基于CPLD 的超聲波倒車預(yù)警系統(tǒng)的研究

徐旭，陳嘉鵬

（中科芯集成電路有限公司，江蘇無錫 214072）

隨著社會(huì)的發(fā)展，汽車走進(jìn)了千家萬戶，汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展讓人們的生活變得更加便捷的同時(shí)，交通事故的發(fā)生也屢見不鮮。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年交通事故造成的死亡人數(shù)高達(dá)10萬人以上，而在這些交通事故當(dāng)中，因倒車而引發(fā)的交通事故就占一半以上[1]。目前市面上的一些中高檔汽車基本都配備了倒車影像雷達(dá)，可以在倒車時(shí)給駕駛員提供直觀、準(zhǔn)確的車輛后方障礙信息，但這種裝備成本較高，對(duì)于低端車輛，例如小型貨運(yùn)車輛并不適用。但近年來，小型貨車在倒車過程中發(fā)生意外，造成人員生命財(cái)產(chǎn)損失的事件時(shí)有發(fā)生，因此，有必要研發(fā)一種適合小型貨運(yùn)車輛的倒車預(yù)警系統(tǒng)。超聲波由于其能量集中、指向性強(qiáng)、較好的抗干擾能力等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于測(cè)距領(lǐng)域[2-3]。文中基于CPLD 設(shè)計(jì)了一種超聲波倒車預(yù)警系統(tǒng)，經(jīng)驗(yàn)證，該系統(tǒng)可以有效對(duì)倒車過程中的障礙物距離進(jìn)行測(cè)量，并進(jìn)行相應(yīng)報(bào)警提示，提高車輛安全系數(shù)。

1 超聲波測(cè)距原理

超聲波測(cè)距的原理是利用超聲波發(fā)射探頭發(fā)出超聲波，在聲波發(fā)射的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波傳播過程中如果遇到障礙物會(huì)發(fā)生反射，反射波一旦被接收探頭識(shí)別，就立即停止計(jì)時(shí)[4]。由于一定條件下聲速v是確定的，所以只要知道超聲波傳播的時(shí)間t，就可以得出超聲波發(fā)射點(diǎn)和障礙物之間的距離s為：

超聲波作為一種聲波，其傳播速度受溫度的影響，溫度每升高1 ℃，聲速將增大約0.6 m/s[5-6]。為了提高系統(tǒng)的測(cè)量精度，對(duì)溫度的影響進(jìn)行了補(bǔ)償，已知環(huán)境溫度為T，則超聲波的傳播速度為：

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

現(xiàn)有的超聲波測(cè)距系統(tǒng)一般都采用單片機(jī)作為主控芯片，受單片機(jī)工作頻率偏低以及執(zhí)行指令時(shí)長(zhǎng)難以準(zhǔn)確估算的限制，系統(tǒng)測(cè)距結(jié)果的準(zhǔn)確性很難得到保證[7-9]。利用FPGA 作為主控芯片可以有效提高計(jì)時(shí)精度，但成本較高，不利于推廣[10-11]。鑒于以上考慮，該系統(tǒng)采用價(jià)格較為適中，但工作頻率較高，并且以能并行運(yùn)行的CPLD 作為主控制器，提高了性價(jià)比。超聲波倒車預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示，主要包括CPLD 控制芯片、超聲波傳感器、數(shù)碼管顯示模塊、聲光報(bào)警模塊、溫度檢測(cè)模塊。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 CPLD控制電路

CPLD控制電路主要由六部分組成：EPM240T100C5主控芯片、電源電路、時(shí)鐘電路、JTAG 下載調(diào)試電路、USB 轉(zhuǎn)串口電路、按鍵電路，原理圖如圖2 所示。

圖2 CPLD控制電路

EPM240T100C5 是Altera 公司生產(chǎn)的一款低成本、低功耗的CPLD 芯片，工作電壓的范圍為2.5～3.3 V，擁有80 個(gè)IO 口，可以滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要。系統(tǒng)由USB 接口供電，使用方便并且支持熱插拔，USB接口輸入的電壓經(jīng)AMS1117-3.3 低壓差線性穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的3.3 V 電壓，為了方便后續(xù)系統(tǒng)功能擴(kuò)展，還通過USB 轉(zhuǎn)串口芯片CH340G 預(yù)留了串口通信功能。系統(tǒng)時(shí)鐘由50 MHz 有源晶振提供，計(jì)時(shí)精度可達(dá)20 ns。

3.2 超聲波測(cè)距模塊

為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，超聲波測(cè)距模塊采用的是HCSR04 超聲波傳感器，該傳感器的探測(cè)范圍為2～450 cm。該模塊使用方便，只有VCC、GND、TRIG、ECHO 四個(gè)引腳，其接線原理圖如圖3 所示，VCC 接5 V，GND 接地，TRIG 引腳內(nèi)部有10 kΩ上拉電阻，測(cè)量時(shí)通過CPLD 的IO 口先將TRIG 引腳拉低，再提供一個(gè)10 μs 以上的脈沖信號(hào)，傳感器將自動(dòng)發(fā)送8 個(gè)頻率為40 kHz 的方波，激勵(lì)換能器發(fā)射超聲波，實(shí)際使用時(shí)高電平保持40～50 μs 效果最佳。接收到回波信號(hào)后，傳感器將通過ECHO 引腳輸出一個(gè)高電平給CPLD，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的間隔時(shí)間。HC-SR04 超聲波傳感器工作的時(shí)序圖如圖4 所示。

圖3 HC-SR04模塊接線原理圖

圖4 HC-SR04模塊工作時(shí)序圖

3.3 溫度檢測(cè)模塊

由式（2）可知，聲速受溫度的影響，為了提高超聲波倒車預(yù)警系統(tǒng)的測(cè)量精度，對(duì)聲速進(jìn)行了溫度補(bǔ)償。溫度檢測(cè)模塊采用的是美國(guó)Dallas 公司生產(chǎn)的DS18B20溫度傳感器,該傳感器的測(cè)溫范圍為-55～125 ℃，測(cè)量誤差不超過±0.5 ℃[12-13]。DS18B20 傳感器具有精度高、智能化、體積小、線路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，采用單總線協(xié)議，即與CPLD 接口僅需占用一個(gè)I/O 端口，簡(jiǎn)化了傳感器與CPLD 的接口設(shè)計(jì)的同時(shí)提高了抗干擾性。該傳感器能夠直接讀取溫度測(cè)量值，用戶可以根據(jù)實(shí)際需要，通過編程設(shè)置測(cè)量分辨率，其分辨率范圍為9～12 位。DS18B20 有寄生電源供電和外部電源供電兩種供電方式，為了保證轉(zhuǎn)換精度，系統(tǒng)通過外部電源給DS18B20 傳感器供電。溫度檢測(cè)模塊的接線原理圖如圖5 所示。

圖5 溫度檢測(cè)模塊接線原理圖

3.4 顯示和聲光報(bào)警模塊

常用的顯示設(shè)備有LCD 液晶顯示器、數(shù)碼管等，其中LCD 液晶顯示器雖然功耗低，但在工作環(huán)境光線較強(qiáng)的情況下難以看清顯示內(nèi)容[14-15]，如果應(yīng)用在倒車預(yù)警系統(tǒng)中會(huì)影響系統(tǒng)的安全性。因此超聲波倒車預(yù)警系統(tǒng)采用顯示更加清晰，并且價(jià)格相對(duì)便宜的數(shù)碼管來顯示測(cè)距結(jié)果。顯示模塊的原理圖如圖6 所示，4 位數(shù)碼管采用共陽極連接，用NPN 三極管作為開關(guān)控制位選信號(hào)，當(dāng)基極為高電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，輸出高電平，如對(duì)Q1 而言，當(dāng)SEL0_T 為高電平時(shí)，選通數(shù)碼管D1。

聲光報(bào)警模塊由有源蜂鳴器和不同顏色的發(fā)光二極管組成，為了更好地提示駕駛員障礙物當(dāng)前的危險(xiǎn)系數(shù)，系統(tǒng)將測(cè)距范圍設(shè)定為四個(gè)安全等級(jí)（一級(jí)：大于3 m，二級(jí)：2～3 m，三級(jí)：1～2 m，四級(jí)：小于1 m），由CPLD 根據(jù)不同的安全級(jí)別輸出不同頻率的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使蜂鳴器發(fā)出報(bào)警，同時(shí)驅(qū)動(dòng)不同顏色的發(fā)光二極管發(fā)光（一級(jí)：指示燈均不亮，二級(jí)：綠燈亮，三級(jí)：黃燈亮：四級(jí)：紅燈亮），由于有源蜂鳴器的工作電流較大，通過三極管Q5 設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的放大電路。聲光報(bào)警模塊原理圖如圖6 所示。

圖6 顯示和聲光報(bào)警模塊

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件的總體架構(gòu)采用自頂向下的模塊化設(shè)計(jì)方法,開發(fā)環(huán)境為QuartusⅡ，采用Verilog HDL 硬件描述語言進(jìn)行設(shè)計(jì)[16]。CPLD 芯片內(nèi)部模塊主要包括：按鍵檢測(cè)模塊、超聲波觸發(fā)模塊、回波檢測(cè)模塊、計(jì)時(shí)模塊、聲速校正模塊、距離計(jì)算模塊、數(shù)碼管顯示模塊、聲光報(bào)警模塊。

為了降低代碼復(fù)雜程序，使用狀態(tài)機(jī)來進(jìn)行代碼編寫，根據(jù)輸出是否與輸入有關(guān)，可以將狀態(tài)機(jī)分為摩爾型和米利型，其模型分別如圖7 和圖8 所示，系統(tǒng)采用摩爾型狀態(tài)機(jī)，其輸出只取決于當(dāng)前狀態(tài)，穩(wěn)定性更好。狀態(tài)機(jī)根據(jù)相應(yīng)的控制信號(hào)跳轉(zhuǎn)到不同的狀態(tài)，由于CPLD 內(nèi)部提供較多的組合邏輯，代碼采用格雷碼對(duì)不同的狀態(tài)進(jìn)行編碼，格雷碼雖然使用較多的組合邏輯，但節(jié)省了寄存器。

圖7 摩爾型狀態(tài)機(jī)模型

圖8 米利型狀態(tài)機(jī)模型

系統(tǒng)啟動(dòng)后，開始檢測(cè)按鍵是否被按下，如果按鍵按下，表示開始倒車，此時(shí)超聲波觸發(fā)模塊驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器發(fā)出超聲波，當(dāng)回波檢測(cè)模塊檢測(cè)到高電平時(shí)，計(jì)數(shù)模塊開始計(jì)數(shù)，高電平結(jié)束立即停止計(jì)數(shù)，超聲波傳播時(shí)間t=N/f，其中N為計(jì)數(shù)值，f為系統(tǒng)時(shí)鐘頻率。已知傳播時(shí)間t和校正后的聲速v，根據(jù)式（1）就可以計(jì)算出障礙物距離，再通過顯示模塊驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示測(cè)量結(jié)果。報(bào)警模塊根據(jù)距離大小，控制蜂鳴器發(fā)出不同頻率的提示音，同時(shí)點(diǎn)亮相應(yīng)顏色發(fā)光二極管。系統(tǒng)流程圖如圖9 所示。

圖9 系統(tǒng)流程圖

5 實(shí)驗(yàn)及分析

為了驗(yàn)證超聲波倒車預(yù)警系統(tǒng)的測(cè)量精度，對(duì)其進(jìn)行了實(shí)測(cè)，實(shí)驗(yàn)記錄了12 次測(cè)量結(jié)果，如表1 所示，其中，實(shí)際值是用鋼制卷尺多次測(cè)量得到的平均值。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，該文所設(shè)計(jì)的超聲波倒車預(yù)警系統(tǒng)的測(cè)量范圍在2～450 cm，在10～450 cm 量程之間，測(cè)量結(jié)果的相對(duì)誤差在5%以內(nèi)，能夠滿足實(shí)際需要。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

6 結(jié)論

該文在綜合分析了現(xiàn)有倒車預(yù)警系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將CPLD 和超聲波測(cè)距技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種適用于小型貨運(yùn)車輛的超聲波倒車預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用CPLD 作為主控芯片，利用HC-SR04 傳感器發(fā)送接收超聲波信號(hào)，并具有溫度補(bǔ)償功能，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)復(fù)雜度的同時(shí)提高了測(cè)量精度。倒車過程中，當(dāng)檢測(cè)到車輛后方有障礙物時(shí)，系統(tǒng)會(huì)通過數(shù)碼管顯示障礙物當(dāng)前距離，并根據(jù)距離大小發(fā)出相應(yīng)的聲光報(bào)警。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)能滿足實(shí)際需要，性價(jià)比高，具有一定的推廣價(jià)值。