基于CPLD的倒車防撞系統(tǒng)設(shè)計(jì)

梁志勛，閉呂慶

（1.河池學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，廣西河池546300；2.玉林師范學(xué)院電子與通信工程學(xué)院，廣西玉林537000）

目前市場上銷售的中、高檔汽車均配有可視化倒車影像裝備，這種裝備具有直觀、方便的特點(diǎn)，但價格昂貴，因此一些低檔的橋車及大型卡車并未安裝倒車?yán)走_(dá)裝置[1]，存在較大的安全隱患。

超聲波測距是利用超聲波測量距離的一種非接觸式距離測量方法[2]。文獻(xiàn)[2-5]中均采用了單片機(jī)作為測距信號的處理器件，其測量原理均采用了觸發(fā)定時器啟停計(jì)數(shù)的方法進(jìn)行測量，并且由于受單片機(jī)本身時鐘頻率和無法精確估算執(zhí)行若干指令時間長短的限制，因此很難保證測距結(jié)果的準(zhǔn)確性。文獻(xiàn)[6-7]中利用FPGA作為測距信號處理器件，利用DS18B20作為溫度測量器件，并在測距過程中進(jìn)行了溫度補(bǔ)償，其測距精度達(dá)到了要求，但FPGA的成本明顯較高，不利于應(yīng)用推廣。本系統(tǒng)采用價格較為低廉的CPLD為測距信號處理器件，對常用的周期法原理進(jìn)行改進(jìn)，利用STC12C5A60S2作為核心處理器完成顯示、聲光報警和語音播報等功能，使所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有集成度高、可靠性高、精度高、響應(yīng)速度快和成本低廉等特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

1.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要由STC12C5A60S2單片機(jī)作為主控制器組成的硬件平臺，其系統(tǒng)組成如圖1所示，主要有CPLD信號處理模塊、超聲波模塊、顯示模塊、語音播報模塊、聲光報警模塊和溫度傳感器模塊。CPLD信號處理模塊在接收到單片機(jī)發(fā)測距指令后進(jìn)入測距狀態(tài)，并將測得的數(shù)據(jù)報送給單片機(jī)處理。單片機(jī)收到CPLD發(fā)來的數(shù)據(jù)處理后，將數(shù)據(jù)發(fā)到語音播報模塊，由語音播報模塊實(shí)時播報汽車尾部和障礙物的距離，同時啟動聲光報警模塊，對設(shè)定的距離，利用聲光報警模塊產(chǎn)生聲光報警信號。超聲波傳輸介質(zhì)的密度、溫度及氣體分子成份等對超聲波的傳播速度影響很大[8-9]，因此超聲波測距在精確度高要求的情況下，必須要將超聲波傳輸介質(zhì)的溫度因素考慮進(jìn)系統(tǒng)，作為超聲波測距的修正參數(shù)。溫度傳感器模塊采用LM35C作為溫度傳感器件，采集環(huán)境溫度。

圖1 倒車防撞系統(tǒng)組成框圖

1.2 測距原理

40 kHz的超聲波經(jīng)過空氣介質(zhì)經(jīng)過T1時間的傳播后遇到障礙物后，又經(jīng)過T2時間回到接收器，已知超聲波的傳播速度為v，那么發(fā)射端和障礙物的距離：

考慮超聲波在空中介質(zhì)中傳播的溫度因素，傳播的速度為：

式中v0=334m/s為0℃時候的超聲波傳播速度，T為當(dāng)前環(huán)境溫度，由溫度傳感器測量獲得，因此v為加入環(huán)境溫度因素后的修正超聲波傳播速度。

圖2為測距時序圖，利用發(fā)射8個周期40 kHz的脈沖波，經(jīng)過一段時間間隔t后收到回波，該時間間隔可通過CPLD的計(jì)數(shù)功能獲得。波形的好壞將直接影響時間間隔t的準(zhǔn)確性，因此在軟硬件設(shè)計(jì)時務(wù)必能夠消除干擾，以準(zhǔn)確獲得時間間隔t。

圖2 測距時序圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 超聲波發(fā)射和接收電路設(shè)計(jì)

文獻(xiàn)[10-13]中使用專用芯片或者NE555等分立元件設(shè)計(jì)超聲波模塊電路，這些電路設(shè)計(jì)具有集成度高，設(shè)計(jì)簡單的優(yōu)點(diǎn)，皆采用外部LC/RC分立元件震蕩來獲得40 kHz脈沖，但其起振時間無法預(yù)測，時延部分無法估算，影響超聲波測距準(zhǔn)確度，因此本設(shè)計(jì)采用CPLD的時鐘分頻產(chǎn)生40 kHz脈沖，經(jīng)外部簡單的功率三極管驅(qū)動即可得到滿足要求的超聲發(fā)射波。如圖3所示為超聲波電路的具體設(shè)計(jì)，40 kHz脈沖波經(jīng)Q1幅度放大再經(jīng)Q2的功率放大，由變壓器T1升壓后推動超聲波發(fā)射模塊即可發(fā)射超聲波信號。

接收部分由具有增益功能的巴特沃斯濾波器和施密特觸發(fā)器構(gòu)成。兩級放大器將經(jīng)由超聲波接收頭收到并轉(zhuǎn)換的微弱電信號進(jìn)行幅度放大，由負(fù)反饋放大電路原理可知，圖中每級放大倍數(shù)為20倍，兩級串聯(lián)，放大倍數(shù)為400倍，滿足設(shè)計(jì)要求。為了濾除40 kHz以外的干擾信號，本設(shè)計(jì)的濾波器為帶通濾波器，其中心頻率為40 kHz，-3 dB帶寬為30 kHz。

2.2 語音播報及其他模塊電路設(shè)計(jì)

語音播報芯片為ISD2560，該芯片具有錄音、播放和直接驅(qū)動喇叭的功能，其最長的語音播放時長為60秒，具有十位尋址能力，最多分段能力為600段。使用其進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時，無需外接AD、DA和存儲芯片，具有簡單可靠，放音清晰等優(yōu)點(diǎn)[14]，具體設(shè)計(jì)如圖4所示，僅需簡單的電阻電容進(jìn)行外圍電路設(shè)計(jì)。

圖3 超聲波發(fā)射接收電路

圖4 語音播報及其他模塊電路圖

使用該芯片播放語音，事先將要播放的語音錄入其中，單片機(jī)只要給出錄音地址，即可播放該段語音，如圖4所示，單片機(jī)的P0.0～P0.5控制ISD2560的錄、放音地址A0～A5，P1.0～P1.4控制著ISD2560的工作狀態(tài)。事先要將語音素材0～9、米、厘米等錄入分配的地址，具體地址和時間長度分配如表1所示，語音素材的分配地址由00 H至4 AH。

表1 語音地址分配表

溫度補(bǔ)償?shù)膫鞲衅骷捎肔M35C，其最大線性誤差為±0.5℃，輸出覆蓋－40℃～110℃，輸出為電壓范圍為6 V至-1.0 V，溫度和輸出電壓的關(guān)系為[15-16]：

由式（3）可知，傳感器的電壓輸出與被測溫度成線性關(guān)系，單片機(jī)通過AD轉(zhuǎn)換并換算后即可獲得被測溫度值，本系統(tǒng)采用STC12C5A60S2單片機(jī)內(nèi)部集成的10位AD作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器件，簡潔設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，電路設(shè)計(jì)如圖4所示，分別為溫度傳感器電路、顯示電路和聲光報警電路的設(shè)計(jì)。

3 CPLD測距設(shè)計(jì)

超聲波測距控制器是系統(tǒng)的核心模塊，直接影響著測距的精度，其設(shè)計(jì)如圖5所示，主要由外部SPI接口單元、狀態(tài)寄存器、啟停寄存器、計(jì)數(shù)器、計(jì)數(shù)寄存器和狀態(tài)機(jī)等部分組成。單片機(jī)通過SPI接口和CPLD外部接口進(jìn)行通信，單片機(jī)通過該接口單元，完成對超聲波測距控制器的啟停控制和測距的數(shù)據(jù)信息的讀取任務(wù)。超聲波測距控制器的工作流程為：1）接到單片機(jī)發(fā)來測距指令，存儲在狀態(tài)寄存器里面，狀態(tài)機(jī)進(jìn)入start模式，經(jīng)50 MHz分頻得到40 kHz方波驅(qū)動超聲波發(fā)射模塊；2）發(fā)射出40 kHz脈沖后，狀態(tài)機(jī)進(jìn)入counter模式；3）直到回波觸發(fā)信號FTRIG后，進(jìn)入save模式，將計(jì)數(shù)的最后數(shù)據(jù)存儲在計(jì)數(shù)寄存器里面；4）保存好數(shù)據(jù)后，進(jìn)入clear狀態(tài)，將計(jì)數(shù)器清理；5）將計(jì)數(shù)器清理后，進(jìn)入Idle模式，等待下一次測量；在整個過程中，狀態(tài)寄存器都存放著狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)標(biāo)志。

圖5 超聲波測距控制器與狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

4 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序采用C語言進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，利用Keil c51作為開發(fā)環(huán)境。如圖6所示，系統(tǒng)完成初始化后，讀取是否有倒車信號送來，如果有，則進(jìn)入測距模式，先讀取當(dāng)前環(huán)境溫度值，然后單片機(jī)通過SPI通信協(xié)議向發(fā)送啟動測距信號，由CPLD完成測距任務(wù)，單片機(jī)則等待CPLD返回測距的計(jì)數(shù)值。單片機(jī)收到測距的計(jì)數(shù)值后，利用當(dāng)前溫度值和計(jì)數(shù)值，根據(jù)公式（2），可計(jì)算出修正后的測距值，將測距值進(jìn)行顯示并通過語音模塊播報出來并根據(jù)設(shè)定的障礙物距離的閾值判斷是否需要進(jìn)行聲光報警。

圖6 系統(tǒng)程序流程圖

5 測試分析

如圖7所示，利用Multisim仿真軟件對接收電路進(jìn)行仿真測試，所設(shè)計(jì)的帶通濾波器的中心頻率為40.491 kHz，±3 dB帶寬的截止頻率在25.6 kHz和55.8 kHz，對40 kHz以外的干擾信號具有較強(qiáng)的抑制能力。

利用altera的CPLD集成開發(fā)環(huán)境Quartus II，進(jìn)行超聲波測距控制器的時序仿真分析，圖8位發(fā)射接收時序圖，其中圖（a）為超聲波發(fā)射時序圖，在start信號的觸發(fā)下，50 MHz經(jīng)分頻獲得40 kHz的8個脈沖。圖（b）為超聲波接收時序圖，TRIG信號觸發(fā)計(jì)數(shù)開始，并被FTRIG信號觸發(fā)停止計(jì)數(shù)，讀取的計(jì)數(shù)值經(jīng)計(jì)算，數(shù)值完全正確。

圖7 接收信號處理濾波器特性

圖8 超聲波發(fā)射和接收時序仿真圖

為了進(jìn)一步驗(yàn)證所設(shè)計(jì)倒車防撞系統(tǒng)的測距精度，將設(shè)計(jì)好的樣機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)測，數(shù)據(jù)如表2所示，經(jīng)計(jì)算，系統(tǒng)測距平均相對誤差僅為2.4%，完全滿足倒車防撞的精度要求。

表2 系統(tǒng)測距數(shù)據(jù)表

6 結(jié)束語

在綜合分析現(xiàn)存的超聲波測量系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出了一種由單片機(jī)和CPLD結(jié)合為核心的超聲測距系統(tǒng)，分別對超聲波發(fā)射和接收電路進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，利用Verilog HDL硬件描述語言進(jìn)行測距超聲波測距控制器詳細(xì)設(shè)計(jì)，最后通過仿真測試得出結(jié)論，該系統(tǒng)完全滿足汽車防撞系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，由于采用CPLD作為獨(dú)立的測距控制器，可以完成多路超聲波信號的發(fā)射和處理，避免倒車時，出現(xiàn)測量盲區(qū)，所設(shè)計(jì)的硬件架構(gòu)具有很好的性價比，具有一定的實(shí)用推廣價值。