智能全景泊車(chē)與設(shè)計(jì)電路

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）學(xué)生姓名：學(xué)生姓名： 陳佳俊 學(xué)學(xué) 號(hào)：號(hào)： 1301010202 .專(zhuān)專(zhuān) 業(yè)：業(yè)： 機(jī)電一體化技術(shù) .系系 （院）：（院）： 工業(yè)與信息化學(xué)院 .畢業(yè)設(shè)計(jì)題目：畢業(yè)設(shè)計(jì)題目： 智能全景監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) . 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師： 周月娥 職職稱(chēng)：稱(chēng)： 講 師 . 2016 年 5 月 3 日I摘摘 要要從國(guó)內(nèi)三維成像技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀分析入手，本文提出了三維智能全景監(jiān)控系統(tǒng)方案。本文描述了系統(tǒng)方案的基本原理、子系統(tǒng)構(gòu)成、關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用等，對(duì)系統(tǒng)方案在車(chē)輛監(jiān)控上的實(shí)踐應(yīng)用進(jìn)行了研究。本系統(tǒng)方案可以廣泛地應(yīng)用于需要進(jìn)行三維全景監(jiān)控的相關(guān)場(chǎng)景，為人們的生活生產(chǎn)帶來(lái)方便，產(chǎn)

2、生巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：三維成像技術(shù)；三維智能全景監(jiān)控系統(tǒng)；車(chē)輛監(jiān)控應(yīng)用II目 錄第一章 前 言.3第二章三維智能全景監(jiān)控系統(tǒng)方案.42.1 系統(tǒng)基本原理描述系統(tǒng)基本原理描述.4第 3 章系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì).531 系統(tǒng)硬件的工作流程框圖系統(tǒng)硬件的工作流程框圖.532 系統(tǒng)硬件平臺(tái)主要器件的選型及討論分析系統(tǒng)硬件平臺(tái)主要器件的選型及討論分析.6321 TMS320C6000 系列系列 DSP 選型及分析選型及分析 .6322 FPGA 的選型及分析的選型及分析.7323 圖像傳感器的選型及分析圖像傳感器的選型及分析.8331 電源電路設(shè)計(jì)電源電路設(shè)計(jì).11332 基于基于 0V

3、7960 圖像傳感器的相機(jī)設(shè)計(jì)圖像傳感器的相機(jī)設(shè)計(jì).13第四章 三維智能全景監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)踐應(yīng)用.154 結(jié)束語(yǔ)結(jié)束語(yǔ).15總結(jié).16參考文獻(xiàn).18- 3 3第一章第一章 前前 言言目前，國(guó)內(nèi)外尚未將三維成像技術(shù)成熟應(yīng)用到監(jiān)控產(chǎn)品上面，功能比較接近的產(chǎn)品是車(chē)輛智能全景監(jiān)控系統(tǒng)。但它只能記錄平面信息，不能全面地反映周?chē)h(huán)境的具體情況。從成像技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，三維立體影像是大勢(shì)所趨。1本文所研究系統(tǒng)正是在車(chē)輛智能全景監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展而來(lái)的，是對(duì)車(chē)輛智能全景監(jiān)控系統(tǒng)的改進(jìn)。通過(guò)采用三維成像技術(shù)和語(yǔ)聲混合算法，本系統(tǒng)一方面將周?chē)矬w的三維建模和尺度測(cè)量用 3D 技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。另一方面，還將全部觀測(cè)點(diǎn)的聲音信息

4、全部記錄下來(lái)，使得記錄的資料更加生動(dòng)、形象和全面。本系統(tǒng)方案可以廣泛地應(yīng)用于中高檔汽車(chē)、工程機(jī)械、港口船閘、水庫(kù)大壩、金融場(chǎng)所等重要場(chǎng)合的全方位智能化監(jiān)控。- 4 4第二章三維智能全景監(jiān)控系統(tǒng)方案第二章三維智能全景監(jiān)控系統(tǒng)方案2.1 系統(tǒng)基本原理描述系統(tǒng)基本原理描述三維智能全景監(jiān)控系統(tǒng)主要分為如下幾部分：中央處理單元、顯示與人機(jī)界面、專(zhuān)用攝像頭（分布式安裝） 。本系統(tǒng)的主體為中央處理單元，該部分主要包括：（1）視頻采集部件，采集系統(tǒng)所需視頻，并將采集到的視頻傳送到視頻合成部件。（2）視頻防抖部件，最大程度地預(yù)防在視頻采集過(guò)程中的抖動(dòng)，同時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的視頻補(bǔ)償操作。（3）視頻合成部件，將采集到到視

5、頻內(nèi)容進(jìn)行無(wú)縫合成，形成全景視頻，并輸送到投影與映射單元。（4）投影與映射部件，將合成的視頻內(nèi)容進(jìn)行投影與映射，輸出到相應(yīng)的終端。（5）目標(biāo)檢測(cè)部件，對(duì)周邊的目標(biāo)物體進(jìn)行智能檢測(cè)，按照預(yù)先設(shè)定的規(guī)則進(jìn)行智能控制操作、綜合障礙預(yù)警和多元導(dǎo)航信息等。（6）GIS 部件，對(duì)移動(dòng)主體進(jìn)行 GIS 定位功能。圖 1 系統(tǒng)方案框架圖- 5 5第第 3 章系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)章系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)本章所要解決的問(wèn)題是基于多圖像傳感器融合的全景泊車(chē)輔助系統(tǒng)的硬件平臺(tái)搭建。該系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)采集 4 路視頻圖像，并對(duì)圖像進(jìn)行一系列處理如畸變矯正、逆投影變換、圖像拼接等運(yùn)算，所以系統(tǒng)硬件平臺(tái)必須具備實(shí)時(shí)性好、模塊化設(shè)計(jì)、易維

6、護(hù)和系統(tǒng)升級(jí)空間大等特點(diǎn)。本章將按照上述要求并結(jié)合第二章對(duì)本設(shè)計(jì)方案的分析逐個(gè)對(duì)系統(tǒng)中芯片的選型進(jìn)行討論并對(duì)系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)給出詳細(xì)說(shuō)明。由于系統(tǒng)龐大且復(fù)雜在開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)中我的主要職責(zé)是硬件電路設(shè)計(jì)中以 DSP 為核心的外圍電路設(shè)計(jì)及圖像相關(guān)算法設(shè)計(jì)。故本章主要以 DSP為核心的外圍電路介紹為主，F(xiàn)PGA 硬件電路為輔。31 系統(tǒng)硬件的工作流程框圖系統(tǒng)硬件的工作流程框圖通過(guò)第二章對(duì)本設(shè)計(jì)的方案分析總結(jié)，最終選用的系統(tǒng)方案主要包括：DSP核心處理器單元、FPGA協(xié)同處理器單元、圖像采集單元(相機(jī))、視頻解碼芯片、視頻編碼芯片、CAN模塊。FPGA主要負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的邏輯控制和視頻圖像的預(yù)處理，包括編解碼

7、芯片的驅(qū)動(dòng)、外部存儲(chǔ)器的擴(kuò)展和簡(jiǎn)單的圖像預(yù)處理等，并預(yù)留有足夠的邏輯資源空間以便以后復(fù)雜算法植入和功能擴(kuò)展的需要。DSP主要負(fù)責(zé)4路廣角相機(jī)視頻圖像的采集、1路視頻圖像輸出以及復(fù)雜圖像處理算法的實(shí)現(xiàn)和接收CAN模塊的信息。這樣采用DSP作為本系統(tǒng)圖像處理的核心處理器，F(xiàn)PGA作為協(xié)同處理器，充分發(fā)揮了兩種不同處理器的各自?xún)?yōu)勢(shì)，在設(shè)計(jì)上注重模塊化設(shè)計(jì)，最大限度的使系統(tǒng)具備兼容性強(qiáng)、可擴(kuò)展性好和系統(tǒng)升級(jí)維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。圖31系統(tǒng)硬件的工作流程框圖。圖31 系統(tǒng)硬件工作流程框圖- 6 6本文所述基于多圖像傳感器融合的全景泊車(chē)輔助系統(tǒng)的工作流程如下：系統(tǒng)給電，核心處理器DSP向系統(tǒng)各模塊發(fā)出復(fù)位指令陽(yáng)

8、1；DSP通過(guò)片上資源工2C總線配置視頻編碼器確保人機(jī)交互界面輸出正常；FPGA負(fù)責(zé)配置4個(gè)視頻解碼的工作模式確保4個(gè)視頻解碼器工作在正常狀態(tài)，始終能夠輸出理想的數(shù)字視頻圖像信息；利用DSP硬件資源中的3個(gè)可配置視頻接口，接收4個(gè)視頻解碼芯片輸出的數(shù)字圖像信息，并發(fā)送給FPGA：FPGA內(nèi)部數(shù)據(jù)緩沖區(qū)接收到DSP發(fā)送的圖像數(shù)據(jù)后進(jìn)行簡(jiǎn)單圖像處理，然后把處理后的數(shù)據(jù)直接存入SDRAM，F(xiàn)PGA釋放數(shù)據(jù)總線；然后DSP從SDRAM取出經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單處理過(guò)的圖像數(shù)據(jù)再進(jìn)行算法復(fù)雜的圖像變換，最終把處理后的有效數(shù)據(jù)輸出至LCD輸出單元。為了提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)中各模塊的靈活性、擴(kuò)展性和有利于圖像處理相關(guān)算法的改進(jìn)。

9、在組建系統(tǒng)硬件平臺(tái)時(shí)有充分的考慮，F(xiàn)PGA內(nèi)嵌微處理軟核方便與DSP進(jìn)行控制命令收發(fā)、圖像數(shù)據(jù)的存取和圖像處理算法的移植。DSP作為核心控制器可以對(duì)FPGA進(jìn)行功能控制，可以根據(jù)用戶(hù)所需功能選擇FPGA的工作狀態(tài)，這樣使得系統(tǒng)各模塊更加獨(dú)立，最大限度的發(fā)揮硬件平臺(tái)資源優(yōu)勢(shì)，以便于嵌入更為復(fù)雜的圖像處理算法或識(shí)別功能。只需通過(guò)系統(tǒng)的簡(jiǎn)單配置和選擇就可以將整個(gè)系統(tǒng)的附加功能在DSP或FPGA之間轉(zhuǎn)換，主要是圖像處理部分，以減輕各自的負(fù)擔(dān)發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，最終達(dá)到系統(tǒng)性能最優(yōu)。32 系統(tǒng)硬件平臺(tái)主要器件的選型及討論分析系統(tǒng)硬件平臺(tái)主要器件的選型及討論分析本系統(tǒng)硬件平臺(tái)器件選擇是依據(jù)系統(tǒng)穩(wěn)定性、可擴(kuò)展性

10、以及日后軟件升級(jí)空間等各項(xiàng)性能指標(biāo)最佳化的情況下進(jìn)行分析的。各器件還以盡可能降低系統(tǒng)成本，充分利用各芯片的內(nèi)部資源為準(zhǔn)則進(jìn)行選取，提高整個(gè)系統(tǒng)的集成度和性?xún)r(jià)比。321 TMS320C6000 系列系列 DSP 選型及分析選型及分析在本設(shè)計(jì)中DSP作為核心處理器件，它的選型決定外圍電路的復(fù)雜性和整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為實(shí)現(xiàn)多圖像傳感器融合的全景泊車(chē)輔助系統(tǒng)的特殊要求，核心處理器DSP的選型決定了整個(gè)系統(tǒng)電路的結(jié)構(gòu)。TMS320C6000系列DSP(Digital SignalProcessor)n胡n是TI(TEXAS INSTRUMENTS)公司于1997年2月推向市場(chǎng)的高性能DSP，是目前在市場(chǎng)

11、運(yùn)用最廣泛也是最成功的一款數(shù)字信號(hào)處理芯片之一，C6000系列DSP具有高性?xún)r(jià)比、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。TMS320C6000系列包含兩種類(lèi)型的芯片分別為定點(diǎn)DSP和浮點(diǎn)DSP。TMS320DM642芯片是TI在2003年推出的一款32位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器，是采用先進(jìn)Veloci技術(shù)的VLIW構(gòu)架，屬于C6000系列DSP主要面向數(shù)字圖像處理。TMS320DM642處理器為敘述方便以下簡(jiǎn)稱(chēng)DM642。DM642保留了C64x原有的內(nèi)核結(jié)構(gòu)以及大部分外設(shè)的基礎(chǔ)上為適應(yīng)多路視頻采集處理等應(yīng)用增加了3個(gè)雙通道數(shù)字視頻無(wú)縫接口，可最多同時(shí)采集6路數(shù)字視頻流。其片內(nèi)資源豐富和擴(kuò)展性好，最為適合本設(shè)計(jì)的要求，經(jīng)過(guò)

12、綜合考慮，最終選擇DM642作為本設(shè)計(jì)的核心處理器。選用DM642作為本設(shè)計(jì)核心處理器，下面將通過(guò)對(duì)芯片的介紹來(lái)逐步展現(xiàn)選用此款芯片的優(yōu)勢(shì)：TMS320DM642處理器是在TMS320C6000平臺(tái)上的高性能定點(diǎn)DSP。DM642是基于第二代高性能、先進(jìn)Veloci TI技術(shù)的VLIW結(jié)構(gòu)，這些特性使得此款DSP處理器被選為面向視頻圖像處理的最佳選擇。DM642在理想狀態(tài)下主頻能達(dá)到- 7 7720MHz，在此主頻下處理速度能最高達(dá)到5760MIPS，C64x系列DSP內(nèi)核有64個(gè)通用寄存器和8個(gè)獨(dú)立的功能單元分別為2個(gè)乘法器和6個(gè)ALU。Veloci T112升級(jí)版，可以發(fā)揮功能單元的優(yōu)勢(shì)提

13、升在實(shí)時(shí)圖像處理方面的性能。DM642每個(gè)機(jī)器周期最多能提供4個(gè)16位多路累加運(yùn)算(MultiAccumulatesMAC)，每秒可提供2880百萬(wàn)個(gè)MAC，或者8個(gè)8位MAC，每秒5760MMAC。DM642具有與其他類(lèi)型DSP不同的硬件結(jié)構(gòu)，與其他C6000系列DSP平臺(tái)有相似的片上外設(shè)u 2|。DM642整體功能框圖如圖32所示。DM642內(nèi)部使用L1P和L1D兩級(jí)高速緩存結(jié)構(gòu)，有著強(qiáng)大豐富的外圍設(shè)備接口。L1P和L1D分別為一級(jí)程序緩存、二級(jí)數(shù)據(jù)緩存，LIP是一個(gè)的直接映射緩存空間，L1D是一個(gè)2組相連的高速數(shù)據(jù)緩存空間n 2|。外圍設(shè)備包括：3個(gè)可配置視頻端口，1個(gè)以太網(wǎng)控制器模塊，

14、1個(gè)高速數(shù)據(jù)輸入輸出管理模塊，1個(gè)內(nèi)插VCXO控制接口，1個(gè)多鏈路專(zhuān)用音頻接口，1個(gè)12C總線硬件標(biāo)準(zhǔn)接口，2個(gè)可配置多通道緩沖串口，3個(gè)可配置32位定時(shí)器，1個(gè)與外圍設(shè)備的擴(kuò)展接口(PCI)，1組16管腳的可配置IO端口(GPIO)，1個(gè)64位IMIFA，可以無(wú)縫連接同異步存儲(chǔ)器和外圍擴(kuò)展設(shè)備。綜合以上簡(jiǎn)要列舉的MD642片上資源，我們可以得出DM642是一款高性能、性?xún)r(jià)比高的數(shù)字信號(hào)專(zhuān)用處理芯片，片上集成豐富的視頻硬件資源和多種系統(tǒng)常用接口，可廣泛用于多媒體、復(fù)雜信號(hào)處理等環(huán)境。DM642通常用于IP視頻電話、電視機(jī)頂盒、視頻監(jiān)控等系統(tǒng)，TI技術(shù)人員都提供了各領(lǐng)域相應(yīng)的解決方案。在本設(shè)計(jì)中

15、DM642充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì)，會(huì)有更優(yōu)異的表現(xiàn)。322 FPGA 的選型及分析的選型及分析在一些大型集成電路系統(tǒng)中，F(xiàn)PGAn 41(Field-Programmable Gate Array)，即現(xiàn)- 8 8場(chǎng)可編程門(mén)陣列，它是在可編程器件如PAL、GAL、CPLD等基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間一步一步發(fā)展演變的產(chǎn)物。它是以一種半定制電路的形式出現(xiàn)的，是專(zhuān)用集成電路(ASIC)領(lǐng)域中的一個(gè)分支，在實(shí)際電路系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，F(xiàn)PGA的出現(xiàn)以其特殊硬件架構(gòu)的特點(diǎn)不僅解決了定制電路的靈活性不足，而且也克服了硬件邏輯資源數(shù)有限的缺點(diǎn)n引。所以在大規(guī)模集成電路開(kāi)發(fā)項(xiàng)目中應(yīng)用極其廣泛。目前全球FPGA芯片主要生產(chǎn)廠家

16、有：Altera、Xilinx、Actel、Lattice等，其中Altera公司是可編程邏輯器件的發(fā)明者，也是全球生產(chǎn)可編程邏輯器件的老牌生產(chǎn)廠家，開(kāi)發(fā)軟件為Quartusll。Xilinx是FPGA的發(fā)明者，擁有全球大部分的市場(chǎng)，提供市場(chǎng)份額90以上的高端FPGA產(chǎn)品。Xilinx公司主要生產(chǎn)的FPGA有兩大類(lèi)型：一種是Spartan系列，另一種是Virtex系列，Spartan系列芯片主要針對(duì)中低端的消費(fèi)電子應(yīng)用領(lǐng)域，Virtex系列芯片主要應(yīng)用于通信和網(wǎng)絡(luò)終端等高端設(shè)備領(lǐng)域。這兩個(gè)系列的差異主要是從兩個(gè)指標(biāo)區(qū)分的，即芯片邏輯門(mén)電路的規(guī)模和專(zhuān)用模塊，他們都采用了最先進(jìn)的制造工藝。目前主流

17、芯片包括Spartan一2、Spartan一2E、Spartan-3、Spartan一3A以及Spartan一3E等種類(lèi)。經(jīng)過(guò)調(diào)研最終本設(shè)計(jì)選用的是擁有40萬(wàn)系統(tǒng)門(mén)數(shù)的Spartan一3AN系列XC3S400AN型號(hào)的芯片，所以著重介紹此款芯片的資源外設(shè)等相關(guān)信息n6|。Spartan一3AN系列芯片為系統(tǒng)集成度非常高的非易失性FPGA，此款芯片有以下幾項(xiàng)獨(dú)特性能：FPGA有大量?jī)?nèi)部SRAM高性能資源、非易失性、縮小板卡空間和配置便捷等特點(diǎn)。Spartan一3AN硬件平臺(tái)是專(zhuān)門(mén)面向?qū)Τ杀居袊?yán)格要求的嵌入式產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的。Spartan-3AN系列FPGA芯片的硬件資源如表31。在本設(shè)計(jì)中，F(xiàn)PGA

18、只是作為協(xié)處理器存在，是以DSP為核心的系統(tǒng)構(gòu)架的一個(gè)部分，可以說(shuō)FPGA協(xié)處理單元是作為DSP核心處理器的一個(gè)外圍設(shè)備，在整個(gè)系統(tǒng)中所起的作用是具有選擇性的，主要的任務(wù)是為以后系統(tǒng)升級(jí)預(yù)留硬件資源和接口，即邏輯控制、圖像處理算法的升級(jí)、大容量硬盤(pán)接口以及系統(tǒng)功能擴(kuò)展。若整個(gè)系統(tǒng)只實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單監(jiān)控功能對(duì)圖像質(zhì)量要求不高的情況下，可以在有選擇性的使FPGA協(xié)處理單元進(jìn)入休眠狀態(tài)，這樣既降低了整個(gè)系統(tǒng)的功耗又保留了整個(gè)系統(tǒng)的可升級(jí)和可擴(kuò)展等性能。通過(guò)以上對(duì)xilinx公司Spartan一3AN系列處理芯片的系統(tǒng)邏輯門(mén)數(shù)、系統(tǒng)可配置邏輯塊、數(shù)字時(shí)鐘管理模塊和可用Io管腳數(shù)量進(jìn)行對(duì)比分析以及根據(jù)其在整個(gè)系

19、統(tǒng)中所起的作用，故選擇Spartan一3AN系列XC3S7400AN此款芯片應(yīng)用于本設(shè)計(jì)。323 圖像傳感器的選型及分析圖像傳感器的選型及分析- 9 9圖像傳感器是基于光電技術(shù)將現(xiàn)實(shí)景像經(jīng)過(guò)一系列光到電的有規(guī)律轉(zhuǎn)換而形成一維時(shí)序電信號(hào)的光電探測(cè)器件。它包括電子束攝像管、CCD、CMOS等超大規(guī)模半導(dǎo)體集成感光器件的圖像傳感器和面陣高速掃描型圖像傳感器等。經(jīng)過(guò)了40多年的不斷革新發(fā)展，電子束攝像管等正逐漸被市場(chǎng)所淘汰，由芯片體積小、感光區(qū)域大、優(yōu)質(zhì)成像效果的CCD、CMOS等半導(dǎo)體集成圖像傳感器所取代u71。CCD與CMOS圖像傳感器由于其各自的結(jié)構(gòu)和感光單元的制造工藝不同而具有不同的性能優(yōu)勢(shì)，

20、CCD可以在大面積感光陣列上收集和轉(zhuǎn)移所產(chǎn)生的電荷，在過(guò)去幾十年，CCD器件一直主導(dǎo)圖像傳感器市場(chǎng)。從時(shí)間上來(lái)說(shuō)雖然CMOS圖像傳感器的出現(xiàn)比CCD早，但是由于技術(shù)和制造工藝的原因在較長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，都存在成像質(zhì)量差、感光陣列尺寸小和響應(yīng)速度非常慢等不足，但是在近幾年科技發(fā)展非常迅速的背景下，大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)水平和制作工藝水平的大幅度提高，大部分解決了CMOS圖像傳感器存的缺點(diǎn)。并且CMOS圖像傳感器采用列并行結(jié)構(gòu)，集成光敏元件和像敏元件尋址開(kāi)關(guān)而且還有弱信號(hào)放大電路和信號(hào)處理電路，從感光靈敏度、去噪聲方面都有良好的改善n8】 。CMOS圖像傳感器與CCD圖像傳感器相比，由于制造工藝上差異C

21、MOS感光陣列集成度高、芯片外圍電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在功能、芯片尺寸和價(jià)格等方面也優(yōu)于CCD，所以本設(shè)計(jì)的圖像采集模塊核心器件采用CMOS圖像傳感器。CMOS圖像傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖33所示。在CMOS器件發(fā)展的歷程中，CMOS器件從“被動(dòng)像敏單元”結(jié)構(gòu)到“主動(dòng)像敏單元”演變是由于大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)與微電子制造技術(shù)進(jìn)入深亞微米階段，CMOS圖像傳感器芯片可集成大規(guī)模感光陣列、信號(hào)讀出及處理電路和控制電路于一體，再加上光學(xué)鏡頭等外圍設(shè)備就構(gòu)成了一個(gè)光學(xué)成像系統(tǒng)n鯽【2叫瞳?，F(xiàn)代工藝條件下的CMOS芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要是由感光陣列、水平(垂直)控制電路和時(shí)序電路、信號(hào)讀出與處理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和數(shù)據(jù)

22、接口電路等組成乜2|。為滿(mǎn)足汽車(chē)電子行業(yè)對(duì)汽車(chē)主動(dòng)安全系統(tǒng)應(yīng)用中對(duì)成像高清晰度的特殊要求(如倒車(chē)攝像頭)，本設(shè)計(jì)對(duì)圖像傳感器的選擇主要是依據(jù)芯片成像動(dòng)態(tài)范圍和芯片成本等性能指標(biāo)。因?yàn)榛诙鄨D像傳感器融合的全景泊車(chē)系統(tǒng)的構(gòu)建需要4片圖- 1010像傳感器，由于本系統(tǒng)是主動(dòng)安全駕駛輔助系統(tǒng)，對(duì)圖像傳感器的要求并不是太高，只要圖像清晰、芯片適用于車(chē)載即可，下面我對(duì)兩種圖像傳感器進(jìn)行分析，即MT9V024和0v7960兩款不同公司的圖像傳感器芯片。(1)MT9V024圖像傳感器美光(Micron Technology)的Aptina為下一代監(jiān)控相機(jī)提供寬動(dòng)態(tài)范圍、高清的MT9V024完美解決方案乜3l

23、。車(chē)道防偏離警告系統(tǒng)(LDW)是MT9V024圖像傳感器在實(shí)時(shí)場(chǎng)景處理系統(tǒng)中的一個(gè)很好案例。MT9V024是像平面尺寸為13英寸、寬VGA模式的CMOS有源像素圖像傳感器，它采用TrueSNAP球形快門(mén)和高動(dòng)態(tài)范圍。該傳感器專(zhuān)門(mén)為內(nèi)外兼顧的汽車(chē)成像需求而設(shè)計(jì)，這使得它成為多種成像應(yīng)用環(huán)境的理想芯片。這款傳感器采用Aptina的突破性低噪聲的CMOS成像技術(shù)以達(dá)到CCD的成像質(zhì)量(基于信號(hào)信噪比和低光照靈敏度)同時(shí)保持了固有的大小，成本和CMOS的整合優(yōu)勢(shì)。片上采用先進(jìn)的相機(jī)功能，如分級(jí)22，44，以提高在較小的決議上操作時(shí)的靈敏度，就像窗口功能，行和列鏡像。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)兩線串行可編程接口，可以在默

24、認(rèn)模式下對(duì)幀大小、曝光度、增益以及其他參數(shù)進(jìn)行配置。默認(rèn)模式輸出寬VGA尺寸的圖像，每秒60幀。片上模數(shù)轉(zhuǎn)換器把每個(gè)像素的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為士Obit數(shù)據(jù)流。可另外啟用一個(gè)12位全分辨率代替10位小信號(hào)。除了傳統(tǒng)的并行邏輯輸出，MT9V024還有還具有LVDS(串行低壓差分信號(hào))這款傳感器能夠在立體攝像中操作。MT9V024圖像傳感器具體性能參數(shù)如表32所示：(2)0V7960圖像傳感器0V7960是OMNIVISION最近兩年新推出的小尺寸圖像傳感器芯片，它的出現(xiàn)滿(mǎn)足了汽車(chē)業(yè)對(duì)輔助駕駛系統(tǒng)應(yīng)用要求(如倒車(chē)后視鏡)，開(kāi)創(chuàng)了CMOS圖像傳感器在汽車(chē)安全輔助駕駛系統(tǒng)應(yīng)用的新開(kāi)端0V7960圖像傳感器的

25、性能完全滿(mǎn)足了汽車(chē)電子行業(yè)對(duì)圖像傳感器成像效果的特殊需求，14超小巧體積，在低光照下的也有良好的性能(001LUX)，并采用全球最小的CSP封裝，體積比同類(lèi)產(chǎn)品小50，已經(jīng)成為CMOS產(chǎn)品的領(lǐng)導(dǎo)者。0V7960圖像傳感器具體性能參數(shù)如表33所示：- 1111本設(shè)計(jì)的目的是開(kāi)發(fā)出一種能打破現(xiàn)有的只在高端車(chē)上配備的全景泊車(chē)輔助系統(tǒng)。所以低成本是系統(tǒng)開(kāi)發(fā)必須考慮的因素之一，由于用于汽車(chē)主動(dòng)安全的系統(tǒng)是給駕駛員提供二些車(chē)輛周?chē)鷮?shí)時(shí)狀況信息，所以系統(tǒng)對(duì)圖像質(zhì)量的要求不是特別高，經(jīng)過(guò)綜合考慮本設(shè)計(jì)才用0V7960圖像傳感器作為相機(jī)的圖像采集芯片。331 電源電路設(shè)計(jì)電源電路設(shè)計(jì)由于本系統(tǒng)包含DSP、FPG

26、A以及它們的外圍電路器件，所需電源有5v、33v、25v、18v、14v、12v等，系統(tǒng)所需電源如此之多電源模塊的設(shè)計(jì)會(huì)成為整個(gè)系統(tǒng)的難點(diǎn)，能否保證系統(tǒng)個(gè)部分能夠穩(wěn)定運(yùn)行成為整個(gè)硬件設(shè)計(jì)成敗關(guān)鍵，下面將各模塊器件的電源進(jìn)行總體說(shuō)明。1、DSP及外圍設(shè)備電源電路考慮到電源對(duì)DSP處理器穩(wěn)定工作的重要性，電源芯片必須選擇效率高、輸出紋波小、對(duì)各種噪聲有良好抑制作用的高效電壓轉(zhuǎn)換芯片。線性電源簡(jiǎn)單穩(wěn)定，紋波相對(duì)較小，缺點(diǎn)是供電電流小，降壓壓差大的時(shí)候電源效率低，電路設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單：開(kāi)關(guān)電源成本較高，輸出紋波大，其優(yōu)點(diǎn)是電源效率高，驅(qū)動(dòng)能力也大，電路設(shè)計(jì)比較復(fù)雜。綜合考慮兩種電源的優(yōu)缺點(diǎn)，在電路設(shè)過(guò)程中

27、進(jìn)行合理分配。汽車(chē)啟動(dòng)和正常行駛過(guò)程中時(shí)，其電源輸出電壓在lOV一16V范圍內(nèi)無(wú)規(guī)律突變。不難想象出這樣的大幅度波動(dòng)電壓對(duì)電子系統(tǒng)的危害，若直接作用在車(chē)載電子系統(tǒng)及車(chē)載儀表上，這種大幅度波動(dòng)產(chǎn)生的電壓沖擊往往會(huì)造成電子器件損壞，導(dǎo)致出現(xiàn)嚴(yán)重事故。所以本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中考慮到12V供電電源要從車(chē)上引入時(shí)，添加一個(gè)保護(hù)電路確保整個(gè)系統(tǒng)電路的安全，如圖34：圖 3.4 12V 保護(hù)電路- 1212為確保TMS320DM642處理器穩(wěn)定工作必須對(duì)它的內(nèi)核和IO端口分別進(jìn)行獨(dú)立供電以減少電源之間的相互串?dāng)_，其內(nèi)核電壓為14V，IO端口電源為33V。視頻編碼芯片TVP5150AMl數(shù)字電壓(AVDD)和模擬電

28、壓(DVDD)輸入均為18 V，io端IZl電壓(DVDDIO)為33 V。視頻編碼芯片SAATl21數(shù)字電壓(VDDD)和模擬電壓(VDDA)同為33V。GDRAM和FLASH工作電壓為33V?？紤]整個(gè)系統(tǒng)的功耗，第一級(jí)的電壓轉(zhuǎn)換全部選用TI推薦的開(kāi)關(guān)電源管理芯片TPS5430作為12V一5V的電壓轉(zhuǎn)換核心器件；選用兩片TPS54310參照其DataSheet對(duì)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，分別為DSP提供內(nèi)核電壓14V和IO端口電壓33V，其中33V電源也為系統(tǒng)中其他元器件供電。各部分電路設(shè)計(jì)如下所示：圖 35 TPS5430 電源轉(zhuǎn)換電路 12V-5VTPS54310輸入的電壓為T(mén)PS5430經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換輸

29、出的5V電壓。一片TPS54310為T(mén)MS320DM642提供內(nèi)核電壓，輸出電壓14V如電路圖39所示，另一片為T(mén)MS320DM642提供IO端口電壓，輸出電壓為33V如圖36所示：- 1313圖 36 DM642 外圍 I0 端口電壓在系統(tǒng)上電后，DSP內(nèi)核首先得到TPS54310電源芯片提供的14V穩(wěn)定電壓，然后第一片TPS54310的PVRGD端口輸出一個(gè)使能電平(高電平)給第二片TPS54310的SSEN端口舊引。這樣就保證了系統(tǒng)上電時(shí)DSP內(nèi)核首先獲得供電，IlO端口在內(nèi)核得到14V穩(wěn)定電壓后獲得33V供電，系統(tǒng)掉電過(guò)程中DSP內(nèi)核后于io端口電源掉電。這樣大大增加了芯片使用壽命和系

30、統(tǒng)穩(wěn)定性。2、FPGA及其他部分電源模塊設(shè)計(jì)FPGA協(xié)處理器選用的是Xilinx的Spartan-3AN系列芯片，其型號(hào)為XC3S400AN。XC3S400AN處理器內(nèi)核電壓(VCCINT)為12V，輔助電源電壓(VCCAUX)為25V，io端口電壓為33V雎引。板卡上其他芯片，如FPGA的配置芯片XCF02SV020C電源為25V和33V，TVP5150AMl電壓(AVDD、DVDD)為18V以及I0端口電壓(DVDDIO)33V，SAA7121電壓為33V。由于電源輸入12V經(jīng)過(guò)TPS54310和TPS5430等開(kāi)關(guān)電源第一級(jí)轉(zhuǎn)換，所以之后的電壓轉(zhuǎn)換芯片都選用的是設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、占用空間小的線性

31、電源轉(zhuǎn)換芯片，如TLVlll712為FPGA內(nèi)核提供12V穩(wěn)定電壓、TLVlll7-18為T(mén)VP5150AMl提供18v數(shù)字電壓、TLVll725為FPGA的輔助電源和配置芯片電源。其電路設(shè)計(jì)如下圖37所示- 14143.3v-1.8v圖 37 FPGA 及其他部分電源模塊332 基于基于 0V7960 圖像傳感器的相機(jī)設(shè)計(jì)圖像傳感器的相機(jī)設(shè)計(jì)0V7960是OMNIVISION最近推出的為滿(mǎn)足汽車(chē)電子領(lǐng)域的應(yīng)用(如倒車(chē)攝像頭)，14超小巧體積，具備非常好的低光性能(001LUX)，并采用圖像傳感器制造領(lǐng)域中最小的CSP封裝，體積比同類(lèi)產(chǎn)品小50，是CMOS產(chǎn)品的領(lǐng)導(dǎo)者。由于在汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)線束布局過(guò)

32、程中相機(jī)傳輸圖像的數(shù)據(jù)線需要很長(zhǎng)，視頻圖像數(shù)據(jù)在長(zhǎng)距離傳輸過(guò)程中信號(hào)之間的相互干擾大、衰減大，如果直接傳輸數(shù)字視頻信號(hào)終端將接收不到完整的視頻信息，所以依據(jù)實(shí)驗(yàn)表明相機(jī)模塊只需提供穩(wěn)定模擬視頻信號(hào)，通過(guò)板卡上的視頻解碼芯片TVP5150AMl進(jìn)行復(fù)合模擬視頻信號(hào)到數(shù)字視頻信號(hào)的轉(zhuǎn)換，輸出易于被DSP采集且符合BT656格式的數(shù)字視頻圖像信號(hào)就可以。相機(jī)的主體設(shè)計(jì)需要確保圖像傳感器供電電源穩(wěn)定、- 1515寄存器配置正確。下面對(duì)0V7960圖像傳感器核心部分電路設(shè)計(jì)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。相機(jī)是否能正確輸出穩(wěn)定模擬信號(hào)，是相機(jī)部分設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，必須采用輸出電壓紋波系數(shù)小的電源芯片和大量的濾波電容，濾波電容的

33、擺放盡量靠近引腳，這樣就能夠輸出良好的模擬視頻圖像數(shù)據(jù)。圖像傳感器設(shè)計(jì)電路如圖38所示：圖 38 0V70960 圖像傳感器外圍電路- 1616第四章第四章 三維智能全景監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)踐應(yīng)用三維智能全景監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)踐應(yīng)用針對(duì)本系統(tǒng)在車(chē)輛的三維全景監(jiān)控系統(tǒng)上進(jìn)行了實(shí)踐和應(yīng)用。通過(guò)本系統(tǒng)進(jìn)行視頻合成虛擬出來(lái)的監(jiān)控范圍內(nèi)有效區(qū)域的全景視圖效果，并利用三維圖像的形式進(jìn)行顯示，提供更加真實(shí)的虛擬現(xiàn)場(chǎng)。同時(shí)，本系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵部位的自動(dòng)尺度測(cè)量，在必要的時(shí)候，主動(dòng)進(jìn)行報(bào)警。其效果演示圖如下：圖 3 三維智能全景監(jiān)控系統(tǒng)在車(chē)輛監(jiān)控上的應(yīng)用效果圖4 結(jié)束語(yǔ)結(jié)束語(yǔ)本文研究的三維智能全景監(jiān)控系統(tǒng)，可以廣泛地應(yīng)用于需要

34、進(jìn)行三維全景監(jiān)控的相關(guān)場(chǎng)景，如：中高檔汽車(chē)、工程機(jī)械設(shè)備、重要構(gòu)筑物和重要場(chǎng)所等。本系統(tǒng)不僅為國(guó)內(nèi)生產(chǎn)生活帶來(lái)方便，而且會(huì)產(chǎn)生巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。在本文系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，還可以對(duì)如下相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用進(jìn)一步研究：（1）三維智能全景生產(chǎn)監(jiān)控應(yīng)用，采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)生成三維全景影像，可以實(shí)時(shí)生動(dòng)地反映整個(gè)生產(chǎn)監(jiān)控區(qū)域的整體情況；（2）全景輔助導(dǎo)航智能應(yīng)用，通過(guò)系統(tǒng)提供效果和模式可選擇切換的全景圖像、主動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)警告、GIS 信息警告等，起到全景輔助導(dǎo)航的作用；（3）三維智能測(cè)距和自動(dòng)化遙控駕駛應(yīng)用，不僅可以實(shí)時(shí)獲取現(xiàn)場(chǎng)的三維全景影像，而且還能實(shí)時(shí)地檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)物體和周邊物體的實(shí)際距離，根據(jù)系統(tǒng)預(yù)定設(shè)置進(jìn)行實(shí)時(shí)地現(xiàn)場(chǎng)控制與智能處理，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化遙控駕駛的功能。6- 1717總結(jié)總結(jié)經(jīng)過(guò)四個(gè)月的努力我的畢業(yè)設(shè)計(jì)終于完成了,但是現(xiàn)在回想起來(lái)做畢業(yè)設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程，頗有心得，其中有苦也有甜，艱辛同時(shí)又充滿(mǎn)樂(lè)趣,不過(guò)樂(lè)趣盡在其中！通過(guò)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，沒(méi)有接受任務(wù)以前覺(jué)得畢業(yè)設(shè)計(jì)只是對(duì)這幾年來(lái)所學(xué)知識(shí)的單純總