【正文】 內(nèi)部的溫度等）以保證在上電和運行期間的穩(wěn)定性和高可靠性。 基于單片機的汽車防追尾碰撞報警系統(tǒng)設(shè)計 5 模 擬 多 路 選 擇器（ M U X ）（ 1 到 3 2 路 ）V c c ( 1 . 5 V )模 擬Q u a d 0模 擬Q u a d 1P a d sA V 0A C 0A G 0A T 0A T R T N 0A V 1A C 1A G 1A T 1模 擬Q u a d 8模 擬Q u a d 9A V 8A C 8A G 8A T 8A T R T N 5A V 9A C 9A G 9A T 9溫 度 監(jiān) 控 器……013 1A D C 輸 入 到 F P G A 的 數(shù) 據(jù)（ A D C 轉(zhuǎn) 換 結(jié) 果 ）內(nèi) 部 二 極 管 圖 1 ADC 與模擬多路選擇器 2. ADC 工作原理 Actel Fusion 器件中的 ADC 是一個 12 位逐次逼近型（ SAR） ADC，它內(nèi)部主要由采樣保持電路、比較器、逐次逼近寄存器和 DAC 等模塊組成，采樣保持電路主要是對外部模擬信號進行采樣，并保持采樣得到的模擬信號，它將和 DAC的輸出結(jié)果通過比較器來比較，比較器的輸出結(jié)果來控制逐次逼近寄存器中的移位寄存器是否繼續(xù)移位，寄存器輸出的結(jié)果送給 DAC 實現(xiàn)數(shù)字量與模擬量轉(zhuǎn)換，最終又回到原先的比較器輸入端，構(gòu)成一個反饋系統(tǒng)，直到輸入電壓與 DAC 輸出的電壓相等時，移位寄存器停止工作，此時逐次逼近寄存器輸出的值即為最后轉(zhuǎn)換的數(shù)字結(jié)果 [8]。 比 較 器+采 樣 保 持逐 次 逼 近 寄 存 器（ 受 移 位 寄 存 器 控 制 ）D A CV d a c數(shù) 字 轉(zhuǎn) 換 結(jié) 果V r e fV i nA D C C L K圖 2 ADC 結(jié)構(gòu)圖 基于單片機的汽車防追尾碰撞報警系統(tǒng)設(shè)計 6 3． ADC 采樣時間和轉(zhuǎn)換時間 在 ADC 的參數(shù)中，采樣時間和轉(zhuǎn)換時間是使用者非常關(guān)心的一個參數(shù)，它決定了外部輸入信號的帶寬。采樣和轉(zhuǎn)換的時間示意圖如圖 3所示， ADC 采樣和轉(zhuǎn)換時間描述如表 1 所示。[4(1+TVC)] 其中： 基于單片機的汽車防追尾碰撞報警系統(tǒng)設(shè)計 8 t_sync_read= SYSCLK， 模擬軟 IP 鎖存 ADC 結(jié)果的時間 t_acquisition_hold=Tsample+( Tprescaler_setting 或Tstrobe) =(2+STC)ADCCLK+(Tprescaler _setting 或 Tstrobe)， 獲取和保持時間 t_distrib=(8/10/12) ADCCLK ， ADC 內(nèi)部轉(zhuǎn)換一次的時間 t_post_cal=2ADCCLK ， 后期校準(zhǔn)的時間 t_sync_write= SYSCLK， 模擬軟 IP 將 ADC結(jié)果鎖定輸出的時間 【 7】 （ 2）單通道采樣時間和采樣率計算公式： 單通道采樣時間 Tsample_fusion= T_conversion+ Tturnaround 單通道采樣率 Fsample_fusion=1/ Tsample_fusion 其中： Tturnaround 為 ASSC 的控制時間 （ 3）多通道采樣時間和采樣率關(guān)系： 假如 ADC 有多個通道同時使用，則總的采樣率為每個通道的采樣率的和，可以根據(jù)如下關(guān)系計算： 總采樣率 =總通道數(shù)目 /（每個通道的 Tsample_fusion的總和） 每個通道的采樣率 =各通道的 Tsample_fusion/各通道Tsample_fusion 的總和 總采樣率 [11] （ 4）舉個例子： 例 1： 系統(tǒng)時鐘 SYSCLK=40MHz，分頻后 ADC 的時鐘ADCCLK=10MHz，采樣 10 位 ADC 模式，使用電壓監(jiān)控，不使用 Prescaler，無標(biāo)志信號， ASSC 的處理時間 Tturnaround=，則： T_conversion=t_sync_read+t_acquisition_hold+t_distrib+t_post_cal+t_sync_write =25ns+(2+0) 100ns+10100ns+21 00ns+25ns 基于單片機的汽車防追尾碰撞報警系統(tǒng)設(shè)計 9 = Tsample_fusion=+= Fsample_fusion=1247。 (310)=300ksps 每個通道的采樣率 =(10/30) 300ksps=100ksps 表 2 采樣保持時間寄存器 (STC) STC[7:0] 采樣時間 = (STC+2) ADCCLK 時鐘周 期 0 00000000 2 個 ADC 時鐘周期 1 00000001 3 個 ADC 時鐘周期 ?? ?? ?? 254 11111110 256 個 ADC 時鐘周期 255 11111111 257 個 ADC 時鐘周期 要實現(xiàn)最高 600ksps 的采樣率必須滿足一定的條件，首先， ADCCLK 必須達到最高 10MHz，選擇 8 位 ADC 模式；其次，不能使用 Prescaler 以及內(nèi)部的數(shù)字濾波功能，也就限制了外部的輸入電壓不能超過電壓基準(zhǔn)源的范圍；第三，沒有設(shè)定閥值變化信號；第四，只能對電壓監(jiān)控的條件下才能達到，在電流和 溫度監(jiān)控下都無法實現(xiàn)最高 600ksps 的采樣率。針對智能小車在特殊路勁條件下的路徑識別，提出了基于模擬光電傳感器的路徑識別方案與基于數(shù)字光電傳感器的路徑識別方案，并對兩種方案的應(yīng)用性能進行了比較。在應(yīng)用中這類傳 感器要求光電元件靈敏度高，而對元件的光照特性要求不高。從本質(zhì)上講，數(shù)字式光電傳感器的劣勢就在于它丟掉了路徑探測中的大量信息。 模擬式光電傳感器的 發(fā)射 和接收都是錐角一定的圓錐形空間，其電壓大小與傳感器距離黑色 路徑標(biāo)記線的水平距離有定量關(guān)系：離黑線越近，電壓越 高 ，離黑線越遠，則電壓越 低 （具體的對應(yīng)關(guān)系與 發(fā)光二極管 型號以及離地高度有關(guān)），從理論上可以大大提高路徑探測精度。根據(jù)實車試驗，可以將路徑探測的精度提高到 1mm。 模擬式 光電傳感器尋跡的優(yōu)點是電路簡單、信號處理速度快。模擬式光電傳感器電壓與偏移距離關(guān)系示意圖如圖 4 所示 [3]。 基于單片機的汽車防追尾碰撞報警系統(tǒng)設(shè)計 11 傳感器電壓水 平 偏 移 距 離正 對 黑 線位 置 圖 4 模擬式光電傳感器電壓與偏移距離關(guān)系示意圖 （三） ． 紅外檢測技術(shù) 車距檢測為系統(tǒng)重要的組成部分之一，為了能實現(xiàn)快速、可靠和穩(wěn)定的智能避障效果，針對紅外避障傳感 器的測距方案與超聲波傳感器的測距方案的應(yīng)用性能做了比較。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。超聲波在空氣中的傳播速度為 340m/s，根據(jù)計時器記錄的時間 t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離(s)，即： s=340t/2。 因此，在余振未消失以前， 是 不能啟動系統(tǒng)進行回波接收 。此外，超聲波傳感器 也容易受到外界環(huán)境的干擾。對障礙物的感應(yīng)距離可以根據(jù)要求通過后部的旋鈕進行調(diào)節(jié)。傳感器正常工作電壓為5VDC，輸出電流為 100mA，可監(jiān)測 3— 80cm 范圍內(nèi)的障礙物。應(yīng)用中并不需要將其輸出信號進行處理，可直接輸入主控芯片。 （四） ． 脈寬調(diào)制技術(shù) ，從而達到調(diào)速的目的，但是電阻網(wǎng)絡(luò)只能實現(xiàn)有級調(diào)速，而數(shù)字電阻的元器件價格比較昂貴，更主要的問題在于一般電動機的電阻很小，但電流很大，分壓不僅會降低效率，而且實現(xiàn)很困難。這個方案的優(yōu)點是電路較為簡單，缺點是繼電器的響應(yīng)時間慢、機械結(jié)構(gòu)易損壞、壽命較短、可靠性不高。 L298N 采用由達林頓管組成的 H 型 脈寬調(diào)制（ PWM） 電路。這種電路由于管子工作只在飽合和截止?fàn)顟B(tài)下，效率非常高。 L298N芯片可以驅(qū)動兩個二相電機，也可以驅(qū)動一個 三 相電機，輸出電壓最高可達 50V，可以直接通過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓 ，基于單片機的汽車防追尾碰撞報警系統(tǒng)設(shè)計 13 可直接用單片機的 IO 口提供信號；而且電路簡單，使用比較方 便。 使用 L298N 時，可以直接由主控芯片輸出時序 信號 ，控制電機的加速、減速、停止和剎停 ， 在一定程度上 節(jié)省 了主控芯片 IO 口的使用 ，控制 也 不復(fù)雜，故選用 L298N 來 驅(qū)動電機 [5]。智 能小車能按指定路線行駛，在行駛過程中能自動進行加速、減速、避障、自動倒車以及相應(yīng)聲光指示。在安全距離內(nèi)車 1 檢測到前方有障礙物（行進中的車 2 或固定障礙物）時，智能小車紅外指示燈將點亮， 小車將自 動減速或駛向快速車道，在快速車道上能自動實現(xiàn)加速超車功能，并返回慢速車道， 與此同時，蜂鳴器的報警聲和對應(yīng)的轉(zhuǎn)向指示燈會間歇性的閃爍 [16]。 當(dāng)前端的模擬光電傳感器檢測到倒車標(biāo)志時，小車會自動停車，并開啟后端模擬光電傳感器，檢測車后路況信息，執(zhí)行倒車功能；當(dāng)后端模擬光電傳感器檢測到 車庫停車標(biāo)志 時，小車停止，尾燈電亮，電機關(guān)閉，以示倒車完成。 基于單片機的汽車防追尾碰撞報警系統(tǒng)設(shè)計 14 系統(tǒng)基于 Fusion StartKit FPGA 開發(fā)板而設(shè)計，主要利用其獨特的模擬部分和 flash 架構(gòu)設(shè)計構(gòu)成核心控制模塊，并結(jié)合紅外測距、路徑檢測、驅(qū)動電機控制、轉(zhuǎn)向電機控制、電源管理、聲光指示等 6 個模塊共同實現(xiàn)系統(tǒng)前述的各項功能。 F U S I O N F P G A A F S 6 0 0A / D路 徑 檢 測紅 外 測 距 驅(qū) 動 電 機 控 制轉(zhuǎn) 向 電 機 控 制電 源 管 理聲 光 指 示圖 5 系統(tǒng)功能框圖 （二） 各模塊功能分析 路徑檢測通過模擬光電傳感器對外界路況信息進行實時檢測 [15]。光敏電阻的兩端阻值是隨接收光照強度大小而變化的，光照強度越小，兩端的電阻值越大，電路中反饋信號的電壓值越大。在同一跑道上，光線的強弱與電壓信號值的大小是成反比的。 基于單片機的汽車防追尾碰撞報警系統(tǒng)設(shè)計 15 紅外測距模塊為系統(tǒng)重要的一個組成部分，通過紅外避障傳感器可實現(xiàn)一定范圍 內(nèi)的障礙物檢測。系統(tǒng)中兩輛智能小車前端均安裝有一個 紅外避障傳感器 ，二者可檢測的距離不同，車 1 紅外避障傳感器檢測距離設(shè)置為 50cm，車 2 檢測距離設(shè)置為 20cm。紅外避障傳感器反饋的信號類型為開關(guān)信號，檢測到障礙物時，輸出信號為低電平，否則為高電平。 驅(qū)動電機控制模塊主要由 Fusion FPGA AFS600 主控芯片和 L298N 驅(qū)動芯片組成。驅(qū)動電機的控制主要體現(xiàn)在程序的設(shè)計上，通過改變占空比，實現(xiàn)智能小車的加速、減速、前進與后退。 轉(zhuǎn)向電機控制模塊與上述的速度控制模塊相似，控制功能主要由程序?qū)崿F(xiàn)，可較準(zhǔn)確的實現(xiàn)智能小車在行進過程中前輪轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)動角度的控制。轉(zhuǎn)向電機占空比變量越大，轉(zhuǎn)動的角度就越大；相反，轉(zhuǎn)向電機占空比變量越小，轉(zhuǎn)動的角度就越小。聲光指示電路比較簡單，難點在控制邏輯上，可通過 Fusion FPGA AFS600控制相應(yīng)的聲光指示。智能小車遇到障礙物時，將會自動左轉(zhuǎn)，其左側(cè)轉(zhuǎn)向指示燈將進行間歇性閃爍，頻率與蜂鳴器相同。 智能小車遇到停車標(biāo)志時，執(zhí)行自動倒車動作，同時車身兩側(cè)轉(zhuǎn)向指示燈將同時點亮并保持，直至計時結(jié)束。 智能 小 車系統(tǒng)根據(jù)各部件正常工作的需要，對標(biāo)準(zhǔn)車模用 2200mAh NiMH 電池 組 進行電壓調(diào)節(jié)。因為 開發(fā)板在獲得 5V 電壓供電后，根據(jù)其自身的硬件設(shè)計，本身就能輸出 +、 +、 + 等不同數(shù)值的電壓，所以 Fusion FPGA AFS600 的工作電壓就不用多加設(shè)計 ?？紤]到由驅(qū)動電機 引 起的 電 壓瞬 間下 降的 現(xiàn) 象， 低壓 降 的電 壓調(diào) 節(jié)器 如LM29 LM2575 等也被廣泛地采用 ，在本系統(tǒng)中只用了 7805電 源 管理 芯 片。 四 系統(tǒng)硬件 電路設(shè)計 （一） 穩(wěn)壓電源電路設(shè)計 本系統(tǒng)正常工作電壓為 5V，主要由電池組與電源模塊電基于單片機的汽車防追尾碰撞報警系統(tǒng)設(shè)計 17 路兩部分共同提供。鎳氫電池組如圖 6 所示。穩(wěn)壓電路如圖 7 所示。當(dāng)電源接通時，發(fā)光二極管點亮 [6]。 （二） 模擬光電傳感器電路設(shè)計 模擬光電傳感器采集電路由光敏電阻（ R11R18）、高亮發(fā)光二極管（ DS9DS16）和電阻（ R19R34）等元器件組成，其中 AV0_USE0 AV7_USE7 為電路的數(shù)據(jù)輸出端口，該端口通過導(dǎo)線連接 Fusion StartKit FPGA 開發(fā)板的 AV0AV7 ?；趩纹瑱C的汽車防追尾碰撞報警系統(tǒng)設(shè)計