畢業(yè)設計之倒車雷達.doc

摘要倒車雷達是汽車泊車或者倒車時的安全輔助裝置。該系統(tǒng)能夠在汽車低速倒車的過程中，識別出車體后部的障礙物，并能夠測量汽車與障礙物之間的距離。在車輛與障礙物發(fā)生碰撞之前，發(fā)出語音警報，提醒司機剎車。針對汽車行業(yè)中倒車雷達現(xiàn)狀，本文提出了一種以ARM9處理器ARM920T和Linux操作系統(tǒng)為軟硬件平臺的數(shù)據(jù)采集方案、超聲波發(fā)射接收裝置、語音報警模塊等多模塊設計，完成了對倒車系統(tǒng)復雜情況的判斷、測距、語音報警等功能。從測試的準確行，可觀性、穩(wěn)定性上對可視倒車雷達系統(tǒng)的組成取得了新的突破。本系統(tǒng)采用超聲波換能器產(chǎn)生超聲波，當超聲波碰到障礙物后因阻擋而被反射，系統(tǒng)通過CSB40R接收，然后通過超聲波的發(fā)射和接收之間的時間差而測出距離；通過語音報警系統(tǒng)通知司機具體的距離及危險程度。該系統(tǒng)的有效運用可使我們更好的避免交通事故，有效的利用高端科技為日常生活服務。關鍵詞：嵌入式系統(tǒng); 超聲波;ARM9;Linux操作系統(tǒng);語音報警IAbstractWith the development of the technology of the electronic,auto,embed and information in recent years,the embed system has been widely applied in each field.Thanks to the progress of the computer,communication and automation,especially the improvement of the embed technology,selecting a embed operating system will be a very effective thing that will improve the capability and the empolder rate,which will supply a support platform for the modernization and informatization of the industry.In connection with the current situation of reversing radar,the paper puts forward a design of modules which is based on ARM9 processor named ARM920T and the Linux control system,which has all the functions including:ultrasonic send/incept module,alarm module of sound etc.The system call complete the functions of judgement,measure distance,audio alert and so on.The reversing radar breaks through in terms of veracity,observability,stability.In order to produce the ultrasound the system adopts the device of ultrasonic transducer which has the feature of echoing when the ultrasonic touching the barrier.The reflected wave will be taken over by CSB40R,then ARM can test the time from sending to receiving,from which the controller call measure the distance from barrier to car.According to the judgement the controller can also alarm the driver of the distance from the barrier to the car with the dangerous circumstances.If the controller system is used effectively,it can better serve our daly life,for example it carl reduce the traffic accidents drastically.The practicability and the actualization are emphasized in the research course.With respect to hardwares,we choose the common ones.And we also have done much work in improving and verifying the gordian technique.The practical results show that the reversing radar system with accuracy test and dependable performance will play an important role in reversing without barrier.Keywords:Embedded System;ultrasonic;ARM9;Linux OS;Audio Alert目錄1 緒論11.1課題研究的背景11.2課題研究的價值和意義21.3 倒車雷達的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢31.3.1 倒車雷達的發(fā)展現(xiàn)狀32 倒車雷達系統(tǒng)總體設計和關鍵技術52.1 倒車雷達系統(tǒng)的設計思想和目標52.2 倒車雷達系統(tǒng)的結構62.3 倒車雷達系統(tǒng)的關鍵技術62.3.1 超聲波測距技術62.3.2 嵌入式系統(tǒng)82.3.3 Linux操作系統(tǒng)113 倒車雷達系統(tǒng)硬件電路的設計與實現(xiàn)133.1 倒車雷達系統(tǒng)硬件總體設計133.2 倒車雷達系統(tǒng)的硬件具體實現(xiàn)133.2.1 核心板133.2.2 核心板的電源電路圖173.2.3 時鐘電路及復位電路設計183.2.4 超聲波發(fā)生電路193.2.5 超聲波接收電路213.2.6 語音報警系統(tǒng)電路243.3 硬件系統(tǒng)的PCB板的設計原則264 軟件設計及調試284.1 嵌入式Linux系統(tǒng)軟件開發(fā)要經(jīng)過5個步驟284.1.1編譯和移植Boot loader284.1.3 移植置裁剪Linux內核驅動程序的編寫添加294.1.4 文件系統(tǒng)(Ramdisk)的安裝304.1.5 用戶空間(User)程序的開發(fā)304.2 系統(tǒng)軟件總體設計思路314.3 Linux的USB驅動程序324.3.1 驅動程序支持的設備334.3.2 注冊USB驅動程序334.3.3 探測與斷開344.3.4 提交和控制urb364.3.5 驅動模塊的編譯、配置和使用384.4 超聲波發(fā)射和接收部分的軟件385 總結與展望415.1 系統(tǒng)的工程實踐415.2 系統(tǒng)的創(chuàng)新點415.3 課題展望42參考文獻43致謝45III1 緒論隨著電子技術和嵌入式技術、汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，汽車工業(yè)自動化、信息化水平的不斷提高。人們越來越重視對“可視化倒車雷達”的研究。如何更方便有效地利用倒車雷達系統(tǒng)幫助人們倒車及泊車，如何減少倒車事故的發(fā)生概率是目前倒車雷達系統(tǒng)研究的重點。本章簡要說明了課題的研究背景和現(xiàn)實意義，并綜述了倒車雷達系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，在此基礎上提出了本文的研究內容。1.1課題研究的背景電子信息技術作為當今世界發(fā)展最快的高新技術，它正推動著全球經(jīng)濟向計算機化、智能信息化方向發(fā)展，在這個背景下我國的倒車雷達系統(tǒng)便開始從傳統(tǒng)的方式向更加智能化方向轉變。目前，國內倒車雷達主流市場已經(jīng)開始有進口高檔汽車向中低檔汽車發(fā)展。技術上向著單芯片功能成靈敏度更高、可視化發(fā)展，設備趨于小型化、人性化、智能化等方向發(fā)展電子信息技術目前被廣泛的應用在各個領域，車載系統(tǒng)的信息化已成為現(xiàn)代汽車業(yè)的重要標志。基于嵌入式系統(tǒng)的可視倒車雷達系統(tǒng)涉及眾多技術領域，是集成數(shù)據(jù)采集、視頻顯示、語音播報等技術為一體的現(xiàn)代高科技產(chǎn)業(yè)，前景十分廣闊?，F(xiàn)在，生產(chǎn)的中高檔小轎車大多數(shù)都配置有倒車雷達，而出于節(jié)省成本等方面的考慮，經(jīng)濟型小轎車、大客車等其他車輛都沒有配置倒車雷達。國內外雖有部分車輛安裝了超聲波倒車防撞報警裝置、基于DSP的智能車輛防撞系統(tǒng)、圖像處理技術的汽車追尾預警系統(tǒng)等，但是用于像裝載機這種廣泛用于城建、礦山、公路等工程的工程機械障礙物監(jiān)測預警系統(tǒng)卻沒有出現(xiàn)。有市場需求的產(chǎn)品，必然會帶動產(chǎn)品的開發(fā)設計。隨著全球汽車產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，尤其是近兩、三年我國開始進入私家車時代，汽車電子產(chǎn)業(yè)成了新的增長點，汽車電子產(chǎn)品的高利潤和市場廣闊性倍受商家關注，音響和防盜器就是明證。近兩年來，倒車雷達成了商家的電子新寵，眾多生產(chǎn)防盜器的廠家紛紛涉足倒車雷達。隨著信息化、智能化、網(wǎng)絡化的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)技術獲得廣闊的發(fā)展空間，工業(yè)控制領域也進行著一場巨大的變革，以32位高端處理器為平臺的實時嵌入式軟硬件技術將應用在工業(yè)控制的各個角落。嵌入控制器因其體積小、可靠性高、功能強、靈活方便等許多優(yōu)點，其應用已深入到工業(yè)、農業(yè)、教育、國防、科研以及日常生活等各個領域，對各行各業(yè)的技術改造、產(chǎn)品更新?lián)Q代、加速自動化進程、提高生產(chǎn)率等方面起到了極其重要的推動作用。1.2課題研究的價值和意義隨著汽車的迅速增加，停車難已經(jīng)是不爭的事實，狹小的停車場地常常令有車一族無所適從，稍不慎，則闖禍，煩事又煩人。雖然每輛車都有后視鏡，但不可避免的都存在一個后視盲區(qū)。 汽車倒車防撞預警系統(tǒng)即俗稱的倒車雷達，是汽車泊車時的輔助裝置。在汽車倒車時，倒車雷達采用超聲波測距原理探測汽車尾部離障礙物的距離，當汽車尾部離障礙物的距離達到探測范圍時，倒車雷達通過數(shù)碼管實時動態(tài)顯示距離。當汽車尾部離障礙物的距離達到設定的安全警告值時，倒車雷達發(fā)出報警聲，以警示駕駛員，輔助駕駛員安全倒車。該系統(tǒng)能夠在汽車以較低的速度進行倒車的過程中，識別出車后部的障礙物，并能夠測量車與障礙物之間的距離，在車輛與障礙物發(fā)生碰撞前，發(fā)出聲光報警。在車輛上安裝一個對障礙物進行監(jiān)測預警的系統(tǒng)，就能用聲音和數(shù)碼管實時動態(tài)顯示的距離告知駕駛員周圍障礙物的情況，解除駕駛員泊車和啟動車輛時前后、左右探視所引起的困擾。同時幫助駕駛員掃除視野的死角和視線模糊的缺陷，駕駛員只需坐在駕駛室就能觀察到車前車后的詳細情況，做到心中有數(shù)，極大的提高了泊車和倒車時的安全和效率。也能讓駕駛員在危險時刻到來前及時采取有效措施，減少事故發(fā)生，保障人身和財產(chǎn)安全。本課題在科學研究和實際生產(chǎn)方面都有深遠意義：(1)利用換能器發(fā)送超聲波，可以很好的解決現(xiàn)有的倒車雷達系統(tǒng)其他的產(chǎn)生超聲波的方式而造成超聲波回收信號較弱的缺點?？梢詼蚀_的判斷障礙物和汽車的距離，避免因回收信號太弱，捕獲不到信號而造成的誤差。(2)采用嵌入式系統(tǒng)設計、實現(xiàn)倒車雷達系統(tǒng)，很好的解決了普通單片機控制的倒車雷達存儲空間小，計算速度慢的缺點。拓展了嵌入式系統(tǒng)的使用空間，車載系統(tǒng)中嵌入式系統(tǒng)的應用將成為一個更為廣泛、更有價值的領域。(3)適用于超聲波發(fā)射接收的信息監(jiān)控系統(tǒng)，應用靈活方便?；谇度胧较到y(tǒng)的技術研發(fā)，是車載控制系統(tǒng)發(fā)展的重要趨勢，也是建立現(xiàn)代化汽車工業(yè)控制一體化信息系統(tǒng)的基礎。1.3 倒車雷達的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢1.3.1 倒車雷達的發(fā)展現(xiàn)狀經(jīng)過多年的發(fā)展，倒車雷達設計以及使用發(fā)生了質的變化。經(jīng)過這幾年的發(fā)展，倒車雷達系統(tǒng)已經(jīng)經(jīng)過了六代技術改良，不管從結構外觀上，還是從性能價格上，這六代產(chǎn)品都各有特點，使用較多的是數(shù)碼顯示、熒屏顯示和魔幻鏡倒車雷達這三種。 第一代：倒車時通過喇叭提醒 ?！暗管囌堊⒁狻保∠氡夭簧偃诉€記得這種聲音，這就是倒車雷達的第一代產(chǎn)品，現(xiàn)在只有少部分商用車還在使用。只要司機掛上倒檔，它就會響起，提醒周圍的人注意，從某種意義上來說，它對駕駛員并沒有直接的幫助，不能算真正的倒車雷達，基本屬于淘汰產(chǎn)品。 第二代：采用蜂鳴器不同聲音提示駕駛員。這是倒車雷達系統(tǒng)的真正開始。倒車時，如果車后1.8m1.5m處有障礙物，蜂鳴器就會開始工作。蜂鳴聲越急，表示車輛離障礙物越近。但沒有語音提示，也沒有距離顯示，雖然司機知道有障礙物，但不能確定障礙物離車有多遠，對駕駛員幫助不大。 第三代：數(shù)碼波段顯示具體距離或者距離范圍。這代產(chǎn)品比第二代進步很多，可以顯示車后障礙物離車體的距離。如果是物體，在1.8m開始顯示；如果是人，在0.9m左右的距離開始顯示。這一代產(chǎn)品有兩種顯示方式，數(shù)碼顯示產(chǎn)品顯示距離數(shù)字，而波段顯示產(chǎn)品由3種顏色來區(qū)別：綠色代表安全距離，表示障礙物距離有0.8m以上；黃色代表警告距離，表示障礙物距離只有0.6m0.8m；紅色代表危險距離，表示障礙物距離只有不到0.6m，必須停止倒車。 第三代產(chǎn)品把數(shù)碼和波段組合在一起，比較實用，但安裝在車內影響美觀。 第四代：液晶屏動態(tài)顯示。這一代有一個質的飛躍，特別是熒屏顯示開始出現(xiàn)動態(tài)顯示系統(tǒng)。不用掛倒檔，只要發(fā)動汽車，顯示器上就會出現(xiàn)汽車圖案以及車輛周圍障礙物的距離，色彩清晰漂亮，外表美觀，可以直接粘貼在儀表盤上，安裝很方便。不過LCD顯示外觀雖精巧，靈敏度較高，但抗干擾能力不強，所以誤報也較多。 第五代：魔幻鏡倒車雷達。結合了前幾代產(chǎn)品的優(yōu)點，采用了最新仿生超聲雷達技術，配以高速電腦控制，可全天候準確地測知2m以內的障礙物，并以不同等級的聲音提示和直觀的顯示提醒駕駛員。魔幻鏡倒車雷達可以把后視鏡、倒車雷達、免提電話、溫度顯示和車內空氣污染顯示等多項功能整合在一起，并設計了語音功能，是目前市面上最先進的倒車雷達系統(tǒng)。因為其外形就是一塊倒車鏡，所以可以不占用車內空間，直接安裝在車內后視鏡的位置。而且顏色款式多樣，可以按照個人需求和車內裝飾選配。 第六代：專為高檔轎車配置的。第六代產(chǎn)品在第五代的基礎上新增了很多功能：外觀上看，比第五代產(chǎn)品更為精致典雅；從功能上看，它除了具備第五代產(chǎn)品的所有功能之外，還整合了高檔轎車具備的影音系統(tǒng)，可以在顯示器上觀看DVD影像。1.3.2 倒車雷達的發(fā)展趨勢(1)智能化。隨著計算機技術的不斷發(fā)展，倒車雷達在計算機上的應用將由簡單的數(shù)據(jù)采集、處理，逐步轉化為以信息處理、應用為主。除了不斷完善硬件控制設備外，還要對軟件系統(tǒng)的研制開發(fā)進行不斷的深入和完善。近年來嵌入式系統(tǒng)的快速發(fā)展，在汽車工業(yè)中得到逐步重視，其中ARM-Linux為架構平臺的嵌入式系統(tǒng)便在倒車雷達的研究中得到很大程度的應用。(2)可視化?；谝郧暗管嚴走_僅僅依靠語音報警的基礎，倒車雷達加上了可視的視頻顯示系統(tǒng)，使車主在倒車的同時可以清楚的觀察到汽車后面的實物，用眼睛進行清晰的判斷，避免倒車事故的發(fā)生。(3)集成化。倒車雷達系統(tǒng)的發(fā)展逐漸將各個功能集中在一起，實現(xiàn)了一套硬件設備可以完成多項功能。倒車雷達的集成化就是將倒車雷達的可視化、LCD顯示、超聲波測速、語音報警等功能集成在一起，組成了真正意義上的硬件系統(tǒng)。在今后的發(fā)展趨勢中我們依然可以將倒車雷達、車載導航、車載音頻等系統(tǒng)集成一起，組成一個意義更為廣泛的集成化系統(tǒng)。2 系統(tǒng)總體設計和關鍵技術2.1 系統(tǒng)的設計思想和目標基于嵌入式系統(tǒng)的可視化倒車雷達系統(tǒng)，以普通的倒車雷達系統(tǒng)為基礎，以嵌入式系統(tǒng)為平臺，集成了超聲波測距、語音報警等功能，很好地解決了普通倒車雷達測距不準，智能化差等缺點，因此得到了廣泛運用，其特點如下：(1)集成度高、體積小。由于高端微型處理器的應用，嵌入式系統(tǒng)的體積在不斷減小，這也使數(shù)據(jù)采集、信息控制系統(tǒng)的體積縮小，從而形成便攜式系統(tǒng)，方便系統(tǒng)攜帶和使用。(2)功能強大、容易擴展。嵌入式的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)擴展出輸入/輸出(I/0)接口容易，可綜合實現(xiàn)各種功能。(3)可靠性高。嵌入式系統(tǒng)芯片集成化程度高，與計算機系統(tǒng)的相關芯片相比較，具有防塵、防震等優(yōu)點；軟件被固化在FLASH/ROM中，穩(wěn)定性強，不易被破壞；硬件高度集成，系統(tǒng)的整體可靠性高。(4)開發(fā)成本低、周期短。嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的是數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)，成本低、周期短的優(yōu)點遠遠強于計算機系統(tǒng)。后PC時代的到來，嵌入式系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集與系統(tǒng)控制中具有日益重要的作用，現(xiàn)代數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)己經(jīng)從傳統(tǒng)的電路模式、微機模式進入了嵌入式的系統(tǒng)模式?；谝陨戏治?，本文提出了基于嵌入式系統(tǒng)倒車雷達系統(tǒng)的設計思想。課題的目的是設計一個基于超聲波測距，嵌入式ARM-Linux控制，用于倒車監(jiān)測，避免倒車事故的發(fā)生。可用于家庭轎車、商務用車、卡車、貨車等各種車輛；以及泊車、倒車等各種向后行走的倒車方式的監(jiān)測。2.2 系統(tǒng)的結構整個系統(tǒng)的構成如圖2-1所示，它由超聲波發(fā)生模塊、超聲波接收模塊、ARM-Linux控制系統(tǒng)、語音報警系統(tǒng)組成。 圖2-1系統(tǒng)結構圖 該系統(tǒng)由ARM920T芯片主控，通過串口輸出PWM脈沖驅動555震蕩器工作，從而使超聲波發(fā)生模塊工作并產(chǎn)生超聲波，同時ARM芯片的計時器計時開始。當發(fā)生的超聲波碰到障礙物后反射回來，此時超聲波接收模塊接收超聲波，將接收到的超聲波經(jīng)過信號三級放大后通過整流，變?yōu)锳RM可直接接收的直流信號，然后通過串口傳遞給ARM，此時計時結束，通過計時器的時間之差可以計算出障礙物和汽車之間的距離。然后由軟件系統(tǒng)進行判斷并對車主進行語音提示。 2.3 系統(tǒng)的關鍵技術分析2.3.1 超聲波測距技術超聲波一般指頻率在20KHz以上的機械波，具有穿透性強，衰減小，反射能力強等特點。工作時，超聲波發(fā)射器不斷發(fā)射出一系列連續(xù)脈沖，給測量邏輯電路提供一個短脈沖。最后由信號處理裝置對接收的信號依據(jù)時間差進行處理，自動計算出車與障礙物之間的距離。超聲波測距原理簡單，成本低，制作方便，但其傳輸速度受天氣影響較大，不能精確測距；另外，超聲波能量與距離的平方成正比衰減，因此，距離越遠，靈敏度越低，從而使超聲波測距方式只適用于較短距離。 一般超聲波發(fā)生器內部結構有兩個壓電晶片和一個共振板。當它的兩級外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，便產(chǎn)生超聲波。超聲波測距的基本原理其實很簡單，同聲納回聲定位法的原理是基本相同的，說得高級一些就是多普勒效應，說得簡單就是回聲效應。超聲波測距也時基于這種回音效應，發(fā)生器不斷發(fā)射出40KHz超聲波，其總寬度為發(fā)射超聲波與接收超聲波的時間間隔，被測物距越遠，脈沖寬度越大，輸出脈沖個數(shù)與被測距離成正比。超聲波測距的方法有多種，有相位檢測法、聲波幅值檢測法、渡越時間檢測法三種。相位檢測的精度高，但檢測范圍有限；聲波幅值檢測易受反射波的影響；渡越時間檢測工作方式簡單、直觀，在硬件控制和軟件設計容易實現(xiàn)。本文使用的是ARM920T芯片主控，它的設計采用的是超聲波往返時間檢測法，其測量原是由ARM芯片通過記錄超聲波發(fā)生器從發(fā)射超聲波到接收到反射回波的這段時間差T，然后利用公式計算出超聲波發(fā)射探頭與障礙物間的距離(其中C是超聲波的聲速，在標準狀態(tài)下C=340 m/s)。超聲波還具備指向性強的特點，超聲波入射障礙物面的角度，影響到超聲波電子倒車雷達是否靈敏。理想狀況下超聲波應當垂直于入射面，這樣便可以最大限度地接收超聲波的反射回波，避免電子倒車雷達失靈我們在該設計中選用超聲波換能器(見圖2-3)產(chǎn)生超聲波，這樣便可最大程度的產(chǎn)生垂直于入射面的超聲波，并使反射回波具備最大的信號強度，避免能量損失，測出準確的距離。我們在該倒車雷達中選用的超聲波傳感器的直徑約為14毫米，工作頻率為40KHz，驅動電壓最高為140Vp-P，根據(jù)IS017386標準，其主要的性能指標有：(1)額定電壓：直流12V，工作電流-500mA MAX工作溫度：30至80。(2)測量范圍：最小測量距離10厘米，最大測量距離1000厘米。(3)測量原理：采用飛行時間測量原理。超聲波探頭將創(chuàng)建超聲波區(qū)域，在接收到探測區(qū)域內障礙物的反射波后，測出車輛與障礙物間的距離。(4)系統(tǒng)具備上電后故障自測性能。系統(tǒng)自測時間不超過100毫秒，為保證實時性，探測的時間一般不超過600毫秒。(5)系統(tǒng)具備傳感器自測功能。圖2-2模式，對刷圍的障礙物進行測量。同時有手動開啟，F(xiàn)關，駕駛員便可從系統(tǒng)得知汽車距離障礙物的距離。圖2-2超聲波測距原理圖2-3常見的倒車雷達換能器本系統(tǒng)所采用換能器頻率為40HZ，最大作用距離為10m，它產(chǎn)生超聲波，既有效克服了超聲波的能量損失，同時又能明確的觸發(fā)給主控芯片一個計時脈沖，完成整個系統(tǒng)的測距功能。同時軟件部分還可以觸發(fā)語音報警，形成一整套行之有效的測量系統(tǒng)。2.3.2 嵌入式系統(tǒng)(1)嵌入式系統(tǒng)的定義：根據(jù)IEEE(國際電氣和電子工程師協(xié)會)的表述嵌入式系統(tǒng)是“用于控制、監(jiān)視或者輔助操作機器和設備的裝置”(原文為devices used to control，monitor。or assist the operation of equipment machinery of plants)。(2) 嵌入式系統(tǒng)的三個特點：嵌入性：嵌入到對象體系中，有對象環(huán)境要求專用性：軟、硬件按對象要求裁減計算機：實現(xiàn)對象的智能化功能(3)嵌入式系統(tǒng)的分類按表現(xiàn)形式(硬件范疇)可把嵌入式系統(tǒng)分為：芯片級嵌入式系統(tǒng)(含程序或算法的處理器)，模塊級嵌入式系統(tǒng)(系統(tǒng)中的某個核心模塊)及系統(tǒng)級嵌入式系統(tǒng)。按實時性(軟件范疇)要求可把嵌入式系統(tǒng)分為非實時系統(tǒng)(PDA)、軟實時系統(tǒng)(消費類產(chǎn)品)、硬實時系統(tǒng)(工業(yè)和軍工系統(tǒng))等三大類。(4)嵌入式系統(tǒng)處理器的分類和現(xiàn)狀嵌入式系統(tǒng)處理器可以分為：微控制器(MCU)、數(shù)字信號處理器(DSP)、片上系統(tǒng)(SOC)、可編程片上系統(tǒng)(SPOC)四大類。(5)嵌入式系統(tǒng)的軟硬件框架如圖2-4所示，為嵌入式系統(tǒng)軟硬件框架圖。圖2-4 嵌入式系統(tǒng)框架圖嵌入式系統(tǒng)由嵌入式硬件與嵌入式軟件組成。嵌入式硬件以芯片、模板、組件、控制器形式埋藏于設備內部。嵌入式軟件是實時多任務操作系統(tǒng)和各種專用軟件，一般固化在ROM或閃存中。嵌入式系統(tǒng)軟硬兼施，融為一體，成為產(chǎn)品，但在開發(fā)過程中需要一些開發(fā)工具進行輔助開發(fā)。 (6)嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)流程嵌入式軟件的開發(fā)流程與通用軟件的開發(fā)流程大同小異，但開發(fā)所使用的設計方法具有嵌入式開發(fā)的特點。整個開發(fā)流程可分為：需求分析階段嵌入式系統(tǒng)應用需求中最為突出的是注重應用的時效性，需求分析階段的主要任務是，第一對問題的識別和分析，也就是對用戶提出的問題進行抽象識別用以產(chǎn)生以下的需求：功能需求、性能需求、環(huán)境需求、可靠性需求、安全需求、用戶界面需求、資源使用需求、軟件成本與開發(fā)進度需求。第二制訂規(guī)格說明文檔經(jīng)過對問題的識別，產(chǎn)生了系統(tǒng)各方面的需求。通過對規(guī)格的說明，文檔得以清晰、準確地描述。這些說明文檔包括需求規(guī)格說明書和初級的用戶手冊等。 第三需求評審作為系統(tǒng)進入下一階段前最后的需求分析復查手段，在需求分析的最后階段對各項需求進行評估，以保證軟件需求的質量。需求評審的內容包括正確性、無歧義性、安全性、可驗證性、一致性、可理解性、可修改性、可追蹤性等多個方面。設計階段 系統(tǒng)的設計階段包括系統(tǒng)設計、任務設計和任務的詳細設計。由于嵌入式系統(tǒng)中任務的并發(fā)性，嵌入式軟件開發(fā)中引入了DARTS(Design Approach for Real-Time System)。 DARTS設計方法：是結構化分析/結構化設計的擴展。它給出劃分任務的方法，并提供定義任務間接口的機制。DARTS設計方法的設計步驟如下：數(shù)據(jù)流分析 劃分任務 定義任務間的接口 生成代碼階段生成代碼階段需要完成的工作包括代碼編程、交叉編譯和鏈接、交叉調試和測試等。 第一代碼編程，在嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)過程中，一般采用的方法是先在通用PC上編程，然后通過交叉編譯鏈接，將程序做成目標平臺上可以運行的二進制代碼格式。最后將程序下載到目標平臺上的特定位置，在目標板上啟動運行這段二進制代碼。 第二交叉編譯和鏈接，嵌入式軟件開發(fā)編碼完成后，要進行編譯和鏈接以生成可執(zhí)行代碼。但是，在開發(fā)過程中設計人員普遍使用Intel的x86系列CPU的計算機進行開發(fā)，而目標環(huán)境的處理芯片卻是多種多樣的，如ARM，DSP，PowerPC，DragonBall系列等，這就要求開發(fā)機上的編譯器能支持交叉編譯。 嵌入式集成開發(fā)環(huán)境都支持交叉編譯、鏈接，如WindRiver公司的Tornado以及GNU套件等。交叉編譯鏈接生成兩種類型的可執(zhí)行文件：調試用的可執(zhí)行文件和固化的可執(zhí)行文件。 第三交叉調試，又叫遠程調試，具有以下特點： 調試器和被調試的程序運行在不同的機器上。調試器運行在PC或工作站上，而被調試程序運行在各式的專用目標機上； 調試器通過某種通信方式與目標機建立聯(lián)系，如串口、并口、網(wǎng)絡、JTAG或者專用的通信方式；在目標機上一般具有某種調試代理，這種代理能與調試器一起配合完成對目標機上運行程序的調試。這種代理可以是某種能支持調試的硬件，也可以是某種軟件；目標機可以是一種仿真機。通過在宿主機上運行目標機的仿真軟件，仿真一臺目標機，使整個調試工作只在一臺計算機上進行。第四測試，嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的測試與通用軟件的測試相似，分為單元測試和系統(tǒng)集成測試。固化階段嵌入式系統(tǒng)的應用軟件是針對特定的實際專業(yè)領域的，基于相應的嵌入式硬件平臺，并能完成用戶預期任務的計算機軟件。嵌入式軟件的特點如下：軟件要求固態(tài)化存儲。軟件代碼要求高質量、高可靠性。系統(tǒng)軟件的高實時性是基本要求。多任務實時操作系統(tǒng)成為嵌入式應用軟件的必需。(7)嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)要點在嵌入式系統(tǒng)的設計過程中還要重點注意以下幾點基本要求。硬件/軟件協(xié)同設計：基于體系結構，對系統(tǒng)的軟件、硬件進行詳細設計。為了縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，設計往往是并行的。系統(tǒng)集成：把系統(tǒng)的軟件、硬件和執(zhí)行裝置集成在一起，進行調試，發(fā)現(xiàn)并改進單元設計過程中的錯誤。系統(tǒng)測試：對設計好的系統(tǒng)進行測試，看其是否滿足規(guī)格說明書中給定的功能要求。在本設計中使用的是ARM9系列的ARM920T。2.3.3 Linux操作系統(tǒng)Linux與Unix的操作系統(tǒng)類似，它起源于芬蘭一個名為Linus Torvalds的業(yè)余愛好者，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展成為最流行的一款開放源代碼的操作系統(tǒng)。Linux原本被設計為桌面系統(tǒng)，現(xiàn)在廣泛應用于服務器領域。而更大的影響在于它正逐漸應用于嵌入式設備。Linux可以說是最早的嵌入式Linux發(fā)行版本。它是為沒有舢的處理器而設計的，進而發(fā)展了一個完整的開發(fā)平臺，包括編譯、調試等工具。自1991年問世到現(xiàn)在，Linux在短短10幾年的時間內已發(fā)展成為一個設計完善、功能強大的操作系統(tǒng)，伴隨網(wǎng)絡技術進步而發(fā)展的Linux OS已成為可與Microsoft公司W(wǎng)indows 95/98競爭的強勁對手。Linux系統(tǒng)不僅能夠運行于PC平臺，還可在嵌入式系統(tǒng)方面發(fā)揮重要作用；在各種嵌入式Linux OS迅速發(fā)展的狀況下，Linux OS逐漸形成了可與Windows CE等EOS進行抗衡的局面。正在投入使用開發(fā)的嵌入式系統(tǒng)中，50%以上的項目選擇Linux作為嵌入式操作系統(tǒng)。Linux現(xiàn)己成為嵌入式操作的理想選擇。(1)Linux具有如下特性：Linux操作系統(tǒng)使用完全免費：Linux是一款免費的操作系統(tǒng)，用戶可以通過網(wǎng)絡或其他途徑免費獲得，并可以任意修改其源代碼。這是其他的操作系統(tǒng)所做不到的。正是由于這一點，來自全世界的無數(shù)程序員參與了Linux的修改、編寫工作，程序員可以根據(jù)自己的興趣和靈感對其進行改變，這讓Linux吸收了無數(shù)程序員的精華，不斷壯大。 Linux內核的高度可裁剪性：通常內核小于512KBytes，文件系統(tǒng)可從幾十KBytes到幾Mbytes不等，視應用程序大小而定。具有大量的開源的1inux應用程序和驅動程序，并可以方便地移植到各種平臺，包括ARM平臺。Linux包含一整套的編譯、調試等開發(fā)工具、內核源代碼、各種文件系統(tǒng)、圖形接口、各種協(xié)議、驅動程序以及豐富的應用程序。在開發(fā)上，Linux采用統(tǒng)一的API調用，接口文檔齊全，書籍、網(wǎng)上資源也比較多。開放的原代碼、模塊化設計結構：Linux采用GPL授權，除了把公開原代碼以外，任何人都可自由修改、使用、散布，而Linux內核本身采用模塊化設計結構，讓人輕松增減功能。例如當我的平臺不需要藍牙功能時，我只要不把這項功能加入，有需要就加入，不需要就刪除，由于具備這種高彈性，我們可以調校出最適合我們硬件平臺的內核。(2)Linux的內核組成初始化程序段(init段)約32KBytes。數(shù)據(jù)段(data)50l00KBytes左右。未初始化數(shù)據(jù)段(bss)100150KBytes左右。代碼段(text)300KBytes左右3 系統(tǒng)硬件電路的設計與實現(xiàn)3.1 系統(tǒng)硬件總體設計基于嵌入式的可視倒車雷達系統(tǒng)由超聲波發(fā)生模塊/超聲波接收模塊、語音報警模塊幾大硬件模塊組成。系統(tǒng)以ARM處理芯片為核心、存儲器等作為嵌入式系統(tǒng)的外圍設備，在硬件的實現(xiàn)過程中，我們用到了串口通信。整個終端結構圖如圖3-1所示。圖3-1 終端結構框圖3.2 終端硬件具體實現(xiàn)系統(tǒng)根據(jù)功能需要，邏輯上劃分為四個部分：核心板、超聲波發(fā)生板、超聲波接收電路板、語音信號板。3.2.1 硬件電路核心板是一個ARM系統(tǒng)正常運行所需的核心電路及其外圍線路，它主要包括主控制器、復位電路、時鐘電路、電源電路、SDRAM、Flash等。1、 主控制器主控處理器的選用要綜合考慮很多因素，我們在該倒車雷達系統(tǒng)中選擇Atmel公司生產(chǎn)的ARM920T芯片作為主控制器，選用的處理平臺是三星公司生產(chǎn)的s3c2410。其主要的特性如下圖3-2所示：圖3-2 s3c2410主控芯片的內部結構圖ARM920T核、工作頻率203MHz；16KB數(shù)據(jù)Cache，16KB指令Cache，MMU，外部存儲器控制器；LCD控制器(支持黑白、灰度、Color STN、TFT屏)，觸摸屏接口；NAND FLASH控制器，SD/MMC接口支持，4個DMA通道；3通道UART、1個多主I2C總線控制器、1個IIS總線控制器；4通道PWM定時器及一個內部定時器；117個通用I/0口； 24個外部中斷源；8通道10位ADC：實時時鐘及看門狗定時器等。內核：1.8V I/O及存儲器：3.3V兩個USB主/一個USB從電源管理模式： Normal、Slow、Idle、Power off272-FBGA2、 存儲系統(tǒng)存儲系統(tǒng)有兩部分組成，第一部分存儲的是整個系統(tǒng)的運行程序，第二部分存儲的是系統(tǒng)運行過程中的采集及處理的數(shù)據(jù)。存儲系統(tǒng)的性能直接決定了系統(tǒng)的運行性能及成本，采用合適的存儲器進行硬件設計既可減少系統(tǒng)成本又可提高系統(tǒng)的整體性能。在基于嵌入式的可視倒車雷達系統(tǒng)設計中我們所主要使用的程序(ram)存儲器及數(shù)據(jù)存儲器(flash)，對這兩個存儲器下面將做詳盡的敘述：圖3-3存儲空間分配圖為了更快捷地讀寫FLASH，還考慮到嵌入式系統(tǒng)的成本因素，我們在本設計中選取SDRAM做為程序存儲器。SDRAM存儲器，有兩片16位數(shù)據(jù)寬度的SDRAM存儲器組成，其存儲空間為64MB，存儲地址從Ox300000000到Ox33ffffff。SDRAJVI主要作為程序的運作空間，并在程序的運作過程中兼具讀/寫的屬性。CPU運行過程中讀取SDRAM數(shù)據(jù)的步驟是：先從復位地址OO處讀取啟動代碼，然后進行系統(tǒng)初始化，最后將程序調入SDRAM中運行。SDRAM具備容量大、價格便宜的優(yōu)點。我們可把SDRAM通俗的理解為一個總是傾向于放電狀態(tài)的電容，為了避免丟失數(shù)據(jù)，在運行過程中必須對該電容進行定時刷新。所以我們可以在該系統(tǒng)中加入專為刷新準備的控制邏輯電路。目前常用的SDRAM一般工作電壓為3.3V，具有8位/16位寬度的數(shù)據(jù)。主要的生產(chǎn)廠商有HYUNDAI、Winbond等。他們一般按照相同的國際或國家標準生產(chǎn)同型號器件，具有相同的封裝形式和電氣特性，在現(xiàn)實的應用過程中可通用。本系統(tǒng)中選用的芯片是Winbond的57V561620。57V561620常見封裝形式為54腳TSOP，存儲容量為4組4M字節(jié)，工作電壓為3.3V，可兼容LVTTL接口，支持自刷新(SelfRefresh)和自動刷新(AutoRefresh)兩種刷新形式，數(shù)據(jù)寬度為16位。SDRAM電路圖如圖(圖3-4)所示。圖3-4SDRAM電路圖FLASH存儲器作為一種快速、穩(wěn)定、安全的存儲體，具有體積小、容量大、成本低等一系列優(yōu)點，此外它還具備數(shù)據(jù)掉電保持功能。在嵌入式系統(tǒng)設計中我們要求存儲的數(shù)據(jù)在掉電時不丟失，所以FLASH已成功取代其它半導體存儲元件，成為嵌入式系統(tǒng)數(shù)據(jù)和程序存儲的主要載體。本設計選用的是INTEL公司生產(chǎn)的TE28F128J3A，用其存儲bootloader(引導內核啟動文件)、kernel(Linux內核文件)、ramdisk(虛擬磁盤文件)，便于我們進行操作。其特點為：TE28F128J3A的存儲容量為16M字節(jié)，工作電壓為3.3V，需單向3.3V電壓即可完成在線系統(tǒng)的編程與擦除操作，該存儲器采用56腳TSOP封裝形式，16位數(shù)據(jù)寬度。該芯片通過對內部的命令寄存器操作，寫入標準的命令序列。并可對Flash進行編程(燒寫)、整片擦除、按扇區(qū)擦除以及其他操作TE28F128J3A各引腳的功能如下表所示：表3-1TE28F128J3A各引腳的功能表信號類型描述A23-A0I地址輸入總線DQ15-DQ0IO數(shù)據(jù)輸入輸出引腳CE0,CE1,CE2I激活芯片的控制邏輯/OEI輸出使能/WEI寫使能/RPI復位/下電控制/BYTEI字節(jié)使能，低電平，X8模式；高電平，X16模式STSO指示內部狀態(tài)機的狀態(tài)VEPNI擦除/編程/加鎖使能VCC/GNDP內部電源地/輸入緩存區(qū)電源地VCCQ/GNDP輸出緩存區(qū)電源地其接口電路圖如圖3-5所示。圖3-5 接口電路圖在SDRAM中運行的程序，也可以運行在FLASH中。程序可以很大也可以很小，如果將程序保存到FLASH中，掉電后便不會丟失。因此既可通過JTAG口調試程序，也可將程序燒寫到FLASH中后運行FLASH中的程序。在此基礎上加入必要的接口電路及其他電路，就構成了具體的嵌入式應用系統(tǒng)。3.2.2 核心板的電源電路圖如圖3-6所示，核心板的電源電路圖。圖3-6 核心板的電源電路圖3.2.3 時鐘電路及復位電路設計時鐘電路為CPU及其它外圍電路提供工作時鐘。在本設計系統(tǒng)中，時鐘電路分為主時鐘電路和RTC時鐘電路，系統(tǒng)在工作過程中使用是無源晶振，晶振的接法如下圖3-7所示圖3-7 主時鐘電路、RTC時鐘電路、主時鐘及USB時鐘濾波根據(jù)系統(tǒng)最高工作頻率以及PLL電路的工作方式，本系統(tǒng)在設計時選用12MHz無源晶振。12MHz的晶振頻率經(jīng)過系統(tǒng)片內PLL電路倍頻后，可達到202.8MHz，這個震蕩頻率也就是該系統(tǒng)的ARM的工作頻率。頻率放大和信號提純這兩個功能是片內的PLL電路所兼有的，系統(tǒng)可以以較低的外部時鐘信號獲得較高工作頻率，以降低因高速開關時鐘而引起的高頻噪聲。復位電路由RC電路及施密特觸發(fā)器組成，如下圖3-8所示：圖3-8 復位電路3.2.4 超聲波發(fā)生電路1、超聲波的概念超聲波是一種振動頻率高于聲波的機械波，換能晶片在電壓的激勵下，發(fā)生振動而產(chǎn)生的。超聲波具備頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小等優(yōu)點。以超聲波作為檢測手段，必須具備產(chǎn)生超聲波和接收超聲波的設備裝置。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習慣上稱其為超聲波換能器，或叫超聲波探頭j有換能器產(chǎn)生的超聲波具備方向性好、能為射線而定向傳播等特點。聲波傳感器是利用超聲波的特性而研制的傳感器。2、超聲波換能器的組成超聲波換能器主要是由壓電晶體片(陶瓷片)組成，既可以發(fā)射超聲波，也可以接收超聲波。小功率超聲波探頭多作探測作用。它有許多不同的結構，可分直探頭(縱波)、斜探頭(橫波)、表面波探頭(表面波)、蘭姆波探頭(蘭姆波)、雙探頭(一個探頭反射、一個探頭接收)等，本系統(tǒng)選用直探頭式超聲波。超聲波探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。構成晶片的材料可以有許多種。晶片的大小，如直徑和厚度也各不相同，因此每個探頭的性能是不同的，我們使用前必須預先了解它的性能。3、超聲波的發(fā)射原理超聲波發(fā)送裝置有超聲波產(chǎn)生電路和超聲波發(fā)射控制電路兩部分組成，超聲波探頭在現(xiàn)有的市場中有兩種備選產(chǎn)品：壓電陶瓷產(chǎn)品和換能器，本系統(tǒng)選用換能器形式，其型號選用CSB40T，可以選用軟件發(fā)生法和硬件發(fā)生法兩種產(chǎn)生超聲波的方法。第一種方法是先利用軟件驅動的形式產(chǎn)生PWM脈沖信號，脈沖信號通過輸出引腳輸入至驅動器，脈沖信號經(jīng)驅動器驅動后推動超聲波探頭產(chǎn)生40KHz的超聲波。這種方法的特點是充分的利用軟件產(chǎn)生可調節(jié)的PWM脈沖，具有極強的靈活性。在使用該方法時，我們需要設計一個驅動電流在100mA以上的驅動電路。第二種產(chǎn)生超聲波的方法是利用超聲波專用或通用發(fā)生電路產(chǎn)生超聲波信號，并用它直接驅動換能器產(chǎn)生超聲波。這種方法的優(yōu)點是無須驅動電路，但在產(chǎn)生超聲波的過程中缺乏靈活性?；谇度胧降牡管嚴走_設計采用第一種方法產(chǎn)生超聲波，利用LM555H時基電路振蕩產(chǎn)生40kHz的超聲波，電路原理及連接設計如圖3-9所示。振蕩頻率的計算公式：。電路中將R10設計為可調電阻的目的是為了調節(jié)信號頻率，使之與換能器40KHz的固有頻率保持一致。系統(tǒng)采用+12V電源供電保證555振蕩器具有足夠的驅動能力。CNT為超聲波發(fā)射控制輸入信號，由嵌入式主控芯片進行控制。4、超聲波發(fā)射電路的硬件介紹(1)該模塊中用到的LM555H震蕩器是美國國家半導體公司生產(chǎn)的時基電路。在我國和世界各大集成電路的生產(chǎn)商中均有同類產(chǎn)品供選用，是使用極為廣泛的一種通用型集成電路。LM555H振蕩器系列可用來產(chǎn)生時間延遲和多種脈沖信號，具有功能強大、使用靈活、適用范圍寬等特點，被廣泛應用于各類電子產(chǎn)品中。圖3-9超聲波產(chǎn)生電路555時基震蕩電路有CMOS型和雙極型兩種。LM555H系列屬于雙極型的，優(yōu)點是輸出功率大，驅動電流可達200mA。CMOS型振蕩電路的優(yōu)點是功耗低、輸入阻抗高、輸出功率小、電源供電電壓低、輸出驅動電流小等優(yōu)點。LM555H特性有如下幾個方面：占空比可調節(jié)；輸出端可接收和提供200mA電流；定時時間從微秒級到小時級；可工作于單穩(wěn)態(tài)和無穩(wěn)態(tài)兩種方式；TTL電平與輸出電壓兼容；溫度穩(wěn)定性好于0.005%/。我們完全可以在：精確定時、頻率變換、連續(xù)定時脈沖寬度調制、脈沖發(fā)生、脈沖相位調制時使用LM555H型的振蕩器。封裝形式為TO-5金屬封裝DIP8雙列直插封裝各個引腳編號及符號和功能說明：1 GND地線； 2 TR觸發(fā)； 3 OUT輸出；4 RES復位； 5 CV控制電壓； 6 TH閥值； 7 DIS放電：8 VCC電源(2)超聲波發(fā)生電路中選用的超聲波發(fā)生器為CSB40T換能器，該換能器有如下特點：換能器的靈敏度：換能器在發(fā)射/接收超聲波的過程中，實現(xiàn)了電一聲和聲一電轉換效能。換能器的靈敏度越高，它的探測深度越大。另外晶片的機電性能和換能器聲、電匹配層的匹配狀況決定了超聲波換能器的靈敏度。發(fā)射功率：提高換能器的輻射功率、超聲波的發(fā)射功率可提高其探測深度。通過增大電路發(fā)射電壓的方式提高超聲聲功率。我們在設計驅動電路的時，要將驅動功率設置在安全劑量閾值內，表示安全劑量閾值的技術指標通常是聲強，一般情況下聲強應不大于10mW/c。接收放大器增益：接收放大器增益的高低決定了探測的深度的深淺。當我們提高了放大器的增益時，也放大了系統(tǒng)噪聲信號，從而淹沒了噪聲中的有用信號，所以我們所調節(jié)的放大器增益必須適中。工作頻率：振蕩器的工作頻率和超聲波的衰減系數(shù)成直線性關系。工作頻率越低，波長越長，其震蕩幅值衰減越小，探測深度越大，但此時的分辨力會逐漸變差。相反，振蕩器的震蕩頻率越高，超聲波的探測深度越小，但此時的分辨力變高。因此在該系統(tǒng)中采取動態(tài)頻率掃描和動態(tài)跟蹤濾波技術，提高整機的工作性能，兼顧高分辨力和深探測度兩個方面。3.2.5 超聲波接收電路1、超聲波接收電路原理超聲波接收器由超聲波接收、信號放大、波形變換三部分電路組成。超聲波接收探頭必須具備同超聲波發(fā)射探頭一直的型號，相同的震蕩頻率是它們型號一直的關鍵。本系統(tǒng)設計使用的超聲波接收探頭型號CSB