（微电子学与固体电子学专业论文）基于psoc的汽车前照灯智能控制系统研究.pdf

长春理工大学硕士学位论文原创性声明y 1 7 4 0 9 5 0 i i j l l i j i r j i f f l r l l l l l l lj l l f l l l l l l i i f j f l l l j f 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文基于p s o c 的汽车前照灯智能控制系统 研究是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已 经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作 品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：爿熊丕殳兰2 1 1 年王月互【日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士学位论文版权使用 规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复 印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 魅盈盆一2 垒 里年3 月土墅日 指导导师签名： 摘要 本文针对汽车驾驶的安全性能的考虑，本文为汽车f j 照灯设计了一套智能控制系 统。该智能控制系统能够在不同路面状况下，对前照灯的照射角和亮度实施全自动实 时调整，更好的实现汽车前照灯的智能化控制。由于p s o c ( p r o g r a m m a b l es y s t e m0 1 3 c h i p ) 具有集成度高，低功耗，片内有一个高速内核、f l a s h 快速闪存和s r a m 数据内 存，以及设计者可动态配置的模拟模块和数字模块等特点。所以，本文设计了一套基 于p s o c 的汽车前照灯智能控制系统。 本文对汽车前照灯转向模型进行了详细研究，同时也对汽车前照灯智能控制系统 的工作模式进行了细致的分析，设计了一套前照灯智能控制方案，并将模糊控制理论 原理引入p s o c 系统，同时完成驱动单元的电路设计，为智能控制系统能够稳定运行提 供了强有力的技术支撑。通过实验和m a t l a b 仿真检测，完成了前照灯智能控制系统的 软件设计及仿真。 关键词：前照灯；p s o c ；传感器；实时调整 a b s t r a c t b a s e do nt h es a f e t yo fd r i v i n g ，t h i sp a p e rd e s i g n e das e tf o rt h ea u t o m o t i v e h e a d l a m pi n t e l li g e n tc o n t r o ls y s t e m i nd i f f e r e n tr o a dc o n d i t i o n s ，c h a n g et h e r i g h th e a d li g h to ft h ei r r a d i a t i o na n g l ea n dt h eb r i g h t n e s so ff u ll ya u t o m a t e d r e a l t i m ea d j u s t m e n t ，a n db e t t e ri m p l e m e n t a t i o no ft h ei n t e l l i g e n tc o n t r o lo f v e h i c l eh e a d l a m p s a st h ep s o c ( p r o g r a m m a b l es y s t e m o nc h i p ) i sh i g h l y i n t e g r a t e d ，l o wp o w e r ，o n - c h i pt h e r ei sah i g h s p e e dc o r e ，f l a s ha n ds r a md a t a m e m o r y ，d e s i g n e r sc a nd y n a m i c a ll yc o n f i g u r a b l ea n a l o gm o d u l e s a n dd i g it a l m o d u l e sa n ds oo n t h isp a p e rd e s i g n e dap s o c b a s e di n t e l li g e n tc o n t r o ts y s t e m f o ra u t o m o b il eh e a d l a m p i nt h is p a p e r ，s t u d i e da u t o m o b i l eh e a d l a m ps t e e r i n gm o d e li nd e t a il ， i n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e mf o ra u t o m o t i v eh e a d l a m pm o d eo fw o r kc a r r i e d o u t ad e t a i l e da n a l y s i s ，d e s i g nas e to fi n t e l l i g e n th e a d l a m pc o n t r o lp r o g r a m t h e i n t r o d u c ti o no ff u z z yc o n t r o lt h e o r yh a s b e e na p p lie d int h ep s o cs y s t e m ， c o m p l e t ed r i v eu n i to ft h ec i r c u i td e s i g nf o rs t a b l eo p e r a t i o no fi n t e l l i g e n t c o n t r o ls y s t e m sc a np r o v i d es t r b n gt e c h n i c a ls u p p o r t t h r o u g he x p e r i m e n t sa n dm a t l a bs i m u l a t i o nt e s t i n g ，c o m p l e t e dah e a d l a m p i n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e ms o f t w a r ed e s i g na n d s i m u l a t i o n k e yw o r d s ：h e a d ia m p s ：p s o c ；s e n s o r ：r e a 卜t im ea d j u s t m e n t 目录 摘要 a b s t l 认c t 目录 1 1 引言1 1 2 国内外汽车前照灯发展概况2 1 3 论文研究的主要内容4 第二章前照灯智能控制策略的研究6 2 1 前照灯系统原理及分析6 2 2 灯水平转角与方向盘转角量、车速关系8 2 3 俯仰角与车辆负载关系1 1 第三章前照灯智能控制系统硬件总体方案设计1 2 3 1 控制系统架构设计1 2 3 1 1 总体方案设计一1 2 3 1 2 硬件电路设计13 3 1 3i2 c 总线15 3 1 4c y 8 c 2 9 4 6 6 芯片17 3 2 动力驱动控制单元的设计2 4 3 2 1 总体设计及工作方式。2 4 3 2 2 硬件电路设计2 5 3 3c y 8 c 2 4 4 2 3 芯片2 9 第四章前照灯智能控制系统软件总体方案设计3 6 4 1 软件设计的总体流程图3 6 4 2 传感器信号处理策略3 7 4 2 1 光传感器信号处理方案设计3 7 4 2 2 位置传感信号处理方案设计。3 8 4 3 智能控制系统子程序设计方案。3 9 4 3 1 转向角控制子程序设计图3 9 4 3 2 会车变光( 俯仰角控制) 子程序设计图4 1 4 4 车灯故障报警程序设计图4 l 4 5 模糊控制理论的研究4 2 第五章实验与仿真结果4 7 5 1 功率开关器件4 7 5 2 前照灯转向角度的仿真一4 8 5 3 模糊控制理论软件仿真4 9 结论 翌疋谢。5 5 参考文献 1 1 引言 第一章绪论 在经济发达的当今社会，全球汽车行业的迅猛发展，汽车的安全性也越来越被关 注。由于公路的照明状况不理想，照明设备不够完善，存在弯道、隧道等各种路面， 给安全驾驶带来了很大的危险，导致交通事故时有发生。对于车辆设计来讲，可以通 过改善车辆本身的前照灯照明模式来弥补外界的不利因素对安全驾驶带来的隐患。所 以，汽车前照灯对于保证行车安全，具有十分重要的意义。 汽车前照灯的作用是在驾驶员在汽车夜间行驶时，给驾驶员提供足够的照明，同 时还防止行车时给迎面来车的驾驶员造成炫目。同时，在无法改变路况与环境的情况 下，实现前照灯的智能化控制将是最为可行的方案。因此，汽车前照灯智能化控制系 统的研发一直以来都是汽车行业备受关注的话题。 智能控制系统是目前汽车行业最新科技系列之一。当今世界汽车行业有着迅猛的 发展，这其中属汽车科技的发展速度最为领先，前照灯控制系统作为汽车照明智能控 制系统重要组成部分，在推动汽车发展的过程中，已成为汽车领域的焦点。 前照灯智能控制系统作为汽车控制系统的组成部分，其优越之处就在于它的智能 化、人性化，它替代了传统前照灯固定的单一的照明模式。前照灯智能控制系统是以 单片机作为核心，在车头大灯组内后侧或底座安装转向马达。当驾驶员转动方向盘的 时候，计算机就会立即采集到方向盘的转向角度以及车速等相关信号，然后经过控制 逻辑和算法，通过中央控制器件发送指令给从控制器，再由从控制器发送控制指令，驱 动头灯组内的转向马达，令其随着车辆的实际过弯动态进行前照灯角度转动、灯光模 式的转换与实时的调整，让照明光束集中在行车的路线上，使驾驶员很清楚的看清车 辆前方即将经过的弯道上的路况。于此同时在必要的时候发出警报信号和提示信息， 从而实现车灯的智能化控制。 由于汽车控制系统的任务较多、实时性要求比较高、要进行大量算法、进行a d 转 换、i o 口的输人输出、总线通讯、转向驱动控制等因素，使得控制系统必须尽量采用 低功耗设计、高效率，所以我的论文采用p s o c 来实现汽车前照灯智能控制。它能够根 据车辆转弯时的速度以及方向盘的转动角度，将照明的死角最大限度降低，大幅度提 升驾驶员在转弯时对于道路的辨识度1 。 p s o c 是由美国c y p r e s s 首推的功能强大的新一代8 位可配置的嵌入式单片机，具有 可配置混合信号阵列的可编程片上系统芯片。芯片上集成了微控制器、数字接口电路、 可编程数字逻辑模块、模拟模块。其数字模块和模拟模块都是可动态重构的特性，使 的设计人员更加随意开发其他新的系统功能。这种“数字+ 模拟”的可配置s o c 不仅仅 降低了成本，也节约了硬件的占用空间，最为重要的是它使设计灵活性最大化。基于 p s o c 的汽车前照灯控制系统不仅能够满足现代汽车智能控制系统功能不断扩展、逻辑 编程日渐复杂的要求，同时它也是汽车智能化的前沿科技。 本论文结合前照灯照明系统和p s o c 系统的各项要求和特点，设计了一套比较完善 的前照灯智能控制系统。 自从我国加入w t o 以来，中国的汽车产业逐渐与世界接轨，但与国际相比，我国的 汽车产业从营销和技术等诸多方面都落后于世界发达国家，其在国际市场的竞争力都 远逊于德国、美国等技术大国。而且，在w t o 大的框架体系下，发达国家利用技术优势 和游戏规则，屡屡打压和限制我国等不发达国家，今年我国与美国的汽车轮胎特保案 就是个例子，同时发达国家通过技术封锁、知识产权限制等手段维护其垄断地位。为 了应对未来汽车工业的新形势，改变我国在传统汽车研发方面发展缓慢的现状，现阶 段，急需大力开展汽车部件相关技术的研究。 前照灯技术作为汽车工业技术重要的组成部分，其发展已经是大势所趋。汽车前 照灯智能控制系统的研发必将在一定程度上带动中国经济的发展，进一步促进我国与 世界接轨的进程2 1 。 1 2 国内外汽车前照灯发展概况 1 2 1 国外技术现状 一些高挡车辆带有天黑自动开灯功能，自动变光设计只存在于高档汽车之中，如 福特高档轿车、宝马7 3 0 l i 及最新型的宝马x 6 才具有前照灯自动控制系统( 宝马系列 称“远光自动控制”) 。 德国b m w 系列豪华汽车已经具有一定技术的夜视系统与远光辅助照明系统。由系 统程序自动操作远光灯的开关，并且驾驶者都可以随时进行手动控制操作远近光的切 换。德国b m w 系列的一些车型中还带有光束自动转变的功能，其大灯结构中包括一组 是可以转动的大灯，还有两组灯是固定的。当方向盘转向时，大灯会随着方向盘的转 动角度进行相应的角度转动，但是其微处理器对车辆传感器型号要求特别高，一般的 车辆无法满足微处理器对器件的要求。 奔驰s 系列的高档轿车上的感光车灯能够根据光亮度进行全自动的开关灯操作， 其光亮度感应装黄控制起到至关重要的作用。当光线变暗、驶入隧道、或阴雨、雪、 雾等情况下，其光亮度低于其设定值时，车灯便会自动打开。以完善车辆行驶时的行 驶路面亮度， 2 美国福特公司于2 0 0 4 年秋，在欧洲隆重上市的福特新款f o c u s 上采用卤素a f s 前 灯系统，独居行业领先地位。用卤素前灯代替氙灯或双氙照明系统，可以为消费者节 省近三分之一的费用。它只是安装有简单的光电开关，会车时，当光传感器的输出达 大连理工大学研究汽车照明系统采用的是汽车自适应照明系统a l s ( a d a p t iv e l i g h t i n gs y s t e m ) ，在详细分析了系统功能需求的基础上设计了基于a t 8 9 s 5 1 单片机 的汽车自适应照明系统。在硬件部分设计了a l s 的主控制器及外围电路、各种相关模 块以及故障检测电路。在软件部分设计了系统软件的整体流程，算法程序等软件模块， 实现了整车照明系统。但是a l s 对车辆硬件的要求比较苛刻，只有高端车辆才能够安 装a l s 系统，对于普通车辆现有硬件设备，则是望而莫及，而p s o c 系统不仅能够与硬 件匹配，而且便于日后性能的扩展3 1 。 1 3 论文研究的主要内容 作为汽车电子领域的一种新技术的前照灯智能控制系统，将传感器检测到的信息 传输到控制系统，再通过软件进行数据分析，以产生不同的控制命令，精确车灯的照 明角度以及照明亮度，从而达到车灯的智能化控制。所以本论文主要以汽车前照灯智 能控制系统为研究对象，主要包括以下几个方面： 1 )前照灯智能控制策略的研究 现有的汽车前照灯系统大多数使用主动转向头灯，头灯总体采用单体设计，前照灯 可以转动一定角度，照明角度会随着车辆转角而改变角度。但是实际上照明范围还是 受到头灯转向角度的限制。智能前照灯控制系统能够根据车辆转弯情况改变车灯转角， 使弯道照明更加人性化，降低视觉盲区出现的几率，确保安全驾驶。 前照灯智能控制系统它简化了传统汽车电子电路，增强了前照灯照明模式，直接由 集成系统对采集数据进行分析并给出相应的操作指令，然后驱动前照灯驱动系统，简 化了复杂的外部逻辑电路。系统对数据采集进行的模糊运算，为控制模块的设计提供 具体、详细的理论数据。 2 )驱动单元的研究 汽车前照灯的转动都是通过步进电机来实现的，一台是控制垂直方向转动的步进 电机，另外一台是控制水平方向上转动的步进电机，其原理是相类似的。步进电机是前 照灯调节的一个最佳选择，因为步进电机的成本低且耐用，精确度高，体积不大但能 够提供很大的扭矩。 良好的驱动系统方案能强有力的支撑智能前照灯智能控制系统的研发。驱动系统 的性能直接影响和制约着夜间汽车的行驶安全性和照明效果。本文则是采用脉冲频率 变化控制步进电机1 。 3 ) p s o c 控制系统 其硬件方面，现有元件已经能够满足p s o c 系统在硬件上的需求，如：车速传感器、 方向盘转向角传感器、光度传感器和车身高度传感器等等；软件方面，信息的共享和 集中控制技术，通过对集成系统输出功率的调节，从而实现前照灯亮度模式的转换， 4 通过控制步进电机的步进角度来改变前照灯转向角度。最大限度上使信息达到共享。 p s o c 系统依据各个程序设计的数据要求，首先对各种传感器输入信号进行分析、 计算、处理，之后输出特定的、准确的控制信号指令，以便于对前照灯的步进电机进 行驱动，带动大灯在水平、垂直方向上转动，已达到角度上的智能化模式转换。 p s o c 控制系统的控制功能如下： a )转向控制 当汽车转向时，p s o c 控制系统的转向角度指令也要做出相应的变化，并与当前角 度状态进行调整，与标准值进行比对，从而发送指令到驱动单元，使前照灯在水平方 向左或向右转动一定角度。 b ) 俯仰角控制 当汽车的负载发生变化或者加速、减速时，车身会发生前后一定的倾斜，此时车 身高度传感器会采集到相应的信号，将信号发送到控制系统，控制系统比对标准值， 并发出相应的调节指令给动力驱动单元，使前照灯垂直方向上下摆动一定角度。 c ) 光强变化控制 光传感器所采集到的光强信号是自动控制的依据。只有光强传感器采集到的外界 光线强度，并把采集的信号发送到控制系统，控制系统再把信号与标准值进行比对， 然后发送相应的指令对输出电压进行调控，从而调节光照强度。 d )动力驱动控制 每个动力驱动控制单元通过脉冲频率变化来控制步进电机，对前照灯驱动电机进 行实时调制。通过对使用的步进电机进行驱动和调控，达到照明的及时性和稳定性， 以提高前照灯转动角度的精确度。 e ) 故障检测功能 在车辆行驶状态下，系统在发出特定的指 系统，系统对其进行检测，以判断其运行状态 信号。从而保证驾驶员的安全行驶5 们。 第二章前照灯智能控制策略的研究 汽车前照灯智能系统是在汽车行驶至弯道或者夜间会车等情况下，给出理想的、 及时的照明模式指令。本文所研究的智能控制系统取代了以往复杂的电子电路和繁琐 的算法，通过软件程序调整两侧前照灯的照射区域以及照明亮度，弥补了传统前照灯 的缺陷，为安全驾驶提供了强有力的保障。 本文提出的前照灯智能方案是通过对采集车身高度传感器的信号、方向盘转向信 号、光度传感信号、车速、路面行驶状况、前照灯扭转角度以及亮度等基本参数进行 计算，分析其相互之间的关系。 本文的目的是依据车辆传感器的输入信号来转换前照灯的照明模式，改善行驶路 面照明状况，实现及时有效且理想的智能化照明模式。为驾驶员的行驶提供及时且足 够宽敞的视野，降低交通事故的发生率。 2 1 前照灯系统原理及分析 前照灯控制系统不仅能够最大限度上调节前照灯的水平方向的转动，而且也能够 调节垂直方向上的转动，完成汽车前照灯的水平调光与垂直调光。其中车灯转角的控 制是前照灯智能控制系统设计中的关键环节之一，一个良好的转角动态模型是前照灯 智能控制系统设计的初衷。 本文以p s o c 作为智能控制系统，以汽车车速和前轮转角为依据，通过控制车辆的 两组光源来达到理想照明的目的，其中的一个中心光源，它能够发出最大限度的光， 提供最大限度的可见度。另外，还有一组小光源，它是可以转动的，通过对小光源进 行水平方向和垂直方向的转动控制，可以使得照射角度发生改变，从而照亮弯道弯角 一侧或道路边外侧区域，照明范围更加理性，盲区进而减小。该p s o c 控制系统大幅度 提升驾驶在转弯时候对于道路死角的辨识度，将死角降低并趋于零。 灯光调节模式如下： a ) 前照灯水平转角 照明角度会随车辆转向而改变角度。当汽车方向盘转向角发生改变，智能控制系 统会根据方向盘转角发出合理的指令，前照灯就会在水平方向上左右转动，使得驾驶 员在行驶至弯道时，能够及时看到路面左右方向的情况，最大限度的观察到行驶路路 两侧的情况，避免交通意外的发生，如图2 1 所示。灰色区域为光线偏转后的照射区域， 光束偏转后，使原有的视觉盲区光照增加，更加有利于驾驶员清楚地看到弯道上的障 碍物，紧急避让，防止事故发生u 1 。 6 图2 1 前照灯水平转角偏转示意图 b ) 车身纵倾调光 当车辆前后负载不同的时候，车辆就会出现倾斜角度，车灯射出光线的角度也会 发生改变，对夜间行车安全很不利。图2 2 贝, l j 直观展现出车身倾斜前后，前照灯出射角 度和照明范围，其差异非常明显。当车辆负载增加时，车辆就会出现如图2 2 中b 、c 的 情况盯。 c ) 光强度调节 对于不同的天气状况，车灯的照明强度也要有相应的变化，以更好的给驾驶员、 行人和对方车辆以理想的光强，即有利于提高驾驶员视觉效果，还不会妨碍到对方车 辆的正常行驶，也不会晃得行人看不清路。这就需要系统根据采集到的信息作出相应 的光强指令。 通过对以上三种状态模式的转换，达到预期的照明模式，实现特定模式的照明， 通过步进电机对其前照灯进行调控的同时进行实时控制，更加有利于照明模式的实现。 2 2 灯水平转角与方向盘转角量、车速关系 在汽车转弯时，前照灯的水平转角的计算是以汽车安全制动距离为依据的，所以 首先推导出汽车基本的安全制动距离。 其安全制动距离是指在辆车的一定时速时，按规定的减速度来进行制动，汽车静 止时所行驶的距离。不同车速的制动距离也不同，本文采用的制动距离以最短安全制 动距离为准，按照国家交通安全制动距离为标准，同时将速度对制动的影响考虑进去。 车辆转弯时，车灯水平转角主要由车速、转弯弧度决定，车速是由车速传感器提够， 转弯弧度也就是表示了弯道半径，依据方向盘转角信息。首先可以得到车辆内外侧的 前轮转向角，再由阿克曼原理计算行驶路面的实际弯道半径。本文以车速和弯道半径 为依据，建立出车灯水平转角的动态模型。 a ) 阿克曼原理： 阿克曼转向几何原理是指两前轮的轮轴心垂直线的延长线与后轮轴延长线必交于 一点( z 点) ，如图2 3 所示，图中z x 为转向半径( 外侧前轮至转向中心点) ，近 似为弯道半径- - - r ，车辆的轴f b j 距- 一d ，单位为米，外侧前轮转向角为60 。 8 根据几何原理图可得： _ a x z = 么a o 图2 3阿克曼转向几何原理图 r = 面d = 面d s i n s i i l 么似z 玩 ( 2 1 ) ( 2 2 ) b ) 车灯水平转角的几何计算方法： 图2 4 为车辆转弯时，车辆与弯道半径之间的几何关系图。此图直接明了的把车辆 与弯道的关系用几何的方式表现出来。车速vk m h ；弯道半径一r ：车灯左右转 由几何关系得出 s = = 2 r s i n 0 由公式( 2 3 ) 得 x ：a r c s i i l 旦 放 图2 4车辆与弯道半径的几何关系 由公式( 2 2 ) 、( 2 4 ) 可得出 x ：a r c s i l l 璺：墅鱼 2 d ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 根据( 2 5 ) 得出的车灯水平转角与车速、弯道半径相互之间的几何关系，当车辆 2 3 俯仰角与车辆负载关系 车辆 将信 同而 躺呈2 ，翟淼；篙募轴距离，即轴距；d 广前轴高度变化量；d f _ 后轴高度 其中：卜前后轮之间车轮轴距离，即轴距；d r 一首u 轴葡发父化重；d r 一廊制同反 变化量；a _ 车身纵向倾角。 l ：轴长 图2 5 车身纵倾角的计算图 由几何三角形公式t a i l z = t d r - d f 求得 z = t a n 。1 半 系统通过a 控制指令，减小 加精确。更加有 ( 2 6 ) 荆大辆性传的车适度度于舒 躺钏节害；l车倾调全此纵冷病 轿艏提 斜车湍 ， 傩断蕴率 剧算送几发理濞出 锐厕运位就何辫错辄刖提域牟据挝区 时 ，淘慝姘鸯黝譬| 改化；减蛾妣溉磁彪彪系角 载高虻仰则晰铷俐后轴p 明前后给照 辆和送肭掣轴发成 能更应度 送仰发俯m 而明章新嬲觯 ，l z p e 屁薹| 捌黻积螺勰僦砂 倾 ，挂删量蛐辅惺皱孵妣蛸 判度毙剃触璞 ，僻盥礼舯吨比睁缸祧蝴纯 鑫戤船雠醚黼雌妍瓣 雠艘骐三载沧帕贼毗的车拘锄阵黼 第三章前照灯智能控制系统硬件总体方案设计 3 1 控制系统架构设计 前照灯智能控制系统总体设计主要包括： 1 ) 完成了前照灯控制系统整体设计。完成前照灯智能控制系统的主控制芯片配置； 通过对车灯灯光调节模式的研究，对水平转角与方向盘转角量、车速关系的分析，以 及车辆俯仰角的分析与研究，并将其算法引入到我的论文程序设计中。 2 ) 完成从控制系统构架的设计。完成系统从空芯片内部资源配置，对p s o c 驱动芯 片内部进行配置。 3 ) 主要完成步进电机的驱动及电机工作状态监测的电路设计。根基实际所用的步 进电机规格要求，设计与其相匹配的功率驱动电路，进而确定器件型号，并设计电路。 3 1 1 总体方案设计 p s o c 控制系统从方向盘角度传感器、车体速度传感器、车身高度位移传感器分别 取得转向轮旋转角度、车速、光信号和车身倾斜度等相关信息。其中角度和速度信息 通过中央控制电路精确计算以后产生输出信号控制步进电机对前照灯进行水平旋转， 倾斜度信息则是控制调高步进电机对旋转前灯进行垂直旋转的主要依据。 前照灯智能控制系统需要对两对水平调节电机和两对垂直调节电机进行指令调 控。同时进行光强调整，以达到光照范围和光亮度的智能化、理想化。系统控制系统 的主要组成部分包括：信号输入装置( 方向盘、车速传感器、光传感器、车身高度传 感器) 、主控制器芯片( c y 8 c 2 9 4 6 6 ) 和从控制器芯片( c y 8 c 2 7 2 4 3 ) 。总体控制框图如 图3 1 所示： 1 2 3 1 2 硬件电路设计 图3 1 系统总体结构框架 其硬件结构主要包括：方向盘传感器、光传感器、车速传感器、 主控制器、从控制器( c y 8 c 2 7 2 4 3 ) 。如图3 2 所示。 图3 2 基本硬件构架图 1 ) c y 8 c 2 9 4 6 6 选用c y p r e s s 公司的c y 8 c 2 9 4 6 6 芯片作为主控芯片。 其相关参数如下： 1 6 个数字可编程模块和1 2 个模拟可编程模块。 系统支持1 4 位a d 和9 位d a 转换，系统精度需要得以满足。 i 0 引脚多达4 4 个，模拟输出引脚为4 个。 支持1 2 c 总线，不仅简化了电路，也有利于系统的扩展。 2 ) 传感器 光电编码器( 角度传感器) 采用e p c 7 5 5 a 光电编码器，它具有良好的使用性能， 在角度测量时抗干扰能力很强，并具能够输出稳定可靠的脉冲信号，且该脉冲信号经 计数后可得到被测量的数字信号。其输出分辨率选用3 6 0 个脉冲圈，并且方向盘转动 是双向的，需要对编码器的输出信号鉴相后才能计数。 车高传感器将车身高度的变化( 悬架的位移变形量) 转变成传感器轴的转角，并 检测出旋转角度，把它转变成电信号输入控制系统。 速度传感器采用电磁感应式车速传感器由永久磁铁和电磁感应线圈组成，车速越 高，输出轴转速也越高，感应电压脉冲频率也越高，p s o c 系统根据感应电压脉冲值判 断汽车行驶的速度1 1 1 2 1 。 本文选择光传感器是m e l e x i s 的m l x 7 5 3 0 5 型号光传感器，它简化了设计，外部器 件也在一定程度上减少并改善了质量。根据m l x 7 5 3 0 5 的各项性能指数表明，它非常适 用于测量外界环境的光亮度。 3 ) 1 2 c 总线 1 4 1 2 c 总线包括1 2 cm a s t e r 和1 2 cs l a v e 两种，其作用非常适用于实现串行通信功能。 本文将c y 8 c 2 9 4 6 6 作为1 2 cm a s t e r ，c y 8 c 2 7 2 4 3 作为工2 cs l a v e 。它们各自都具有两根输 出信号线，一根是数据总线，即s d a ，一根是时钟总线，甚p s c l 。各设备的串行数据都 要接在s d a 数据线上，其时钟线接在总线的s c l 时钟线上，而且每条总线上都要接上拉 电阻。 所有的串行数据总线和串行时钟总线都是双向的，输出电路是向总线发送数据的， 输入电路用于接收总线上的数据。主控制芯片要通过s c l 发送时钟信号，同时检测总 线上s c l 的电平，以决定发送下个时钟脉冲电平的时间。作为接收主控制芯片信号 的从控制芯片，要按照总线上的s c l 的信号规定发出或者接收s d a 上的信号，也可以 向s c l 发出低电平以延长总线时钟信号的周期时间。 3 1 3 i2 c 总线 1 ) p s o c 内部1 2 c 总线 系统中的串行编程是建立在1 2 c 协议基础上的，p s o c 器件与双线i 2 c 串行通信总 线连接就是通过1 2 c 通信模块实现的。该模块对状态检测提供的1 2 c 硬件支持减少了硬 件上的开销。1 2 c 模块不仅支持一般的基本操作，还支持一组1 2 c 协议的状态条件。 2 )i c 总线基本配置 主控制芯片c y 8 c 2 9 4 6 6 发送指令、读取数据都是通过i o 来实现的，通过i o 读取 数据和中断，获取其状态。 ， 主控芯片和从空芯片都有两个专用的，为1 2 c 总线专门保留的g p i o 引脚，通过这 个g p i o 引脚，1 2 c 模块可以直接控制外部1 2 c 接口的数据总线( s d a ) 和时钟总线( s c l ) 信号。 在1 2 c 总线传输过程中，对开始与停止条件都有特定的条件设定。开始条件是：当 s c l 保持“高 ，s d a 由“高 变“低 ；停止条件是：s c l 保持“高”，s d a 由“低” 变“高。其开始与停止都是由主芯片发出产生的。如图3 3 所示。 s c l | ， | d a 所有接到1 2 c 总线上的被控器件都接收启动信号后的地址字节，并把接收到的7 位 地址码与自己的地址进行比较，如果相符，则为主控器寻址的被控器，反之则不是。 在第9 个时钟脉冲期间反馈应答信号( a c k ) 。如果从控芯片没有反馈回应信号a c k ，那 么主控芯片将会产生一个中断条件来终止信息的传输或产生一个r e s t a r t 条件1 3 1 。 3 1 4c y 8 c 2 9 4 6 6 芯片 本文p s o c 芯片开发板采用的是c y 8 c 2 9 4 6 6 芯片，它采用的是c y p r e s s 公司的p s o c d e s i n g e r 4 4 集成开发环境。从芯片采用c y 8 c 2 7 2 4 3 用于驱动前照灯的执行电机，从而 实现两个前照灯的转动。 软件所完成的工作包括以下几个方面： 选择合适的用户模块并对其进行配置、各个模块之间的互连、配置管脚、编辑应 用程序、编译可执行程序。 c y 8 c 2 9 4 6 6 监测方向盘转角、光传感器信号、车身高度、车速的传感器信号，根据 相应的控制指令，控制各从控制芯片相应的输出信息。与此同时，还要实时接收来自 于从控制芯片的反馈信息，并将反馈信息进行分析并进行信号处理，并将所产生的相 应控制信号传回各前照灯主控芯片，达到一个闭环调控的目的。 c y 8 c 2 9 4 6 6 芯片相关信息如下： 1 )全局资源 器件运行的硬件环境是由全局资源设置决定的。主从芯片工作时钟、工作电压、时 钟源等全局参数的设定如图3 5 所示。 将系统工作时钟设定成工作频率最高值，是由于车辆安全原因对时间反应速度要求 相当的高，从而主控芯片也要相当高的芯片响应速度，主控芯片响应速度高以便满足 对实时输入信号和反馈信号的及时快速处理，由于系统要求实时性控制，所以睡眠模 式参数不予以设置。 c p u：频率值设为 ，以确保系统的反应速度最高，有利于提高系统的_ c l o c k 2 4 m h z 实时性、安全性。 v c l ：频率为8 删z ，为p g a 模块提供工作时钟。 v c 2 ：频率为2 m t t z ，为8 位a d 转换模块提供工作时钟。 v c 3 ：频率为1 2 5 k t t z ，为定时器模块提供工作时钟。 r e fm u x ：参考电压范围为2 5 v 。用于为a d 提供采样范围。 1 7 图3 5 全局资源配置图 2 )芯片模块配置 根据设计方案的需求，将相应的数字模块、模拟模块进行参数设置，并进行器件 焊接和线路连接。其配置如图3 6 。 1 8 图3 6 芯片模块总体配置图 其各部分模块配置如下： a m u x 4 1 ( 模拟系统输入信号选择器) ：它将多路引脚的输入信号引到同一模拟模块 阵列。充分地实现了对器件的分时复用。本文则是将方向盘转角、光传感器、车身高 度传感器、车速传感器信号采用多路选择的方式，将控制变量的每种组合对应选中一 路输入。并把采集信号分时输入至p g a 放大模块进行滤过放大。其配置如图3 7 所示： l 棚u 】【4 1 图3 7 模拟系统输入信号选择器配置图 t i m e r 8 1 定时器模块：负责产生程序设定的定时中断信号，用于多路选择器对传 感器信号分时采集。时钟采用v c 3 ，比较值为0 ，周期值设为最大值，为2 m s ，其配置如 图3 8 所示。 图3 8 定时器模块配置图 p g a 增益可编程放大器模块：输入端与多路选择器连接，接收信号，负责将各个传 感器发送的信号进行滤波处理和放大处理，以供a d 转换模块进行模数转换。设定其 增益为1 。可以在低电压条件下工作( 如3 3 v ) ，其配置如图3 9 所示： 2 0 数 发 ；p g _ i习 图3 i i1 2 c 总线模块配置 l c d 模块：负责显示汽车行驶时的当前照明状况，包括方向盘转向角 行驶速度以及前照灯的当前工作模式，并显示故障信息，与管脚p o r t2 置如图3 1 2 所示。 面l c di 1 | v | l l一盈_盆l u 矧m o d 出p 哥a f 旧l e f s v a i 糖 l c d p 0 i晰2 8 摘曲d b a b l e 图3 1 2l c d 模块配置图 3 )管脚配置 软件配置与硬件的物理连接是通过管脚配置来完成的，也可以通过 修改初始值。 其管脚详细配置如下： 1 2 c 总线模块：p o r t l 一4 、p o r t l 一6 。 3 2 动力驱动控制单元的设计 3 2 1 总体设计及工作方式 驱动电机主要由：p s o c 从控制芯片、执行电机、驱动单元、传感器检测、电流电 压反馈电路组成。其整体框架图3 1 4 所示： 3 2 2 硬件电路设计 步进电机是机电控制中比较常见的执行电机，它能够将电脉冲转化成角度位移，其 驱动电路是依靠控制信号来完成的。汽车上的每个前照灯的要求不同，本文中分别对 每台步进电机设计了一套独立的驱动单元，由p s o c - c y 8 c 2 7 2 4 3 、功率器件- n p n 型9 0 1 4 三极管、n p n 型8 0 5 0 _ 三极管、p n p 型8 5 5 0 = 极管、i n 4 0 0 7 z 极管及步进电机组成，恒流 源对各个绕组提供恒定电流。其步进电机a 相绕组驱动电路如图3 1 5 所示。 p 8 黝p 1 p 3 图3 1 7五相永磁式步进电机a 相( 红线) 工作原理示意图 其控制原理：步进电机是信号控制电机，它将脉冲信号转换成角位移，只要给步进 电驱动电路输出一定的信号，步进电机就会转动一定的角度，转动角度由程序变量i 来决定，转动速度由程序延时程序的设定来决定，非常适合单片机控制。步进电机的 驱动电路是根据控制信号来工作的，控制信号是由p s o c 控制系统产生的。 其正转的工作方式： a b c - b c b c d 一一- 。c i ) e 一d e d e a - e a 叶e a b _ a b 一- a b c 其反转的工作方式： a b c ，a be a be a- d e a 一，d e c d e 。c d b c i ) b c a b c 其工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度，从而达到前照灯精确 定位的目的。 驱动原理：p 0 为高电平，恒流源电流从p 点流出，p n p 型三极管8 5 5 0 导通，当 p 1 为低电平，所以p n p 型三极管8 0 5 0 导通，此时相当于导线接地，a 相绕组没有导 通，当p 1 为低电平时，恒流源电流流过a 相绕组，a 相绕组导通。若p 7 为高电平的 话，则c 相绕组的驱动电路中的n p n 型三极管8 0 5 0 导通，电流流经b 、c 相绕组， 通过n p n 型三极管8 0 5 0 ( 其导通相当于导线) ，则a b c 导通。其示意图如图3 仃 所示。其恒流源电路如图3 1 8 所示。 + 1 2 18 龇 图3 1 8 恒流源电路图 位置信号p 0 为高电平、位置信号p 7 为高电平、其他位置信号都为低电平时，此 时a b c 相绕组导通；位置信号p 2 为高电平、位置信号p 7 为高电平、其他位置信号都 为低电平时，此时b c 相绕组导通，此时正向导通顺序为：a b c b c ，步进电机转动0 7 5 。，实现了转角控制的目的，同时它转动的角度精确度高，每一步的转动都为0 7 5 。 下表3 - i 为所有位置信号、绕组导通状态关系表： 表3 一l五相绕组位置信号、绕组导通状态关系表 c y 8 c 2 7 4 2 3 接收主控芯片发出信号、步进电机的位置反馈及欠压、过流等信号，并 产生步进电机相对应的指令，通过驱动电路来驱动步进电机。同时i 句c y 8 c 2 9 4 6 6 反馈每 台步进电机当前的状态n 。 3 3c y 8 c 2 4 4 2 3 芯片 其配置如下： 1 2 个模拟模块、8 个数字模块、1 6 k 字节的f l a s h 、2 5 6 b y t e s r a m 、多路0 的i o 端口， 能够最大限度上节约资源。 1 )全局资源( 图3 1 9 ) 其全局参数的设定如下： c p u _ c l o c k ：为2 4 m h z ，保确保系统的反应速度，以达到系统实时的目的。 v c i ：频率为6 e t z ，为p 删模块、可编程比较器模块提供工作时钟。 v c 2 频率为1 e t z ，为a d 模块、p g a 放大模块提供工作时钟。 2 9 v c 3 ：频率为5 k h z ，为定时器模块提供工作时钟。 r e fm u x ：此参考电压范围为2 5 v 。 图3 1 9 全局资源配置图 2 )芯片模块配置 芯片模块总体配置如图3 2 0 所示： 3 0 详 r _ _ 。口一一、 s d e c i e du 豫m 融橛 麓q i a 瞰i i a o 曲r 一 ；剧必幽幽幽划阊盥划剖剖： ；b o o t l 廿i p r g1d 豇s i g 81p g 1m e1h 睛2p i l l 8 3h 髂4p sp 伯86t i _ e r 81 | 已l jm o d bd i s a b i e ：l t l , g k l 图3 2 1 增益可编程放大器配置图 8 位流水线积分转换器模块：负责对车辆速度信号进行实时数据转换，以增强控制 的及时性、实时性，供p s o c 芯片进行数据分析所用。如图3 2 2 所示： 图3 2 28 位流水线积分转换器配置图 数字脉宽调制( p 1 j l m ) 模块：主控芯片对采集的各种信号以及反馈 析，处理，结合芯片内置的一些逻辑算法，产生与之相匹配的p 删信 变前照灯亮度调解的目的n 7 1 。其设置如图3 2 3 所示： 一“。“。“。_ _ 。_ _ 。_ _ 。_ _ _ - 。_ _ _ _ _ 。_ _ _ “。“_ _ ”_ _ 。_ - “_ _ _ “_ _ _ 。_ _ _ _ - _ - 。“。“。呻 ；p1|6帕一1-=叠 图3 2 3 数字脉宽调制模块配置图 t i m e r 8 定时器模块：产生实际所需的中断信号，并对步进电机相电流进行分时检 测，分时的目的是为了降低耗电量。如图