嵌入式系統(tǒng)的自適應前照燈系統(tǒng)設計

摘要：為了改善駕駛員在夜間或能見度較低環(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(tǒng)的汽車自適應前照燈系統(tǒng)的設計方案。此系統(tǒng)中的前照燈控制器采用FPGA來控制CAN總線控制器、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器和全橋電機驅(qū)動器等器件來實現(xiàn)接收方向盤轉(zhuǎn)角信號，并使電機運行帶動前照燈的轉(zhuǎn)向。自適應前照燈系統(tǒng)控制中心使用的是ARM9處理器。該設計方案滿足要求，已經(jīng)在項目中獲得了良好的應用效果。

引言

汽車自適應前照燈系統(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。

本設計采用了嵌入式技術來實現(xiàn)，嵌入式技術不僅廣泛地應用于汽車行業(yè)，而且在工業(yè)自動化、監(jiān)控系統(tǒng)、醫(yī)療儀器等領域也有廣泛應用。

1 系統(tǒng)原理設計

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總線控制器和電機驅(qū)動芯片等器件組成的。它的設計分為CAN總線控制器模塊和電機驅(qū)動模塊兩部分，由FPGA來控制并連接這兩個模塊。CAN總線控制器模塊實現(xiàn)接收CAN報文包消息，F(xiàn)PGA通過處理CAN報文包消息來控制電機驅(qū)動模塊使左右電機分別轉(zhuǎn)動。汽車前照燈轉(zhuǎn)向控制中心使用的是ARM9處理器，它主要處理相關傳感器的信息并根據(jù)相應的自適應算法計算出前照燈轉(zhuǎn)角角度。系統(tǒng)的架構圖如圖1所示。

2 硬件設計

2.1 CAN總線結點控制器模塊

本模塊設計中的CAN總線結點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總線標準將0或1邏輯信號轉(zhuǎn)換為標準中規(guī)定的電平。本設計中選用了Microchip公司開發(fā)的CAN總線控制器MCP2510和CAN總線收發(fā)器MCP2551。CAN總線結點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(CAN)協(xié)議控制器，完全支持CAN總線V2.0 A/B技術規(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)送和接收標準和擴展報文。它還同時具備驗收過濾以及報文管理功能。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(MCU)的管理負擔。MCU的通信是通過行業(yè)標準串行外設接口(SPI)來實現(xiàn)的，其數(shù)據(jù)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，F(xiàn)PGA通過與

、SO、SI、SCK相連的引腳實現(xiàn)SPI接口，并與MCP2510中斷信號接口INT結合來完成對MCP2510的控制。CANH和CANL連接到CAN總線網(wǎng)絡中。

2.2 電機驅(qū)動模塊

本模塊設計主要由FPGA、D/A轉(zhuǎn)換器、電機功率驅(qū)動器組成，通過FPGA控制D/A轉(zhuǎn)換器、電機功率驅(qū)動器實現(xiàn)步進電機的細分驅(qū)動技術，從而完成對步進電機的控制。本設計中的D/A轉(zhuǎn)換器選用Maxim公司開發(fā)的MAX506，電機功率驅(qū)動器選用NS公司開發(fā)的LMD18245，實現(xiàn)兩個步進電機的功率驅(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或單相雙極性步進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功率開關等多種技術，并可通過固定關斷時間技術來控制電機的電流。

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雙步進電機驅(qū)動。在圖3中連接RC端的電容和電阻構成了一個單穩(wěn)態(tài)網(wǎng)絡，它的寬度取決于RC端與地之間的RC網(wǎng)絡，關斷時間為1.1RC。當A1+、A1+連接的電機線圈內(nèi)的電流達到(VrefA×D/16)/[(250×10-6)Rs]安培時，出現(xiàn)斷路。其中D是由M1～M4給定的十進制數(shù)。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，所以步進電機的最大電流限定為0.5 A，滿足本設計使用的42BYGH4604步進電機的額定電流。電路中DIR是電流方向控制信號，BRAKE是關斷信號，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。

3 軟件設計

本文中MCP2510主要采取中斷模式進行總線數(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)送復位指令使它復位，然后使其進入Configuration模式進而對它進行初始化，即對各個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，進入等待接收數(shù)據(jù)狀態(tài)。

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

汽車前照燈轉(zhuǎn)向控制中心主要對各汽車傳感器信號進行接收，并根據(jù)汽車自適應前照燈的原理實現(xiàn)它的相關控制算法，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)學關系如表1所列。

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)學關系如下：

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

當汽車轉(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電機來執(zhí)行前照燈的轉(zhuǎn)向。停車視距與轉(zhuǎn)彎半徑的幾何關系圖如圖5所示。

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。停車視距的計算公式為：

在實際情況下，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)彎半徑的關系如下：

假設汽車的軸距為2.812 m，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°，所以很容易達到響應速度的要求。測試表明，前照燈轉(zhuǎn)角角度誤差較小，滿足系統(tǒng)要求。