倒车雷达系统的设计毕业设计

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1、毕业设计论文倒车雷达系统的设计摘要倒车雷达是汽车泊车或者倒车时的安全辅助装置。该系统能够在汽车低速倒车的过程中，识别出车体后部的障碍物，并能够测量汽车与障碍物之间的距离。在车辆与障碍物发生碰撞之前，发出语音警报，提醒司机刹车。针对汽车行业中倒车雷达现状，本文提出了一种以ARM9处理器ARM920T和Linux操作系统为软硬件平台的数据采集方案、超声波发射接收装置、语音报警模块等多模块设计，完成了对倒车系统复杂情况的判断、测距、语音报警等功能。从测试的准确行，可观性、稳定性上对可视倒车雷达系统的组成取得了新的突破。本系统采用超声波换能器产生超声波，当超声波碰到障碍物后因阻挡而被反射，系统通过CS

2、B40R接收，然后通过超声波的发射和接收之间的时间差而测出距离；通过语音报警系统通知司机具体的距离及危险程度。该系统的有效运用可使我们更好的避免交通事故，有效的利用高端科技为日常生活服务。关键词：嵌入式系统; 超声波;ARM9;Linux操作系统;语音报警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 t

3、o 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 infor

4、matization 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.

5、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 th

6、e 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

7、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

8、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;ultrasoni

9、c;ARM9;Linux OS;Audio Alert目录1 绪论11.1课题研究的背景11.2课题研究的价值和意义21.3 倒车雷达的发展现状和趋势31.3.1 倒车雷达的发展现状32 倒车雷达系统总体设计和关键技术52.1 倒车雷达系统的设计思想和目标52.2 倒车雷达系统的结构62.3 倒车雷达系统的关键技术62.3.1 超声波测距技术62.3.2 嵌入式系统82.3.3 Linux操作系统113 倒车雷达系统硬件电路的设计与实现133.1 倒车雷达系统硬件总体设计133.2 倒车雷达系统的硬件具体实现133.2.1 核心板133.2.2 核心板的电源电路图173.2.3 时钟电路及复位

10、电路设计183.2.4 超声波发生电路193.2.5 超声波接收电路213.2.6 语音报警系统电路243.3 硬件系统的PCB板的设计原则264 软件设计及调试284.1 嵌入式Linux系统软件开发要经过5个步骤284.1.1编译和移植Boot loader284.1.3 移植置裁剪Linux内核驱动程序的编写添加294.1.4 文件系统(Ramdisk)的安装304.1.5 用户空间(User)程序的开发304.2 系统软件总体设计思路314.3 Linux的USB驱动程序324.3.1 驱动程序支持的设备334.3.2 注册USB驱动程序334.3.3 探测与断开344.3.4 提交和

11、控制urb364.3.5 驱动模块的编译、配置和使用384.4 超声波发射和接收部分的软件385 总结与展望415.1 系统的工程实践415.2 系统的创新点415.3 课题展望42参考文献43致谢45V1 绪论随着电子技术和嵌入式技术、汽车工业的飞速发展，汽车工业自动化、信息化水平的不断提高。人们越来越重视对“可视化倒车雷达”的研究。如何更方便有效地利用倒车雷达系统帮助人们倒车及泊车，如何减少倒车事故的发生概率是目前倒车雷达系统研究的重点。本章简要说明了课题的研究背景和现实意义，并综述了倒车雷达系统的研究现状和发展趋势，在此基础上提出了本文的研究内容。1.1课题研究的背景电子信息技术作为当今

12、世界发展最快的高新技术，它正推动着全球经济向计算机化、智能信息化方向发展，在这个背景下我国的倒车雷达系统便开始从传统的方式向更加智能化方向转变。目前，国内倒车雷达主流市场已经开始有进口高档汽车向中低档汽车发展。技术上向着单芯片功能成灵敏度更高、可视化发展，设备趋于小型化、人性化、智能化等方向发展电子信息技术目前被广泛的应用在各个领域，车载系统的信息化已成为现代汽车业的重要标志。基于嵌入式系统的可视倒车雷达系统涉及众多技术领域，是集成数据采集、视频显示、语音播报等技术为一体的现代高科技产业，前景十分广阔。现在，生产的中高档小轿车大多数都配置有倒车雷达，而出于节省成本等方面的考虑，经济型小轿车、大

13、客车等其他车辆都没有配置倒车雷达。国内外虽有部分车辆安装了超声波倒车防撞报警装置、基于DSP的智能车辆防撞系统、图像处理技术的汽车追尾预警系统等，但是用于像装载机这种广泛用于城建、矿山、公路等工程的工程机械障碍物监测预警系统却没有出现。有市场需求的产品，必然会带动产品的开发设计。随着全球汽车产业的高速发展，尤其是近两、三年我国开始进入私家车时代，汽车电子产业成了新的增长点，汽车电子产品的高利润和市场广阔性倍受商家关注，音响和防盗器就是明证。近两年来，倒车雷达成了商家的电子新宠，众多生产防盗器的厂家纷纷涉足倒车雷达。随着信息化、智能化、网络化的发展，嵌入式系统技术获得广阔的发展空间，工业控制领域

14、也进行着一场巨大的变革，以32位高端处理器为平台的实时嵌入式软硬件技术将应用在工业控制的各个角落。嵌入控制器因其体积小、可靠性高、功能强、灵活方便等许多优点，其应用已深入到工业、农业、教育、国防、科研以及日常生活等各个领域，对各行各业的技术改造、产品更新换代、加速自动化进程、提高生产率等方面起到了极其重要的推动作用。1.2课题研究的价值和意义随着汽车的迅速增加，停车难已经是不争的事实，狭小的停车场地常常令有车一族无所适从，稍不慎，则闯祸，烦事又烦人。虽然每辆车都有后视镜，但不可避免的都存在一个后视盲区。 汽车倒车防撞预警系统即俗称的倒车雷达，是汽车泊车时的辅助装置。在汽车倒车时，倒车雷达采用超

15、声波测距原理探测汽车尾部离障碍物的距离，当汽车尾部离障碍物的距离达到探测范围时，倒车雷达通过数码管实时动态显示距离。当汽车尾部离障碍物的距离达到设定的安全警告值时，倒车雷达发出报警声，以警示驾驶员，辅助驾驶员安全倒车。该系统能够在汽车以较低的速度进行倒车的过程中，识别出车后部的障碍物，并能够测量车与障碍物之间的距离，在车辆与障碍物发生碰撞前，发出声光报警。在车辆上安装一个对障碍物进行监测预警的系统，就能用声音和数码管实时动态显示的距离告知驾驶员周围障碍物的情况，解除驾驶员泊车和启动车辆时前后、左右探视所引起的困扰。同时帮助驾驶员扫除视野的死角和视线模糊的缺陷，驾驶员只需坐在驾驶室就能观察到车前

16、车后的详细情况，做到心中有数，极大的提高了泊车和倒车时的安全和效率。也能让驾驶员在危险时刻到来前及时采取有效措施，减少事故发生，保障人身和财产安全。本课题在科学研究和实际生产方面都有深远意义：(1)利用换能器发送超声波，可以很好的解决现有的倒车雷达系统其他的产生超声波的方式而造成超声波回收信号较弱的缺点。可以准确的判断障碍物和汽车的距离，避免因回收信号太弱，捕获不到信号而造成的误差。(2)采用嵌入式系统设计、实现倒车雷达系统，很好的解决了普通单片机控制的倒车雷达存储空间小，计算速度慢的缺点。拓展了嵌入式系统的使用空间，车载系统中嵌入式系统的应用将成为一个更为广泛、更有价值的领域。(3)适用于超

17、声波发射接收的信息监控系统，应用灵活方便。基于嵌入式系统的技术研发，是车载控制系统发展的重要趋势，也是建立现代化汽车工业控制一体化信息系统的基础。1.3 倒车雷达的发展现状和趋势1.3.1 倒车雷达的发展现状经过多年的发展，倒车雷达设计以及使用发生了质的变化。经过这几年的发展，倒车雷达系统已经经过了六代技术改良，不管从结构外观上，还是从性能价格上，这六代产品都各有特点，使用较多的是数码显示、荧屏显示和魔幻镜倒车雷达这三种。 第一代：倒车时通过喇叭提醒 。“倒车请注意”！想必不少人还记得这种声音，这就是倒车雷达的第一代产品，现在只有少部分商用车还在使用。只要司机挂上倒档，它就会响起，提醒周围的人

18、注意，从某种意义上来说，它对驾驶员并没有直接的帮助，不能算真正的倒车雷达，基本属于淘汰产品。 第二代：采用蜂鸣器不同声音提示驾驶员。这是倒车雷达系统的真正开始。倒车时，如果车后1.8m1.5m处有障碍物，蜂鸣器就会开始工作。蜂鸣声越急，表示车辆离障碍物越近。但没有语音提示，也没有距离显示，虽然司机知道有障碍物，但不能确定障碍物离车有多远，对驾驶员帮助不大。 第三代：数码波段显示具体距离或者距离范围。这代产品比第二代进步很多，可以显示车后障碍物离车体的距离。如果是物体，在1.8m开始显示；如果是人，在0.9m左右的距离开始显示。这一代产品有两种显示方式，数码显示产品显示距离数字，而波段显示产品由

19、3种颜色来区别：绿色代表安全距离，表示障碍物距离有0.8m以上；黄色代表警告距离，表示障碍物距离只有0.6m0.8m；红色代表危险距离，表示障碍物距离只有不到0.6m，必须停止倒车。 第三代产品把数码和波段组合在一起，比较实用，但安装在车内影响美观。 第四代：液晶屏动态显示。这一代有一个质的飞跃，特别是荧屏显示开始出现动态显示系统。不用挂倒档，只要发动汽车，显示器上就会出现汽车图案以及车辆周围障碍物的距离，色彩清晰漂亮，外表美观，可以直接粘贴在仪表盘上，安装很方便。不过LCD显示外观虽精巧，灵敏度较高，但抗干扰能力不强，所以误报也较多。 第五代：魔幻镜倒车雷达。结合了前几代产品的优点，采用了最

20、新仿生超声雷达技术，配以高速电脑控制，可全天候准确地测知2m以内的障碍物，并以不同等级的声音提示和直观的显示提醒驾驶员。魔幻镜倒车雷达可以把后视镜、倒车雷达、免提电话、温度显示和车内空气污染显示等多项功能整合在一起，并设计了语音功能，是目前市面上最先进的倒车雷达系统。因为其外形就是一块倒车镜，所以可以不占用车内空间，直接安装在车内后视镜的位置。而且颜色款式多样，可以按照个人需求和车内装饰选配。 第六代：专为高档轿车配置的。第六代产品在第五代的基础上新增了很多功能：外观上看，比第五代产品更为精致典雅；从功能上看，它除了具备第五代产品的所有功能之外，还整合了高档轿车具备的影音系统，可以在显示器上观

21、看DVD影像。1.3.2 倒车雷达的发展趋势(1)智能化。随着计算机技术的不断发展，倒车雷达在计算机上的应用将由简单的数据采集、处理，逐步转化为以信息处理、应用为主。除了不断完善硬件控制设备外，还要对软件系统的研制开发进行不断的深入和完善。近年来嵌入式系统的快速发展，在汽车工业中得到逐步重视，其中ARM-Linux为架构平台的嵌入式系统便在倒车雷达的研究中得到很大程度的应用。(2)可视化。基于以前倒车雷达仅仅依靠语音报警的基础，倒车雷达加上了可视的视频显示系统，使车主在倒车的同时可以清楚的观察到汽车后面的实物，用眼睛进行清晰的判断，避免倒车事故的发生。(3)集成化。倒车雷达系统的发展逐渐将各个

22、功能集中在一起，实现了一套硬件设备可以完成多项功能。倒车雷达的集成化就是将倒车雷达的可视化、LCD显示、超声波测速、语音报警等功能集成在一起，组成了真正意义上的硬件系统。在今后的发展趋势中我们依然可以将倒车雷达、车载导航、车载音频等系统集成一起，组成一个意义更为广泛的集成化系统。2 系统总体设计和关键技术2.1 系统的设计思想和目标基于嵌入式系统的可视化倒车雷达系统，以普通的倒车雷达系统为基础，以嵌入式系统为平台，集成了超声波测距、语音报警等功能，很好地解决了普通倒车雷达测距不准，智能化差等缺点，因此得到了广泛运用，其特点如下：(1)集成度高、体积小。由于高端微型处理器的应用，嵌入式系统的体积

23、在不断减小，这也使数据采集、信息控制系统的体积缩小，从而形成便携式系统，方便系统携带和使用。(2)功能强大、容易扩展。嵌入式的数据采集与控制系统扩展出输入/输出(I/0)接口容易，可综合实现各种功能。(3)可靠性高。嵌入式系统芯片集成化程度高，与计算机系统的相关芯片相比较，具有防尘、防震等优点；软件被固化在FLASH/ROM中，稳定性强，不易被破坏；硬件高度集成，系统的整体可靠性高。(4)开发成本低、周期短。嵌入式系统开发的是数据采集与控制系统，成本低、周期短的优点远远强于计算机系统。后PC时代的到来，嵌入式系统在数据采集与系统控制中具有日益重要的作用，现代数据采集与控制系统己经从传统的电路模

24、式、微机模式进入了嵌入式的系统模式。基于以上分析，本文提出了基于嵌入式系统倒车雷达系统的设计思想。课题的目的是设计一个基于超声波测距，嵌入式ARM-Linux控制，用于倒车监测，避免倒车事故的发生。可用于家庭轿车、商务用车、卡车、货车等各种车辆；以及泊车、倒车等各种向后行走的倒车方式的监测。2.2 系统的结构整个系统的构成如图2-1所示，它由超声波发生模块、超声波接收模块、ARM-Linux控制系统、语音报警系统组成。 图2-1系统结构图 该系统由ARM920T芯片主控，通过串口输出PWM脉冲驱动555震荡器工作，从而使超声波发生模块工作并产生超声波，同时ARM芯片的计时器计时开始。当发生的超

25、声波碰到障碍物后反射回来，此时超声波接收模块接收超声波，将接收到的超声波经过信号三级放大后通过整流，变为ARM可直接接收的直流信号，然后通过串口传递给ARM，此时计时结束，通过计时器的时间之差可以计算出障碍物和汽车之间的距离。然后由软件系统进行判断并对车主进行语音提示。 2.3 系统的关键技术分析2.3.1 超声波测距技术超声波一般指频率在20KHz以上的机械波，具有穿透性强，衰减小，反射能力强等特点。工作时，超声波发射器不断发射出一系列连续脉冲，给测量逻辑电路提供一个短脉冲。最后由信号处理装置对接收的信号依据时间差进行处理，自动计算出车与障碍物之间的距离。超声波测距原理简单，成本低，制作方便

26、，但其传输速度受天气影响较大，不能精确测距；另外，超声波能量与距离的平方成正比衰减，因此，距离越远，灵敏度越低，从而使超声波测距方式只适用于较短距离。 一般超声波发生器内部结构有两个压电晶片和一个共振板。当它的两级外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。超声波测距的基本原理其实很简单，同声纳回声定位法的原理是基本相同的，说得高级一些就是多普勒效应，说得简单就是回声效应。超声波测距也时基于这种回音效应，发生器不断发射出40KHz超声波，其总宽度为发射超声波与接收超声波的时间间隔，被测物距越远，脉冲宽度越大，输出脉冲个数与被测距离成正

27、比。超声波测距的方法有多种，有相位检测法、声波幅值检测法、渡越时间检测法三种。相位检测的精度高，但检测范围有限；声波幅值检测易受反射波的影响；渡越时间检测工作方式简单、直观，在硬件控制和软件设计容易实现。本文使用的是ARM920T芯片主控，它的设计采用的是超声波往返时间检测法，其测量原是由ARM芯片通过记录超声波发生器从发射超声波到接收到反射回波的这段时间差T，然后利用公式计算出超声波发射探头与障碍物间的距离(其中C是超声波的声速，在标准状态下C=340 m/s)。超声波还具备指向性强的特点，超声波入射障碍物面的角度，影响到超声波电子倒车雷达是否灵敏。理想状况下超声波应当垂直于入射面，这样便可

28、以最大限度地接收超声波的反射回波，避免电子倒车雷达失灵我们在该设计中选用超声波换能器(见图2-3)产生超声波，这样便可最大程度的产生垂直于入射面的超声波，并使反射回波具备最大的信号强度，避免能量损失，测出准确的距离。我们在该倒车雷达中选用的超声波传感器的直径约为14毫米，工作频率为40KHz，驱动电压最高为140Vp-P，根据IS017386标准，其主要的性能指标有：(1)额定电压：直流12V，工作电流-500mA MAX工作温度：30至80。(2)测量范围：最小测量距离10厘米，最大测量距离1000厘米。(3)测量原理：采用飞行时间测量原理。超声波探头将创建超声波区域，在接收到探测区域内障碍

29、物的反射波后，测出车辆与障碍物间的距离。(4)系统具备上电后故障自测性能。系统自测时间不超过100毫秒，为保证实时性，探测的时间一般不超过600毫秒。(5)系统具备传感器自测功能。图2-2模式，对刷围的障碍物进行测量。同时有手动开启，F关，驾驶员便可从系统得知汽车距离障碍物的距离。图2-2超声波测距原理图2-3常见的倒车雷达换能器本系统所采用换能器频率为40HZ，最大作用距离为10m，它产生超声波，既有效克服了超声波的能量损失，同时又能明确的触发给主控芯片一个计时脉冲，完成整个系统的测距功能。同时软件部分还可以触发语音报警，形成一整套行之有效的测量系统。2.3.2 嵌入式系统(1)嵌入式系统的

30、定义：根据IEEE(国际电气和电子工程师协会)的表述嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”(原文为devices used to control，monitor。or assist the operation of equipment machinery of plants)。(2) 嵌入式系统的三个特点：嵌入性：嵌入到对象体系中，有对象环境要求专用性：软、硬件按对象要求裁减计算机：实现对象的智能化功能(3)嵌入式系统的分类按表现形式(硬件范畴)可把嵌入式系统分为：芯片级嵌入式系统(含程序或算法的处理器)，模块级嵌入式系统(系统中的某个核心模块)及系统级嵌入式系统。按实时性

31、(软件范畴)要求可把嵌入式系统分为非实时系统(PDA)、软实时系统(消费类产品)、硬实时系统(工业和军工系统)等三大类。(4)嵌入式系统处理器的分类和现状嵌入式系统处理器可以分为：微控制器(MCU)、数字信号处理器(DSP)、片上系统(SOC)、可编程片上系统(SPOC)四大类。(5)嵌入式系统的软硬件框架如图2-4所示，为嵌入式系统软硬件框架图。图2-4 嵌入式系统框架图嵌入式系统由嵌入式硬件与嵌入式软件组成。嵌入式硬件以芯片、模板、组件、控制器形式埋藏于设备内部。嵌入式软件是实时多任务操作系统和各种专用软件，一般固化在ROM或闪存中。嵌入式系统软硬兼施，融为一体，成为产品，但在开发过程中需

32、要一些开发工具进行辅助开发。 (6)嵌入式系统的开发流程嵌入式软件的开发流程与通用软件的开发流程大同小异，但开发所使用的设计方法具有嵌入式开发的特点。整个开发流程可分为：需求分析阶段嵌入式系统应用需求中最为突出的是注重应用的时效性，需求分析阶段的主要任务是，第一对问题的识别和分析，也就是对用户提出的问题进行抽象识别用以产生以下的需求：功能需求、性能需求、环境需求、可靠性需求、安全需求、用户界面需求、资源使用需求、软件成本与开发进度需求。第二制订规格说明文档经过对问题的识别，产生了系统各方面的需求。通过对规格的说明，文档得以清晰、准确地描述。这些说明文档包括需求规格说明书和初级的用户手册等。 第

33、三需求评审作为系统进入下一阶段前最后的需求分析复查手段，在需求分析的最后阶段对各项需求进行评估，以保证软件需求的质量。需求评审的内容包括正确性、无歧义性、安全性、可验证性、一致性、可理解性、可修改性、可追踪性等多个方面。设计阶段 系统的设计阶段包括系统设计、任务设计和任务的详细设计。由于嵌入式系统中任务的并发性，嵌入式软件开发中引入了DARTS(Design Approach for Real-Time System)。 DARTS设计方法：是结构化分析/结构化设计的扩展。它给出划分任务的方法，并提供定义任务间接口的机制。DARTS设计方法的设计步骤如下：数据流分析 划分任务 定义任务间的接口

34、 生成代码阶段生成代码阶段需要完成的工作包括代码编程、交叉编译和链接、交叉调试和测试等。 第一代码编程，在嵌入式系统的开发过程中，一般采用的方法是先在通用PC上编程，然后通过交叉编译链接，将程序做成目标平台上可以运行的二进制代码格式。最后将程序下载到目标平台上的特定位置，在目标板上启动运行这段二进制代码。 第二交叉编译和链接，嵌入式软件开发编码完成后，要进行编译和链接以生成可执行代码。但是，在开发过程中设计人员普遍使用Intel的x86系列CPU的计算机进行开发，而目标环境的处理芯片却是多种多样的，如ARM，DSP，PowerPC，DragonBall系列等，这就要求开发机上的编译器能支持交叉

35、编译。 嵌入式集成开发环境都支持交叉编译、链接，如WindRiver公司的Tornado以及GNU套件等。交叉编译链接生成两种类型的可执行文件：调试用的可执行文件和固化的可执行文件。 第三交叉调试，又叫远程调试，具有以下特点： 调试器和被调试的程序运行在不同的机器上。调试器运行在PC或工作站上，而被调试程序运行在各式的专用目标机上； 调试器通过某种通信方式与目标机建立联系，如串口、并口、网络、JTAG或者专用的通信方式；在目标机上一般具有某种调试代理，这种代理能与调试器一起配合完成对目标机上运行程序的调试。这种代理可以是某种能支持调试的硬件，也可以是某种软件；目标机可以是一种仿真机。通过在宿主

36、机上运行目标机的仿真软件，仿真一台目标机，使整个调试工作只在一台计算机上进行。第四测试，嵌入式系统开发的测试与通用软件的测试相似，分为单元测试和系统集成测试。固化阶段嵌入式系统的应用软件是针对特定的实际专业领域的，基于相应的嵌入式硬件平台，并能完成用户预期任务的计算机软件。嵌入式软件的特点如下：软件要求固态化存储。软件代码要求高质量、高可靠性。系统软件的高实时性是基本要求。多任务实时操作系统成为嵌入式应用软件的必需。(7)嵌入式系统的开发要点在嵌入式系统的设计过程中还要重点注意以下几点基本要求。硬件/软件协同设计：基于体系结构，对系统的软件、硬件进行详细设计。为了缩短产品开发周期，设计往往是并

37、行的。系统集成：把系统的软件、硬件和执行装置集成在一起，进行调试，发现并改进单元设计过程中的错误。系统测试：对设计好的系统进行测试，看其是否满足规格说明书中给定的功能要求。在本设计中使用的是ARM9系列的ARM920T。2.3.3 Linux操作系统Linux与Unix的操作系统类似，它起源于芬兰一个名为Linus Torvalds的业余爱好者，现在已经发展成为最流行的一款开放源代码的操作系统。Linux原本被设计为桌面系统，现在广泛应用于服务器领域。而更大的影响在于它正逐渐应用于嵌入式设备。Linux可以说是最早的嵌入式Linux发行版本。它是为没有舢的处理器而设计的，进而发展了一个完整的开

38、发平台，包括编译、调试等工具。自1991年问世到现在，Linux在短短10几年的时间内已发展成为一个设计完善、功能强大的操作系统，伴随网络技术进步而发展的Linux OS已成为可与Microsoft公司Windows 95/98竞争的强劲对手。Linux系统不仅能够运行于PC平台，还可在嵌入式系统方面发挥重要作用；在各种嵌入式Linux OS迅速发展的状况下，Linux OS逐渐形成了可与Windows CE等EOS进行抗衡的局面。正在投入使用开发的嵌入式系统中，50%以上的项目选择Linux作为嵌入式操作系统。Linux现己成为嵌入式操作的理想选择。(1)Linux具有如下特性：Linux操

39、作系统使用完全免费：Linux是一款免费的操作系统，用户可以通过网络或其他途径免费获得，并可以任意修改其源代码。这是其他的操作系统所做不到的。正是由于这一点，来自全世界的无数程序员参与了Linux的修改、编写工作，程序员可以根据自己的兴趣和灵感对其进行改变，这让Linux吸收了无数程序员的精华，不断壮大。 Linux内核的高度可裁剪性：通常内核小于512KBytes，文件系统可从几十KBytes到几Mbytes不等，视应用程序大小而定。具有大量的开源的1inux应用程序和驱动程序，并可以方便地移植到各种平台，包括ARM平台。Linux包含一整套的编译、调试等开发工具、内核源代码、各种文件系统、

40、图形接口、各种协议、驱动程序以及丰富的应用程序。在开发上，Linux采用统一的API调用，接口文档齐全，书籍、网上资源也比较多。开放的原代码、模块化设计结构：Linux采用GPL授权，除了把公开原代码以外，任何人都可自由修改、使用、散布，而Linux内核本身采用模块化设计结构，让人轻松增减功能。例如当我的平台不需要蓝牙功能时，我只要不把这项功能加入，有需要就加入，不需要就删除，由于具备这种高弹性，我们可以调校出最适合我们硬件平台的内核。(2)Linux的内核组成初始化程序段(init段)约32KBytes。数据段(data)50l00KBytes左右。未初始化数据段(bss)100150KBy

41、tes左右。代码段(text)300KBytes左右3 系统硬件电路的设计与实现3.1 系统硬件总体设计基于嵌入式的可视倒车雷达系统由超声波发生模块/超声波接收模块、语音报警模块几大硬件模块组成。系统以ARM处理芯片为核心、存储器等作为嵌入式系统的外围设备，在硬件的实现过程中，我们用到了串口通信。整个终端结构图如图3-1所示。图3-1 终端结构框图3.2 终端硬件具体实现系统根据功能需要，逻辑上划分为四个部分：核心板、超声波发生板、超声波接收电路板、语音信号板。3.2.1 硬件电路核心板是一个ARM系统正常运行所需的核心电路及其外围线路，它主要包括主控制器、复位电路、时钟电路、电源电路、SDR

42、AM、Flash等。1、 主控制器主控处理器的选用要综合考虑很多因素，我们在该倒车雷达系统中选择Atmel公司生产的ARM920T芯片作为主控制器，选用的处理平台是三星公司生产的s3c2410。其主要的特性如下图3-2所示：图3-2 s3c2410主控芯片的内部结构图ARM920T核、工作频率203MHz；16KB数据Cache，16KB指令Cache，MMU，外部存储器控制器；LCD控制器(支持黑白、灰度、Color STN、TFT屏)，触摸屏接口；NAND FLASH控制器，SD/MMC接口支持，4个DMA通道；3通道UART、1个多主I2C总线控制器、1个IIS总线控制器；4通道PWM定

43、时器及一个内部定时器；117个通用I/0口； 24个外部中断源；8通道10位ADC：实时时钟及看门狗定时器等。内核：1.8V I/O及存储器：3.3V两个USB主/一个USB从电源管理模式： Normal、Slow、Idle、Power off272-FBGA2、 存储系统存储系统有两部分组成，第一部分存储的是整个系统的运行程序，第二部分存储的是系统运行过程中的采集及处理的数据。存储系统的性能直接决定了系统的运行性能及成本，采用合适的存储器进行硬件设计既可减少系统成本又可提高系统的整体性能。在基于嵌入式的可视倒车雷达系统设计中我们所主要使用的程序(ram)存储器及数据存储器(flash)，对这

44、两个存储器下面将做详尽的叙述：图3-3存储空间分配图为了更快捷地读写FLASH，还考虑到嵌入式系统的成本因素，我们在本设计中选取SDRAM做为程序存储器。SDRAM存储器，有两片16位数据宽度的SDRAM存储器组成，其存储空间为64MB，存储地址从Ox300000000到Ox33ffffff。SDRAJVI主要作为程序的运作空间，并在程序的运作过程中兼具读/写的属性。CPU运行过程中读取SDRAM数据的步骤是：先从复位地址OO处读取启动代码，然后进行系统初始化，最后将程序调入SDRAM中运行。SDRAM具备容量大、价格便宜的优点。我们可把SDRAM通俗的理解为一个总是倾向于放电状态的电容，为了

45、避免丢失数据，在运行过程中必须对该电容进行定时刷新。所以我们可以在该系统中加入专为刷新准备的控制逻辑电路。目前常用的SDRAM一般工作电压为3.3V，具有8位/16位宽度的数据。主要的生产厂商有HYUNDAI、Winbond等。他们一般按照相同的国际或国家标准生产同型号器件，具有相同的封装形式和电气特性，在现实的应用过程中可通用。本系统中选用的芯片是Winbond的57V561620。57V561620常见封装形式为54脚TSOP，存储容量为4组4M字节，工作电压为3.3V，可兼容LVTTL接口，支持自刷新(SelfRefresh)和自动刷新(AutoRefresh)两种刷新形式，数据宽度为1

46、6位。SDRAM电路图如图(图3-4)所示。图3-4SDRAM电路图FLASH存储器作为一种快速、稳定、安全的存储体，具有体积小、容量大、成本低等一系列优点，此外它还具备数据掉电保持功能。在嵌入式系统设计中我们要求存储的数据在掉电时不丢失，所以FLASH已成功取代其它半导体存储元件，成为嵌入式系统数据和程序存储的主要载体。本设计选用的是INTEL公司生产的TE28F128J3A，用其存储bootloader(引导内核启动文件)、kernel(Linux内核文件)、ramdisk(虚拟磁盘文件)，便于我们进行操作。其特点为：TE28F128J3A的存储容量为16M字节，工作电压为3.3V，需单向

47、3.3V电压即可完成在线系统的编程与擦除操作，该存储器采用56脚TSOP封装形式，16位数据宽度。该芯片通过对内部的命令寄存器操作，写入标准的命令序列。并可对Flash进行编程(烧写)、整片擦除、按扇区擦除以及其他操作TE28F128J3A各引脚的功能如下表所示：表3-1TE28F128J3A各引脚的功能表信号类型描述A23-A0I地址输入总线DQ15-DQ0IO数据输入输出引脚CE0,CE1,CE2I激活芯片的控制逻辑/OEI输出使能/WEI写使能/RPI复位/下电控制/BYTEI字节使能，低电平，X8模式；高电平，X16模式STSO指示内部状态机的状态VEPNI擦除/编程/加锁使能VCC/

48、GNDP内部电源地/输入缓存区电源地VCCQ/GNDP输出缓存区电源地其接口电路图如图3-5所示。图3-5 接口电路图在SDRAM中运行的程序，也可以运行在FLASH中。程序可以很大也可以很小，如果将程序保存到FLASH中，掉电后便不会丢失。因此既可通过JTAG口调试程序，也可将程序烧写到FLASH中后运行FLASH中的程序。在此基础上加入必要的接口电路及其他电路，就构成了具体的嵌入式应用系统。3.2.2 核心板的电源电路图如图3-6所示，核心板的电源电路图。图3-6 核心板的电源电路图3.2.3 时钟电路及复位电路设计时钟电路为CPU及其它外围电路提供工作时钟。在本设计系统中，时钟电路分为主

49、时钟电路和RTC时钟电路，系统在工作过程中使用是无源晶振，晶振的接法如下图3-7所示图3-7 主时钟电路、RTC时钟电路、主时钟及USB时钟滤波根据系统最高工作频率以及PLL电路的工作方式，本系统在设计时选用12MHz无源晶振。12MHz的晶振频率经过系统片内PLL电路倍频后，可达到202.8MHz，这个震荡频率也就是该系统的ARM的工作频率。频率放大和信号提纯这两个功能是片内的PLL电路所兼有的，系统可以以较低的外部时钟信号获得较高工作频率，以降低因高速开关时钟而引起的高频噪声。复位电路由RC电路及施密特触发器组成，如下图3-8所示：图3-8 复位电路3.2.4 超声波发生电路1、超声波的概

50、念超声波是一种振动频率高于声波的机械波，换能晶片在电压的激励下，发生振动而产生的。超声波具备频率高、波长短、绕射现象小等优点。以超声波作为检测手段，必须具备产生超声波和接收超声波的设备装置。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称其为超声波换能器，或叫超声波探头j有换能器产生的超声波具备方向性好、能为射线而定向传播等特点。声波传感器是利用超声波的特性而研制的传感器。2、超声波换能器的组成超声波换能器主要是由压电晶体片(陶瓷片)组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。小功率超声波探头多作探测作用。它有许多不同的结构，可分直探头(纵波)、斜探头(横波)、表面波探头(表面波)、兰姆波探头(兰姆

51、波)、双探头(一个探头反射、一个探头接收)等，本系统选用直探头式超声波。超声波探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，我们使用前必须预先了解它的性能。3、超声波的发射原理超声波发送装置有超声波产生电路和超声波发射控制电路两部分组成，超声波探头在现有的市场中有两种备选产品：压电陶瓷产品和换能器，本系统选用换能器形式，其型号选用CSB40T，可以选用软件发生法和硬件发生法两种产生超声波的方法。第一种方法是先利用软件驱动的形式产生PWM脉冲信号，脉冲信号通过输出引脚输入至驱动器，脉冲信号经驱动器驱

52、动后推动超声波探头产生40KHz的超声波。这种方法的特点是充分的利用软件产生可调节的PWM脉冲，具有极强的灵活性。在使用该方法时，我们需要设计一个驱动电流在100mA以上的驱动电路。第二种产生超声波的方法是利用超声波专用或通用发生电路产生超声波信号，并用它直接驱动换能器产生超声波。这种方法的优点是无须驱动电路，但在产生超声波的过程中缺乏灵活性。基于嵌入式的倒车雷达设计采用第一种方法产生超声波，利用LM555H时基电路振荡产生40kHz的超声波，电路原理及连接设计如图3-9所示。振荡频率的计算公式：。电路中将R10设计为可调电阻的目的是为了调节信号频率，使之与换能器40KHz的固有频率保持一致。

53、系统采用+12V电源供电保证555振荡器具有足够的驱动能力。CNT为超声波发射控制输入信号，由嵌入式主控芯片进行控制。4、超声波发射电路的硬件介绍(1)该模块中用到的LM555H震荡器是美国国家半导体公司生产的时基电路。在我国和世界各大集成电路的生产商中均有同类产品供选用，是使用极为广泛的一种通用型集成电路。LM555H振荡器系列可用来产生时间延迟和多种脉冲信号，具有功能强大、使用灵活、适用范围宽等特点，被广泛应用于各类电子产品中。图3-9超声波产生电路555时基震荡电路有CMOS型和双极型两种。LM555H系列属于双极型的，优点是输出功率大，驱动电流可达200mA。CMOS型振荡电路的优点是

54、功耗低、输入阻抗高、输出功率小、电源供电电压低、输出驱动电流小等优点。LM555H特性有如下几个方面：占空比可调节；输出端可接收和提供200mA电流；定时时间从微秒级到小时级；可工作于单稳态和无稳态两种方式；TTL电平与输出电压兼容；温度稳定性好于0.005%/。我们完全可以在：精确定时、频率变换、连续定时脉冲宽度调制、脉冲发生、脉冲相位调制时使用LM555H型的振荡器。封装形式为TO-5金属封装DIP8双列直插封装各个引脚编号及符号和功能说明：1 GND地线； 2 TR触发； 3 OUT输出；4 RES复位； 5 CV控制电压； 6 TH阀值； 7 DIS放电：8 VCC电源(2)超声波发生

55、电路中选用的超声波发生器为CSB40T换能器，该换能器有如下特点：换能器的灵敏度：换能器在发射/接收超声波的过程中，实现了电一声和声一电转换效能。换能器的灵敏度越高，它的探测深度越大。另外晶片的机电性能和换能器声、电匹配层的匹配状况决定了超声波换能器的灵敏度。发射功率：提高换能器的辐射功率、超声波的发射功率可提高其探测深度。通过增大电路发射电压的方式提高超声声功率。我们在设计驱动电路的时，要将驱动功率设置在安全剂量阈值内，表示安全剂量阈值的技术指标通常是声强，一般情况下声强应不大于10mW/c。接收放大器增益：接收放大器增益的高低决定了探测的深度的深浅。当我们提高了放大器的增益时，也放大了系统

56、噪声信号，从而淹没了噪声中的有用信号，所以我们所调节的放大器增益必须适中。工作频率：振荡器的工作频率和超声波的衰减系数成直线性关系。工作频率越低，波长越长，其震荡幅值衰减越小，探测深度越大，但此时的分辨力会逐渐变差。相反，振荡器的震荡频率越高，超声波的探测深度越小，但此时的分辨力变高。因此在该系统中采取动态频率扫描和动态跟踪滤波技术，提高整机的工作性能，兼顾高分辨力和深探测度两个方面。3.2.5 超声波接收电路1、超声波接收电路原理超声波接收器由超声波接收、信号放大、波形变换三部分电路组成。超声波接收探头必须具备同超声波发射探头一直的型号，相同的震荡频率是它们型号一直的关键。本系统设计使用的超

57、声波接收探头型号CSB40R，它的震荡频率同超声波发射探头的震荡频率一致，这便可保证它们产生共振，顺利接收反射回波。CSB40R所接收反射回波电信号非常弱，因此在接收电路中我们必须放大信号。正弦波信号又不能直接被ARM接收，在ARM处理前必须进行波形变换，变成ARM可直接接收的数字波形。按照上面所讨论的原理，ARM只需接收第一个回波的时刻。在本设计中我们采用专用接收电路接收反射回波，超声波在空气传播过程中，超声波能量的衰减与超声波的传输距离成正比，即距离越近信号越强，距离越远信号越弱，信号强弱差异通常在1mV1V之间。不同接收探头的输出信号强度存在差异。输入信号的范围变化较大，我们对放大电路的

58、增益提出两个要求：一是放大增益要大，适应对小信号放大的要求；二是放大增益要能变化，适应大范围变化信号的需要。本系统的输入信号由于是正弦波，就必须将放大电路设计成交流放大电路。为了减少负电源的使用，放大电路采用单电源供电。信号放大和变换采用LM324通用运算放大器，LM324运算放大器分四级设计，该放大器的前三级为放大器设计，后一级为比较器设计如图3-12。超声波接收电路图如图3-10如下所示：图3-10超声波接收电路图本系统的超声波接收装置采用的是芯片CSB40R，LM324中的每级放大器均采用阻容电路的形式进行电平偏移，这样很好的满足了接收交流信号的需要。图3-10中的C7、C21、C22和

59、C24等电容，容量均为10uF，该电路可在单电源条件下对交流信号进行放大。对交流信号而言，电容为短路，前三级放大电路的增益均为10。距离较近时，超声波反射回波的强度比较强，此时两级放大的增益已能够输出足够强度的信号，第三级放大电路有可能出现信号饱和；而距离较远时，超声波的信号强度较弱，此时必须采用三级放大。在本系统的原理设计中，我们可以通过合理调节电位器R27，选择比较基准电压，使测量更加准确、稳定。我们采用LM324单电源工作方式。(1)、运放器LM324是由4个独立的高增益、内部频率补偿的运放组成，不但能在双电源下工作，也可在宽电压范围的单电源下工作，它具有输出电压振幅大、电源功耗小等优点

60、，它的主要技术指标如下：输入失调电压：2mV输入失调电流：5nA输入偏置电流：45nA差模电压增益：100dB温度漂移：7V/单电源工作电压：3-30V双电源工作电压：1.515V静态电流：500A(2)、LM324的管脚排列如下图3-11所示。图3-11LM324引脚图各引脚的定义如下：1、 out A 2、in A-3、in A+ 4、电源正 5、in B+ 6、in B-7、 out B8、out C 9、in C-10、in C+ 11、电源地或负电源12、 in D+13、in D-14、out DLM324器件是一种价格便宜，带有真差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算

61、放大器相比，它们有一些显著优点。该运算放大器可以工作在低至30伏或者32伏的电源下，静态电流大致为MCl741的静态电流的五分之一(对每一个放大器而言)。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。输入电压范围也包含负电源电压。LM324各引脚的意义：LM324内部有四个运算放大器，A,B,C,D 。(3)、其三级放大电路图图如图3-12所示。图3-12 三级放大电路图3.2.6 语音报警系统电路1、语音报警电路的工作原理：本系统在设计时采用了华邦公司的ISD(Information Storage Device)系列语音芯片，该芯片使用了DAST-直接模拟存储

62、技术的存储技术，将最初原始的语音信号以模拟信号的形式直接存入不挥发存储器中，无须A/D或D/A转换。这种具有突破性技术的EEPROM存储技术同其它数字存储方式相比，在可以增加存储容量的同时，又可提高语音信号存储与还原的保真度。ISD语音该芯片内部集成了振荡电路、前置放大器、自动增益控制、抗混叠滤波器、平滑滤波器、输出放大器等物理部件。该语音报警芯片及其工作电路具有：零功率存储、易与微处理器接口等优点。在本设计中根据该系统实际需求确定录制内容的长度。我们在系统设计中选用ISD2540语音芯片，ISD2540语音芯片可以提供32s120s的录放音时间。在本系统的设计过程中，当超声波探头探测到距障碍物的距离小于5m时，启动语音播报系统播报距离告知司机注意情况。