矩陣式LED遠光燈智能輔助控制系統

譚喜堂 劉莎 朱琴躍 范清雯 王晨

摘 要：針對現有汽車遠光燈需要司機通過自身對路況的判斷來完成手動操作，從而可能造成行車時因違規使用車燈而發生交通事故的問題，完成了基于不同路況和周圍環境自動調節遠光燈照射方式的矩陣式LED遠光燈智能輔助控制系統的設計與實現。首先，根據車輛行駛特點及相關交通法規，針對不同的車前路況，提出矩陣式LED遠光燈輔助系統的智能控制策略;然后，對系統的軟硬件進行設計與實現，硬件部分主要包括主控制器模塊、LED電源驅動模塊以及矩陣開關控制模塊的選型與電路設計，軟件部分主要包括驅動電路控制、矩陣開關控制以及智能控制策略等功能模塊;最后，在實驗室環境下通過搭建完整的實驗系統進行了功能測試。實驗測試結果表明，所提方法控制結果準確、實時性好、可靠性高、易于實現，達到了預期目標。

關鍵詞：矩陣式LED;遠光燈輔助控制;智能控制策略;LED電源驅動;矩陣開關控制

中圖分類號： TP273.5計算機控制系統

文獻標志碼：A

Abstract： Focusing on the problem that the existing car high-beam requires the driver to manually change the headlamp through his own judgment of the road condition， which may results in a traffic accident due to the illegal use of the high-beam， a matrix LED high-beam intelligent assistant control system which can automatically adjust the radiation way of high-beam according to the road condition and environment was designed and implemented. Firstly， according to the driving characteristics of vehicles and related traffic regulations， the intelligent control strategy of matrix LED high-beam assistant system was proposed for different road conditions. Then the hardware and software of the system were designed and implemented. In the hardware part， the device selection and circuit design of the modules like main controller， LED power driver and matrix switch controller were given， and the software part was composed of function modules like driving circuit control， matrix switch control and intelligent control strategy. Finally， a complete experiment system under laboratory conditions was built for functional test. The experiment test results indicate that the proposed method has accurate results and is steady， reliable， better in real-time and easy to realize， which achieves the expected goal.

Key words： matrix LED; high-beam assistant control; intelligent control strategy; LED power driver; matrix switch control

0 引言

隨著汽車保有量的不斷增長，人們對于汽車安全的重視程度日益提高。據統計，在車輛夜間行駛中，LED遠光燈的不當使用是造成事故發生的一大原因[1-2]。這主要是由于現有的汽車遠光燈開關操作均由司機通過自身對于路況的判斷來手動完成，其操作準確性很大程度上依賴于司機的注意力和經驗，同時遠光燈的濫用也會造成車外人員產生“炫目”從而引起嚴重事故。若汽車在行駛過程中能夠通過其自身的判斷主動進行LED遠光燈控制，將會大幅提升汽車的主動安全性[3-4]。近年來日漸出現的基于矩陣光柱技術的矩陣式LED遠光燈從本質上可提高汽車的主動安全性。該類遠光燈由一定數量的光段組成，每個光段都由控制系統進行獨立開通或關斷控制。在這些光段的照射范圍內，不同的車前位置被分為不同的區;在遠光燈射程內，當車前目標進入遠光燈的可控區域時，相應光段會自動關閉，其余光段仍保持開通，從而實現LED遠光燈的自動控制[5-6]。

然而，矩陣式LED遠光燈自動控制技術目前只在部分國外高端進口車型如奧迪A8高配[7-8]及奔馳CLS[9]等中有所應用，相關技術對我國仍處于未公開階段，但其廣闊的應用前景卻引起我國相關車企及汽車備件生產廠商的廣泛關注。近年來國內相關企業和機構相繼開展自主研發，取得了初步成果，如：以飛思卡爾S9S08DZ60F2MLF為主控制器的矩陣式LED汽車前照燈電路的設計方法[10];由多個LED矩陣管理器構成矩陣管理單元以增加LED數量最多可達96顆[11];以TPS92661為LED驅動器件的矩陣式LED燈的亮、滅控制以及對光源矩陣的故障檢測和管理方法[12]。上述方法主要完成了對LED矩陣燈亮、滅的自動控制，而如何根據不同路況和周圍環境實時調整LED相關控制策略并未涉及。

為此，本文根據矩陣式LED遠光燈的工作機理，結合現有汽車對遠光燈的常規控制原理與方法，完成了矩陣式LED遠光燈輔助控制系統的硬件、軟件以及智能型LED照射控制策略的設計與實現，以期為國產車輛車燈的改進提供應用參考，同時也對部分進口車輛車燈的國產化維保提供技術支持。

1 矩陣式LED遠光燈控制策略設計

1.1 遠光燈輔助控制系統總體設計思路

矩陣式LED遠光燈智能輔助控制系統實現的功能為：根據安全駕駛規范，判斷當前路況，針對會車、前方有車、避讓行人等情況，在保證安全的前提下，根據實時路況主動調節遠光燈的開關控制，同時最大限度使用遠光燈照明，從而提升汽車安全的主動性，改善駕駛舒適性。基于此，所提系統的總體設計結構如圖1所示，主要由圖像采集和處理模塊（本設計不涉及）、系統硬件模塊、系統軟件模塊和矩陣式LED遠光燈控制策略組成。

1.2 輔助控制系統遠光燈控制策略總體流程

根據汽車遠光燈的實際應用可知，遠光燈的自動控制主要需實現高速公路、會車、前方有車或行人等不同情況下矩陣式LED的自動開通和關斷。為此，結合遠光燈使用的相關法規，所提系統所設計的矩陣式LED遠光燈控制策略總流程如圖2所示。下文將針對前方有車、前方有人、高速公路自動模式三種典型情況分別對遠光燈自動控制策略進行設計。

1.3 不同路況時遠光燈自動控制策略設計

1.3.1 光段及LED狀態變量定義

由于LED的電流強度（亮度）由驅動模塊進行控制，故遠光燈自動控制策略主要實現對LED光段和每個LED的亮滅控制。

為便于描述，假設控制對象為由50個LED組成的汽車前遠光燈，該遠光燈兩側對稱分布，即左右兩側各25個LED。根據矩陣光柱形成原理可知，該遠光燈的50個LED通過排列組合可形成25個獨立光段，每個光段里可包含多個LED，且每個LED也可屬于不同光段。若遠光燈LED排列方式如圖3所示，其中：數字1～50為每個LED的序號，則相應的25個光段分布示意如圖4所示，且每個光段與LED的對應關系如表1所示。由表1可見，所有光段中除13號光段外，其余每個光段均對應3個LED，且呈“V”字型排列;而第13號光段由于位于最中間，故其對應中間位置的4個LED，序號分別為23、25、26、29 。

為了直觀地描述每個LED光段的亮滅狀態與各個LED亮滅狀態間的關系，現分別定義三個變量：光段狀態變量Si（i=1，2，…，25），LED分狀態變量Lj，k（j=1，2，…，50;k=1，2），LED總狀態變量Lj（j=1，2，…，50），各個變量具體含義及相互間的邏輯關系如下：

2）由于每個LED可能存在于多個光段中，故分別在某個光段變量內定義相應的LED分狀態變量。Lj，k即表示第j號LED的第k個分狀態變量，一個LED最多包含在兩個光段內，故k的取值為1或2。例如第2號LED，同時包含在第1、2號光段內，則第2號LED在光段1中的分狀態變量為L2，1，在光段2中的分狀態變量為L2，2。當第i號光段為滅即Si=0，Si對應的所有LED分狀態變量均為0;當第i號光段為亮即Si=1，Si對應的所有LED分狀態變量均為1。

3）LED總狀態變量取決于對應分狀態變量，與實際LED的開關狀態對應。當第j號LED的所有分狀態變量全為0時，其LED總狀態變量為0，該LED為滅;否則其LED總狀態變量為1，LED為亮。第j號LED的總狀態變量Lj與分狀態變量Lj，k的關系如式（1）所示：

基于上述各個變量的定義及每個LED光段的亮滅狀態與各個LED亮滅狀態間的關系，下面對不同路況下的矩陣式LED遠光燈自動控制策略進行設計。

1.3.2 前方有車

眾所周知，會車時司機一般會關閉遠光燈來防止對方司機產生“炫目”，但若將其全部關閉則會使遠光燈無法得到最佳使用。為此，若在前方有車時（包括超車、會車等情況）欲合理地使用遠光燈，可關閉前方車輛所處位置的光段，保持其他光段處于打開狀態。這樣既能防止其他車輛炫目，又能保證駕駛者視野清晰，減輕夜間行駛的心理壓力和惶恐感，從而提高夜間行車的安全性，如圖5～6所示。

為此，相應的矩陣式LED遠光燈自動控制策略設計步驟如下：

1）車前車輛識別。在車輛行駛過程中，基于圖像采集和處理模塊實時識別前方車輛。

2）車前車輛定位。根據實時識別所獲取的數據對前方車輛進行定位，實時獲得前方車輛的位置信息，并基于此確定此刻前車所處位置對應的LED遠光燈光段號。

3）遠光燈控制。根據上述計算而得的LED光段號，分析全部LED的當前狀態，實現矩陣式LED遠光燈中每個LED的亮滅控制。

4）重復上述步驟1）～3），直至前車駛出遠光燈照射范圍。

下面通過實例就上述控制策略對矩陣式LED遠光燈的自動控制效果進行分析。

如圖7所示，假設在t1時刻前方車輛位于距離本車較遠的位置A處，首先通過圖像采集和處理模塊檢測并識別到該車所處位置后，經計算可得其對應LED遠光燈光段為第8～10號，為此應使該光段狀態變量內所有LED分狀態變量全為0，其余光段內的LED分狀態變量為1，即關閉第8～10號光段，最終可確定LED總狀態變量L16～L20=0，即關閉第16～20號LED。

假設在t2時刻，前方車輛位于距離本車較近的位置B處，如圖8所示。同樣經過圖像采集和處理后，計算分析可得該車對應LED遠光燈光段為第4～8號，即關閉第4～8號光段，最終可確定關閉第7、9、10～15、18號LED。

1.3.3 前方有行人

夜間光線較暗，司機視野窄，視線模糊，更不易看清路邊行人[13]，對矩陣式LED實現閃爍控制，可警示司機和行人，提升安全性。相應的自動控制策略設計步驟如下：

1）車前行人識別。在車輛行駛過程中，基于圖像采集和處理模塊實時識別前方行人。

2）車前行人定位。根據實時所獲取的數據對前方行人進行定位，實時獲得前方行人的位置信息，并基于此確定此刻行人所處位置所對應的LED遠光燈光段號。

3）遠光燈控制。根據上述計算而得的LED光段號，分析全部LED的當前狀態，對行人所處光段對應的LED實現閃爍控制，閃爍的周期為0.5s，即對應LED每秒鐘亮滅各2次，警示行人和司機。

4）重復上述步驟1）～3），直至行人離開遠光燈照射范圍。

如圖9所示，假設在行車過程中，圖像采集和處理模塊檢測并識別到前方行人出現在第21～24號光段內，經過計算分析，最終實現第41～45、46、49號LED的亮滅閃爍，閃爍周期0.5s，提醒行人和司機。

1.3.4 高速公路自動模式

相比行駛在一般道路，高速公路上車輛行駛的特點是車速快，車輛密度低，側向干擾少[14]，此時司機的視角會變窄，遠光燈的照射范圍也要隨之收窄一些，以便與高速公路的結構特點更匹配。

本模式下的矩陣式LED遠光燈自動控制策略設計思路為：高速公路模式下，當圖像采集和處理模塊識別到前方無車輛進入遠光燈照射范圍，關閉兩側的數個光段，其余光段亮起;當識別到前方有車輛進入遠光燈控制范圍內時，除了關閉兩側光段，其余光段的控制按1.3.2節和1.3.3節中所述的不同情況下的遠光燈自動控制策略進行控制。圖10為高速公路自動模式下遠光燈全亮時各個光段狀態與相應LED狀態間的對應關系。圖10（a）中，深色區域表示光段亮，白色區域表示光段滅;圖10（b）中，黑色圓圈代表LED亮，白色圓圈代表LED滅。

2 智能輔助控制系統設計

2.1 系統硬件設計

2.1.1 系統硬件總體設計

根據系統的功能需求，矩陣式LED遠光燈輔助控制系統硬件總體結構如圖11所示，主要包括主控制器（MicroController Unit， MCU）模塊、LED電源驅動模塊和矩陣開關控制模塊。

2.1.2 MCU控制模塊設計

本系統中MCU控制模塊與其他硬件模塊間的接口設計如圖12所示。其中，本模塊電路通過串行外設接口（Serial Peripheral Interface， SPI）總線與LED電源驅動模塊相連，通過I2C（Inter-Integrated Circuit）總線與矩陣開關控制模塊相連。

MCU控制模塊的硬件主要包括MCU接口電路、聯合測試工作組（Joint Test Action Group， JTAG）調試接口電路和工作電源轉換電路。具體設計時，綜合考慮MCU的運行速度、成本和系統外設等需求，選取Silicon公司的C8051F410器件為系統MCU。該器件內部自帶24MHz晶振，且具有UART、SPI、I2C總線接口，片上系統穩定可靠。同時，為提高系統控制的可靠性，設計中選用了DC/DC電源模塊HDW10-24S3V3，用以實現直流24V到3.3V的轉換及供電工作。

2.1.3 LED電源驅動模塊設計

在本設計中，擬驅動25個白光LED，故對驅動電源芯片的要求較高：輸入電壓范圍較大;LED負載串聯所導致的輸出電壓范圍較大;恒流驅動，輸出電流檢測基準小;可脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation， PWM）調光[15-16];耐受汽車級溫度（-40℃～125℃）。綜合上述要求，本設計選用安森美公司的NCV78763作為遠光燈的驅動電源芯片。NCV78763是先進的智能電源鎮流器及雙通道LED驅動器，提供高能效的單芯片汽車照明方案，其內部DC-DC拓撲為Boost-Buck拓撲結構，具有兩個Buck電路，能夠驅動電壓達60V的兩串LED，每路最大能夠輸出1.6A的直流電流。內置電流模式電壓升壓控制器，能對輸入電流濾波。內置PWM調光功能，頻率可達4kHz，此外還提供PWM直接饋送選擇，用于從外部微控制器進行完整頻率及精度范圍的控制。

為此，本文中LED電源驅動電路的硬件設計主要包括NCV78763的Boost電路、Buck電路和SPI接口電路，電路設計原理圖如圖13所示。其中Boost、Buck電路在完成接口電路設計的基礎上還需根據設計需求對其外圍接口電路的各個參數進行計算和設計。

2.1.4 矩陣開關控制模塊設計

由于本設計中LED采用串聯連接方式來保證電流的一致性，為了實現單個LED的亮滅控制，本設計采用開關并聯在LED兩側的方式來實現單個LED的亮滅控制。開關打開，LED正常亮起;開關閉合，LED因被短路而熄滅。因此，矩陣開關控制模塊的設計思路是，根據接收到的MCU控制模塊的控制信號，對單個開關進行動作，通過將開關與LED進行并聯，直接控制并聯LED的亮滅。考慮設計需求和開關芯片的經濟性，選擇凌力爾特公司的LT3965作為矩陣開關芯片。

LT3965芯片內有8個獨立的NMOS開關，每個開關可作用于1～4個LED，具有可編程的開路和短路故障報警，支持I2C傳輸，擁有4位可配置的I2C地址，一條I2C總線上最多可以接入16個LT3965芯片。輸入電壓范圍寬，可以為8～60V，與驅動電源芯片NCV78763支持的輸入電壓范圍基本匹配。本設計中共有25個LED，故選用4個LT3965芯片。

MCU接口連接圖如圖12 所示，矩陣開關控制電路與MCU通過2路I2C總線相連，分別為時鐘線SCL和數據傳輸線SDA。本設計中，4個LT3965芯片的SCL和SDA接口同時與MCU的SCL和SDA接口相連，MCU可以通過地址匹配準確控制不同LT3965，即控制每個LED開關，使得對應LED完成亮滅動作。矩陣開關控制電路示意圖如圖14所示。

2.2 系統軟件設計

2.2.1 系統軟件總體設計

MCU系統控制軟件設計包含三部分：1）與圖像采集和處理模塊的通信軟件設計（本文不涉及）;2）LED電源驅動模塊控制軟件設計;3）矩陣開關模塊控制軟件設計。圖15為矩陣式LED遠光燈智能輔助控制系統的總體軟件設計架構。

如圖15所示，MCU系統控制軟件的功能是，接收圖像采集和處理模塊的目標檢測結果信號，再分別對LED電源驅動模塊和矩陣開關模塊進行控制，從而調節LED遠光燈的亮度和照射區域;對LED電源驅動模塊的控制過程包括判斷車前路況，計算LED驅動電路的各參數，計算NCV78763寄存器設置參數，從而通過SPI串口通信實現控制信號傳輸;對于矩陣開關模塊的控制過程包括判斷車前路況，計算所有LED狀態變量，計算LT3965寄存器設置參數，從而通過I2C串口通信實現控制信號傳輸。

2.2.2 LED電源驅動控制模塊軟件設計

驅動控制即根據當前的路況信息來設置驅動電源芯片NCV78763，若當前進入夜間照明狀況較差的道路，且遠光燈自動控制模式打開，即可按照遠光燈自動控制下的驅動要求對驅動模塊進行設置。設置方式為通過SPI通信接口來設置NCV78763相關的寄存器，相應的對 NCV78763的控制軟件流程如圖16所示。

由圖16可知，MCU經過SPI初始化后，開啟全局中斷，當接收到路況信息后，MCU計算LED驅動電路輸出情況是否需要更新。若需更新，則計算LED驅動電路在當前路況下所需的電流、電壓輸出值，并將其轉換成NCV78763芯片控制寄存器的參數設置值，再將此參數值通過SPI串口傳輸至NCV78763相應的寄存器中，傳輸結束后釋放SPI中斷。

本控制軟件主要設計函數有：

1）char ModeDetect （void）。主要用于當MCU根據接收到的路況信息來判斷電路是否需要更新驅動電路輸出。

2）void LEDDRIVERcalculate （void）。主要用于驅動電路輸出需要改變時，根據檢測到的道路情況，計算LED驅動電路參數。

3）void NCVREGISTERcalculate （void）。主要用于計算NCV78763相關寄存器的參數值。

4）void SPISendReceive （void） interrupt 1。定時中斷函數，主要用于MCU與NCV78763的SPI傳輸。

2.2.3 矩陣開關控制模塊軟件設計

矩陣開關控制軟件的功能為根據圖像目標檢測信息來控制開關芯片狀態，從而實現LED遠光燈的亮滅控制。MCU從圖像采集和處理模塊接收25個光段的狀態，分析計算該信息，確定25個光段內50個LED的開關狀態，再通過I2C通信將控制信號發送給開關芯片LT3965，從而控制每個LED的亮滅。圖17為矩陣開關控制軟件流程。

3 實驗系統搭建與調試分析

3.1 實驗系統搭建

在實驗室環境下搭建的實驗系統硬件實物如圖18所示，主要包括：輸入直流電源（1）、MCU控制和LED驅動電路板（2）、LED開關控制電路板（3）、LED矩陣（4）及上位PC（5）。

3.2 結果分析

實驗測試系統搭建完成后，在實驗室環境下，對不同路況下矩陣式LED遠光燈的控制策略進行實驗測試。

4 結語

本文針對矩陣式LED遠光燈輔助控制系統完成了相應的設計，在實驗室環境下實現功能測試與驗證。與現有相關方法相比，本文所提方法的優越性主要體現為：1）提出了基于不同車前路況和周圍環境的自適應矩陣式LED遠光燈智能控制策略。2）在確保實現LED智能照射控制的前提下，簡化并優化了系統軟硬件設計：硬件方面的核心器件如MCU、LED電源驅動模塊分別選用了集成度高、主頻速度快、功能強大、外圍接口資源豐富的新型器件，性價比高，電路實現簡單，易于擴展;軟件設計更加關注控制結果的準確性、實時性與可靠性。3）從實驗室測試結果可知，該方法易于實現，復雜度尚可，具有良好的工程應用前景。然而，在實際工業應用場合，如何在各種復雜、不同車前路況下保證系統穩定檢測車前運動目標的前提下進一步協調優化系統控制的響應速度與靈敏度還需開展進一步的研究。

參考文獻 （References）

[1] CHENG H Y， HSU S H. Intelligent highway traffic surveillance with self-diagnosis abilities [J]. IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems， 2011， 12（4）： 1462-1472.

[2] GONNER S， MULLERT D， HOLD S， et al. Vehicle recognition and TTC estimation at night based on spotlight pairing [C]// ITSC 2009： Proceedings of the 2009 12th International IEEE Conference on Intelligent Transportation Systems. Piscataway， NJ： IEEE， 2009： 196-201.

[3] CONNELL J H， HERTA B W， PANKANTI S， et al. A fast and robust intelligent headlight controller for vehicles [C]// Proceedings of the 2011 IEEE Intelligent Vehicles Symposium. Piscataway， NJ： IEEE， 2011： 703-708.

[4] 宋朋朋.汽車前照燈智能控制系統的研究[D].南京：南京林業大學，2012：8-12.（SONG P P. Research of automotive headlight intelligent control system [D]. Nanjing： Nanjing Forestry University， 2012： 8-12.）

[5] 羅德智，牛萍娟，郭云雷，等.汽車前照大燈智能化的現狀與發展[J].照明工程學報，2017，28（5）：72-78.（LUO D Z， NIU P J， GUO Y L， et al. The present situation and development of intelligent headlight of automobile [J]. China Illuminating Engineering Journal， 2017， 28（5）： 72-78.）

[6] 朱彥.奧迪燈光照明出奇招開創轎車安全新未來（下）[N].電子報，2014-08-17（12）.（ZHU Y. Audi lighting surprises to create a new future for car safety （Ⅱ）[N]. The Electronic Newspaper， 2014-08-17（12）.）

[7] 張明.奧迪矩陣式LED前大燈（上）[J].汽車維修技師，2014（10）：34-36.（ZHANG M. Audi matrix LED headlights （Ⅰ） [J]. Auto Maintenance， 2014（10）： 34-36.）

[8] 張明.奧迪矩陣式LED前大燈（下）[J].汽車維修技師，2014（11）：27-33.（ZHANG M. Audi matrix LED headlights （Ⅱ） [J]. Auto Maintenance， 2014（11）： 27-33.）

[9] 武漢通暢汽車電子照明有限公司.矩陣式LED大燈：中國，CN201621107407.5[P].2017-04-12.（Wuhan Tongchang Automotive Electronics Lighting Company Limited. Matrix LED headlights： China， CN201621107407. 5 [P]. 2017-04-12.）

[10] 上海晨闌光電器件有限公司.矩陣式LED汽車前照燈：CN201420554802.2[P].2015-01-21.（Shanghai Chenlan Optoelectronic Devices Company Limited. Matrix LED headlights： CN201420554802.2 [P]. 2015-01-21.）

[11] 上海小糸車燈有限公司.用于汽車車燈的矩陣式LED驅動控制系統及控制方法：CN201710538962.6[P].2017-12-19.（Shanghai Koito Automotive Lamp Company Limited. Matrix LED drive control system and control method for automotive lamp： CN201710538962.6 [P]. 2017-12-19.）

[12] 常州星宇車燈股份有限公司.一種矩陣式LED自適應汽車前照燈控制系統及方法：CN201710223386.6 [P].2018-09-25.（Changzhou Xingyu Automotive Lamp Company Limited. Matrix LED adaptive automobile headlight control system and method： CN201710223386.6 [P]. 2018-09-25.）

[13] 林金奕.夜間行人檢測技術的研究現狀[J].中國市場，2016（15）：45-46.（LIN J Y. Status of night pedestrian detection technology research [J]. China Market， 2016（15）： 45-46.）

[14] 劉永斌.多種路況下智能前大燈控制系統研究[D].洛陽：河南科技大學，2018：24-25.（LIU Y B. Research on intelligent headlamp control system under various road conditions [D]. Luoyang： Henan University of Science and Technology， 2018： 24-25.）

[15] 徐飛.帶有寬頻PWM調光范圍的高效升壓型白光LED驅動的設計[D].杭州：浙江大學，2013：14-29.（XU F. Design of high efficiency boost white LED driver with wide range PWM dimming [D]. Huangzhou： Zhejiang University， 2013： 14-29.）

[16] 朱章丹. 一種具有模擬及數字調光的LED驅動電路設計[D].成都：電子科技大學，2016：44-50.（ZHU Z D. Design of analog and digital dimming LED drive circuit [D]. Chengdu：University of Electronic Science and Technology of China， 2016： 44-50.）