基于ARM的防汽车追尾碰撞系统的设计毕业设计.docx
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基于ARM的防汽车追尾碰撞系统的设计毕业设计
齐齐哈尔大学
毕业设计（论文）
题目基于ARM的防汽车追尾碰撞报警系统的设计
学院通信与电子工程学院
专业班级通信工程092班
2013年6月17号
摘要
随着我国人民生活质量的的提高以及汽车工业的发展，汽车似乎已经融入每个百姓的家庭中，当然，事物都有双面性，于此同时发生了好多交通事故，其中追尾事故是最严重的，本文介绍了关于ARM嵌入式微控制器的性能和特点，设计了以其为核心技术的一种低成本、高精确度、微型化、数字显示的汽车防碰撞追尾报警器。
该防撞报警器将ARM嵌入式控制器的实时控制及数据处理功能与传感器技术相结合，系统主要由处理器、控制电路、传感器组、存储器、摄像头、显示屏组成。
超声波可检测汽车运行中后方障碍物与汽车的距离，传送给处理器，存储器存储视频数据然后通过显示屏装置显示后方的实时路况，并由发声电路根据距离远近情况发出警告声。
该设计提高了汽车的安全性能，对汽车倒车追尾事故的预防具有重要的意义。
关键词：
ARM嵌入式控制器；追尾；防撞
Abstract
Withtheimprovementofpeople'slifequalityandthedevelopmentofautoindustry,carshavebeenintegratedintoeachpeoples’family,ofcourse,everythinghasadoubleside,alotoftrafficaccidenthappenedatthesametime，rear-endcollisionisoneofthemostseriousproblemsamongthem.ThispaperintroducesthepropertiesandcharacteristicsofARMembeddedmicrocontrollercontroller，thenuseitasthecoretechnologytodesignedalowcost,highprecision,miniaturization,digitaldisplaycarcollisionalarmsystem.Theanti-collisionalarmcombinetheARMembeddedcontrollerreal-timecontrolanddataprocessingfunctiontosensortechnology,systemismainlycomposedofaprocessorandacontrolcircuit,sensorgroup,memory,camera,displayscreen.Ultrasoniccandetectionthedistancebetweenmovementofthecarandroadblock,transmittedtotheprocessor,storagestorevideodata,thendisplaythereal-timetrafficbehindthroughthedisplayscreen,andsoundcircuitraisethealarmaccordingtothedistance.Thedesignimprovethesafetyperformanceofthecar,anditisofgreatsignificancetopreventcarreversingcollision.
Keywords:
TheARMembeddedmicrocontrollercontroller;Collision;Collisionavoidance
第1章绪论
1.1研究背景
目前我国公路的总长度已经是世界第二,其带来了庞大的经济利益和国家之间的贸易。
同时由于很多措施的不到位也给人民带来了很大的安全隐患。
追尾事故几乎占交通事故总数的20%以上，尤其是在高速公路发生的追尾事故高达36%之多。
追尾是指同车道行驶的车辆尾随而驶时，后车车头与前车车尾碰撞的行为[1]。
主要由于车间间距小于最小安全的间距和驾驶员反应缓慢或制动系统性能失灵所致。
提起追尾事故，许多驾驶员都知道在快车道上发生的车祸事故所产生的连锁反应最为激烈，因为车速普遍较快，所以万一有两车追尾后车很可能就会牵连一串。
这就是人们常所的“串车”现象。
我们所熟知的醉驾引起的追尾主要原因就是司机很难对前方路况做出及时有效反应。
当今社会为了解决汽车的安全问题隐患，政府和汽车厂商采取更多行动是被动的安全措施，例如减速带、安全气囊与汽车ABS防抱死系统。
2007年美国通用汽车公司研究出第一款汽车防追尾系统“V2V”,但由于其功能比较复杂成本又高且需要大面积组装以实现它的信息交换功能，所以没有被普及，只有少数高端的汽车拥有了该系统，大部分汽车由于该系统成本太贵并没有配备该系统。
1.2研究意义
伴随着人民的生活质量提高，车辆几乎车位了每个家庭必备的生活用品，这也就意味着在城市中车辆快速的增加着，车辆之间距离变少，所以交通事故也增加了许多，这就引起了民众的关注。
在这些是事故中，倒车时造成的原因是越来越多，因为倒车的时候我们不能把后面的路况都能看得清楚，而且驾驶者用肉眼观测的距离和实际的距离有一定的差距，其中天气的原因也是很大的，例如，雾天、雨天，这都导致了路况不好，制动距离变短，在这些事故中，非本人驾驶和女性驾驶员是这些事故中的主要成员。
而且倒车事故给车主带来许多烦恼，例如不小心撞上路边停靠的车辆、消防水笼头，万一要是撞上路边玩耍的儿童那就更加的不堪设想了，于是一款专为汽车的倒车设置“倒车雷达”被商家研发了出来，倒车雷达可以帮助解决驾驶人员的许多问题，大幅度降低倒车追尾事故的发生。
汽车倒车雷达全名为“倒车防撞雷达”，能以声音或者更为让人们习惯的视频显示告知驾驶员周围环境的情况，减少驾驶员停车和车辆启动时因观测周围情况不好所引起的困扰，并帮助司机消除视线不够宽和视线不清楚的缺点，让驾驶变得更加的轻松愉快。
1.3研究的现状
近年来,国内外出现了许多倒车雷达方案,基于诸如超声波、微波、激光、红外、GPS等其他路线.。
而视觉信号具有观测范围宽,价格适中,符合人的生活习惯等优点,特别是在对路面检测和环境识别上具有无法取代的优势。
根据感应器类型的不同，倒车雷达分为三类，第一类粘贴式：
粘贴式感应器就是感应器的背面有特殊的胶水，我们就可以把这个东西粘到保险杠。
钻孔式和悬挂式等[2]。
粘贴式感应器后面有一层胶，可以在后保险杠上直接粘上。
第二类钻孔式感应器是人工在保险杠上钻一个眼，然后把感应器放进去。
悬挂式感应器主要用于载货车。
根据显示设备类型不同，倒车雷达又可以分类为数字式、颜色式和蜂鸣式等三种。
数字式显示设备是一个像火柴盒大小的物品，安装在车内，直接用数字表示汽车与后车的距离，而且可精确到10厘米，让驾驶员清楚的了解距离。
颜色式就是用几种颜色表示车辆在什么范围呢，例如红色表示在危险距离内，绿色表示安全距离。
蜂鸣式就是利用系统设置的一个距离，到达了这个距离蜂鸣器就开始发出警报。
经过多年的发展，倒车雷达在技术上有了很大的提升和改良，不管从结构外观上，还是从性能上，这几代产品都各有各特点，目前使用比较多的是数码显示、荧屏显示和魔幻镜倒车雷达3种。
第2章系统的总体设计
2.1系统设计思想和目标
本设计的可视化倒车雷达系统，以常见的倒车雷达系统为基础，以ARM板为平台，集成了超声波测距、语音报警、摄像头视频采集、TFT显示等功能，很好地解决了普通倒车雷达不能观察与后车之间的距离，智能化差等缺点，因此被广泛运用，其特点如下：
（1）扩展型非常的强。
ARM板的种类很多，有很多的输入输出接口，可以插上很多其他的器件。
（2）体积比较小，相对于以往的一些雷达更加的先进，集成度高，很多设备都可以在一个ARM板上完成。
（3）对一个设计来说可靠性是至关重要的。
这款倒车雷达是用嵌入式处理集成度很高，对于电脑控制的芯片，防尘、防震的功能更强!
（4）实用性也非要的高，对于普通的汽车来说，这款设计完全的满足其需求！
2.2总体方案
系统设计总框图：
如图2-1所示，系统大概分为五个模块：
（1）超声波发生模块：
由STM32F103RCT6芯片控制超声波模块发出超声波。
（2）超声波接收模块：
这个模块主要用于接受超声波发出后返回的信号。
（3）摄像头图像采集模块：
本设计采用OV7670摄像用于采集图像信息。
这款摄像头成像清晰、性价比非常高，而且自带缓存系统，这就提高了成像的速度。
（4）显示模块：
本设计采用的屏幕是2.8寸的TFT显示屏，TFT材质的显示屏分辨率对比与同类的摄像头比较高。
用于显示摄像头拍摄处理之后的画面。
（5）语音报警模块：
这个模块就在ARM板上镶嵌着。
在超声波处理之后，检测到危险距离就发出警报。
图2-1系统总框图
2.3CMOS图像传感器的分类
目前市面上使用较多的图像传感器按像素主要分为被动、主动式、数字式三类。
（1）被动式像素结构
被动式像素结构又称为无源式（PPS）,这种传感器是在上世纪80年代发明出来的。
PPS像素结构很简单。
内部用于读取像素的部分只有两个金属线和一个MOS管。
由于结构的简单，造成了很多缺点，例如像素尺寸小、读写速度慢噪声比大，这些都是因为其中的填充因子和电容比都太高了。
随着技术的发展，PPS像素已经不能满足人们的需求，继而人们就研究出了一种新的名为APS像素的技术。
（2）主动式像素结构
上世纪90年代，随着科技的发展，人们研究出了新的像素结构被称为有源式（APS），由于人们对像素的追求，所以主动式像素结构降低了填充因子。
而且内部集成了两个晶体管。
主动式像素结构主要由两个优点：
第一，读写速度加快；第二降低噪声。
（3）数字式像素结构
到了21世纪，经过人们的不断研究、改善。
一种新型的像素结构产生了。
由于A/D转换器被植入了每个像素单元，所以信号传输的速度更加的快，成像就更加的快、清晰。
而且耗能也减少了。
2.4CMOS图像传感器工作原理
下面我们来介绍一下CMOS的工作原理，一般的CMOS传感器主要是由像素单元还有辅助单路组成的，在受到外界的光照时，像素列阵就会发生光电效应，相应的电荷就会在单元内生成，这是我们CPLD逻辑单元就会选择它需要的像素单元，选定之后的信号就会被系统通过总线传送到模拟信号处，在经过A/D转换器变成数字信号。
这个逻辑单元CPLD对像素列阵的扫描是逐行和隔行两种方式的。
辅助电路主要就是用于光电信号的处理和输出的任务。
2.5视频的采集方案
摄像头是记录人们生活的一种工具，在其他方面也有很多的用途，例如远程会议，交通管理，商场监控等等。
近些年，随着技术的升级，许多技术都有了很大的提升，其中图像传感技术对于成像的画质有了很大的提升，于此，摄像头的价格也下降了很多。
摄像头在人们生活中变成了不可或缺的物品。
摄像头分为两类。
一类是数字式的摄像头，数字式摄像头的作用就是可以把采集设备采集到的模拟信号转变为数字信号，之后PC机就把这些视频存贮下来。
模拟式摄像头是把采集到的视频信号必须通过某种特定的视频采集卡将模拟信号转变为数字信号，并且将其进行压缩之后才可以传输到计算机上进行运用。
现在一般的地方都是使用数字式的摄像头。
在设计基于ARM的防追尾小车时，考虑到要求视频要实时显示和实用化两方面的具体要求，需要做出一个成像速度快、清晰、集成度高的视频采集系统，因此我们采用了一款带有FIFO的摄像头，这个摄像头有自己的缓存结构，还有一个CPLD逻辑片机器，这些设备为设计带来了很大的便利，其中FIFO因为和摄像头在一起，加快了成像的速度，对于视频信号的采集和读取一起进行。
这个摄像头的电路非常的简单，易于安装，对我起到了很大的帮助，而且系统也非常的稳定、可靠性也非常的的高[3]。
本课题设计的视频采集器件我们拟采用OV7670为芯片的摄像头，该芯片与摄像头集成于一体。
该采集器是一款高集成的视频采集芯片，通过ARM系统对其进行控制，便可以实现视频的采集了。
这块摄像头是OmniVision公司推出的，它的需要的工作电压非常的低，其特性有以下几点：
（1）支持VGA和40*30尺寸的CIF。
（2）有标准的SCCB接口，兼容I2C总线接口。
（3）对于红外线能非常敏锐的检测出来。
2.6视频处理芯片的分析
嵌入式的快速发展使其在摄像领域得到了很广泛的应用。
目前一般的实验中用到的摄像头大概分四种，一种是DSP摄像头，这种摄像头的优点就是其运算能力，非常的快，非常的灵活，编程也非常的简单，但是这种摄像头对于控制要求比较多的设备就不能应用。
由于FPGA芯片具有数据的同时处理的功能，所以适合实现视频算法，而且具有流水线的结构。
但是做实物的时候要考虑到并行处理时的编程不好实现，而且这种芯片的价格普遍较高、体积大、耗能较高，所以很难被本设计采用[4]。
ASIC，由于它的视频编码和解码不灵活限制了它的应用，而且需要更多的时间来完成，通用性又很低，所以不能应用于本设计。
还有一种芯片是嵌入式的ARM芯片对于视频信号的采集和视频信号的处理都比较的快，而且价格较低，应用的范围比较广，而且通用性非常的高，实时操作性强，因此非常适合用于控制比较复杂的设计中，但是这种芯片的计算能力比较弱，短时间完成数据的运算是不可能的，所以处理一些要求低的视频设备是可以实现的。
这些芯片都各有各的优点和缺点，所以选择时需要逐个的比较其功能和实用性。
本文的防汽车追尾碰撞系统的图像处理主要是对30万像素CMOS图像传感器的信号进行采集和处理，图片尺寸较小、计算量不大、实时性要求不是很高，因此，从实现功能单方面来讲，采用ARM处理器可以满足本系统对视频性能的要求。
还有自带的缓存芯片AL422B，由这个芯片支持的FIFO可以帮助摄像头存贮采集到的信号。
AL422B芯片主要由下列特性：
（1）自己能读写，对于不同速率的I/O接口都可以接受；
（2）同时存取；
（3）20ns为一个读写周期。
2.7视频的压缩与传输方案
对于各视频来说，其压缩的过程是整个技术的核心，因为我们这个设计是防追尾小车，所以我们要用到的视频压缩方法是实时压缩，实时压缩也正是用处很广泛的方法。
本设计编码芯片选用STM32F103RCT6，视频压缩也是通过ARM系统来控制STM32F103RCT6芯片来进行的，将采集到的视频经过ARM系统进行压缩，该压缩是高比例压缩。
视频的传输就是把摄像头采集来的信号进行传输，一般的传感器分为CCD（chargecoupledevice）传感器和CMOS（complementarymetaloxidesemiconductor）传感器，下面我就来比较一下这两种传感器各方面的特性，在以前的应用中，由于CMOS传感器成型不清晰的缘故，CCD传感器就一直被最为主流的传感器被大家使用者，但是随着科技的发展，CMOS传感器的集成度也越来越高，所以成像的效果也大幅度的提高了，下面我们来对比下这两种传感器，以便于我们来选择。
CCD对于CMOS相比灵敏度上高，噪声上小，这都是CCD的一些优点，但是CCD功耗高，生产成本高，这就限制了CCD传感器的应用[5]。
而且CMOS传感器的传输速度高于CCD传感器，CMOS传感器的逻辑摆幅大，高电平和低电平分别与电源的高电平、低电平相近，并且它的稳定性比较好，它内部的结构大多数都是对称的，消耗的功率就比较少，发热也就少了，接口也是非常的方便，因为输入的阻抗比较高，所以容易驱动。
综上所述，我们选择了CMOS传感器。
2.8超声波测距方案
超声波测距主要就是利用超声波内的两个压电晶片和一个共振板，当它的两级外加脉冲信号相同，其频率等于超声波的两个压电晶片的固有振荡频率时，共振板由压电晶片共振引起的震动会产生超声波。
超声波电路是由发射端和接收端组成的，发射端发出脉冲方波，它的宽度是发射端和接收端的时间间隔，而且它的宽度是随着测距的远近来变化的，越远就越宽。
接收端就是来接收发出的脉冲[6]。
现在主流的一些测距方法有以下几种:
一种叫相位检测，这种测试方法精度很高，可视检测范围比较小，还有一种叫声波幅值检测法，它的超声波易受到反射波的影响。
所以相位检测法适合于本设计，我们选择这个测法。
其原理为：
超声波发射端输出40KHz的脉冲信号，内部振子处理脉冲信号产生机械振动，这些脉冲串通过空气传播，被测面接到脉冲信号之后，在接收端处理正弦波信号，超声波发出到接收的这段时间就是往返时间。
时间乘上声速就是传输距离。
但是我们测的距离是实际的一半，所以可由下公式表示：
（2-1）
上式中，L为待测距离，C为超波的声速，t为往返时间。
采用微处理器脉冲计数的方法．可以精确地测出t的值。
假设微处理器的周期为T机，则t=N*T，则探测距离可由下公式表示：
（2-2）
第3章防汽车追尾碰撞系统硬件设计
3.1硬件系统的构成
本设计的硬件设计包括三部分:
用于视频采集的摄像头设计、显示屏设计、超声波设计。
STM32F103ZET6作为本系统的核心，主要负责处理图像采集到的信息和超声波信号，设置和控制LCD显示屏显示车后路况，检测参数设置和操作，发出命令控制视频采集模块采集图像信息，读取和解析模块接到的命令，访问FIFO操作文件,图像通讯系统在微控制器STM32F103ZET6的控制下，主要完成图像采集和处理、存储图像信息到FIFO储存器中、通过COMS传输图像和发送/接受信息；电源系统由外部直流电源和锂电池组成，为系统各个功能模块提供合适的电压和电流等。
当有外部直流电源时，系统由外部电源供电，同时，外部电源对锂电池进行充电。
当外部电源意外断电时，系统自动无缝切换到锂电池供电。
监控终端硬件框架如图3-1所示。
图3-1系统硬件的框图
3.2STM32F103RCT6主控系统硬件设计
该部分主要包括最小微控制器系统设计、超声波发出、接收、控制、差分放大、滤波电路的设计、LCD屏接口电路设计、与OV7670摄像头电路设计。
3.2.1最小微控制器系统设计
本系统最小微控制器系统由复位电路、石英晶振电路、启动配置电路、JTAG调试接口电路组成。
最小微控制器具体如下图3-2。
图3-2最小微控制器
3.2.2石英晶振电路的设计
石英晶振荡电路设计：
输入一个时钟信号使时序电路工作，本设计的微处理器就是一个时序电路。
STM32103RC微控制器外部的时钟源可以使用，还有内外部的晶振，内部还有调整电路的PLL电路，使系统运行的更顺畅[7]。
虽然在经过技术工人调整的RC振荡器已经很精准了，但是为了使设计更加的完善，提高系统的可靠性。
本设计的控制器STM32F103RC的时钟源还是采用了一个8MHz和32.786K石英晶振。
微控制器上电复位之后，微控制器STM32F103RC选用8MHz的石英晶振作为系统的时钟源。
为此我们要用软件设置微控制器，让外部石英晶振作为时钟源。
具体的电路图如3-3所示。
图3-3石英晶振电路
3.2.3复位电路的设计
复位电路设计：
一般微控制器工作出现问题的原因就是因为其上电状态不确定。
为此我们需要构建一个复位逻辑电路来解决这个问题，这个电路的功能就是确定微处理器的初始状态，这时我们就需要个外部电路提供一个复位信号。
当逻辑到达“0”状态时，STM32F103RC的复位引脚进入复位状态，这个过程需要一定的复位时间，其时间与复位闸阀值相等，还有微控制器供电电压，内部RC振荡器输出时钟时间都是一样的。
为了给复位预留足够的时间，我们给200ms作为复位时间，并且使其始终工作在3.3V电压下[8]。
STM32F103RC的RESET#引脚和JATG接口电路的复位脚与RC充电复位电路相连。
具体电路如图3-4所示。
图3-4复位电路
3.2.4电源电路的设计
电源电路设计，电源电路是设计的核心，作为系统的能源非常重要。
这个电源电路的作用就是用来控制电压的，因为本设计使用的电池是7.2V的锂电池，所以我们需要这个电路来变化电压，经过电路的稳压处理之后，电源就可以保持在3.3V[9]。
具体的电路图如图3.-5所示。
图3-5电源电路设计
3.2.5调试电路的设计
调试接口电路设计,本设计采用的调试接口是SWD/JTAG口，这是ARM芯片标准的调试接口。
我们将JTAG的部分功能引脚作为复用，作为主要功能使用[10]。
具体电路如图3-6所示。
图3-6JTAG电路
3.2.6启动配置电路电路的设计
这部分电路主要是用于开启电路，其中含有复位电路，和启动电路，当电源开关打开的时候，系统自动启动电路，这时候按住KEY2就可以自己调试自己想要的距离，具体电路如图3-7所示。
图3-7启动配置电路
3.3摄像头信号采集的设计
本设计采用的OV7670图像传感器，它的具有30万的像素的,由于它的集成度非常的高，所以它的体积就变小了，而且它不需要很高的电压就能工作,除此之外，这款传感器还有影像处理器的所有功能[11]。
图像数据通过SCCB总线输入,30帧是它图像传送最快的速度了。
然后根据我们实验要求的，然后手动调试摄像头焦距,内部处理芯片可以完成全部的图像处理所需要的步骤，例如伽马曲线、白平衡、饱和度、色度调节等都可以通过SCCB接口进行编程。
具体的电路图如图3-8。
图3-8OV7670图像传感器
本论文中采用的传感器是OmniVision公司生产芯片的CMOS图像传感器，对于这种直插摄像头，因为电路继承了，所以图像处理都在一个芯片中，其中包括，图像的采集，数据的压缩，串口传输。
这就方便了我们的实验，其中内部的FIFO缓存结构也是大大的提高了成像的速度OV7670处理芯片AL442B。
具体电路图如图3-9。
图3-9AL422B芯片
下面我们来给大家介绍一下OV7670传感器的主要性能参数，具体参数如表3.1。
表3-1OV7670性能参数
名称
参数
名称
性能参数
感光列阵
640*480
视场角
25度
核电压
1.8V
灵敏度
1.3V
模拟电压
2.45V~3.0V
信噪比
46dB
IO电压
1.7V~3.0V
动态范围
52dB
工作
60mW/15fps
浏览模式
逐行
休眠
<20uA
电子曝光
1~510行
操作温度
-30~70（摄氏度）
像素面积
3.6um*3.6um
稳定工作
0~50（摄氏度）
暗电流
12mV/60摄氏度
输出格式
YUV/YCbCr4:
2:
2
Wellcapacity
17Ke
RGB565/555/444
最大帧率
30fps
GRB4:
2:
2
影响区域
2.36*1.76
RawRGBData
封装尺寸
3785um*4235um
3.4视频传输电路的设计
由于这款摄像头是高度集成的，使用串口插入的，所以并没有实际的电路连接图，主要视频信号的传输是通过串行口来传输的，通过图中的各个引脚传输到显示屏中。
本设计使用的传输协议是SPI协议[12]。
3.5视频显示模块电路的设计
本设计采用了2.8寸的TFT材质的屏幕。
这个D2532-C4是一个单片机控制器262k色的图形液晶屏幕。
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