嵌入式系统在汽车前照灯配光检测系统中的应用
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摘 要
前照灯作为汽车夜间照明的主要电气设备，对夜间行车安全有着至关重要的
作用，不但要提供汽车夜间行驶足够的照明，而且要防止给迎面车辆和行人造成
眩目，因而前照灯的质量检测显得尤为重要。目前大多前照灯的配光检测并不能
满足用户对产品性能稳定性、操作方便以及轮番生产、长时间作业等的需要；因
此，采取新的高效、简便的方法代替原有的检测手段就成了本课题的研究目标。
本课题将先进的嵌入式检测技术引入到这个领域，研究了基于生产线检测的
车灯配光检测系统。系统综合了前照灯远近光检测和车灯零件缺失检测设备。系
统对摄入的前照灯远近光图像进行分析处理，自动检测前照灯远近光的各项参数，
以调整前照灯至合适的位置；同时，利用多个接近开关检测前照灯零件的缺失与
否，实现车灯质量的柔性检测，大大提高了系统的灵活性。
本文在研究分析了前照灯远近光光照特性和实际检测环境的基础上，设计了
适用于车灯在线检测的系统结构，并提出了对各种参数进行测量的有效方法。系
统嵌入式平台采用 ARM(S3C2410A)处理器作为上位机配备 Windows CE 嵌入式
实时操作系统进行前照灯零件缺失检测、人机交互以及对整个系统的综合控制；
DSP(TMS320DM642)处理器作为下位机，充分发挥其处理速度快、计算能力强的
优势，进行前照灯远近光图像的分析处理。
课题紧密结合前照灯配光检测的实际需求进行了嵌入式实时操作系统
Windows CE 的内核定制与平台移植；在综合考虑系统运行状况的基础上，结合
嵌入式硬件平台资源进行了系统自启动引导程序、前照灯远近光图像采集与显示
驱动程序、声光报警驱动程序、人机交互显示驱动程序等设计。最后，本文阐述
了前照灯远近光图像处理以及软件人机交互界面设计，实现了系统上位机与下位
机之间的串行通信，达到了在下位机进行车灯图像检测后，上位机端实时显示检
测参数结果的目的。
整个系统设计运用了先进的嵌入式技术，设计了一套功耗低、体积小、成本
低、升级维护方便的前照灯配光检测系统，具有较高的推广应用价值。
关键词：嵌入式检测技术 前照灯配光检测 ARM DSP
ABSTRACT
Headlamp is one of the most important electrical equipment during night-time
drive, which has a crucial role on the night-time traffic safety; not only provides
enough illumination, but also prevents driver’s eyes from dazzle on the opposite.So it’s
very important to ensure the quality of headlamps. At present, most of the headlamp
detection measures can not meet users’s requirement with the stability of product
performance, esay to operate and turn the production, and run for a long time.So it has
become the research topics to take a new effective measure to detect headlamp.
The paper takes advanced embedded technology into the headlamp detection field.
The paper is studying an on-line headlamp detection system. The system combines the
headlamp light detection with parts missing detection equipments. System can analyse
and process headlamp optical image and automatically detect headlamp parameters to
adjust the headlamp light to the appropriate location.At the same time, the close
switches can detect headlamp parts missing or not.In all, the embedded headlamp
detection measure greatly improves the flexibility of the system.
The paper analyzes headlamp illumination optical characteristics and the system
actual application environment, then designs the detection system architecture.The
embedded system platform is based on ARM processor, which is the host machine for
headlamp detection, human-computer interaction(HCI) as well as the entire system
integrated control; DSP processor analyzes and processes headlamp optical image.
Based on the actual needs of system, the paper transplants Windows CE kernel.
Considered the run environment of the system, the detection system can carry out boot
automatically. System driver design includes headlamp optical image acquisition and
display drivers, sound and light alarm drivers, HCI display drivers. Finally, the article
introduced the headlamp optical image processing algorithms and software interactive
interface design, the realization of serial communication between ARM and DSP.The
detection results paraments will be displayed on HCI.
The entire system is using advanced embedded technology, which is low-power,
small size, low cost, and upgrade convenient. So the headlamp detection system will be
popularization and high application value.
Key Word: Embedded Technology, Headlamp Detection, ARM, DSP
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ...................................................................................................................1
§1.1 嵌入式系统背景 .............................................................................................. 1
§1.2 前照灯配光检测的重要意义 .......................................................................... 2
§1.3 课题研究背景 .................................................................................................. 3
§1.4 课题研究内容 .................................................................................................. 4
§1.5 论文组织结构 .................................................................................................. 5
第二章 系统总体方案设计 .............................................................................................6
§2.1 前照灯配光标准与特性 .................................................................................. 6
§2.1.1 近光的配光要求 ....................................................................................7
§2.1.2 远光的配光要求 ....................................................................................8
§2.1.3 远近光的光形特性分析 ........................................................................8
§2.2 前照灯配光检测系统开发 .............................................................................. 8
§2.2.1 系统开发流程 ........................................................................................8
§2.2.2 系统需求分析 ........................................................................................9
§2.3 系统原理设计 ................................................................................................ 10
§2.3.1 前照灯配光检测方法设计 ..................................................................10
§2.3.2 系统原理结构设计 ..............................................................................11
§2.3.3 系统标定硬件设计 ..............................................................................12
§2.4 系统硬件平台结构与工作原理 .................................................................... 13
§2.4.1 系统硬件结构设计 ..............................................................................13
§2.4.2 系统工作原理及模块功能 ..................................................................14
§2.5 前照灯配光检测系统核心模块设计 ............................................................ 15
§2.5.1 系统上位机模块 ..................................................................................15
§2.5.2 系统下位机模块 ..................................................................................16
§2.6 系统其它外围模块 ........................................................................................ 18
§2.6.1 摄像机的选用 ......................................................................................18
§2.6.2 图像输入输出处理模块 ......................................................................18
§2.6.3 数据存储模块 ......................................................................................19
§2.6.4 人机交互模块 ......................................................................................20
第三章 嵌入式操作系统方案设计与移植 ...................................................................21
§3.1 嵌入式操作系统平台方案设计 .................................................................... 21
§3.2 Windows CE 嵌入式操作系统 .......................................................................21
§3.2.1 Windows CE 的层次体系结构 ............................................................ 22
§3.2.2 Windows CE 开发流程及步骤 ............................................................ 23
§3.3 系统平台的操作系统移植 ............................................................................ 24
§3.4 操作系统内核的配置优化 ............................................................................ 26
§3.5 操作系统镜像的下载 .................................................................................... 27
第四章 系统自启动与驱动程序开发 ...........................................................................30
§4.1 系统 BootLoader 的功能 ............................................................................... 30
§4.2 系统上位机启动设计 .................................................................................... 30
§4.3 系统下位机自启动程序设计 ........................................................................ 31
§4.3.1 下位机自启动模式设计 ......................................................................31
§4.3.2 下位机自启动命令文件实现 ..............................................................32
§4.3.3 下位机用户引导程序实现 ..................................................................33
§4.4 系统上位机驱动程序开发 ............................................................................ 34
§4.4.1 Windows CE 驱动程序的分类 ............................................................ 34
§4.4.2 系统声光报警驱动程序设计 ..............................................................35
§4.4.3 系统声光报警驱动程序测试 ..............................................................37
§4.4.4 人机交互显示驱动实现 ......................................................................38
§4.5 系统下位机硬件驱动程序设计 .................................................................... 44
§4.5.1 图像采集与显示控制总线驱动 ..........................................................44
§4.5.2 图像预处理与显示硬件驱动设计 ......................................................44
第五章 系统应用程序设计 ...........................................................................................46
§5.1 软件集成开发环境 ........................................................................................ 46
§5.2 下位机应用程序设计 .................................................................................... 46
§5.2.1 下位机应用程序总体设计 ..................................................................47
§5.2.2 前照灯远近光图像的采集 ..................................................................49
§5.2.3 检测图像的实时显示 ..........................................................................50
§5.2.4 远近光图像检测结果传输 ..................................................................50
§5.3 上位机应用程序与人机交互界面设计 ........................................................ 55
§5.4 近光图像处理及算法研究 ............................................................................ 60
§5.4.1 现有近光配光特性检测算法分析 ......................................................60
§5.4.2 新型近光配光特性检测算法研究 ......................................................61
§5.4.3 近光图像处理与分析 ..........................................................................63
§5.4.4 近光图像处理效果 ..............................................................................64
§5.5 远光图像处理与分析 .................................................................................... 65
§5.6 系统零件检测设计 ........................................................................................ 66
§5.6.1 接近开关简介 ......................................................................................66
§5.6.2 车灯零件特征分析 ..............................................................................67
§5.6.3 系统零件检测原理方案设计 ..............................................................67
§5.6.4 零件检测程序设计 ..............................................................................70
§5.7 系统分析与调试 ............................................................................................ 71
§5.7.1 系统下位机图像采集与显示实时性分析 ..........................................71
§5.7.2 系统软件特点 ......................................................................................72
§5.7.3 系统软件调试 ......................................................................................72
第六章 总结与展望 .......................................................................................................74
附 录 .............................................................................................................................76
参考文献 .........................................................................................................................78
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................80
致 谢 .............................................................................................................................81
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
§1.1 嵌入式系统背景
嵌入式系统是当今非常热门的研究领域。由于嵌入式系统所依托的软硬件技
术得到了快速发展，其自身也获得了快速的发展。因此，嵌入式系统是不可垄断、
需要不断创新的技术。目前，嵌入式系统已经广泛应用于办公自动化、信息家电、
移动通信、手持信息设备、工业控制以及军事等领域。
1．嵌入式系统的概念与发展[1]
嵌入式系统被定义为：以应用为中心、计算机技术为基础，软件硬件可裁减，
适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。
嵌入式操作系统的发展大体上可划分为以下 4个阶段：
（1）以单片机为核心的无操作系统阶段；
（2）以嵌入式 CPU 为基础、简单操作系统为核心的阶段；
（3）以嵌入式实时操作系统为标志的阶段；
（4）以基于 Internet 为标志的阶段。
一般而言，整个嵌入式系统的体系结构可分成 4个部分：①嵌入式处理器；
②嵌入式外围设备；③嵌入式操作系统；④嵌入式应用软件。图 1-1 为嵌入式系
统体系结构图。
图1-1 嵌入式系统体系结构
在嵌入式系统中，有三种应用模型，如图 1-2 所示。
2．嵌入式系统的技术特点[1,2]
“嵌入性”、“专用性”与“计算机系统”是嵌入式系统的三个基本要素。嵌
入式系统的特点与定义有所不同，它是由定义中的三个基本要素衍生出来的。不
同的嵌入式系统其特点有所差异。
从前面对嵌入式系统所作的定义可以看出嵌入式系统有如下几个重要特征：
（1）嵌入性：由于嵌入到对象系统中，因此必须满足对象系统的环境要求，
如物理环境（小型）、电器/气氛环境（可靠）、成本（低廉）等要求；
嵌入式系统在汽车前照灯配光检测系统中的应用
2
（2）专用性：软/硬件的可裁减性；满足对象系统的最小软/硬件配置要求等；
（3）计算机系统：必须是能满足对象系统控制要求的计算机系统。与上两个
特点相呼应，这样的计算机必须配置与对象系统相适应的接口电路。
图1-2 嵌入式系统的 3种应用模型
3．嵌入式系统开发环境
由于嵌入式单板的资源有限，不可能在单板上运行开发、调试工具。通常需
要交叉编译调试的方式进行，即“宿主机＋目标机（评估板）”的形式。目标机
和宿主机一般采用串口连接，亦可同时通过网口或者 JTAG 连接，如图 1-3 所示。
宿主机和目标机的处理器通常情况下不相同。宿主机需要建立适合于目标机
的交叉编译环境。程序在宿主机上“编译－连接－定位”，得到可执行文件，通
过一定的方法烧写到目标机中，然后在目标机上运行。
目标机上的 BootLoader 启动后，输入/输出重新定位到串口或者网口，在主
机上的控制台中输入命令，可以控制目标机。
图1-3 嵌入式开发图示
§1.2 前照灯配光检测的重要意义
近年来，随着人们生活水平的不断提高，我国汽车持有量急剧增加，汽车安
全运行的问题越来越突出，加强汽车的管理，重视汽车的安全技术检测，成为整
个社会，特别是公安交通管理部门急需研究解决的重要课题。同时，也为我国汽
车安全技术检测的发展提供一个良好的契机。
前照灯是汽车最主要的光源，是汽车在夜间或在能见度较低的条件下，为驾
第一章 绪论
3
驶员提供行车照明的重要设备，而且也是驾驶员发出警示，进行联络的灯光信号
装置。形象地说，对于汽车，前照灯就相当于人的眼睛一样重要。所以前照灯必
须有足够的发光强度和正确的照射方向。否则会使驾驶员对前方道路情况辨认不
清，或在与对面来车交会时造成对方驾驶员眩目等，从而引发交通事故。因此，
前照灯的发光强度和光束的照射方向被列为汽车运行安全检测的必检项目[3]。
车灯配光检测是车灯生产线中的最后一道程序，其起到质量把关的作用。随
着城市道路和高速公路的发展、汽车车速性能的提高以及人们行车安全意识的增
强，为了减少行车事故，确保行车安全，国家也公布了一系列的车灯配光检测的
标准，对汽车的远光照明和近光照明的发光强度和照射方向提出了明确的要求。
如何保证车辆快速、灵活地运行，并尽可能不造成或少造成社会公害等问题，已
逐渐被政府有关部门提上议事日程，这也直接促进了汽车诊断和检测技术的发展。
前照灯配光检测技术的研究一直是备受各车灯生产厂商关注的前沿课题。因此，
针对前照灯配光检测技术的研究具有十分重要的意义。
§1.3 课题研究背景
目前大多前照灯的配光检测设备生产效率还不够高，检测设备运行速度慢，
检测手段单一，设备灵活性较差，远远不能满足用户对产品多样化、改型以及轮
番生产等的需要，车灯的生产速度和质量影响了整车的生产速度，影响了整个汽
车工业的发展，从而影响中国在国际汽车制造领域内的竞争力。
传统的前照灯的远光检测大多利用远光光斑图形的对称性，利用上下、左右
对称分布的光电池对光轴中心进行检测。而由于近光光斑图形的非对称性，前照
灯近光检测通常利用图像分析的办法来获取明暗截止线拐点的位置[4,8]。
此类 CCD 摄像类前照灯配光检测仪对图像进行分析处理往往通过工控机上
应用软件来实现，结构复杂，需连接 CCD 摄像头视频线和计算机外设，且在工
控机上需外加图像采集卡和大型操作系统，因此该类前照灯配光检测仪造价较高，
故障率大，维护不方便。
目前市场上的前照灯配光检测设备的主流产品有：
1．利用 PC 机或工控机与图像采集卡构成的前照灯配光检测设备
此类设备采用图像采集卡进行图像的采集，用 PC 机或工控机作为上位机，
进行人机交互的操作，以及配备其他一些外围附加设备进行各种控制操作等。此
类设备的缺点是结构较复杂、体积庞大、稳定性差、维护不方便、价格比较昂贵。
2．基于 ARM 的嵌入式车灯配光综合检测设备
此类设备采用 ARM(Advanced RISC Machines)进行图像的处理，然后充分利
嵌入式系统在汽车前照灯配光检测系统中的应用
4
用ARM 配备一些外围设备完成车灯配光的综合检测。但是这种设备的主要缺点
是由于 ARM 的图像处理以及各种运算速度不够快，大大影响了检测的实时性。
3．基于 ARM 和DSP 的双核车灯配光综合检测设备
此类设备采用 ARM 作为上位机配备各种嵌入式操作系统进行人机交互和对
系统的控制；DSP(Digital Signal Processor)作为下位机，充分发挥了其处理速度快，
计算能力强的优势，专门负责图像的处理。此类设备体积小、成本低、实时性好、
稳定性好、可靠性高、升级维护方便。由于此类设备的研制正处于起步阶段，很
多技术还不够成熟。因此对此类设备的研制仍然有相当长的路要走。
基于此，为了减少行车事故，确保行车安全，汽车前照灯在出厂前，必须进
行配光检测。采取新的高效、简便的方法代替原有的检测手段就成了本课题的研
究目标。本课题将先进的嵌入式检测技术引入到这个领域，研制了新型的车灯配
光综合检测系统。此系统综合了前照灯远近光检测和车灯零件缺失检测设备，通
过对 CCD 摄入的前照灯远近光图像进行分析处理并自动检测前照灯远近光参数，
利用多个不同的接近开关来检测前照灯零件的缺失与否，实现车灯质量的柔性检
测，大大提高了系统的灵活性。
§1.4 课题研究内容
本课题的主要研究目标是将嵌入式技术与图像处理技术相结合，依靠嵌入式
微处理器的强大功能和丰富的片上资源，充分构建一个具有实用价值的嵌入式前
照灯配光检测系统。
DSP 数字信号处理器具有速度快，集成度高，接口方便；ARM 处理器具有
丰富的外围接口与控制功能；因此常把二者相结合应用于嵌入式系统中。本课题
利用 CCD 摄像头成像，采用 DSP 系统进行图像分析处理，
ARM 系统进行系统的
综合事务控制操作，实现一个前端一体化、处理数字化、系统集成化、检测自动
化的嵌入式车灯配光检测系统。
课题研究内容包括嵌入式系统的深入研究，设计基于数字图像处理技术的嵌
入式前照灯配光检测系统，构建以 DSP(TMS320DM642)和ARM(S3C2410A)嵌入
式核心模块为基础的硬件平台，利用 CCD 摄像机进行图像的采集，并结合视频
解码芯片对前照灯远近光图像进行 A/D 转换后送予 DM642 进行图像的分析与处
理，同时将检测结果参数通过 UART 传输给 ARM，ARM 通过外接的 LCD 显示
屏进行实时人机交互。同时可以将检测结果存储在 ARM 的外扩存储设备上，以
方便后续的分析与处理。图像的检测处理软件以 TI 的 CCS 为软件开发平台；
ARM
模块程序的开发是基于嵌入式实时多任务操作系统 Windows CE ，基于
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摘要前照灯作为汽车夜间照明的主要电气设备，对夜间行车安全有着至关重要的作用，不但要提供汽车夜间行驶足够的照明，而且要防止给迎面车辆和行人造成眩目，因而前照灯的质量检测显得尤为重要。目前大多前照灯的配光检测并不能满足用户对产品性能稳定性、操作方便以及轮番生产、长时间作业等的需要；因此，采取新的高效、简便的方法代替原有的检测手段就成了本课题的研究目标。本课题将先进的嵌入式检测技术引入到这个领域，研究了基于生产线检测的车灯配光检测系统。系统综合了前照灯远近光检测和车灯零件缺失检测设备。系统对摄入的前照灯远近光图像进行分析处理，自动检测前照灯远近光的各项参数，以调整前照灯至合适的位置；同时，利用多个接...
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