基于CAN總線的汽車智能LED點陣燈的設計與仿真＊

陸恒輝，李曉帥，龔精武，范書文，李英潔

基于CAN總線的汽車智能LED點陣燈的設計與仿真＊

陸恒輝，李曉帥，龔精武，范書文，李英潔

（合肥工業大學 汽車與交通工程學院，安徽 合肥 230009）

設計了以嵌入式FPGA結合CAN總線的LED智能點陣燈系統，并用3D建模軟件和燈光仿真軟件進行了光線追跡。嵌入式FPGA在汽車上應用越來越多，且汽車本身搭載CAN總線系統，結合FPGA和CAN總線設計車燈不失為一種更好的嘗試，而LED大燈本身逐漸取代了鹵素燈、疝氣燈。LED點陣燈能彌補傳統大燈亮度上的不足，利用其本身優勢滿足人們對更安全、更智能、更美觀燈的需要。

FPGA；智能車燈控制；CAN總線；燈光仿真

全球60%的交通事故于晚上發生，22%的交通事故原因是能見度不良，排除不良駕駛的人為因素，我們不得不提及汽車照明本身對安全的影響。目前大多數車燈是鹵素燈，光源暗黃發散，功能單一，不能很好地適應突發事件和不良路況。

1 項目總體設計

本項目設計一款基于FPGA控制的汽車LED點陣燈，在PC端模擬車載主動安全模塊輸入數據，將信號通過CAN總線傳入FPGA，進而對LED點陣車燈進行點亮，以模擬實現照亮夜間行車視野盲區，遠近光智能切換，信號燈智能點亮的功能，并且光照強度在仿真中滿足國家標準。整體結構如圖1所示，由FPGA控制模塊、驅動電路模塊、LED前照燈設計仿真驗證組成。

圖1 整體結構圖

2 車燈功能實現

2.1 環境變化引起的遠光燈

外界光照環境的變化可以通過光敏傳感器來感知，當光照增強時，光敏電阻阻值變小。外界傳感器將此信息傳遞給CPU，CPU進而處理信息。本項目采用了PID算法，通過PID算法的調節輸出PWM波來控制汽車的遠光燈，進而將外界環境的亮度控制在某一值。此外，車速也能改變遠光燈的亮度，車速的感知可以通過霍爾效應傳感器。當車速超過100 km/h時，汽車處于高速模式下，通過PWM調節遠光燈的亮度，使照明視野范圍更廣、更清晰。

2.2 遠近光切換

會車時，當車與車之間的距離為 90～110 m范圍內，而車與車之間的距離需通過圖像識別的方式來測量，一般采用雙目測距的方法。當車與車的距離過于接近時，前照燈需由遠光燈自動切換為近光燈，會車后會自動切換回遠光燈。

2.3 左右視野盲區

在夜間行車時并且遇到轉彎的情況可根據汽車輪子的轉動角度來使轉向側的輔助照明燈點亮，使駕駛員能看清轉彎的路面情況。汽車輪子的轉動角度信息可由陀螺儀傳感器獲得。

2.4 智能信號燈

利用汽車上的圖像傳感器檢測前方的行人，當檢測到前方有行人經過時，此時汽車自動打開雙閃燈，進而提醒行人。而在雨天時，可根據雨量決定是否自動打開車距燈以及根據雨量的大小調節車距燈的亮度。

3 硬件部分設計

3.1 處理器選取

項目采用正點原子的開拓者FPGA開發板，型號為EP4CE10，自帶由CAN接口。在本項目中，采用的是以NIOS 2軟核為核心的CPU技術開發CAN通信。NIOS Ⅱ/f其具有最高的系統性能，足夠處理外界多變的環境信息。而CAN控制的ip核是用opencore開源網站獲取的，其仿照了SJA1000。SJA1000 是一種獨立控制器，用于CAN總線的通信。

3.2 電路模塊

3.2.1 控制電路

本次項目中控制電路需增設外電源，經查閱相關資料，獲悉了三極管電路、譯碼器電路及繼電器共三種解決方案。最后經比較電路難易程度及焊接的簡便性，選擇了電磁繼電器作為外電源驅動電路核心。

3.2.2 驅動電路

驅動電路的關鍵在于驅動芯片的選擇，不外乎三個條件：①芯片支持的電壓及恒流輸出所能提供電流范圍，確保能夠為所選燈珠提供可控的電源；②為保證燈珠電路穩定工作[1]，芯片架構出的恒流電路的穩定性及抗干擾性是需要進行甄別挑選的；③在前者基礎上，盡可能選擇電路簡單、電路相關器件易得且焊接簡單的驅動模塊[2]。

日行及轉向部分的芯片選用了RICON公司的芯片R1218N021A。該芯片為可利用PWM控制的升壓型DC/DC變換器所構成的集成電路，功能方面主要作用于驅動白色LED燈珠。芯片內部包含NMOS FET、振蕩器、PWM比較器、電壓基準單元、誤差放大器、電流限制、欠壓鎖定模塊（UVLO）以及保護器件所必要的過壓保護部分（OVP）。進入CE引腳的PWM信號為實現調光控制所需條件。最大占空比內部固定，類型91%～92%。芯片穩定類型1.8~5.5 V輸入。保護電路部分包括峰值電流的電流、輸出的過壓極限和欠壓閉鎖功能。圖2是我方依據驅動芯片做出的電路圖，通過改變1及輸入電壓的大小便可以很方便地對輸出電壓及電流進行控制。

圖2 信號燈驅動電路

遠近光的驅動芯片選用了德州儀器公司的TPS61500. TPS61500內含低側開關場效應晶體管，可用于驅動多個高亮度燈珠的串聯。晶體管為3 A/40 V類型。該裝置通過內部電流模式脈寬調制控制調節200 mV的FB引腳電壓。電容與電感輪流提供能量。外部補償網絡連接到COMP引腳，以優化反饋回路的穩定性和瞬態響應。電路結構如圖3所示。DIMC引腳的電容器可用于模擬調光[3]，并且LED電流與外部PWM信號的占空比成部分線性變化。DIMC引腳懸空時，器件設定為純PWM調光，此時可通過CE引腳進行調節，平均LED電流=PWM信號占空比×LED電流。

圖3 遠近光燈驅動電路

4 軟件部分設計

為了實現該車燈的控制程序在汽車上有更好的功能性和適用性，使用FPGA作為原型開發，開發軟件為Altera的Quartus。而為了模擬外界復雜的情況以及簡化程序的驗證，通過PC傳輸CAN協議給FPGA開發板，作為開發板的輸入。車燈控制的整體框架如圖4所示。當給模塊上電后，首先會對各個參數進行初始化設置并準備接收來自外界的信號，從而實現智能車燈、智能LED點陣燈等功能。

圖4 車燈控制整體框架圖

5 車燈仿真

圖5為燈光仿真結果，左上方為距離近光燈25 m處豎直放置的一塊屏幕上的輻照度分析圖。燈光的分布情況基本滿足國家不對稱標準。左半部分設計成為水平直射光，這是考慮到道路左側會有迎向駛來的車輛，過強的燈光照射會對對面駕駛員產生眩暈影響，引發事故。光線的右半部分為一個斜向上的15°的明暗截止線，且光線輻照強度均勻。道路右側沒有迎面駛來的車輛，不會使前方其他駕駛員產生眩暈的感覺，而且因為右側為道路邊界，需要良好的照明。

圖5中的右上方圖為道路照度模擬分析圖，采用的方法是模擬建造一段道路，模擬現實中車燈與道路的位置關系，然后用tracepro進行光線仿真，進行模擬路面輻照度分析，觀測光線分布情況。同樣下方為遠光燈輻照度分析。

從仿真結果可以看出，近光燈照射距離小，且右側光線照射遠，可滿足右側需要充足光線照射的要求。左側光線照射的近，且水平以上的光線被截去，很好地達到了防眩光的目的。遠光照射距離足夠遠，基本滿足照射要求。

圖5 遠光燈輻照度分析

6 結語

本文利用LED燈體積小、亮度高、方便調節的優勢，設計了一種基于FPGA和CAN總線控制的LED點陣燈，實現了遠近光智能切換、夜間輔助照明、智能信號燈點亮的功能，并對設計的點陣燈模型加以光源，用tracepro軟件光線追跡，仿真后滿足國家不對稱配光標準。LED點陣燈因其功能性和美觀性更為人們所接受，能給駕駛員提供更安全舒適的視野。

［1］吳露露.淺談汽車LED前照燈設計方法及流程［J］.設計研究，2018（23）：105-107.

［2］劉攀，雷旭，初翔杰，等.汽車LED前照燈驅動電路設計方案［J］.設計研究，2018（13）：128-130.

［3］蘭金耀，楊才生.基于環境的可調亮度汽車自適應前照燈系統［J］.設計研究，2019（12）：57-59.

U463.65

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.12.056

2095－6835（2020）12－0127－02

合肥工業大學2019年省級大學生創新創業訓練計劃項目“汽車多功能組合LED點陣燈”資助（編號：S201910359268）

陸恒輝（1998—），男，本科在讀。

〔編輯：王霞〕