基于CPLD 的超聲波倒車預警系統(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）

隨著社會的發(fā)展，汽車走進了千家萬戶，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，交通事故的發(fā)生也屢見不鮮。據(jù)統(tǒng)計，我國每年交通事故造成的死亡人數(shù)高達10萬人以上，而在這些交通事故當中，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，可以在倒車時給駕駛員提供直觀、準確的車輛后方障礙信息，但這種裝備成本較高，對于低端車輛，例如小型貨運車輛并不適用。但近年來，小型貨車在倒車過程中發(fā)生意外，造成人員生命財產(chǎn)損失的事件時有發(fā)生，因此，有必要研發(fā)一種適合小型貨運車輛的倒車預警系統(tǒng)。超聲波由于其能量集中、指向性強、較好的抗干擾能力等特點，被廣泛應用于測距領域[2-3]。文中基于CPLD 設計了一種超聲波倒車預警系統(tǒng)，經(jīng)驗證，該系統(tǒng)可以有效對倒車過程中的障礙物距離進行測量，并進行相應報警提示，提高車輛安全系數(shù)。

1 超聲波測距原理

超聲波測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)射的同時開始計時，超聲波傳播過程中如果遇到障礙物會發(fā)生反射，反射波一旦被接收探頭識別，就立即停止計時[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間t，就可以得出超聲波發(fā)射點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)的測量精度，對溫度的影響進行了補償，已知環(huán)境溫度為T，則超聲波的傳播速度為：

2 系統(tǒng)總體設計

現(xiàn)有的超聲波測距系統(tǒng)一般都采用單片機作為主控芯片，受單片機工作頻率偏低以及執(zhí)行指令時長難以準確估算的限制，系統(tǒng)測距結果的準確性很難得到保證[7-9]。利用FPGA 作為主控芯片可以有效提高計時精度，但成本較高，不利于推廣[10-11]。鑒于以上考慮，該系統(tǒng)采用價格較為適中，但工作頻率較高，并且以能并行運行的CPLD 作為主控制器，提高了性價比。超聲波倒車預警系統(tǒng)結構框圖如圖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、聲光報警模塊、溫度檢測模塊。

圖1 系統(tǒng)結構框圖

3 系統(tǒng)硬件設計

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、時鐘電路、JTAG 下載調試電路、USB 轉串口電路、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IO 口，可以滿足系統(tǒng)設計需要。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)壓器轉換成穩(wěn)定的3.3 V 電壓，為了方便后續(xù)系統(tǒng)功能擴展，還通過USB 轉串口芯片CH340G 預留了串口通信功能。系統(tǒng)時鐘由50 MHz 有源晶振提供，計時精度可達20 ns。

3.2 超聲波測距模塊

為了簡化設計，超聲波測距模塊采用的是HCSR04 超聲波傳感器，該傳感器的探測范圍為2～450 cm。該模塊使用方便，只有VCC、GND、TRIG、ECHO 四個引腳，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，測量時通過CPLD 的IO 口先將TRIG 引腳拉低，再提供一個10 μs 以上的脈沖信號，傳感器將自動發(fā)送8 個頻率為40 kHz 的方波，激勵換能器發(fā)射超聲波，實際使用時高電平保持40～50 μs 效果最佳。接收到回波信號后，傳感器將通過ECHO 引腳輸出一個高電平給CPLD，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的間隔時間。HC-SR04 超聲波傳感器工作的時序圖如圖4 所示。

圖3 HC-SR04模塊接線原理圖

圖4 HC-SR04模塊工作時序圖

3.3 溫度檢測模塊

由式（2）可知，聲速受溫度的影響，為了提高超聲波倒車預警系統(tǒng)的測量精度，對聲速進行了溫度補償。溫度檢測模塊采用的是美國Dallas 公司生產(chǎn)的DS18B20溫度傳感器,該傳感器的測溫范圍為-55～125 ℃，測量誤差不超過±0.5 ℃[12-13]。DS18B20 傳感器具有精度高、智能化、體積小、線路簡單等優(yōu)點，采用單總線協(xié)議，即與CPLD 接口僅需占用一個I/O 端口，簡化了傳感器與CPLD 的接口設計的同時提高了抗干擾性。該傳感器能夠直接讀取溫度測量值，用戶可以根據(jù)實際需要，通過編程設置測量分辨率，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，為了保證轉換精度，系統(tǒng)通過外部電源給DS18B20 傳感器供電。溫度檢測模塊的接線原理圖如圖5 所示。

圖5 溫度檢測模塊接線原理圖

3.4 顯示和聲光報警模塊

常用的顯示設備有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)境光線較強的情況下難以看清顯示內(nèi)容[14-15]，如果應用在倒車預警系統(tǒng)中會影響系統(tǒng)的安全性。因此超聲波倒車預警系統(tǒng)采用顯示更加清晰，并且價格相對便宜的數(shù)碼管來顯示測距結果。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 三極管作為開關控制位選信號，當基極為高電平時，三極管導通，輸出高電平，如對Q1 而言，當SEL0_T 為高電平時，選通數(shù)碼管D1。

聲光報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前的危險系數(shù)，系統(tǒng)將測距范圍設定為四個安全等級（一級：大于3 m，二級：2～3 m，三級：1～2 m，四級：小于1 m），由CPLD 根據(jù)不同的安全級別輸出不同頻率的驅動信號，使蜂鳴器發(fā)出報警，同時驅動不同顏色的發(fā)光二極管發(fā)光（一級：指示燈均不亮，二級：綠燈亮，三級：黃燈亮：四級：紅燈亮），由于有源蜂鳴器的工作電流較大，通過三極管Q5 設計一個簡單的放大電路。聲光報警模塊原理圖如圖6 所示。

圖6 顯示和聲光報警模塊

4 系統(tǒng)軟件設計

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

為了降低代碼復雜程序，使用狀態(tài)機來進行代碼編寫，根據(jù)輸出是否與輸入有關，可以將狀態(tài)機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，其輸出只取決于當前狀態(tài)，穩(wěn)定性更好。狀態(tài)機根據(jù)相應的控制信號跳轉到不同的狀態(tài)，由于CPLD 內(nèi)部提供較多的組合邏輯，代碼采用格雷碼對不同的狀態(tài)進行編碼，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)機模型

圖8 米利型狀態(tài)機模型

系統(tǒng)啟動后，開始檢測按鍵是否被按下，如果按鍵按下，表示開始倒車，此時超聲波觸發(fā)模塊驅動超聲波傳感器發(fā)出超聲波，當回波檢測模塊檢測到高電平時，計數(shù)模塊開始計數(shù)，高電平結束立即停止計數(shù)，超聲波傳播時間t=N/f，其中N為計數(shù)值，f為系統(tǒng)時鐘頻率。已知傳播時間t和校正后的聲速v，根據(jù)式（1）就可以計算出障礙物距離，再通過顯示模塊驅動數(shù)碼管顯示測量結果。報警模塊根據(jù)距離大小，控制蜂鳴器發(fā)出不同頻率的提示音，同時點亮相應顏色發(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 實驗及分析

為了驗證超聲波倒車預警系統(tǒng)的測量精度，對其進行了實測，實驗記錄了12 次測量結果，如表1 所示，其中，實際值是用鋼制卷尺多次測量得到的平均值。由實驗結果可知，該文所設計的超聲波倒車預警系統(tǒng)的測量范圍在2～450 cm，在10～450 cm 量程之間，測量結果的相對誤差在5%以內(nèi)，能夠滿足實際需要。

表1 實驗結果

6 結論

該文在綜合分析了現(xiàn)有倒車預警系統(tǒng)的基礎上，將CPLD 和超聲波測距技術相結合，設計了一種適用于小型貨運車輛的超聲波倒車預警系統(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，并具有溫度補償功能，簡化了系統(tǒng)復雜度的同時提高了測量精度。倒車過程中，當檢測到車輛后方有障礙物時，系統(tǒng)會通過數(shù)碼管顯示障礙物當前距離，并根據(jù)距離大小發(fā)出相應的聲光報警。實驗表明，該系統(tǒng)能滿足實際需要，性價比高，具有一定的推廣價值。