嵌入式系統的自適應前照燈系統設計

摘要：為了改善駕駛員在夜間或能見(jiàn)度較低環(huán)境下的視野范圍，提高行駛的安全性，介紹了一種基于嵌入式系統的汽車(chē)自適應前照燈系統的設計方案。此系統中的前照燈控制器采用FPGA來(lái)控制CAN總線(xiàn)控制器、數/模轉換器和全橋電機驅動(dòng)器等器件來(lái)實(shí)現接收方向盤(pán)轉角信號，并使電機運行帶動(dòng)前照燈的轉向。自適應前照燈系統控制中心使用的是ARM9處理器。該設計方案滿(mǎn)足要求，已經(jīng)在項目中獲得了良好的應用效果。

引言

汽車(chē)自適應前照燈系統是汽車(chē)安全系統的重要組成部分，它能根據轉向角和車(chē)速的變化自動(dòng)調整前照燈光束照射方向，增加了汽車(chē)行駛前方的有效照射區域，從而提高駕駛員在夜間或能見(jiàn)度低的環(huán)境下的視覺(jué)范圍。

本設計采用了嵌入式技術(shù)來(lái)實(shí)現，嵌入式技術(shù)不僅廣泛地應用于汽車(chē)行業(yè)，而且在工業(yè)自動(dòng)化、監控系統、醫療儀器等領(lǐng)域也有廣泛應用。

1 系統原理設計

本文介紹的汽車(chē)前照燈轉向控制器主要是由FPGA、D/A轉換器、CAN總線(xiàn)控制器和電機驅動(dòng)芯片等器件組成的。它的設計分為CAN總線(xiàn)控制器模塊和電機驅動(dòng)模塊兩部分，由FPGA來(lái)控制并連接這兩個(gè)模塊。CAN總線(xiàn)控制器模塊實(shí)現接收CAN報文包消息，FPGA通過(guò)處理CAN報文包消息來(lái)控制電機驅動(dòng)模塊使左右電機分別轉動(dòng)。汽車(chē)前照燈轉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相應的自適應算法計算出前照燈轉角角度。系統的架構圖如圖1所示。

2 硬件設計

2.1 CAN總線(xiàn)結點(diǎn)控制器模塊

本模塊設計中的CAN總線(xiàn)結點(diǎn)控制器模塊主要是由FPGA、CAN總線(xiàn)控制器、CAN總線(xiàn)收發(fā)器和一些外圍電路實(shí)現的。CAN總線(xiàn)通信的核心是CAN總線(xiàn)控制器，由它完成CAN總線(xiàn)的通信協(xié)議，實(shí)現物理層和數據鏈路層的所有功能。CAN總線(xiàn)收發(fā)器按照BOSCH CAN總線(xiàn)標準將0或1邏輯信號轉換為標準中規定的電平。本設計中選用了Microchip公司開(kāi)發(fā)的CAN總線(xiàn)控制器MCP2510和CAN總線(xiàn)收發(fā)器MCP2551。CAN總線(xiàn)結點(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，完全支持CAN總線(xiàn)V2.0 A/B技術(shù)規范。該器件支持CAN1.2、CAN2.0A、主動(dòng)和被動(dòng)CAN2.0B等版本的協(xié)議，能夠發(fā)送和接收標準和擴展報文。它還同時(shí)具備驗收過(guò)濾以及報文管理功能。該器件包含三個(gè)發(fā)送緩沖器和兩個(gè)接收緩沖器，減少了單片機(MCU)的管理負擔。MCU的通信是通過(guò)行業(yè)標準串行外設接口(SPI)來(lái)實(shí)現的，其數據傳輸速率高達5 Mb/s。

圖2中

、SO、SI、SCK、

接口與FPGA引腳接口相連，FPGA通過(guò)與

、SO、SI、SCK相連的引腳實(shí)現SPI接口，并與MCP2510中斷信號接口INT結合來(lái)完成對MCP2510的控制。CANH和CANL連接到CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中。

2.2 電機驅動(dòng)模塊

本模塊設計主要由FPGA、D/A轉換器、電機功率驅動(dòng)器組成，通過(guò)FPGA控制D/A轉換器、電機功率驅動(dòng)器實(shí)現步進(jìn)電機的細分驅動(dòng)技術(shù)，從而完成對步進(jìn)電機的控制。本設計中的D/A轉換器選用Maxim公司開(kāi)發(fā)的MAX506，電機功率驅動(dòng)器選用NS公司開(kāi)發(fā)的LMD18245，實(shí)現兩個(gè)步進(jìn)電機的功率驅動(dòng)及電流控制，完成對汽車(chē)兩個(gè)前照燈的智能轉向。

LMD18245是NS公司生產(chǎn)的DMOS全橋功率放大器，其內部集成了驅動(dòng)和控制有刷直流電機或單相雙極性步進(jìn)電機的所有電路模塊。該器件在同一芯片中組合應用了雙極、CMOS控制、保護電路和DMOS功率開(kāi)關(guān)等多種技術(shù)，并可通過(guò)固定關(guān)斷時(shí)間技術(shù)來(lái)控制電機的電流。

圖3為LMD18245芯片的電路連接圖。一共用了4塊這種芯片組成一個(gè)雙步進(jìn)電機驅動(dòng)。在圖3中連接RC端的電容和電阻構成了一個(gè)單穩態(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(shí)間為1.1RC。當A1+、A1+連接的電機線(xiàn)圈內的電流達到(VrefA×D/16)/[(250×10-6)Rs]安培時(shí)，出現斷路。其中D是由M1～M4給定的十進(jìn)制數。本設計中的VrefA端輸入電壓最大為5 V，接在CS OUT端的電阻Rs為40 kΩ，所以步進(jìn)電機的最大電流限定為0.5 A，滿(mǎn)足本設計使用的42BYGH4604步進(jìn)電機的額定電流。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是內置4位D/A轉換器的參考電壓和數字輸入信號。

圖4為D/A轉換芯片MAX506的電路連接圖，MAX506是4路8位電壓輸出的數/模轉換器(DAC)。MAX506提供了4路DAC各自獨立的輸入鎖存器，輸入數據從一個(gè)共用的8位輸入端口傳輸到輸入鎖存器。MAX506通過(guò)地址輸入A0和A1選擇DAC，并通過(guò)拉低WR電平信號來(lái)更新。電路中的VrefA、VrefB、VrefC、VrefD為4片LMD18245提供DAC REF的參考電壓。

3 軟件設計

本文中MCP2510主要采取中斷模式進(jìn)行總線(xiàn)數據的接收。整個(gè)系統主程序只提供了一種中斷，首先對MCP2510發(fā)送復位指令使它復位，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(gè)相應的寄存器賦初始值，設定MCP2510的波特率、發(fā)送標識符、接收標識符、報文驗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)入等待接收數據狀態(tài)。

電機驅動(dòng)模塊電路程序的設計主要有三部分：兩個(gè)循環(huán)加減計數器、兩個(gè)ROM IP核和4路復用D/A轉換器的片選信號發(fā)生單元。ROM是用ISE提供的IP核來(lái)實(shí)現，對24MHz系統時(shí)鐘進(jìn)行分頻得到D/A轉換器的片選信號，然后對4個(gè)端口進(jìn)行掃描，就可以達到分時(shí)復用的目的。

汽車(chē)前照燈轉向控制中心主要對各汽車(chē)傳感器信號進(jìn)行接收，并根據汽車(chē)自適應前照燈的原理實(shí)現它的相關(guān)控制算法，然后發(fā)送控制信號給汽車(chē)前照燈轉向控制器，使它控制前照燈實(shí)現智能轉向。

在汽車(chē)中，汽車(chē)速度V和安全停車(chē)視距S的數學(xué)關(guān)系如表1所列。

根據表中的數據，得到汽車(chē)速度與停車(chē)視距間的擬合數學(xué)關(guān)系如下：

S=0.0015V3+0.21V2+0.6821V+10.0122 (1)

當汽車(chē)轉彎時(shí)，汽車(chē)前照燈轉向控制中心根據汽車(chē)轉彎半徑和速度計算出前照燈的轉動(dòng)角度。然后汽車(chē)前照燈轉向控制器通過(guò)控制步進(jìn)電機來(lái)執行前照燈的轉向。停車(chē)視距與轉彎半徑的幾何關(guān)系圖如圖5所示。

圖5中，R(單位為m)是汽車(chē)轉彎半徑;θh(單位為度)是前照燈的水平方向轉動(dòng)角度;S(單位為m)是停車(chē)視距。停車(chē)視距的計算公式為：

在實(shí)際情況下，轉彎半徑不容易獲取，所以通常通過(guò)汽車(chē)前輪轉向角度來(lái)代替汽車(chē)轉彎半徑。根據阿克曼幾何轉向原理，汽車(chē)前輪轉角與轉彎半徑的關(guān)系如下：

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

4 系統測試

測試中汽車(chē)前照燈轉向控制中心通過(guò)收集汽車(chē)速度和方向盤(pán)轉角傳感器信號計算出前照燈轉角角度，然后向汽車(chē)前照燈轉向控制器發(fā)送控制信號。由于汽車(chē)前照燈要求轉動(dòng)的角度較小，最大轉動(dòng)角度只有15°，所以很容易達到響應速度的要求。測試表明，前照燈轉角角度誤差較小，滿(mǎn)足系統要求。