基于SOPC技术的超声波扫描倒车探测器.doc

基于SOPC技术的超声波扫描倒车探测仪邵丽华 张小花 付慧慧 甘江英（指导老师：龚兆岗教授） 摘要：本设计装置名称为“基于SOPC技术的超声波扫描倒车探测器”，即在Nios处理器的设计平台上采用超声波测量物体距离的传感方式，应用步进电机带动超声波传感器对车后进行180度全方位扫描，得到超声波传感器测得的车与障碍物的相对距离信息和步进电机的角度方向信息，Nios软核处理器将此信息综合分析后得出车后障碍物的具体方位信息，并将车后障碍物的具体方位以光标动态闪烁的方式实时地显示在LCD显示屏上。 关键词：SOPC 超声波 步进电机 Nios软核处理器 FPGA IP核 SOPC-based technology ultrasonic scanning detector in reversingShao Lihua Zhang Xiaohua Fu Huihui and Gan Jiangying（Guidance Teacher:Gong Zhaogang ) Abstract: The design of the device known as the SOPC-based technology ultrasonic scanning probe reverse, that is, in the Nios processor platform design objects using ultrasound measurement of the distance sensing modalities, stepping motor drive application of ultrasonic sensors on the car after the 180 All-time scanning, ultrasound sensors to be measured vehicle barriers and the relative distance and direction of the stepper motor point of information, Nios soft-core processor, a comprehensive analysis of this information after the vehicle reached the concrete barrier after the position information, After the vehicles and obstacles to the specific position the cursor flashing dynamic approach to real-time display on the LCD screen.Key words: SOPC ultrasonic stepper motor Nios soft-core processor FPGA IP core1 引言随着汽车逐渐进入百姓家庭，保障行车安全的各个细节越来越受到人们的重视，安装倒车雷达，可以使驾驶员泊车更加安心。目前汽车市场上倒车雷达种类繁多，其性能主要从探测准确性、显示稳定性、探测范围和捕捉目标的速度来考虑。通常，探头的数量决定了倒车雷达的探测覆盖能力，探头越多越能减少探测盲区。但是,目前倒车雷达运用的超声波探测是从一点或者多点进行探测，探测范围不能很好地覆盖整车后周围，即便采用多探头提高覆盖能力，但其安装方式复杂累赘，且影响车的美观；而且倒车雷达多采用极限报警，即探测到障碍物距离小于设定的安全距离时发出声音或者灯光报警，不能对车后有效范围内的障碍物进行较为全面的、直观的实时监控。因此，本设计装置基于Nios处理器，采用超声波测量物体距离的传感方式，应用步进电机带动超声波传感器对车后进行180度全方位扫描，得到超声波传感器测得的车与障碍物的相对距离信息和步进电机的角度方向数据，利用Nios软核处理器将此数据综合分析后得到车后障碍物的极坐标值，并将其坐标值以光标动态闪烁的方式实时地显示在LCD上。2 超声波测距离原理超声波是由机械振动产生的，可在不同介质中以不同的速度传播，具有定向性好、能量集中、传输过程中衰减较小、反射能力较强等优点。超声波传感器可广泛应用于非接触式检测方法，它不受光线、被测物颜色等影响，对恶劣的工作环境具有一定的适应能力，因此在本倒车扫描系统中应用超声波进行障碍物的测量。本实验装置中超声波测距是通过在一个设定的周期内连续发射若干个超声波信号，不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出一个时间周期内发射和接收回波的时间差，然后求出障碍物距离S。在速度已知的情况下，距离S的计算，公式如下： S （1）在空气中，15下超声波的传播速度是340米秒，但其传播速度易受空气中温度、湿度、压强等因素的影响，其中受温度的影响较大，如温度每升高，声速增加约.米秒。因此在测距精度要求很高的情况下，应通过温度补偿的方法对传播速度加以校正。已知现场环境温度时，超声波传播速度的计算公式如下： （2）将公式（2）代入公式（1）得到实际距离S的计算公式如下： S=(331.5+0.607T) (3)这样，只要测得超声波发射和接收回波的时间差以及现场环境温度，就可以精确计算出发射点到障碍物之间的距离。3 系统硬件框图 系统硬件框图如图-1所示。图-1 系统硬件框图 “基于SOPC技术的超声波扫描倒车探测器”总体结构主要由Altera FPGA开发平台、超声波传感器、步进电机、位置传感器以及LCD显示器等组成。为完成串行口通信、SDRAM、FLASH芯片访问等功能，本设计系统配置了基于Avalon总线的SDRAM接口、SRAM接口、FLASH接口、时钟TIMER、UART核等组件。3.1 超声波控制IP图-1中超声波控制IP完成对超声波传感器的控制。包括：控制超声波传感器发送40KHz超声波，同时给定时器控制器一个开始信号，使其控制定时器开始计数；超声波传感器接收被障碍物反射回来的超声波后，给定时器控制器一个结束信号，使其控制定时器结束计数。由NiosCPU处理器通过计算超声波收发之间的时间差来确定车与车后障碍物之间的距离。本实验装置中超声波测距是通过在一个设定的周期内连续发射若干个超声波信号，不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出一个时间周期内发射和接收回波的时间差，然后求出障碍物距离S。这一过程由超声波控制接口IP来实现。3.2步进电机控制IP图-1中步进电机控制IP完成对步进电机驱动模块的控制。包括：步进电机的启动，步进电机运转角度的初始化情况，步进电机加速减速控制，步进电机转速的控制，步进电机旋转方向的控制，步进电机旋转角度的控制等。图-1中位置传感器用来在系统重新启动扫描时检测步进电机是否到达初始位置，完成对步进电机的角度初始化。位置传感器可以选用光电传感的方式对步进电机进行上电后位置校准归零。位置传感器反馈步进电机的较准归零情况，当步进电机较准动作结束时，传送相应的信号给步进电机控制IP。步进电机因其能够精确地控制机械的移动角度特点而被应用于本系统装置中，实现超声波传感器做扇形扫描以扩大其扫描范围，减少扫描盲区。步进电机是由输入的脉冲信号来加以控制的。模拟电路虽然可以用来产生连续可调的脉冲信号,但却难以控制，而用数字集成电路来对步进电机进行控制，则能克服以上缺点。因此采用Verilog自行设计步进电机控制IP核，这种设计方法有着不依赖器件、移植容易、能加快设计的特点。并且，Verilog在现场就能进行修改，与FPGA器件相结合，能大大提高设计的灵活性与效率，缩短产品的开发周期。3.3 LCD接口图-1中LCD接口完成对图像数据传输的接口处理，由LCD显示器将图像显示出来。本设计采用的LCD液晶屏选用的是友晶的LCM扩展板，对车后障碍物进行实时显示。数据采集采用串行输入,节省IO口,并且消除了并行带来的同步问题。在显示存储器SDRAM中开辟一个显示缓存区,将数据传到LCD显示。自行设计LCD接口控制IP。采用友好的操作界面让图形在320*240 的TFT LCD屏上进行显示，移植了用户图形界面UC/GUI使使用界面更加友好和美观。针对信号的特点编写了数据组织、分析和处理、显示的算法。4 SOPC硬件平台功能实现本装置选用基于Nios II 的SOPC平台进行设计,针对本设计系统的功能，利用自定义外设来实现超声波测距离控制IP、温敏传感AD转换控制接口IP、步进电机转动控制IP、 LCD液晶图像显示控制IP等设计。将超声波测距离电路、温敏传感AD转换电路、步进电机驱动电路以及光耦复位电路采用逻辑门芯片74H245、MC1413集成到一块电路板,实现与DE1扩展槽GPIO_1的数据接口连接。4.1超声波测距离控制IP功能实现(1) 超声波收/发电路设计 车后障碍物距离数据的采集模块，主要由前端的超声波探头、信号滤波放大电路、信号整形电路等组成。其中超声波的收发是根据倒车实际情况选用的压电陶瓷超声波传感器TCT40-16T/R1,它具有高灵敏度、高可靠性、高稳定性、耐高/低温度、耐湿度、耐冲击振动等特点。超声波的发送电路采用的工作电压为12V，超声波探头的工作频率为40kHz。采用在SOPC上自行编写的超声波控制接口IP，由系统时钟分频后产生40kHz的晶振频率，经MC1413芯片进行功率放大后加载在超声波发射探头上，实现对超声波发送的控制。超声波的接收电路采用的工作电压为5V，由常用的功率放大三极管9014进行功率放大，然后采用8位总线驱动器74HC245对回波信号进行稳形，再与接口板相接到超声波控制接口IP的接收口。这样系统可以精确地通过时钟计数来计算超声波发送和接收之间的时间差。(2) 自定义超声波控制接口IP本设计中对超声波的发送、接收和计数模块进行了硬件化处理，形成了自定义IP，这样可以缩短系统时间，方便软件的程序处理。图-2给出超声波控制接口IP模块图。图-2 超声波控制接口IP模块图4.2温敏传感、AD转换控制接口IP功能实现(1) AD 时序控制功能模块系统采用的AD转换芯片为ADC0838，它是以8位开关电容逐次逼近的方法实现A/D转换，利用差分基准电压这个特性ADC0838可能测量到的最小量值达500256。ADC0838芯片中的数据传输遵循SPI协议。SPI的主要特点有:可以同时发出和接收串行数据。SPI是一个环形总线结构，由CS、CLK、DI、DO构成，时序控制即根据其时序图来产生。(2）温敏传感数据采集AD转换在系统SOPC下添加了SPI总线模块和系统读数中断模块，SPI采用250M时钟，所以一个温度模拟信号的转换、传输可以在0.52ms以内完成。上电时，初始化采集模块各寄存器值，当系统产生读数中断请求时，AD转换芯片将采集到的信号转换为数字信息，存储到寄存器中，CPU通过SPI总线方式将寄存器中的数字图像数据送到DE1开发板中固定的寄存器空间，等所有数据采集完后，将数据赋值给软件程序中的参数进行温度查表匹配，对超声波的传播速度参量进行修正。这里只用到ADC0838芯片的一路模拟通道，系统只对通道CHO中的模拟信号进行转换、读数。4.3步进电机转动控制IP功能实现步进电机因其能够精确地控制机械的移动角度特点而被应用于本系统装置中，实现超声波传感器做扇形扫描以扩大其扫描范围，减少扫描盲区。步进电机是由输入的脉冲信号来加以控制的。模拟电路虽然可以用来产生连续可调的脉冲信号,但却难以控制，而用数字集成电路来对步进电机进行控制，则能克服以上缺点。因此采用Verilog自行设计步进电机控制IP核，这种设计方法有着不依赖器件、移植容易、能加快设计的特点。并且，Verilog在现场就能进行修改，与FPGA器件相结合，能大大提高设计的灵活性与效率，缩短产品的开发周期。本设计装置中的步进电机为一四相步进电机，采用单极性直流电源供电。只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机转动。用Verilog HDL自行设计代码能实现步进电机速度和方向的控制，同时通过光耦传感器输入传感信号实现系统初始化时步进电机的位置归零，消除机械累积误差以及帮助系统程序判断扫描的准确方向角度。通过光耦传感器能“记住”步进电机的当前断电时的停滞位置，系统上电时则可直接从上次步进停滞位置继续转动。当转动到光耦传感器处，系统自动校准归零，从而实现精确步进。自行编辑步进电机转动控制接口IP,步进电机控制接口IP模块图如图-3所示：图-3 步进电机控制接口IP模块图4.4 LCD液晶图像显示控制IP功能实现本设计采用的LCD液晶屏选用的是友晶的LCM扩展板，对车后障碍物进行实时显示。该TRDB_LCM液晶屏是主动矩阵式TFT液晶显示屏,其特点是亮度好、对比度高、层次感强、颜色鲜艳等；能处理连续8位（RGB或YUV）的数字信号；支持NTSC和PAL时序；用于显示和功能选择的三线寄存器控制；内嵌的对比度、亮度和校正模块；支持带状彩色过滤器 960 240(TH模式,三原色( Red红, Green 绿, Blue 蓝)虚拟, YUV 输入)。其扩展板接到DE1的扩展口GPIO_0上。 先用Coreldraw图形设计软件设计出LCD上面要显示的开机画面和无障碍物显示画面，图片大小为320240，图片格式为bmp。然后用VB编写图像数据转换程序。由于DE1中SRAM、FLASH的存储空间有限，因此按照蓝、绿、红、空的格式组数据，用十六进制表示，一个字节表示两个点，以节省图像存储空间。将十六进制数据以二进制格式存入FLASH,将FLASH中的数据配合时序写入SRAM,编写自定义IP核SRAM_LCM,取图像数据R、G、B的高八位写入FIFO,再读入SDRAM进行LCD显示。图像存储器采用FLASH、SRAM,通过软件编程处理采集到车后障碍物的坐标数据，将其存入SRAM。用C语言编写SRAM中坐标底图与坐标闪烁圆点的图像合成程序，LCD在SDRAM中获取图像数据并将图像显示出来。图像信息能够通过Avalon总线主端口的块传输方式，利用C语言编写中断程序从内存中自动读取。LCD液晶图像显示控制IP如图-4所示：图-4 LCD液晶图像显示控制IP模块 LCD液晶图像显示控制IP核SRAM_LCM主要用来对图像存储器进行控制及转换、读取数据，并以寄存器方式存储，主要包括：控制寄存器、状态寄存器、地址寄存器和中断寄存器。图像显示存储器采用片内FIFO，静态坐标图像信息是通过Avalon总线主端口的块传输方式，通过软件编程处理采集到的数据，将其写入SRAM，对静态坐标图像进行修改，再将数据存入SDRAM进行显示。5 系统软件流程图 系统软件流程图如图-5所示：图-5 系统软件流程图软件部分最主要的是实现图像数据的采集、读写、传输、显示。 主控函数，主要是图像数据的读取、显示。用中断来通知系统完成以下具体的工作指令：半周扫描结束，数据写入SRAM，与SRAM中原有无障碍坐标图进行比较综合，在LCD上显示图像。 图像数据处理显示模块软件流程图如图-6所示：(1）调用开始中断和读数值转换为一维地址值，该一维地址值需要写入自行设计的SRAM_LCM IP，将该一维地址值赋给一数组中的相应元素。(2）从SRAM中读取无障碍坐标底图数据，每读取一个数据， 将其地址与该数组中每个元素进行比较，若匹配则将数组中元素的值与从 SRAM中读取的数据作“或”运算，将运算结果存入寄存器；若两者不相同，则直接将从SRAM中读取的数据存入寄存器。(3)将寄存器中的值写入SRAM_LCM IP。图-6 图像数据处理显示模块软件流程图5 结果分析本装置中，将一个超声波传感器固定在步进电机轴杆上，用步进电机带动超声波传感器做匀速扫描运动，不仅能够检测到车尾中心正后方的障碍物，也能检测到整个车尾后方的障碍物，图-7为测到的障碍物在LCD上的显示图像，其中三个红色的圆点分别代表所测到的三个障碍物。因此可以说本设计很好地完成了预定功能。 图-7 车后障碍物在LCD上的显示图像6 总结（1）本设计装置在性能上具备探测范围广、捕捉目标速度快、显示分辩率高等特点,可以应用到各种车型中，实现实时倒车泊车监控。（2）将超声波传感器固定在步进电机轴杆上，用步进电机带动超声波传感器做匀速扫描运动，实现对车后障碍物的全方位动态扫描，提高了探测覆盖能力，减少了探测盲区，可获得较详尽的车后障碍物情况。（3）将检测到的车后障碍物以光标动态闪烁方式在LCD上显示出来，实现对车后障碍物的实时监控，给驾驶员一个简洁、直观、清晰的车后障碍物动态视觉信息。 (4) Nios符合工业技术的发展潮流，即硬件设计软件化，可以结合FPGA做出很多比较理想的东西，这就是Nios乃至其