嵌入式系統的自適應前照燈系統設計

趙劍鵬，鐘洪聲

（電子科技大學電子工程學院，成都611731）

引 言

汽車自適應前照燈系統是汽車安全系統的重要組成部分，它能根據轉向角和車速的變化自動調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域，從而提高駕駛員在夜間或能見度低的環境下的視覺范圍。

本設計采用了嵌入式技術來實現，嵌入式技術不僅廣泛地應用于汽車行業，而且在工業自動化、監控系統、醫療儀器等領域也有廣泛應用。

1 系統原理設計

本文介紹的汽車前照燈轉向控制器主要是由FPGA、D／A轉換器、CAN總線控制器和電機驅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接收CAN報文包消息，FPGA通過處理CAN報文包消息來控制電機驅動模塊使左右電機分別轉動。汽車前照燈轉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。

圖1 汽車自適應前照燈系統架構

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總線收發器和一些外圍電路實現的。CAN總線通信的核心是CAN總線控制器，由它完成CAN總線的通信協議，實現物理層和數據鏈路層的所有功能。CAN總線收發器按照BOSCH CAN總線標準將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公司開發的CAN總線控制器MCP2510和CAN總線收發器MCP2551。CAN總線結點控制器模塊電路原理圖如圖2所示。

Microchip公司生產的MCP2510是一款控制器局域網絡（CAN）協議控制器［1]，完全支持CAN總線V2.0A／B技術規范。該器件支持CAN1.2、CAN2.0A、主動和被動CAN2.0B等版本的協議，能夠發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的通信是通過行業標準串行外設接口（SPI）來實現的，其數據傳輸速率高達5Mb／s。

圖2 CAN總線結點控制器模塊電路原理圖

2.2 電機驅動模塊

本模塊設計主要由FPGA、D／A轉換器、電機功率驅動器組成［2－3]，通過FPGA控制D／A轉換器、電機功率驅動器實現步進電機的細分驅動技術，從而完成對步進電機的控制。本設計中的D／A轉換器選用Maxim公司開發的MAX506，電機功率驅動器選用NS公司開發的LMD18245，實現兩個步進電機的功率驅動及電流控制，完成對汽車兩個前照燈的智能轉向。

LMD18245是NS公司生產的DMOS全橋功率放大器，其內部集成了驅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［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電機驅動。在圖3中連接RC端的電容和電阻構成了一個單穩態網絡，它的寬度取決于RC端與地之間的RC網絡，關斷時間為1.1RC。當A1＋、A1－連接的電機線圈內的電流達到（VrefA×D／16）／［（250×10－6）Rs] 安培時，出現斷路。其中D是由M1～M4給定的十進制數。本設計中的VrefA端輸入電壓最大為5V，接在CS OUT端的電阻Rs為40kΩ，所以步進電機的最大電流限定為0.5A，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是內置4位D／A轉換器的參考電壓和數字輸入信號。

圖3 功率驅動器的電路連接圖

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，輸入數據從一個共用的8位輸入端口傳輸到輸入鎖存器。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轉換電路連接圖

3 軟件設計

本文中MCP2510主要采取中斷模式進行總線數據的接收。整個系統主程序只提供了一種中斷，首先對MCP2510發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，進入等待接收數據狀態。

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

汽車前照燈轉向控制中心主要對各汽車傳感器信號進行接收，并根據汽車自適應前照燈的原理實現它的相關控制算法，然后發送控制信號給汽車前照燈轉向控制器，使它控制前照燈實現智能轉向。

在汽車中，汽車速度V和安全停車視距S的數學關系如表1所列。

表1 汽車速度和停車視距［5]

根據表中的數據，得到汽車速度與停車視距間的擬合數學關系如下［5]：

當汽車轉彎時，汽車前照燈轉向控制中心根據汽車轉彎半徑和速度計算出前照燈的轉動角度。然后汽車前照燈轉向控制器通過控制步進電機來執行前照燈的轉向。停車視距與轉彎半徑的幾何關系圖如圖5［5]所示。

圖5 停車視距與轉彎半徑的幾何關系圖

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

在實際情況下，轉彎半徑不容易獲取，所以通常通過汽車前輪轉向角度來代替汽車轉彎半徑。根據阿克曼幾何轉向原理，汽車前輪轉角與轉彎半徑的關系［5]如下：

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

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

圖6 前照燈轉角、前輪轉角和汽車速度的關系圖

4 系統測試

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

［1] 楊慶華，張景元.單片機和MCP2510的CAN總線通信模塊設計［J] .單片機與嵌入式系統應用，2007（3）.

［2] 張瑞，常靜波.高穩定度步進電機驅動電路設計［J] .計算機工程，2007，33（4）.

［3] 徐志躍，文招金.基于FPGA的兩相步進電機細分驅動電路設計［J] .電氣傳動，2008，38（4）.

［4] 田玉敏.LMD18245DMOS全橋電機驅動器的原理及應用［J] .國外電子元器件，2001（3）.

［5] Guo Yali，Wu Qinmu，Wang Honglei.Design And Implementation Of Intelligent Headlamps Control System Based On CAN Bus［C]／／2012International Conference on Systems and Informatics，Yantai，2012：385－389.