擇其中之一。對于主機來說，方式選擇是透明的，SD卡在復位時接收命令以確定工作在哪種通信模式。在應用時，可以使用現有的主機，兼容性好，相對于SD模式其傳輸性能有所降低。

FPGA(主機)與SD卡的SPI通信模式需要4個信號:CS為FPGA到SD卡的選通信號，CLK為FPGA到SD卡的時鐘信號，Datain為FPGA到SD卡的數據信號，Dataout為SD卡到FPGA的數據信號。SPI模式面向字節傳輸，傳輸中的命令或者數據都以8 bit為單位，且和CS信號保持同步。SPI模式支持單數據塊和多數據塊的讀寫操作，且僅使用兩個單向信號Datain和Dataout。如圖3所示，當SD卡接收到一個有效的讀命令后，首先進行應答響應，緊接著傳送數據塊，數據塊的長度在先前傳送的SET_BLOCKLEN命令中定義。每個數據塊后緊接著16 bit的CRC進行校驗，CRC由標準CCITT多項式x16+x12+x5+1產生。當接收到STOP_TRANSMISSION命令后，就停止多數據塊的讀操作。

圖3 SD卡讀時序圖

如圖4所示，當SD卡接收到一個有效的寫命令后，首先進行應答響應，然后等待FPGA傳送數據塊。其中CRC、數據塊長度和起始地址的定義和讀操作中完全一樣。當一個數據塊接收后，SD卡立即向FPGA返回一個響應信息。經過CRC校驗數據無誤后，SD卡進行編程操作，在編程操作中，SD卡同時向FPGA返回連續的忙信息。SD卡讀寫的程序設計完全按照其讀寫時序進行。

3 后視監控系統

3.1 后視視頻傳輸及測距設計

圖4 SD卡寫時序圖

圖5 是后視視頻傳輸及測距系統設計框圖。Nios II處理器控制BA(00，01，10，11)通道選擇，發出一串超聲波脈沖。處理器關閉中斷，啟動定時器定時。超聲波經過相應的通道(0X，1X，2X，3X)，輸出的脈沖經過功率放大，驅動收發換能器(超聲波傳感器)，發出超聲波。為避免發出超聲信號本身返回引起的中斷，經過適當的延時后，Nios II處理器打開中斷。超聲波遇到障礙物返回后，經由相應的通道(0Y，1Y，2Y，3Y)，經過中心頻率為40 kHz的帶通放大器后，與設置號的固定門限比較，消除噪聲(非返回脈沖)，比較器輸出的低電平信號作為Nios II處理器的中斷信號，處理器接收到中斷信號后，關中斷，停止計數器計時，讀出計數器計數值，根據相應的公式換算出所測距離。如此周期性地循環下去。

圖5 后視監控結構框圖

為了將所測距離和車后景物實時顯示給司機，還設計了聲音報警電路和視頻顯示電路。Nios II處理器根據所測距離長短不同，發出不同頻率的脈沖，驅動蜂鳴器發聲，距離越短，頻率越高，蜂鳴器發聲越急促。當距離小于設定的門限時，發出連續的長鳴聲，以提示司機倒車。視頻顯示電路部分的主要作用是將車后景況實時地顯示給司機，并將所測距離疊加在屏幕上，根據距離的不同，分別顯示“請停車”、“請注意”等提示。所需要顯示的字符和漢字的字模存儲在ROM芯片中，與字模對應的ROM地址存儲在RAM芯片中。車后攝像頭攝取的視頻信號，經過信號提取電路，提取出行頻信號和場頻信號，行頻信號和場頻信號控制高速計數器的時鐘和清零信號，計數器的輸出作為多路選擇器的一個輸入，Nios II處理器的輸出作為多路選擇器的另一個輸入，多路選擇器的輸出作為RAM芯片的地址。這樣設計的好處是，Nios II處理器只需在更新顯示時，一次性將需要顯示的字模地址存儲在RAM芯片中，然后釋放對外部電路的控制，外部電路就工作在DMA方式，大大減輕了處理器的工作負擔。

3.2 實時字符疊加

后視系統里的字符疊加是由Nios II控制器來控制外部電路實現的，如圖6所示。首先控制CD74LS157多路選擇器選擇由地址0端口送入的信號，而此信號作為TMM2016 RAM芯片的高8 bit地址。同時控制另一路由地址1送來的信號作為RAM中存儲的數據，存儲到相應的地址中去。再控制多路選擇器選擇視頻行同步和場同步信號，由它們來選擇相應的地址，將地址中已存儲的數據發出。這些數據又作為TMS2764 ROM芯片的地址，地址中所存儲的數據就是所需要疊加的字模數據，通過尋址，將地址中所存儲的數據并串轉換后發送出去。發送出去的電平再經過3次反相，來控制模擬開關，從而選擇是低電平輸出還是高電平輸出。由于視頻中顯示的字符是以低電平方式點亮的，所以當從并串轉換芯片中發送來的是低電平的時候，模擬開關閉合，輸出低電平，從而點亮相應的點。這樣，就實現了字符疊加到液晶顯示屏上的功能。

圖6 ROM字模數據的讀取電路

3.3 超聲波測距

汽車處于倒車狀態時，控制器控制探頭發射40 kHz的超聲波信號，發射后再檢測超聲波的回波信號。超聲波的發射是由Nios II內核控制器通過定時器定時由pio口來發射一串40 kHz的脈沖信號，經放大電路放大后，由探頭發射出去。實驗證明，使控制器發射5個40 kHz的脈沖信號，既能檢測很近的距離，又能準確接收到信號。由于超聲波探頭在發射超聲波信號后還有一段時間的殘余超聲波，所以在Nios II控制器發射5個超聲波脈沖信號，并打開Nios II中的定時器開始計數后，需要延時一段時間再開啟Nios II中的外部pio中斷，其過程如圖7所示。

圖7 超聲波測距流程圖

4 系統測試

如圖8所示，由SOPC構建Nios II處理器對整個系統進行組合，使用μC/OS-II實時操作系統調度切換任務。整個系統并沒有使用復雜的IP核，軟硬件之間的通信基本上都是靠pio口來實現。對SD卡的讀寫操作，是通過pio模擬SD卡的讀寫時序來完成的。對后視控制的操作，是通過3個定時器和1個pio中斷來完成的。一個定時器是用來發送40 kHz的超聲波的，另一個用來控制發波的間隔，最后一個用來對波發送和返回時間間隔的計數。pio中斷主要用來關定時器計數。同時在SOPC中構建了一些pio口，用來引入一些控制信號和疊加字符的地址信號。

圖8 SOPC系統構建(載圖)

利用Quartus開發系統自帶的Signal Tap II來觀察各個模塊中內部節點［4］，測試顯示信號的變化是正確的，說明了軟件的內部流程是符合邏輯的。采集的視頻在VGA上顯示，觀察輸出結果與攝像頭采集到的圖像信息一致，說明視頻的采集是正確的。將其中的輸出設為一個固定值，寫入到SD卡里，圖像像素的色度值與設定值相同，證明軟硬件的通信是正確的。存儲圖像的分辨力為320×240，色深為8 bit，每幀圖像大小約為75 kbyte。對于后視監控系統，顯示器可以清晰地顯示車后120°范圍內的景象，超聲波最小測距為0.30 m，最遠測距為2.99 m，測距精度為0.01 m，滿足實際應用的需要。

5 小結

本文根據汽車行駛過程中輔助駕駛的工作需求，應用Nios II處理器，實現了基于SOPC的汽車前視與后視的監控系統。系統利用2路攝像頭進行視頻采集。前視監控是利用攝像頭采集汽車前方景象，經過壓縮處理，把圖片存儲到SD卡;后視監控是利用攝像頭采集汽車后方景象，并送往LCD液晶屏幕顯示。同時利用超聲波探頭測距，將汽車與障礙物的距離疊加到液晶屏幕上。利用MicroC/OS-II實時操作系統切換調度前視、后視監控任務。整合測試表明，系統軟硬件工作正常，滿足實際工作需要，

具有很強的實用價值。

［1］郭書軍，王玉華，葛紉秋，等.嵌入式處理器原理及應用［M］.北京:清華大學出版社，2004.

［2］宋占偉.電視原理［M］.西安:西安電子科技大學出版社，2011.

［3］李江輝，王景存.基于FPGA的視頻采集與顯示系統設計［J］.電視技術，2010，34(13):19-21.

［4］吳繼華，王城.Altera FPGA/CPLD設計［M］.北京:人民郵電出版社，2005.