車輛防撞預(yù)警系統(tǒng)研究本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書

1、學(xué)校代碼： 10128學(xué) 號： 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（題 目：車輛防撞預(yù)警系統(tǒng)研究二 一 三 年 六 月內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書摘 要道路交通事故的多發(fā)造成人員財(cái)產(chǎn)的重大損失，與之相關(guān)的安全技術(shù)日益成為研究重點(diǎn)。汽車自動防撞系統(tǒng)是一項(xiàng)基于智能交通系統(tǒng)的先進(jìn)安全技術(shù)，對于提高道路交通的安全水平，降低交通安全事故發(fā)生率，促進(jìn)智能交通系統(tǒng)的發(fā)展及實(shí)現(xiàn)具有重要意義。本文以車輛防撞預(yù)警系統(tǒng)為研究對象，利用超聲波不容易受到外界環(huán)境影響、精度高、范圍大的特點(diǎn)，提出了一種基于fpga芯片的超聲波測距系統(tǒng)，分析了超聲波測距原理和超聲波需要從外界獲取的參數(shù)，設(shè)計(jì)了超聲波測距的硬件、軟件系統(tǒng)，確定了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功

2、能所需的關(guān)鍵技術(shù)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，該系統(tǒng)具有集成度高，反應(yīng)快速，測量精度高，性價比高的特點(diǎn)，可以完成倒車?yán)走_(dá)等泊車輔助系統(tǒng)所需要的測距任務(wù)，具有一定的的應(yīng)用前景和使用價值。本文所設(shè)計(jì)的汽車自動防撞系統(tǒng)，對于提高車輛的主動安全性，降低交通事故發(fā)生率，減小交通事故帶來的損害，保障安全行車具有重要意義。關(guān)鍵詞：超聲波；測距；倒車?yán)走_(dá)；汽車防撞 abstractroad traffic accidents bring the significant loss to people and personal property. the related security technology has becom

3、e a new research focus. automobile automatic collision avoidance system is an advanced security technology based on intelligent transportation systems, which is of great significance to improve the level of road traffic safety, reduce the incidence of traffic accidents, and promote the development o

4、f intelligent transportation system and its implementation.choosing the vehicle collision avoidance warning system as the research object, taking the advantage of the fact that the ultrasonic is not easy to be affected by external environment, the characteristics of its high precision and large rang

5、e, this paper puts forward a kind of ultrasonic ranging system based on the fpga chip, and analyzes the ultrasonic ranging principles and parameters which ultrasound needs to get from the outside world, designs the hardware and software system of the ultrasonic ranging, and determines the key techno

6、logy needed for the realization of system functions. it is confirmed by experiments that the system has the features of high integration, fast response, high accuracy and cost-effective, and it can complete the needed range tasks of the parking assist system like back-draft radar, which leads to the

7、 fact that it has a certain application prospect and using value. the design of automobile automatic collision avoidance system in this paper is of great significance to improve vehicle active safety, reduce traffic accidents, decrease traffic accident damage and ensure safe driving.keywords:ultraso

8、nic;ranging;reverse sensor;vehicle collision目 錄引言1第一章 緒論2 1.1車輛預(yù)警防撞系統(tǒng)簡介21.1.1車輛防撞預(yù)警系統(tǒng)定義21.1.2車輛防撞系統(tǒng)組成21.1.3當(dāng)前面臨的主要問題31.2車輛防撞系統(tǒng)設(shè)計(jì)的發(fā)展31.3國內(nèi)外車載測距系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案31.3.1微波雷達(dá)測距方式31.3.2毫米波雷達(dá)測距方式41.3.3超聲波雷達(dá)測距方式41.3.4激光雷達(dá)測距方式41.3.5紅外線雷達(dá)測距方式51.3.6基于視覺的智能防撞51.3.7車車通信測距系統(tǒng)51.3.8多傳感器信息融合防撞系統(tǒng)51.4本課題研究的主要內(nèi)容6第二章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)72.1

9、fpga對于設(shè)計(jì)的必要性72.2 fpga的結(jié)構(gòu)、工作原理和選型依據(jù)82.3超聲波傳感器的選擇和超聲波測距原理102.3.1超聲波傳感器的選擇102.3.2超聲波測距原理112.4 顯示器件的選擇122.5 本章小結(jié)13第三章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)143.1系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)整體框架143.2分頻模塊153.3超聲波回波數(shù)據(jù)處理153.3.1計(jì)數(shù)處理153.3.2 送顯示屏數(shù)據(jù)的處理163.4掃描顯示模塊19 3.5 本章小結(jié)19第四章 系統(tǒng)開發(fā)與調(diào)試204.1系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境quartus204.2 系統(tǒng)編程語言vhdl214.3 fpga器件配置和下載224.4 基于fpga超聲波測距系統(tǒng)性能分析23第五章

10、 總結(jié)與展望245.1 本文的主要工作和結(jié)論245.2 展望24參考文獻(xiàn)26附錄27致謝33引言近年來我國交通事故頻發(fā)，因交通事故死亡、受傷人數(shù)激增，社會影響惡劣，各方面損失巨大。嚴(yán)峻的社會形勢使人們不得不正視汽車安全的問題。以預(yù)防撞擊為核心的現(xiàn)代汽車主動安全技術(shù)成為現(xiàn)代智能交通發(fā)展的迫切要求和熱點(diǎn)問題。據(jù)相關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，汽車碰撞事故中，76.3%是由于駕駛員操作不當(dāng)引起，主要由于駕駛員注意力不集中、酒后駕駛、疲勞駕駛,11.6%由客觀駕駛環(huán)境引起。由此可見，若要減少汽車碰撞事故可以從提示駕駛員操作失誤入手。 另一方面，隨著計(jì)算機(jī)、通信、電子技術(shù)的飛速發(fā)展，利用電子設(shè)備檢測操作不當(dāng)、提示矯正操作

11、也已經(jīng)成為可能。當(dāng)前，國際上大多數(shù)學(xué)者都是利用雷達(dá)、視頻或者車輛間通信，設(shè)置固定的判斷車輛是否安全的算法判斷車輛行駛狀態(tài)是否安全。當(dāng)認(rèn)定為危險狀態(tài)時，通過聲音、顯示或者自動控制來矯正車輛的行駛22第一章 緒論1.1車輛預(yù)警防撞系統(tǒng)簡介1.1.1車輛防撞預(yù)警系統(tǒng)定義 車輛防撞預(yù)警系統(tǒng)歸屬于車輛主動安全部分，是防止車輛相互碰撞的一種智能裝置。它能夠自動探測、識別可能與之發(fā)生碰撞的車輛、行人或障礙物，同時向駕駛員提示或者自動采取例如自動剎車等規(guī)避措施，從而避免碰撞的發(fā)生。其核心在于精確、快速地探測出汽車與障礙物之間的狀態(tài)和距離，并且及時采取相應(yīng)措施通知其他的汽車控制系統(tǒng)，以達(dá)到防止碰撞的目的。1.1

12、.2車輛防撞系統(tǒng)組成 信號采集系統(tǒng)：采用超聲波、毫米波雷達(dá)、激光、聲納、紅外線、影像等技術(shù)自動測出本車于前后車相對運(yùn)動狀態(tài)及兩車之間的距離。 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)：計(jì)算機(jī)芯片對信號采集器的信息收集、分析、處理，判斷當(dāng)前狀態(tài)是否安全，若不安全則啟動執(zhí)行機(jī)構(gòu)予以干預(yù)當(dāng)前狀態(tài)。 執(zhí)行機(jī)構(gòu)：實(shí)施數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的指令，發(fā)出警報(bào)提示駕駛員。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)信號采集系統(tǒng) 圖1-1：系統(tǒng)組成1.1.3當(dāng)前面臨的主要問題 識別誤操作和過度保護(hù)。如果一個安全系統(tǒng)過度靈敏，就會對每一輛前后汽車發(fā)出警報(bào)；如果在計(jì)算機(jī)算法定義為不安全的情況下，駕駛員想做出超車、加速等行為，執(zhí)行系統(tǒng)就會干預(yù)，這樣就會導(dǎo)致駕駛員忽視安全系統(tǒng)的警

13、告，進(jìn)而導(dǎo)致安全系統(tǒng)名存實(shí)亡。1.2車輛防撞系統(tǒng)設(shè)計(jì)的發(fā)展 車輛防撞系統(tǒng)的研究起始于20世紀(jì)60年代，以德、美、日為代表。 早期：1969年，lucas公司（英國伯明翰）研究了雷達(dá)防撞的可行性，并研制了中心頻率為24ghz的fmcw雷達(dá)；1973年一種非相干雷達(dá)原型在aeg-telefuncken和bosch（德國）成功研制和實(shí)驗(yàn)。 中期：1986歐洲“普羅米修斯”計(jì)劃的實(shí)施。從此有了快速發(fā)展。bmw和benz采用調(diào)頻毫米波雷達(dá)（fmcw）其代表產(chǎn)品：benz和勞倫斯電子公司出品的防撞系統(tǒng)，探測距離為150米，車距離小于安全距離時，警報(bào)燈光提示，該系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用，效果良好。83年尼桑公司的倒車聲

14、納系統(tǒng)后，有開發(fā)acc系統(tǒng)，以毫米波雷達(dá)作為探測傳感器。 目前：以90年代以來日本提出先進(jìn)安全汽車asv計(jì)劃，成果是1995年豐田汽車公司的主動預(yù)防安全系統(tǒng)。采用fmcw工作方式，中心頻率61-60，76-77ghz，探測距離120米。95年美國運(yùn)輸部公布國家智能項(xiàng)目運(yùn)輸計(jì)劃后，戴姆勒克萊斯勒提出基于兩個測距儀和影像系統(tǒng)的防撞系統(tǒng)。我國起步較晚，開始于20世紀(jì)90年代中期。1.3國內(nèi)外車載測距系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案1.3.1微波雷達(dá)測距方式 采用相控陣天線成像技術(shù)的探測器已經(jīng)入應(yīng)用階段，但成本居高不下，經(jīng)濟(jì)性較低，激光波束較窄、路障報(bào)告率偏低，不利于廣泛推廣。但是探測距離遠(yuǎn)、范圍大。 1.3.2毫米波雷

15、達(dá)測距方式探測器發(fā)出雷達(dá)波并收集反射回來的雷達(dá)波從而發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并定位，定位不存在距離肓區(qū)，且容易實(shí)現(xiàn)極高的距離分辨力。但是由于干擾源較多、雜波對消以及多目標(biāo)測量等要求，毫米波雷達(dá)測距對微處理器的計(jì)算、分析能力有很高的要求，另外，這種探測器發(fā)射器和接收器同時作用，當(dāng)探測距離較遠(yuǎn)時，所需功率會變得很大，導(dǎo)致該測距方法的作用距離有限。1.3.3超聲波雷達(dá)測距方式作為非接觸檢測識別手段的一種，波長短、方向性好、能夠呈射線定向傳播且反射效果顯著。這些特性有利于選用超聲波做媒體，測定物體的位置、距離甚至形狀等。超聲波防撞技術(shù)主要是利用超聲波回聲測距原理，測量出車后一定距離內(nèi)的物體，及時顯示出車后障礙物的距離

16、和方位，按照安全區(qū)、警示區(qū)、緊急停車區(qū)分段距離給出報(bào)警或語音信號，以警示車輛處于不同的緊急狀態(tài)，司機(jī)可據(jù)此作出相應(yīng)措施，防止事故的發(fā)生。具備以下優(yōu)點(diǎn)：1. 超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，因此可以直接測量較近目標(biāo)的距離。2.超聲波對色彩、光照度不敏感，可適用于識別透明、半透明及漫反射差的物體(如玻璃、拋光體)，抗干擾性好。3. 超聲波對外界光線和電磁場不敏感，可用于黑暗、有灰塵或煙霧、電磁干擾強(qiáng)、有毒等惡劣環(huán)境。4.超聲波傳感器結(jié)構(gòu)簡單、體積小、費(fèi)用低、信息處理簡單可靠易于小型化與集成化，并且可以進(jìn)行實(shí)時控制。1.3.4激光雷達(dá)測距方式 這種方法的工作原理與微波雷達(dá)測距相似，測距方式分為連續(xù)波和

17、脈沖波兩種。連續(xù)波相位測距是用無線電波段的頻率，對激光束進(jìn)行幅度調(diào)制并測定調(diào)制光往返測線一次所產(chǎn)生的相位延遲，再根據(jù)調(diào)制光的波長換算此相位延遲所代表的距離，即用間接方法測定出光經(jīng)往返測線所需的時間。激光脈沖測距是利用測量往返脈沖間隔時間，獲知距離。測時方法是在確定時間起止點(diǎn)之間用時鐘脈沖填充計(jì)數(shù)這種方法精度很高。1.3.5紅外線雷達(dá)測距方式 紅外線的波長比可見光長，是肉眼看不見的光，有顯著的熱效應(yīng)和較強(qiáng)的穿透云霧的能力。同時，任何物體在任何時候都會發(fā)出紅外線。紅外線測距和激光、超聲波測距在原理上基本相同，均是根據(jù)發(fā)射波和反射波的時間來判斷目標(biāo)的距離，紅外線測距在技術(shù)上難度不大，構(gòu)成的測距系統(tǒng)成

18、本低廉，但由于紅外線式傳感器是基于測量傳感器附近物體所發(fā)射的熱能來實(shí)現(xiàn)測距的，缺點(diǎn)是響應(yīng)時問過長，使駕駛員得到的提前報(bào)警常常不足以躲避碰撞，從而限制了其在車輛碰撞報(bào)警系統(tǒng)的應(yīng)用。1.3.6基于視覺的智能防撞視覺信號可以最全面地包含道路中的所有信息，同時可以充分利用所要識別的道路以及車輛在特征和模型上的特點(diǎn)，特別是對于結(jié)構(gòu)化道路，場景較為簡易，目標(biāo)突出，使用合適的圖像處理算法可以很有效地實(shí)現(xiàn)目標(biāo)檢測，同時攝像頭成本與激光、雷達(dá)等相比要低很多。因此，利用機(jī)器視覺進(jìn)行汽車自動駕駛以達(dá)到自動防撞是目自礦智能汽車的最佳方案之一。1.3.7車車通信測距系統(tǒng)應(yīng)用無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，車車通信系統(tǒng)可以克服盲點(diǎn)比如當(dāng)轉(zhuǎn)

19、彎或者通過的時候。主要有 基于zigbee 基于gprs 基于wcdma和基于gps的防撞預(yù)警系統(tǒng).系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）采集周邊信息時無盲點(diǎn)；（2）利用gps 進(jìn)行觀測，不受實(shí)踐、地點(diǎn)約束，可以全天候不間斷地進(jìn)行工作，隨著gps 精度的提高，完全能夠代替光學(xué)傳感器；（3）低成本。越來越多的汽車上配備gps，不必再安裝其余的傳感器，降低了系統(tǒng)的成本；（4）抗干擾性好、保密性強(qiáng)1.3.8多傳感器信息融合防撞系統(tǒng) 充分利用多個傳感器資源，把來自多個信息源的數(shù)據(jù)加以校準(zhǔn)、聯(lián)合、相關(guān)，合并，將包含了相似特征的不同種類或形態(tài)的數(shù)據(jù)，按照一定的原則和方法進(jìn)行比較、取舍和綜合判斷，獲得被測對象的一致性解釋

20、或描述。 優(yōu)點(diǎn)：1提高可靠性。2擴(kuò)展時間和空間擴(kuò)展范圍。3增強(qiáng)實(shí)時處理能力。代表： 1、基于gps與zigbee無線網(wǎng)絡(luò)通信的防撞系統(tǒng) 采用gps進(jìn)行遠(yuǎn)距離系統(tǒng)定位，gps的定位數(shù)據(jù)通過zigbee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸信息，報(bào)臀控制器根據(jù)本機(jī)和機(jī)群內(nèi)部其他養(yǎng)護(hù)大機(jī)的gps定位信息計(jì)算出兩車的相對距離、相對速度、航向角，最后根據(jù)預(yù)設(shè)的養(yǎng)護(hù)大機(jī)安全參數(shù)進(jìn)行撞車危險性判定，輸出相應(yīng)的報(bào)臀信息。預(yù)警距離長100-1000m。但容易受到天氣影響，造價高。一般用于火車等。定位精度高。 2、基于攝像機(jī)和激光測距的汽車防撞系統(tǒng) 車載攝像機(jī)和激光測距的汽車防撞系統(tǒng)可以自動測量本車與前方車輛之間的相對距離和相對速度，然后

21、據(jù)其計(jì)算出的安全距離，進(jìn)行危險判斷，及時提醒駕駛員作出相應(yīng)動作以避免汽車得碰撞。采用立體視覺圖像和激光測距相融合，克服了單一傳感器可靠性低、有效探測范圍小的缺點(diǎn)，從而保證了系統(tǒng)在任何時刻都能提供完全可靠的信息，幾乎不存在距離和速度的模糊。1.4本課題研究的主要內(nèi)容通過在汽車上安裝各種傳感器的方法來對車輛的形式參數(shù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，是車輛安全的核心問題。所提取的車輛信息的可靠性和準(zhǔn)確性也是核心問題之一。對汽車防撞預(yù)警系統(tǒng)來講，選取測距模式和數(shù)據(jù)處理方式是至關(guān)重要的。車載雷達(dá)測量過程中，存在大量干擾，對目前防撞系統(tǒng)的制作，有兩個基本問題需加以解決：測距精度問題：在現(xiàn)有條件下，合理選取一種精度高、易于實(shí)

22、現(xiàn)的傳感器至關(guān)重要。本文選取了hc-sr04超聲波探測器，其使用方便，價格合理。而且可以很好地探測2cm-400cm距離范圍內(nèi)物體。 器件選購也比較容易。信號實(shí)時性問題：倒車?yán)走_(dá)作為車輛安全的重要部分，其實(shí)時性至關(guān)重要 。本文選取fpga芯片作為信號數(shù)據(jù)處理器，其可以并行執(zhí)行多個進(jìn)程，增強(qiáng)了系統(tǒng)的實(shí)時性和可靠性，并可以并行傳輸數(shù)據(jù)，及時的動態(tài)顯示當(dāng)前車輛行駛狀態(tài)。第二章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)fpga芯片具有良好的實(shí)時性，調(diào)試過程中可以直接將控制程序通過下載線寫入芯片中，為設(shè)計(jì)帶來極大的便利。fpga芯片通過晶振計(jì)數(shù)來對hc-sr04超聲波模塊產(chǎn)生的回波計(jì)時，進(jìn)而計(jì)算出物體距離，再通過1602顯示輸

23、出。fpga芯片1602顯示屏hc-sr04超聲波模塊圖2-1 基于fpga超聲波測距系統(tǒng)硬件框圖2.1 fpga對于設(shè)計(jì)的必要性fpga是一種半定制的集成電路，結(jié)合當(dāng)代計(jì)算機(jī)技術(shù)可以封邊快捷的構(gòu)建數(shù)字系統(tǒng)。fpga芯片采用硬件語言編程，具有很強(qiáng)的邏輯組合能力和時序控制能力。雖然沒有指令控制系統(tǒng)，控制能力相對較弱，但對于通信接口，特別是對于不同速率、不同協(xié)議的高速通信接口可以橋接和耦合。運(yùn)行速錄非常迅速。用fpga芯片，利用其豐富的內(nèi)部資源將計(jì)時、提供驅(qū)動等邏輯功能集中在一塊芯片內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，體積很小，和其本身強(qiáng)大的時許處理能力和較高的運(yùn)行速度來完成此項(xiàng)設(shè)計(jì)。fpga是現(xiàn)場可編程門陣列（field

24、 programmable gate array）的簡稱，fpga器件機(jī)器開發(fā)系統(tǒng)是在cpld基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新技術(shù)。他利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，繪制出實(shí)現(xiàn)用戶邏輯的原理圖、硬件描述語言等方式記性設(shè)計(jì)輸入，實(shí)現(xiàn)了滿足用戶要求的專用集成電路，真正達(dá)到了用戶自行設(shè)計(jì)、自行研制和自行生產(chǎn)集成電路的目的。其顯著特點(diǎn)是高速、高密度、小型化。期間密度從幾萬系統(tǒng)門到幾千萬系統(tǒng)門，系統(tǒng)性能可以達(dá)到數(shù)千兆赫茲。設(shè)計(jì)靈活方便，可無限次反復(fù)編程，并可現(xiàn)場模擬調(diào)試驗(yàn)證，大大縮短電子系統(tǒng)開發(fā)周期。2.2 fpga的結(jié)構(gòu)、工作原理和選型依據(jù) 當(dāng)前主流fpga生產(chǎn)廠家有alter、xilinx、actel、lattice四家。生

25、產(chǎn)的芯片基本結(jié)構(gòu)大體相同，分為：可編程i/o單元、嵌入式arm、豐富的布線資源、底層嵌入式單元、基本可編程邏輯單元。如下圖所示： 圖2-2 fpga芯片結(jié)構(gòu)（1） 可編程i/o單元：芯片與外界電路接口的部分，完成不同電氣特性對輸入輸出信號驅(qū)動與匹配要求。（2） 基本可編程邏輯單元：是可編程邏輯的主題，依據(jù)具體設(shè)計(jì)可以靈活的改變內(nèi)部鏈接和配置，完成不同的邏輯功能。（3） 嵌入式arm：當(dāng)前多數(shù)fpga芯片都內(nèi)嵌有ram塊，大大地拓展了fpga的靈活性和應(yīng)用范圍。fpga內(nèi)嵌的ram塊可以靈活配置單端口ram、雙端口ram、偽雙端口ram、fifo、cam等常用存儲器結(jié)構(gòu)。（4） 豐富的布線資源：

26、布線資源聯(lián)通芯片內(nèi)部所有資源，連線長度和工藝決定信號在連線上的驅(qū)動能力和傳輸速度。fpga內(nèi)的布線資源依據(jù)尺寸和工藝被分為不同等級。使用過程中，設(shè)計(jì)者不需要直接選擇布線資源，而是系統(tǒng)布線器自動布線聯(lián)通所用底層單元模塊。（5） 底層嵌入功能單元：是指通用程度較高的嵌入式功能模塊，當(dāng)前多數(shù)fpga廠商都在芯片內(nèi)部集成dll和pll硬件電路，用來完成時鐘的功能。發(fā)展趨勢是芯片內(nèi)部集成的dll和pll資源越來越豐富，功能愈發(fā)復(fù)雜而且包含dsp和cpu等軟驅(qū)里核，進(jìn)而由傳統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)手段逐漸過渡為系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺。（6） 內(nèi)嵌專用內(nèi)核：主要指一些通用性較弱，非所有fpga芯片都包含的的硬核?；谝陨戏矫婵紤]，

27、本設(shè)計(jì)選用altera公司的apex 2系列的ep2a15b724c8型的fpga芯片，其主要特性如下：u 具有1gbps true-lvds特性，而且額外結(jié)合624 mbps flexible-lvds通道，可提供多達(dá)124條支持高性能差動i/o的輸入和輸出通道。u 支持常用的lvds、lvpecl、pcml（準(zhǔn)電流模式邏輯）以及等同速率下的hypertransport接口。u 采用tsmc最新的0.15mm全通工藝制造，與采用鋁內(nèi)連工藝制造的器件相比，采用所有層銅互聯(lián)技術(shù)的器件性能可以提高3040%之多。u 借助0.15mm晶體幾何管工藝，可以在一片芯片上集成超過8.9萬個邏輯單元和1.5

28、mbits片上ram.u 在設(shè)計(jì)時充分考慮了特殊應(yīng)用和高速總線接口的需要，特別是集成了pos-phy l4、utopia l4、flesbus l4、rapidio和hyper transport支持功能，可以與數(shù)據(jù)通路中assp、包處理器、主處理器和其他器件接口。u 器件的密度范圍為16640邏輯單元和425984 memory bits的片上ram.u 完全基于bga封裝技術(shù)，引腳間距1.27mm。2.3超聲波傳感器的選擇和超聲波測距原理2.3.1超聲波傳感器的選擇超聲波至振動頻率大于20khz以上的，超出人耳聽覺上限的聲波。超聲波發(fā)生器分為電氣方法產(chǎn)生超聲波和機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波兩種，其所

29、產(chǎn)生的超聲波功率、頻率各有不同，用途也不一樣，電氣方法產(chǎn)生超聲波的傳感器比較常見。為了發(fā)揮設(shè)計(jì)的可行性，采用現(xiàn)成模塊化系統(tǒng)。由于傳感器使能信號是由fpga產(chǎn)生的ttl3.3v方波信號，故超聲波傳感器的工作電壓不能過高，否則需要配備變壓器和繼電器；本設(shè)計(jì)是一種用于車載的收發(fā)一體式超聲波測距系統(tǒng)體積也不宜過大。超聲波傳感器的主要性能指標(biāo)包括：（1） 靈敏度：其主要取決于模塊本身。機(jī)電耦合系數(shù)小，靈敏度低；機(jī)電耦合系數(shù)大，靈敏度升高。（2） 工作溫度：當(dāng)工作溫度比較低時，可以長時間工作而不失效，因?yàn)閴弘姴牧系木永稂c(diǎn)比較高，尤其是診斷用超聲波探頭使用功率較小。醫(yī)用超聲波探頭功率大，溫度比較高，需要單獨(dú)

30、配備冷卻設(shè)備。（3） 工作頻率：即壓電晶振的共振頻率。若需靈敏度達(dá)到最高，必將它兩端交流電壓的頻率和晶片共振頻率相等，此時輸出能量最大。 基于以上考慮，本設(shè)計(jì)試用壓電式超聲波傳感器hc-sr04，其本身是一種小功率收發(fā)一體、高度集成化切體積小的超聲波模塊，只需fpga提供使能信號、接收回傳信號就可以正常使用測量距離。其性電氣參數(shù)如下表： 表2-1 超聲波模塊電氣參數(shù)表電氣參數(shù)hc-sr04超聲波模塊工作電壓dc5v工作電流15ma工作頻率40hz最遠(yuǎn)射程4m最近射程2cm測量角度15度輸入觸發(fā)信號10us的ttl脈沖輸出回響信號輸出ttl電平信號，與射程成比例規(guī)格45*20*15mm 該模塊自

31、動連續(xù)發(fā)送8個40khz的方波，自動檢測是夠有信號返回，工作過程如下圖： 圖2-3 hc-sr04模塊工作時序圖上圖表明，只需要提供一個10us以上的脈沖觸發(fā)信號，該模塊內(nèi)部將發(fā)出8個40khz周期點(diǎn)評并自動檢測回波。當(dāng)檢測到有回?fù)苄盘杽t輸出回響信號?；仨懶盘柕拿}沖快讀與探測到的距離呈正比關(guān)系。由此通過晶振計(jì)數(shù)得到時間間隔，可以計(jì)算得到所測距離。2.3.2超聲波測距原理1946年galt和pellam首次提出了脈沖回波法，即利用超聲波對物體的反射特性驚醒距離測量。用壓電法產(chǎn)生超聲波的傳感器，使能信號驅(qū)動傳感器探頭向外發(fā)射超聲波信號，同事自動檢測回?fù)苄盘?，通過晶振計(jì)時，記錄從發(fā)送超聲波到接收到回

32、波的時間，利用公式：計(jì)算出傳感器與被測物體之間的距離。原理如圖3333所示：圖2-4 超聲波測距原理圖圖中被測距離為s，l為兩傳感器探頭中心距離的一半，運(yùn)用勾股定理可得：當(dāng)s遠(yuǎn)大于l時在超聲波傳播過程中，很多因素都會產(chǎn)生影響，為了簡化模型，一般只考慮溫度的影響，沿用公式： c是聲速，t是溫度（攝氏度），k是常數(shù)273.16.所以，當(dāng)聲速確定后，回響時間t就成為測距關(guān)鍵。2.4 顯示器件的選擇對于顯示器件有如下考慮：現(xiàn)有的顯示器件中，lcd和led試用最為廣泛，lcd顯示器功耗低，體積小，重量輕，可以顯示漢字，清晰美觀。與lcd相比，led雖然價格低廉，但是顯示內(nèi)容過于單調(diào)，無法顯示漢字。經(jīng)過比

33、較考慮，本設(shè)計(jì)采用1602lcd液晶顯示器作為執(zhí)行單元顯示測距距離。其主要技術(shù)參數(shù)如下表： 表2-2 顯示器參數(shù)顯示容量162個字符芯片工作電壓4.55.5v工作電流2.0ma（5v）最佳控制電壓5.0v字符尺寸2.954.35mm2.5 本章小結(jié)通過對fpga相關(guān)知識的介紹，說明了本設(shè)計(jì)采用fpga芯片的必要性，對fpga的結(jié)構(gòu)以及工作原理進(jìn)行了分析，作為選擇fpga的選擇依據(jù)。硬件設(shè)計(jì)中，器件的選擇對于整個系統(tǒng)設(shè)計(jì)至關(guān)重要，本章還詳細(xì)介紹了系統(tǒng)其他模塊快：數(shù)據(jù)采集模塊和執(zhí)行模塊的選擇依據(jù)及其選擇的優(yōu)缺點(diǎn)和介紹了超聲波的測距原理。第三章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)整體框架 下圖給出了系統(tǒng)

34、軟件設(shè)計(jì)的整體框架。在vhdl語言中，各個子進(jìn)程并行執(zhí)行，而且每個進(jìn)程都是完成相對獨(dú)立功能的模塊，故軟件程序并非按照順序方法編寫的，而是將整體劃分為小模塊，每個子模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)綜合。但應(yīng)嚴(yán)格控制時序。 圖3-1 軟件系統(tǒng)流程圖信號采集進(jìn)程中，軟件驅(qū)動超聲波模塊，使其發(fā)出超聲波，同時高速計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，檢測到回波后，開始停止計(jì)數(shù)，經(jīng)過計(jì)算后將數(shù)據(jù)傳給1602顯示器顯示結(jié)果。3.2分頻模塊設(shè)計(jì)本身采用全局晶振為50mhz的fpga芯片，而人體的視覺停留只有25毫秒，所以控制顯示器掃描的時鐘信號需要分頻。分頻部分源程序： cfxh: process(clk) begin if(clkevent and

35、 clk=1)then ff=ff+1; if (ff=00000000000000010000) then ee=1; else ee=0; end if; end if; end process cfxh;3.3超聲波回波數(shù)據(jù)處理3.3.1計(jì)數(shù)處理計(jì)數(shù)部分為本設(shè)計(jì)的核心，為了更加精確，技術(shù)晶振采用外接晶振代替。計(jì)數(shù)方式是通過外界晶振計(jì)數(shù)回響電平持續(xù)時間來進(jìn)行的。超聲波在測距實(shí)驗(yàn)中傳播速度可以近似認(rèn)為穩(wěn)定，假設(shè)超聲波速度為340m/s，設(shè)定測距技術(shù)脈沖有k個，那么距離s為：計(jì)算后的單位為mm。在編程過程中，由于加法的實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)比乘法簡潔，故采用加法做乘法：每個發(fā)生一個計(jì)數(shù)電平就加上170，而不是

36、先計(jì)數(shù)再乘以170。但是在具體試驗(yàn)調(diào)試過程中，由于超聲波在空氣中的傳播速度受到溫度、濕度等因素的影響，在實(shí)際操作中傳播速度并不是340m/s，而是近似290m/s。所以程序中每個計(jì)數(shù)周期加145。源程序如下：js: process(clk) begin if(clkevent and clk=1)then if reset=0 then cnt_jian= 0 ; data_th = 00110000 ; （加80h變ascii碼送顯示） data_hu = 00110000 ; data_ten= 00110000 ; data_ge = 00110000 ; qv=00110000; bv

37、=00110000; sv=00110000; gv=00110000; gh= 0 ; wadd=0; end if; if(mc=1) then gh=gh+145; current current if gh 1000 then (分別提取個十百千位) current = thousand ; tt=cnt_jian; else gh = gh-1000 ; cnt_jian if cnt_jian 1000 then current = hundred ; else cnt_jian = cnt_jian-1000 ; data_th qv=data_th; ccq1=data_th;

38、 ramtmp1(conv_integer(wadd)=ccq1; if cnt_jian 100 then current = ten ; else cnt_jian = cnt_jian - 100 ; data_hu bv= data_hu ; ccq2=data_hu; ramtmp2(conv_integer(wadd)=ccq2; if cnt_jian 10 then current = ge_wei ; else cnt_jian = cnt_jian - 10 ; data_ten sv=data_ten; ccq3=data_ten; ramtmp3(conv_intege

39、r(wadd)=ccq3; if cnt_jian 1 then wadd=not wadd; current = over; else cnt_jian = cnt_jian - 1 ; data_ge = data_ge + 1 ; gv=data_ge; ccq4=data_ge; ramtmp4(conv_integer(wadd) gh=0; cnt_jian= 0 ; data_th = 00110000 ; （對所提取位分別加上80h，送顯示） data_hu = 00110000 ; data_ten= 00110000 ; data_ge null ; end case ;

40、end if ; end if;3.4掃描顯示模塊顯示數(shù)據(jù)單位是mm，本設(shè)計(jì)中，通過對1602顯示器的初始化，將mm這個字符作為單位固定顯示在屏幕中，動態(tài)數(shù)據(jù)依據(jù)3.4模塊中送來的結(jié)果動態(tài)顯示。流程圖如下：圖3-3 動態(tài)掃描框圖3.5 本章小結(jié)本章主要分塊闡述了本設(shè)計(jì)軟件編程的思想和部分流程圖、源程序。每個模塊的設(shè)計(jì)都經(jīng)過獨(dú)立的編譯、仿真驗(yàn)證。第四章 系統(tǒng)開發(fā)與調(diào)試4.1系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境quartus 本設(shè)計(jì)以altera公司生產(chǎn)的ep2a15b724c8芯片作為數(shù)據(jù)處理的主控部分。開發(fā)工具采用altera公司為fpga開發(fā)提供的集成開發(fā)環(huán)境quartus。 圖4-1 quartus設(shè)計(jì)流程alt

41、era的quartus ii軟件作為fpga的設(shè)計(jì)環(huán)境，因其強(qiáng)大的設(shè)計(jì)能力和直觀易用的接口，受到大量數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的歡迎。系統(tǒng)設(shè)計(jì)者可以利用quartus ii軟件評估hardcopy stratix器件的性能和功耗，從而進(jìn)行最大吞吐量的設(shè)計(jì)。altera的quartus ii軟件屬于第四代pld開發(fā)平臺該平臺能夠勝任一個工作組的設(shè)計(jì)要求，支持基于internet的協(xié)作設(shè)計(jì)。該平臺還與各大主流eda供應(yīng)商相應(yīng)的開發(fā)工具兼容，并且大幅提升了調(diào)試能力。當(dāng)前最新版本的quartus ii軟件可以支持幾乎所有altera公司生產(chǎn)的fpga芯片。該軟件通過增強(qiáng)層次logiclock模塊設(shè)計(jì)方式，能良好的

42、改善性能。4.2 系統(tǒng)編程語言vhdlvhdl是一種硬件描述語言。20世紀(jì)80年代美國國防部提出了vhsic計(jì)劃目標(biāo)之一是為了完成下一代集成電路的生產(chǎn)。vhdl誕生于1982年。1987年，ieee和美國國防部確定其為標(biāo)準(zhǔn)硬件描述語言。1993年，ieee對vhdl進(jìn)行了修訂，從更高的抽象層次和系統(tǒng)描述能力上擴(kuò)展了vhdl的內(nèi)容，公布了最新版本的vhdl，即ieee標(biāo)準(zhǔn)的1076-1993版本?，F(xiàn)在vhdl已經(jīng)成為事實(shí)上的通用硬件描述語言。vhdl語言打破了軟件和硬件的界限。其用軟件的方式設(shè)計(jì)系統(tǒng)，在硬件領(lǐng)域可以用vhdl語言代替原理圖、邏輯狀態(tài)圖等。同時具備較強(qiáng)的抽象描述能力，可進(jìn)行系統(tǒng)級別

43、行為描述，描述簡介，效率更高。描述與實(shí)現(xiàn)工藝無關(guān)，可讀性很強(qiáng)易于修改和發(fā)現(xiàn)錯誤。vhdl主要用于描述數(shù)字系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、行為、功能和接口。除了含有許多具有硬件特征的語句外，其語言形式和描述風(fēng)格與句法十分類似于一般計(jì)算機(jī)高級語言。應(yīng)用vhdl語言進(jìn)行工程設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)是多方面的：1 與其他硬件描述語言相比，vhdl具有更強(qiáng)的行為描述能力2 vhdl具有豐富的仿真語句和庫函數(shù)，任何大型系統(tǒng)設(shè)計(jì)早期就能查驗(yàn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的功能可行性，隨時對系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬。3 vhdl語句的行為描述能力和程序結(jié)構(gòu)，決定了它具有支持大規(guī)模設(shè)計(jì)的分解和對已有設(shè)計(jì)的再利用功能。4 用vhdl完成一個確定設(shè)計(jì)，可以利用eda工具進(jìn)行邏輯綜

44、合和優(yōu)化，并自動把vhdl描述設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變成門基網(wǎng)表。這種方式突破了門級設(shè)計(jì)的瓶頸，減少了集成電路設(shè)計(jì)的時間和錯誤率，降低開發(fā)成本。5 vhdl對設(shè)計(jì)描述具有相對獨(dú)立性。6 vhdl語言具有類書描述語句和子程序調(diào)用等功能，對于設(shè)計(jì)，在不改變源程序的條件下，只改變類屬參量或函數(shù)，就能輕易地改變設(shè)計(jì)的規(guī)模和結(jié)構(gòu)。因此，考慮到各種硬件設(shè)計(jì)方法各自的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合本設(shè)計(jì)的具體情況，本設(shè)計(jì)采用vhdl描述方法將fpga內(nèi)部功能劃分為多個獨(dú)立的、規(guī)模較小的底層模塊，用vhdl語言實(shí)現(xiàn)，流出必要的功能接口，實(shí)現(xiàn)上層邏輯功能，如圖： 圖4-2 vhdl的設(shè)計(jì)框圖4.3 fpga器件配置和下載將已經(jīng)在quartus l

45、l 開發(fā)環(huán)境下編譯生成的目標(biāo)文件通過jtag下載電纜直接下載到fpga芯片中，就可以完成在線編程和配置。jtag是一種主要用于芯片內(nèi)部測試的國際標(biāo)準(zhǔn)測試協(xié)議。一半高級電子器件都支持jtag協(xié)議，如fpga、dsp器件。jtag最初是用來對芯片進(jìn)行測試的，現(xiàn)在還用于實(shí)現(xiàn)isp，對flash等器件編程。標(biāo)準(zhǔn)jtag接口是4線：tck、tms、tdo、tdi，分別為時鐘、模式選擇、數(shù)據(jù)輸出線和數(shù)據(jù)輸入線?？蓪sd芯片內(nèi)部所有部件進(jìn)行在線編程，大大加快工程進(jìn)度。硬件結(jié)構(gòu)方面，jtag接口分為控制器和端口兩部分。4.4 基于fpga超聲波測距系統(tǒng)性能分析 基于fpga的超聲波測距系統(tǒng)的性能優(yōu)勢主要體現(xiàn)

46、在以下兩點(diǎn)：u 對超聲波模塊使能信號的精確控制使用單片機(jī)作為數(shù)據(jù)處理器時，程序采用順序執(zhí)行方式，利用定時器中斷方式產(chǎn)生的使能信號會有小幅誤差（us級），無法對使能信號精確控制。fpga采用外接晶振1.25khz，程序是并行執(zhí)行方式，因此理論誤差遠(yuǎn)小于單片機(jī)產(chǎn)生的誤差（ns級）u 對渡越時間的精確測量fpga片內(nèi)的pll可以保證，各分頻信號和全局時鐘信號的同步性。技術(shù)誤差也可以限定在極小的范圍內(nèi)，fpga中每個子程序也是并行關(guān)系，計(jì)數(shù)器獨(dú)立計(jì)數(shù)，程序間不影響。故可以保證對渡越時間的精確測量。第5章 總結(jié)與展望5.1 本文的主要工作和結(jié)論 本文的內(nèi)容是車輛防撞系統(tǒng)的研究和基于fpga的超聲波測距防

47、撞系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。采用fpga芯片取代更為常用的單片機(jī)作為主控芯片，利用外接晶振計(jì)數(shù)計(jì)算測距時間，提高了計(jì)時精度；解決了單片機(jī)作為主控芯片時，對于使能信號控制不精確的問題。從而在整體上提高了超聲波測距系統(tǒng)的測量精度。具體工作如下：1. 通過查閱大量文獻(xiàn)資料梳理了當(dāng)前主流的汽車防撞系統(tǒng)技術(shù)，并分析各種手段的優(yōu)缺點(diǎn)，得出超聲波測距防撞系統(tǒng)的優(yōu)越性。2. 詳盡分析fpga芯片的特性和優(yōu)點(diǎn)，分析了其作為本實(shí)驗(yàn)主控芯片的必要性。3. 選用altera公司的apex 2系列的ep2a15b724c8型的fpga芯片作為本設(shè)計(jì)的主控芯片搭建平臺，分析了超聲波特性、測距原理和使用hc-sr04模塊對本實(shí)驗(yàn)的必要性

48、。對比分析了lcd和led的性能特點(diǎn)，及其采用lcd的優(yōu)勢。4. 采用硬件語言vhdl，利用從頂層到底層的設(shè)計(jì)方式，經(jīng)系統(tǒng)分為若干子程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)功能。并調(diào)試程序。5. 通過試驗(yàn)比較本設(shè)計(jì)的優(yōu)越性。介紹了fpga的開發(fā)環(huán)境quartus ll，分析了本設(shè)計(jì)的性能。該超聲波測距防撞系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，精度高，功耗低，易于擴(kuò)展，抗干擾能力強(qiáng)?？梢詫?shí)現(xiàn)生活中中近距離的精確測距。5.2 展望本文工作只是超聲波測距防撞系統(tǒng)的設(shè)計(jì)初步，在調(diào)試過程之中，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目的，但在實(shí)際應(yīng)用、大批量生產(chǎn)等環(huán)境考慮仍有不足，需要改進(jìn)。1. 超聲波模塊本身的精度本文設(shè)計(jì)中使用的超聲波模塊較為低端，但是足夠常見，適合本科

49、階段電子通信專業(yè)學(xué)生入門使用，但是由于本身造價相對低廉，設(shè)計(jì)較為粗糙，制作工藝也比較普通。若用在實(shí)際批量生產(chǎn)中，應(yīng)使用更高精度的超聲波模塊替代。2. 信號分頻為了提高設(shè)計(jì)的可行性，程序編寫過程中對fpga芯片自帶全局晶振僅在1602掃描顯示中使用，為提高精度，測距晶振沒有使用全局晶振分頻，而是直接外接。這無疑提高了設(shè)備復(fù)雜度。3. 系統(tǒng)外部拓展fpga具有大量外部拓展管腳，是的本系統(tǒng)可以進(jìn)一步拓展，實(shí)現(xiàn)更為豐富的功能。例如，可以在本設(shè)計(jì)中加入一個蜂鳴器，在所測距離小于一定值時，使其驅(qū)動蜂鳴器，在聽覺上豐富本設(shè)計(jì)。4. 系統(tǒng)抗干擾能力fpga作為一種在線可編程邏輯器件，雖在開發(fā)過程中具有良好的穩(wěn)

50、定性，但對于外部噪聲較大環(huán)境下抗干擾能力欠缺。由于本人能力、時間有限，本設(shè)計(jì)雖已達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡源嬖诤芏嗖蛔?，配合?shí)際工業(yè)測量用途，實(shí)地調(diào)研和環(huán)境考察有所欠缺，系統(tǒng)功能仍需要進(jìn)一步改進(jìn)與完善。參考文獻(xiàn)1 胡萍.超聲波測距儀的研制.計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化.2003，7：21-23.2 時德剛，劉嘩. 超聲波測距的研究.計(jì)算機(jī)測量與控制.2002,9: 34-543 蘇長贊.紅外線與超聲波遙控.北京.人民郵電出版社.1993.7: 41-834 張謙琳.超聲波檢測原理和方法.北京.中國科技大學(xué)出版社.1993.10: 21-295 潘松，黃繼業(yè).eda技術(shù)與vhdl.北京.清華大學(xué)出版社.2007：23-246 王開軍,姜宇柏.面向cpld/fpga的vhdl設(shè)計(jì).機(jī)械工業(yè)出版社.2006,12：28-657 吳超.基于fpga的超聲波測距系統(tǒng).武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文.20098 彭俊.基于f