嵌入式系統(tǒng)的自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙劍鵬，鐘洪聲

（電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，成都611731）

引 言

汽車自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)是汽車安全系統(tǒng)的重要組成部分，它能根據(jù)轉(zhuǎn)向角和車速的變化自動調(diào)整前照燈光束照射方向，增加了汽車行駛前方的有效照射區(qū)域，從而提高駕駛員在夜間或能見度低的環(huán)境下的視覺范圍。

本設(shè)計(jì)采用了嵌入式技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，嵌入式技術(shù)不僅廣泛地應(yīng)用于汽車行業(yè)，而且在工業(yè)自動化、監(jiān)控系統(tǒng)、醫(yī)療儀器等領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用。

1 系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)

本文介紹的汽車前照燈轉(zhuǎn)向控制器主要是由FPGA、D／A轉(zhuǎn)換器、CAN總線控制器和電機(jī)驅(qū)動芯片等器件組成的。它的設(shè)計(jì)分為CAN總線控制器模塊和電機(jī)驅(qū)動模塊兩部分，由FPGA來控制并連接這兩個模塊。CAN總線控制器模塊實(shí)現(xiàn)接收CAN報(bào)文包消息，F(xiàn)PGA通過處理CAN報(bào)文包消息來控制電機(jī)驅(qū)動模塊使左右電機(jī)分別轉(zhuǎn)動。汽車前照燈轉(zhuǎn)向控制中心使用的是ARM9處理器，它主要處理相關(guān)傳感器的信息并根據(jù)相應(yīng)的自適應(yīng)算法計(jì)算出前照燈轉(zhuǎn)角角度。系統(tǒng)的架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 汽車自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)架構(gòu)

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 CAN總線結(jié)點(diǎn)控制器模塊

本模塊設(shè)計(jì)中的CAN總線結(jié)點(diǎn)控制器模塊主要是由FPGA、CAN總線控制器、CAN總線收發(fā)器和一些外圍電路實(shí)現(xiàn)的。CAN總線通信的核心是CAN總線控制器，由它完成CAN總線的通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的所有功能。CAN總線收發(fā)器按照BOSCH CAN總線標(biāo)準(zhǔn)將0或1邏輯信號轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的電平。本設(shè)計(jì)中選用了Microchip公司開發(fā)的CAN總線控制器MCP2510和CAN總線收發(fā)器MCP2551。CAN總線結(jié)點(diǎn)控制器模塊電路原理圖如圖2所示。

Microchip公司生產(chǎn)的MCP2510是一款控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN）協(xié)議控制器［1]，完全支持CAN總線V2.0A／B技術(shù)規(guī)范。該器件支持CAN1.2、CAN2.0A、主動和被動CAN2.0B等版本的協(xié)議，能夠發(fā)送和接收標(biāo)準(zhǔn)和擴(kuò)展報(bào)文。它還同時具備驗(yàn)收過濾以及報(bào)文管理功能。該器件包含三個發(fā)送緩沖器和兩個接收緩沖器，減少了單片機(jī)（MCU）的管理負(fù)擔(dān)。MCU的通信是通過行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)串行外設(shè)接口（SPI）來實(shí)現(xiàn)的，其數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)5Mb／s。

圖2 CAN總線結(jié)點(diǎn)控制器模塊電路原理圖

2.2 電機(jī)驅(qū)動模塊

本模塊設(shè)計(jì)主要由FPGA、D／A轉(zhuǎn)換器、電機(jī)功率驅(qū)動器組成［2－3]，通過FPGA控制D／A轉(zhuǎn)換器、電機(jī)功率驅(qū)動器實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動技術(shù)，從而完成對步進(jìn)電機(jī)的控制。本設(shè)計(jì)中的D／A轉(zhuǎn)換器選用Maxim公司開發(fā)的MAX506，電機(jī)功率驅(qū)動器選用NS公司開發(fā)的LMD18245，實(shí)現(xiàn)兩個步進(jìn)電機(jī)的功率驅(qū)動及電流控制，完成對汽車兩個前照燈的智能轉(zhuǎn)向。

LMD18245是NS公司生產(chǎn)的DMOS全橋功率放大器，其內(nèi)部集成了驅(qū)動和控制有刷直流電機(jī)或單相雙極性步進(jìn)電機(jī)的所有電路模塊。該器件在同一芯片中組合應(yīng)用了雙極、CMOS控制、保護(hù)電路和DMOS功率開關(guān)等多種技術(shù)，并可通過固定關(guān)斷時間技術(shù)來控制電機(jī)的電流。

圖3［4]為LMD18245芯片的電路連接圖。一共用了4塊這種芯片組成一個雙步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動。在圖3中連接RC端的電容和電阻構(gòu)成了一個單穩(wěn)態(tài)網(wǎng)絡(luò)，它的寬度取決于RC端與地之間的RC網(wǎng)絡(luò)，關(guān)斷時間為1.1RC。當(dāng)A1＋、A1－連接的電機(jī)線圈內(nèi)的電流達(dá)到（VrefA×D／16）／［（250×10－6）Rs] 安培時，出現(xiàn)斷路。其中D是由M1～M4給定的十進(jìn)制數(shù)。本設(shè)計(jì)中的VrefA端輸入電壓最大為5V，接在CS OUT端的電阻Rs為40kΩ，所以步進(jìn)電機(jī)的最大電流限定為0.5A，滿足本設(shè)計(jì)使用的42BYGH4604步進(jìn)電機(jī)的額定電流。電路中DIR是電流方向控制信號，BRAKE是關(guān)斷信號，DAC REF、M1、M2、M3和M4是內(nèi)置4位D／A轉(zhuǎn)換器的參考電壓和數(shù)字輸入信號。

圖3 功率驅(qū)動器的電路連接圖

圖4為D／A轉(zhuǎn)換芯片MAX506的電路連接圖，MAX506是4路8位電壓輸出的數(shù)／模轉(zhuǎn)換器（DAC）。MAX506提供了4路DAC各自獨(dú)立的輸入鎖存器，輸入數(shù)據(jù)從一個共用的8位輸入端口傳輸?shù)捷斎腈i存器。MAX506通過地址輸入A0和A1選擇DAC，并通過拉低WR電平信號來更新。電路中的VrefA、VrefB、VrefC、VrefD為4片LMD18245提供DAC REF的參考電壓。

圖4 D／A轉(zhuǎn)換電路連接圖

3 軟件設(shè)計(jì)

本文中MCP2510主要采取中斷模式進(jìn)行總線數(shù)據(jù)的接收。整個系統(tǒng)主程序只提供了一種中斷，首先對MCP2510發(fā)送復(fù)位指令使它復(fù)位，然后使其進(jìn)入Configuration模式進(jìn)而對它進(jìn)行初始化，即對各個相應(yīng)的寄存器賦初始值，設(shè)定MCP2510的波特率、發(fā)送標(biāo)識符、接收標(biāo)識符、報(bào)文驗(yàn)收濾波器及屏蔽寄存器，完成初始化后將其置為Normal模式，進(jìn)入等待接收數(shù)據(jù)狀態(tài)。

電機(jī)驅(qū)動模塊電路程序的設(shè)計(jì)主要有三部分：兩個循環(huán)加減計(jì)數(shù)器、兩個ROM IP核和4路復(fù)用D／A轉(zhuǎn)換器的片選信號發(fā)生單元。ROM是用ISE提供的IP核來實(shí)現(xiàn)，對24MHz系統(tǒng)時鐘進(jìn)行分頻得到D／A轉(zhuǎn)換器的片選信號，然后對4個端口進(jìn)行掃描，就可以達(dá)到分時復(fù)用的目的。

汽車前照燈轉(zhuǎn)向控制中心主要對各汽車傳感器信號進(jìn)行接收，并根據(jù)汽車自適應(yīng)前照燈的原理實(shí)現(xiàn)它的相關(guān)控制算法，然后發(fā)送控制信號給汽車前照燈轉(zhuǎn)向控制器，使它控制前照燈實(shí)現(xiàn)智能轉(zhuǎn)向。

在汽車中，汽車速度V和安全停車視距S的數(shù)學(xué)關(guān)系如表1所列。

表1 汽車速度和停車視距［5]

根據(jù)表中的數(shù)據(jù)，得到汽車速度與停車視距間的擬合數(shù)學(xué)關(guān)系如下［5]：

當(dāng)汽車轉(zhuǎn)彎時，汽車前照燈轉(zhuǎn)向控制中心根據(jù)汽車轉(zhuǎn)彎半徑和速度計(jì)算出前照燈的轉(zhuǎn)動角度。然后汽車前照燈轉(zhuǎn)向控制器通過控制步進(jìn)電機(jī)來執(zhí)行前照燈的轉(zhuǎn)向。停車視距與轉(zhuǎn)彎半徑的幾何關(guān)系圖如圖5［5]所示。

圖5 停車視距與轉(zhuǎn)彎半徑的幾何關(guān)系圖

圖5中，R（單位為m）是汽車轉(zhuǎn)彎半徑；θh（單位為度）是前照燈的水平方向轉(zhuǎn)動角度；S（單位為m）是停車視距。停車視距的計(jì)算公式［5]為：

在實(shí)際情況下，轉(zhuǎn)彎半徑不容易獲取，所以通常通過汽車前輪轉(zhuǎn)向角度來代替汽車轉(zhuǎn)彎半徑。根據(jù)阿克曼幾何轉(zhuǎn)向原理，汽車前輪轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)彎半徑的關(guān)系［5]如下：

式中，D（單位為m）為汽車軸距；δ（單位為°）為前輪轉(zhuǎn)角角度。結(jié)合式（1）～（3），可以得到θh的計(jì)算公式［5]：

假設(shè)汽車的軸距為2.812m，得到如圖6所示的前照燈轉(zhuǎn)角角度、前輪轉(zhuǎn)角角度和汽車速度的關(guān)系圖。

圖6 前照燈轉(zhuǎn)角、前輪轉(zhuǎn)角和汽車速度的關(guān)系圖

4 系統(tǒng)測試

測試中汽車前照燈轉(zhuǎn)向控制中心通過收集汽車速度和方向盤轉(zhuǎn)角傳感器信號計(jì)算出前照燈轉(zhuǎn)角角度，然后向汽車前照燈轉(zhuǎn)向控制器發(fā)送控制信號。由于汽車前照燈要求轉(zhuǎn)動的角度較小，最大轉(zhuǎn)動角度只有15°，所以很容易達(dá)到響應(yīng)速度的要求。測試表明，前照燈轉(zhuǎn)角角度誤差較小，滿足系統(tǒng)要求。

［1] 楊慶華，張景元.單片機(jī)和MCP2510的CAN總線通信模塊設(shè)計(jì)［J] .單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2007（3）.

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