隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，汽車倒車輔助系統(tǒng)也發(fā)生了巨大的變化。目前中高檔轎車已普遍安裝了超聲波倒車雷達，幫助司機監(jiān)控倒車時車尾與車后障礙物的距離，但受限于超聲波的傳播特性，倒車雷達對車后的細桿狀障礙物有漏報現(xiàn)象。有生產(chǎn)廠家曾嘗試將車載視頻后視鏡與倒車雷達整合，用于觀察車后情況和顯示倒車雷達測得的數(shù)據(jù)，以彌補傳統(tǒng)倒車雷達性能的不足。將視頻后視鏡與倒車雷達整合的核心是視頻字符疊加器的設(shè)計，由于傳統(tǒng)視頻字符疊加器結(jié)構(gòu)復雜，在車載環(huán)境下可靠性差，造成整合后的可視倒車雷達故障率高，成本高昂，未能在市場上推廣。因此，這里提出一種采用新型視頻字符顯示芯片MAX7456設(shè)計的倒車雷達系統(tǒng)，該系統(tǒng)極大地簡化了視頻字符疊加器的設(shè)計，有效地克服了傳統(tǒng)視頻字符疊加器的缺點，提高了系統(tǒng)的可靠性，降低了系統(tǒng)成本。若對該倒車雷達的攝像系統(tǒng)稍加改進，還可擴展出視頻變焦、夜視等功能，具有很好的市場前景。

1 MAX7456簡介
   MAX7456是MAXIM公司推出的專用視頻字符疊加芯片。該器件集成了所有用于產(chǎn)生用戶定義OSD，并將其插入視頻信號中所需的全部功能，即將輸入箝位電路、同步分離器、視頻時序發(fā)生器、OSD插入復用器、EEPROM、顯示存儲器、OSD發(fā)生器、時鐘晶體振蕩器及SPI通信接口等都集成到了芯片中，用戶只需外接一只27 MHz晶振和少量阻容元件，就可構(gòu)成一個完整的視頻字符疊加器。為方便用戶使用，MAX7456內(nèi)部字符存儲器預先裝入了256個字符和圖形供用戶調(diào)用。MAX7456顯示字符大小為18x12像素，在屏幕上最多可顯示16行x30列=480個字符。在無視頻信號輸入時，MAX7456可產(chǎn)生內(nèi)部視頻信號，保證正常的字幕顯示。字符存儲器的內(nèi)容可通過SPI接口進行修改，以滿足用戶需求。
1．1 端口及功能
    MAX7456為28引腳封裝，其端口功能可劃分為視頻信號端口、控制信號端口和輔助端口，下面對各端口功能分別加以說明：
    1)MAX7456的視頻信號輸入、輸出端口為VIN和VOUT。VIN端口可接收標準的NTSC或PAL制視頻信號，輸入的視頻信號在MAX7456內(nèi)部完成顯示字符信號插入后由VOUT端子輸出。
    2)MAX7456的控制信號端口包括、SDIN、SCLKSDOUT。SDIN和SCLK為SPI串行數(shù)據(jù)和串行時鐘端口，用于設(shè)置MAX7456的工作模式和OSD數(shù)據(jù)，為片選信號，SDOUT為串行數(shù)據(jù)輸出端口。
    3)MAX7456輔助端口有CLKOUT、LOS、、和SAG。CLKOUT端口用于向多OSD系統(tǒng)中的其他MAX7456提供時鐘信號，用以降低系統(tǒng)成本。LOS為行同步信號丟失端口，是行同步脈沖輸出端口，是場同步脈沖輸出端口，這3個信號主要用于系統(tǒng)同步。SAG端口連接電壓衰減修正電容，用于減小輸出電容的容量。降低場傾斜。
1．2 存儲器讀寫時序及配置
1．2．1 字符控制原理
    MAX7456使用字符存儲器(NVM)存儲顯示字符的點陣信息，每一字符為18行×12列點陣，點陣編址順序為從左到右，從上到下，共216個像素。每像素用2個bit描述該點特征：00代表黑色，10代表白色，X1代表透明(外同步模式)或灰色(內(nèi)同步模式)(X代表任意值)，因此每字節(jié)可存儲4個像素的信息，每字符共需54字節(jié)存儲空間。為方便尋址，字符存儲器中每64字節(jié)存儲空間設(shè)為1個字符存儲單元，其中前54字節(jié)存儲1個字符的點陣信息，剩余10個字節(jié)未使用。MAX7456共提供256個字符存儲單元，這些存儲單元在出廠時已寫入了常用的數(shù)字、英文大小寫字母、部分日文、中文字符和少量圖形等供用戶使用。用戶若需顯示自定義的字符或圖形，只需要通過SPI串行接口將自定義字符或圖形的點陣輸入到相應地址的字符存儲單元中對原有字符點陣進行替換即可。
    MAX7456使用顯示存儲器(SRAM)存儲字符在屏幕上的顯示特征。MAX7456將屏幕顯示劃分成16行x30列(PAL制，NTSC制為13行x30列)，共480個顯示位置。顯示位置編址順序為從左到右，從上到下。顯示存儲器的地址編址與屏幕顯示位置一一對應，因此顯示存儲器共有480個存儲單元，每存儲單元有2個字節(jié)，高位字節(jié)存儲被顯示字符在字符存儲器(NVM)中的存儲單元地址，低位字節(jié)存儲被顯示字符的屬性狀態(tài)位。用戶若需在屏幕某個位置顯示某特定的字符，只需將該相應位置所對應的顯示存儲器單元中的特定字符在字符存儲器(NVM)中的存儲單元地址存入顯示存儲單元的高位字節(jié)，將顯示字符的狀態(tài)屬性存入低位字節(jié)，然后開啟OSD顯示即可。
1．2．2 顯示存儲器配置
    要在屏幕上正確顯示所需的內(nèi)容，必需正確配置顯示存儲器。該存儲器由模式寄存器(DMM)、地址高位寄存器(DMAH)、地址低位寄存器(DMAL)和數(shù)據(jù)輸入寄存器(DMDI)共同控制。配置過程包括：通過模式寄存器設(shè)置通信工作模式；通過地址寄存器(DMAH、DMAL)選擇顯示單元；通過地址寄存器的DMAH[1]位(注：數(shù)據(jù)格式為“寄存器名[比特位]”)及數(shù)據(jù)輸入寄存器DMDI對選中的顯示存儲單元進行配置。下面以8位工作模式，在屏幕第2行第2列(顯示地址為1 Fh)顯示字符“C”(NVM存儲單元地址為0Dh)為例，說明通過SPI對顯示存儲器的配置過程：
    1)寫模式寄存器：DMM[6]=1，選擇8位工作模式；
    2)寫地址寄存器DMAH[1]=0，設(shè)定寫入到數(shù)據(jù)輸入寄存器(DMDI)的數(shù)據(jù)是被顯示字符在顯示存儲器(NVM)中的存儲單元地址；
    3)寫字符屏顯位置的最高位地址“Ob”到地址寄存器DMAH[0]；
    4)寫字符屏顯位置的低8位地址“00011111b”到地址寄存器DMAL[7：0]；由DMAH[0]+DMAL[7：0]共同尋址顯示存儲器存儲單元地址，共有512個地址，因此需要9 bit地址位，MAX7456使用了前480個地址；
    5)寫被顯示字符“C”的存儲單元(NVM)地址“00001101b”到DMDI[7：0]，該數(shù)據(jù)將被存儲到DMAH[0]+DMAL[7：0]地址單元的顯示存儲器高位字節(jié)中；
    6)寫地址寄存器DMAH[1]=1，設(shè)定寫入到數(shù)據(jù)輸入寄存器(DMDI)的數(shù)據(jù)是被顯示字符的字符屬性字節(jié)；
    7)寫字符屏顯位置的最高位地址“0b”到地址寄存器DMAH[0]；
    8)寫字符屏顯位置的低8位地址“00011111b”到地址寄存器DMAL[7：0]；
    9)寫被顯示字符的字符屬性字節(jié)“LBIXXXXXb”到DMDI[7：0]，該數(shù)據(jù)將被存儲到MAH[0]+DMAL[7：0]地址單元的顯示存儲器低位字節(jié)中。其中：L為本地背景顏色控制位，L=0為透明，L=1為灰色；B為閃爍控制位；I為反色控制位，I=0為正常顯示，I=1為反色顯示；X為未使用位；
    10)寫視頻模式寄存器VMO[3]=1，使能OSD圖像顯示。
1．2．3 存儲器讀寫時序
    對MAX7456顯示存儲器(SRAM)及字符存儲器(NVM)的配置是通過SPI接口在線編程實現(xiàn)的。通過SPI接口、SDIN及SCLK等3個信號的相互配合，可實現(xiàn)對MAX7456內(nèi)部寄存器的讀寫操作及設(shè)置，進而通過寄存器完成對顯示存儲器(SRAM)及字符存儲器(NVM)的配置。圖1為MAX7456數(shù)據(jù)讀寫時序。在一個操作周期中，片選信號變低之后，通過SDIN輸入的第1個字節(jié)為寄存器地址，其最高位為0時為寫操作，最高位為1時為讀操作；第2個字節(jié)為數(shù)據(jù)。這種格式有2個例外：
    1)自動遞增寫模式，該模式用于訪問顯示存儲器，是一個8位操作。在寫數(shù)據(jù)前必須將顯示起始地址寫入顯示地址寄存器DMAH和DMAL中。然后對顯示存儲器執(zhí)行自動遞增寫命令(DMM[6]=1，DMM[0]=1)，此時8位遞增地址由內(nèi)部產(chǎn)生，SDIN每個操作周期只需傳送8位數(shù)據(jù)，直到傳送的值為Oxff時MXA7456接收終止。
    2)從顯示存儲器讀字符數(shù)據(jù)時，若處于16位工作模式，在第1個操作周期中，控制器只能從SDOUT讀到高8位數(shù)據(jù)(如圖1(b)所示)；第2個操作周期不再需要向MAX7456發(fā)地址，可直接從SDOUT讀出低8位數(shù)據(jù)，因此第2個操作周期是8位。2個操作周期共24位(8位地址+16位數(shù)據(jù))。

2 可視倒車雷達系統(tǒng)構(gòu)成
    可視倒車雷達由視頻后視系統(tǒng)和超聲測距系統(tǒng)2大部分構(gòu)成。視頻后視系統(tǒng)負責對車后視頻圖像進行采集及顯示，主要用于取代傳統(tǒng)的汽車后視鏡的功能，同時在本系統(tǒng)中還用來顯示超聲測距系統(tǒng)測得的車尾到障礙物的距離值。由單片機控制超聲波測距系統(tǒng)完成對車后障礙物的測距，并完成將測距值在監(jiān)視器上的顯示操作。圖2所示為可視倒車雷達系統(tǒng)框圖，其中的字符疊加電路即為MAX74560。

2．1 超聲波測距原理
    考慮到汽車周圍環(huán)境復雜、輔助倒車系統(tǒng)所需測量距離短及成本限制等原因，目前倒車雷達大都采用超聲波進行測距。其基本原理是利用單片機控制超聲波探頭向車后發(fā)射一串超聲波脈沖，然后測量該脈沖遇到障礙物后返回的時間t，在已知聲波在空氣中傳播速度v時，根據(jù)公式：
   
    即可計算出車尾到障礙物之間的距離。通常聲波在空氣中的傳播速度受氣溫的影響較大，因此必需對氣溫進行測量，然后根據(jù)聲波在空氣中的傳播速度公式：
   
    進行修正，這樣才能得到較準確的距離值。在單片機控制系統(tǒng)中，因為要兼顧運算速度和測量精度的關(guān)系，常使用式(2)的近似表達式
   
    進行運算，這樣就得到超聲波倒車雷達的距離測量公式：
   
    由該公式可計算出車尾到障礙物之間的距離。
2．2 測距電路
    根據(jù)車載超聲波雷達的工作特點及工作環(huán)境的要求，超聲波測距電路在設(shè)計時必需遵循以下原則：1)考慮到車載環(huán)境惡劣及布線方便，超聲波探頭必需選用全密封防水、防振型收發(fā)兩用專用探頭；2)超聲波探頭通常使用壓電陶瓷材料，其諧振頻率為40 kHz，且起動時有一定的惰性，因此不能采用單脈沖驅(qū)動，必須采用10～20個群脈沖驅(qū)動才能取得較好效果；3)由于超聲波基本沿直線傳播，單個探頭探測范圍有限，通常需要3～4個探頭才能完全覆蓋車尾。根據(jù)以上原則所設(shè)計的超聲波測距電路如圖3所示。

    測距電路分發(fā)射和接收2部分，發(fā)射部分由SN7414、模擬電子開關(guān)HC4052的Y通道驅(qū)動4路超聲波探頭(圖3中僅畫出了其中一路)。超聲波探頭U3采用車用全密封防水、防振型收發(fā)兩用探頭，該探頭的工作電壓為120 V左右。為使其能夠正常工作，設(shè)計了由VQ1、T1、C2和VD3組成的驅(qū)動器。VQ1工作在開關(guān)狀態(tài)，T1為變比1：10的升壓變壓器，用于將12 V的驅(qū)動電壓升壓到120 V，VD3為C2提供放電通路。為防止在發(fā)射超聲波時的高電壓通過接收回路C1回串，燒毀HC4052模擬電子開關(guān)，在接收回路的輸入端接入由R2、VD1和VD2組成的保護電路，將輸入C4052的信號箝位在0．7 V。由于超聲波探頭接收到的正常回波信號通常只有幾十毫伏，因此保護電路對回波信號無影響。
    超聲波測量采用循環(huán)工作方式，四路探頭的選擇由單片機通過P1．5、P1．6引腳控制HC4052來完成；測距時由單片機內(nèi)部計數(shù)器控制，產(chǎn)生12個頻率為40 kHz，占空比為50％的脈沖信號，由P1．7引腳發(fā)出，通過發(fā)射電路送到選定的超聲波探頭中。
    接收回路由超聲波探頭U3、HC4052的X通道和UPC2800構(gòu)成。UPC2800為紅外接收器專用IC，內(nèi)部集成有前置放大器、ABLC控制器、限幅放大器、帶通濾波器、檢波器和輸出整形電路。其帶通濾波器的中心頻率可在30～80 kHz之間調(diào)整，正好覆蓋40 kHz的超聲波應用頻率，因此本電路中用它完成對回波信號的放大、整形及檢波。UPC2800的8引腳為信號輸入腳。7引腳為前置放大器增益調(diào)整腳，其外接電阻可根據(jù)增益要求在0～1kΩ之間調(diào)整，串接的0．1μF電容用于隔直；3引腳為內(nèi)部電源濾波電容接入腳，典型值為47μF；4引腳為內(nèi)部帶通濾波器中心頻率調(diào)整腳，當外接電阻值為123 kΩ時，濾波器的中心頻率為40kHz；6引腳為檢波器濾波電容連接端子，其外接濾波電容典型值為O．1μF。檢波完成后的脈沖信號由2引腳輸出，送單片機的P3．2用作中斷控制信號。
2．3 視頻疊加及系統(tǒng)控制電路
    視頻疊加及控制電路如圖4所示，車尾攝像頭拍攝的視頻信號經(jīng)視頻輸入端子P1、MAX7456的VIN端子輸入，為防止輸入信號對MAX7456內(nèi)部電路的影響，必須在P1與VIN端口之間接O．1μF的輸入耦合電容對輸入信號進行直流隔離。輸入的視頻信號在MAX7456內(nèi)部進行鉗位，消噪聲，字符點陣信號插入，電壓衰減修正后由VOUT端子經(jīng)P2輸出，完成字符疊加工作。輸出電路同樣需要接輸出耦合電容進行隔直，為不影響場同步信號通過，該電容通常應取330 μF以上，為降低耦合電容的成本和體積，MAX7456通過SAG端口連接電壓衰減修正電容到VOUT輸出端，用以在可接受的失真范圍內(nèi)盡量減小輸出電容的容量，圖4所示為其典型取值。

    本設(shè)計中采用AT89C52對MAX7456進行控制，由于AT89C52沒有SPI串行口，因此采用P1．2、P1．3、P1．4端口模擬SPI的時序?qū)AX7456進行控制。為防止在操作期間顯示字符不穩(wěn)定影響顯示效果，此處采用MAX7456輸出的場同步信號作為中斷信號，控制AT89C52在視頻信號的場消隱期間進行數(shù)據(jù)更新，以獲得良好的顯示效果。
    AT89C52的另一個任務就是控制測距電路進行超聲波測距。由于測距電路共有4個探頭，因此采用循環(huán)測距的方法進行工作，本測距雷達設(shè)計測量距離最大為5 m，根據(jù)超聲波在空氣中的傳播速度式(3)可計算出倒車雷達在25℃時的聲速為346．45 m，以此為基準進行計算，一次測距所需時間為28．8 ms，考慮到數(shù)據(jù)處理及顯示控制時間，選擇循環(huán)測距的切換時間為40 ms。測距時由AT89C52內(nèi)部定時器進行控制，每隔40 ms由AT89C52的P1．5、P1．6控制HC4052切換一次探頭，然后由P1．7發(fā)出12個頻率為40 kHz、占空比為50％的脈沖信號通過發(fā)射電路到超聲波探頭，同時開啟內(nèi)部計時器進行時間測量。由于超聲波探頭在發(fā)射完探測信號后，還會有余振存在，在此期間檢測不出有用信號。為防止此時的超聲波余振信號通過接收電路回串引起AT89C52誤中斷，在該期間需關(guān)閉接收中斷INT0。經(jīng)實際測量，所使用的超聲波探頭在25℃時有1．7 ms的余振，因此關(guān)閉中斷時間設(shè)置為2 ms，則由此產(chǎn)生的測量盲區(qū)在25℃時為0．35 m。由以上分析可得，在25℃時該超聲雷達的測量范圍在0．35～5 m之間。

3 軟件設(shè)計
    系統(tǒng)程序采用模塊化設(shè)計，由主程序、后視系統(tǒng)控制、溫度測量、距離測量、報警、溫度及距離顯示等模塊組成，圖5是主程序流程圖。

    系統(tǒng)在接通電源后，首先對MAX7456及DS18B20初始化，然后開攝像頭及監(jiān)視器，作為行車過程中的視頻后視鏡。在此期間MCU控制DS18 B20對車外溫度進行測量，并將測量值送MAX7456與攝像頭采集的車后視頻圖像進行疊加后送監(jiān)視器。當MCU檢測到倒車檔時，輪流打開4個超聲波探頭對車后障礙物進行測量，并通過檢測到的回波時間和車外溫度，通過式(4)計算車尾到障礙物的距離，然后判斷該值時否小于安全距離，若是，則打開報警器報警，同時將該距離值送MAX7456與視頻疊加后送監(jiān)視器顯示。若檢測到汽車檔位不在倒車檔位，則自動退出測距程序，恢復到后視鏡狀態(tài)。

4 試驗結(jié)果
    經(jīng)實際裝車測試，在25℃的環(huán)境中，對車后面積為1m2的粗糙平面障礙物，其測量范圍為O．36～5．12m。在3m內(nèi)，其測量誤差在1．5％～3％，大于3 m時，隨測量距離的增加，誤差逐漸增大：在5m時誤差為4．6％。測量距離值在監(jiān)視器上的顯示效果如圖6所示，其視場清晰、提示字符醒目。

5 結(jié)束語
    通過合理的硬件及軟件設(shè)計，該裝置實現(xiàn)了倒車雷達與視頻后視鏡的復合功能。與傳統(tǒng)的倒車雷達相比，該系統(tǒng)將雷達測距信息疊加在視頻后視鏡的圖像上，符合駕駛員的視覺習慣，減輕了駕駛員的工作強度，對防止傳統(tǒng)倒車雷達對障礙物的漏報起到了良好的防范作用。該裝置電路簡單，功能豐富，價格低廉，具有很高的推廣價值。