基于激光的车载防撞系统设计.doc

湖北理工学院 毕业设计（论文）根据报告修改抄袭率 字符修改后要保持在15000以上 格式，不动，原来的排版格式不动，内容原文意思改，抄袭率15%以内声明和授权书不用改毕 业 设 计（论文）题 目：基于激光的车载防撞系统设计 教 学 院： 电气与电子信息工程学院专业名称： 电气工程及其自动化 学 号： 201420210122 学生姓名： 金思俊 指导教师： 袁梦霞 201 年 月 日学位论文原创性声明本人郑重声明：这次所提交的论文完全是我自己以导师的指导为前提一个人完成的，本次研究所取得的研究成果中，除了有些引用的内容加标注外，不包括其他人和集体业已公布的成果内容。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 年 月 日 学位论文版权使用授权书在写本论文之前，我已经熟读并了解了学校有关学位论文的规章制度，我授权学校给一些学位论文管理部门或者一些其他机构传送关于该论文的复印件及其电子版，可以让别人查询和借阅该论文。本人授权省级优秀学士学位论文评选机构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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密 ，在_年解密后适用本授权书。2、不保密 。（请在以上相应方框内打“”）作者签名： 年 月 日 导师签名： 年 月 日 37摘 要在我国，尤其是最近几年，公路交通安全压力非常大，全国几乎每秒都有交通事故发生。汽车拥有量每年增加速度非常快，与此对应的是，交通事故也以惊人的速度增加，造成了数量惊人的人员伤亡与财产损伤，在这样的现实条件下，研制一种车载防撞系统就显得十分的紧迫，所以，本文提出的在激光基础上开发的车载防撞系统就就显得十分的重要。论文中主要介绍了一种基于激光的车载防撞系统，并给出了可能实现的设计方法，描述了该车载防撞系统能够实现的功能，提出了有效避免车辆相撞的方案。论文包括对硬件选型的描述，硬件电路的设计，以及软件框图的实现方法。距离传感器采用的是激光传感器，单片机采用的是fresscale的MC9S12C32型号。本文设计的系统采取两种措施，一种是蜂鸣器报警，另一种是在极端紧急的情况下，通过CAN总线对ABS发出制动信号，进行紧急刹车。基于激光的车载防撞系统，通过发射激光束，在激光传感器上收集信号，如果处于危险状态，单片机产生某种信号以便进行控制，这种信号可以触发声音报警电路产生提示意义的报警信号，如果处于紧急情况，单片机通过汽车CAN总线向制动装置ABS发出控制信号，采取自动刹车。关键词：防撞预警；激光测距；单片机；CAN总线ABSTRACTIn recent years, the situation of road traffic safety in our country is still very grim. Increases massively along with the automobile, does not make the road traffic accident year to increase large scale by the , causes the massive personnel casualty and the property damage. The paper mainly introduces a kind of design method based on laser radar of vehicle collision avoidance system is presented, and the possibility of achieving, describes the function of the collision avoidance system is capable of achieving an, and put forward the effective way to avoid vehicle collision scheme. The paper includes the description of the hardware selection, the design of the hardware circuit, and the realization method of the software block diagram. Range sensor using a laser sensor, the microcontroller is used in the MC9S12C32 FRESSCALE model. In this paper, the design of the system to take two measures, one is the buzzer alarm, and the other is in the case of extreme emergency, through the CAN bus to the ABS issued a brake signal, the emergency brake. Through a communication module continuously to laser sensor to collect data, through software program calculation, determines whether the vehicle is in a safe state, if you are in a safe state microcontroller to data acquisition, if in a dangerous state, the SCM sends out a control signal, drive the sound alarming, if it is an emergency, microcontroller through the CAN bus to brake ABS issued control signal, take automatic braking.KEY WORDS: anti collision warning, laser distance measurement, single chip microcomputer, CAN bus目 录第1章 绪 论61.1研究背景及意义61.2 国内外研究现状9第2章 系统总体结构和系统各模块的介绍112.1 系统结构112.2 测距传感器的选择112.3 激光的工作原理122.4 系统各个模块的介绍152.4.1单片机的选择及介绍152.4.2通信模块162.4.3 CAN总线16第3章 硬件电路的设计213.1 电源模块213.2 单片机复位电路213.3 单片机晶振电路223.4 激光传感器与单片机之间的通信模块MAX232223.5 声音报警电路233.6 CAN收发模块82C250接口电路24第4章 软件部分的设计264.1 系统需要实现的功能264.2 系统对数据的处理264.3 基于CAN总线的单片机与汽车ABS之间的通信28结 论30参考文献31致 谢32附 录33第1章 绪 论 在我国社会越来越先进，经济发展也是十分的迅猛，而与此同时，老百姓的生活也发生了天翻地覆的变化，而公路交通在发展经济中的作用十分的重要，越来越受到大家的重视，无论是国家还是各个政府部门都对公路建设倾注了非常的关注，在公路建设当中，提供了非常多的资金以及人。在我国的第九个五年计划期间，只高速公路一项，历程就超过了11万公里，而要求车辆速度基本上都在80km/h以上，在这种情况下，稍有不慎，就会发生碰撞等事故，而造成的后果令人非常叹息，所以，在开车时，驾驶员必须使用百分百的精力，随时留意周围的公路的情况，这样，长期开车使得驾驶员非常的疲劳1。再一个，由于公路的大量建设，也进一步促进了我国自主汽车工业迅猛发展。上个世纪末，我国的汽车产量比1993年翻一番，2010年，汽车产量又翻了一番，汽车数量逐年增长，越来越多的人拥有私人汽车，近年来，借助于电子控制技术的飞速发展，汽车的操纵性能和运动性能得到很快的提高。安全气囊与ABS慢慢的走入大家的生活中来，但是，安全气囊属于被动的安全措施，只要交通事故发生，那么，肯定会有大量的财产损失，从有关资料来看，大约7成-9成的交通事故发生是由于人为因素而造成的2，而这些因素当中，判断不正确与识别错误是最大的问题。根据德国奔驰公司的研究报告可以得出，在一些较为危险的情况下要是能够给与驾驶人员半秒钟的反应时间，那么能够有效的减少撞车尾事故，事故能够减少3成，和路面相关的事故减少到5成，而迎面撞车的减少到4成3。所以，这里再一次表明了汽车防撞系统技术的重要性，实行合理的测量车辆之间的距离的方法，以报警的方式或者智能的完成某个设定的操作例如如何制动，进而防止因为驾驶员驾驶疲劳、粗心大意、错误判断而引起的各个交通事故。在这样的条件下，安全驾驶也逐渐成为大家关注的焦点，驾驶辅助系统的开发的意义便显得特别突出，各种汽车安全辅助工具应运而生，车载防撞系统也是其中之一。1.1研究背景及意义从上个世纪末期，有汽车以来，经历了近一百年的发展，在某种程度上，汽车就代表着现代文明，或者说是因为它而社会变的更加进步了，与此同时，它也变成了老百姓生活中必须的组成部分。因为汽车自身的优点比其它工具更有优越性，它让现代人们的生活发生了翻天覆地的变化，与过去相比，人们能通过它出行的速度非常的快，另外，与其它的出行工具相比，更加的舒适和方便，进一步为现代社会发展以及人们的生活条件作出巨大贡献。然而，现代人在充分享受汽车带来的方便时，也承受了非常大的代价。结合不完全统计我国从1994年到2010年，累计已经超过1380584人交通事故中死去，其中包含的受伤人数已经达到5188475名，并且仅在2010年，道路交通事故在一定程度上导致死亡人数89455人5。表1-1 在我国，从1994到2010年所发生的所有交通事故总次数、死亡总人数、受伤总人数以及直接的经济损失表年份事故出现的次数（次）死亡人数（人）受到伤害的人数（人） 直接出现的经济损失（元）19942502974927115507236354811419952648175329216201942835974919962282785872914426464482963619972423436350814225199907012119982535376636214881713338272231999271843714941593081522665624200028768573665174447171768516520013042177386119012818461584532002346129780672227211929514015200341286083529286080212401808920046169719385341872126689039942005754919105930546485309544655120067731371093815620743324380000200766750710437249417433691400002008517889107077480864239000000020094502549873846991118800000002010378781894554311391490000000通过对上表分析可知，在1994年到2007年这14年期间，我国道路交通事故明显呈现出上升趋势，特别是从2006年与1994年的事故发生次数相比，呈两倍的增长，由从原先的250297骤然升到773137起。交通事故死亡人数在一定程度上也开始呈现逐年上升趋势，在2005年期间，突破10万人，并且在2006年达到一个高峰。现阶段，对于我国交通事故来说，和其它国家相比，具有较高的发生频率，而在交通事故中死亡的人数是世界上最多的。我国的车辆总数占到全世界车辆的8%，而交通事故中死亡人数却占全世界的2成左右。仅2006一年，我国就发生了378781起交通事故，导致死亡人数为431139人，出现的财产损失主要是为14.9亿元。在这之中，出现一次死亡三人的交通事故主要是为1671其，导致死亡人数为6611人，出现一次死亡五人以上的交通事故主要是为326其，导致死亡人数为2244人。在这些特大交通事故当中，一次有10人以上死亡的就有38起，总共致使588人当场死亡。然而和世界上一些发达国家相互比较，在2006年每百人死亡事故达到23.6人。根据我国相关数据显示，我国和主要国家的每万辆车的死亡率相比较，差别非常大，我国排名在第一位，其次分别是日本、英国、法国和美国，分别有6.2、0.77、1.1、1.59和1.77的万车死亡率。然而针对于事故死亡比例来说，我国仍然排在第一位，依次是法国、韩国、英国和日本，比例分别为1:4.8、1:21、1:53、1:86和1:173。相互比较之下，我国的数据指标高了奖金一个数量级6。通过上述分析表面，我国机动车在道路上行驶导致死亡的风险已经是远远的高于各个国家。因此对于我国的交通安全来说其形式较为严峻。表1-2我国和发达国家的交通事故现状比较中国美国欧盟法国日本年份20062002200220022002事故出现次数（次）37878119290001232294105500936721死亡人数（人）89455428153882472428326受到伤害人数（人）431139293600033271378391167855百起事故死亡数23.62.23.16.90.9万车死亡率（人）6.21.91.71.591.2对于上面两个表1-1与1-2分析后，可以得出下面的结论：在我国，仅仅就交通安全现状而论，无论从自身的纵向比较还是与别的国家进行横向方面的比较，主要是出于事故高发的一个时期，然而针对于我国现阶段道路安全情况较为严峻，怎样才能够有效的减少交通事故的出现已经是成为了现阶段我国急需要解决的问题。为了确保我国汽车能够安全的驾驶，在我国，慢慢摸索研究有关激光方面的汽车防撞系统，而汽车防撞技术有两个方面，主动式和被动式防撞，而如今，大多事采用的例如汽车安全带、安全座椅和安全气囊，均属被动式防撞，它只能在一定程度上减少交通事故的损失，却不能避免交通事故的发生。因此，要想做到尽可能的减少事故的发生率，更加安全的对每个公民的生命和财产进行保护，需要采用主动式防撞以减少事故的发生，所以，设计出一个性能优异的主动防撞系统的产品显得迫切需要。本次研究的课题是有关激光的防撞系统，其不仅包括测距装置，还包括单片机、报警子系统与自动刹车等装置，它主要有以下特点：首先，测距装置能够随时发出一种用来监控的激光脉冲信号，在这种信号发出时，单片机能够根据这种信号的发射时间与接收时间的顺序，智能的测量出本车和前面车或者其他障碍物之间的距离或者相对的行驶速度，同时，可根据获得的这种相对距离和车辆相对速度的数据进行计算，得出预测撞车时间，再将预测撞车时间与安全行车所要求的安全时间相比较来判断行车是否处于安全行驶状态，在预测到撞车时间比正常的安全行车所用时间小时，单片机能够自动的给报警子系统一个指令用以让司机知道，然而在非常危险的时候，单片机则会绕开报警子系统，把指令发送给自动刹车装置，然而由后者实现危急时刻的智能刹车7。1.2 国内外研究现状国际上对汽车防撞激光系统的研究开始于20世纪60年代，在之后的十多年内，以德国、美国和日本为代表的一些国家掀起了一股研究高潮8，各个研究机构和汽车制造商合作，也有了一些相关的实验结果和论文发表出来，但是，局限于微波理论和硬件的技术水平，以及硬件系统的成本问题，使激光系统很难做到结构简单、体积轻巧和价格低廉，此外，由于车载激光系统工作的环境恶劣，干扰因素比较。在一九八六年奔驰公司发起包括了欧洲在内的十七家汽车生产厂家以及五十多个研究所，从而制定出来了“Promtheus”计划，主要是讲组合传感器、通信以及人工智能等技术进行有效的融合在一起，其目的主要是能够对汽车的安全以及有效性进行改善，在这之中，所研究出来的性能优良的汽车防撞激光系统，更好的帮助驾驶人员能够避免事故出现，同时也是该技术当中一项十分重要的内容9。在该计划内部，伴随着微波器件以及集成技术的不断发展，同时微处理器性能价格比等突飞猛进，从而使其制作出了更多价格比较低的以及性能高的防撞激光系统已经是成为了可能，在进入到了九十年代之后，德国在这个方面的研究一直是处于领先的地位10。在二十世纪九十年代中期之后，一些公司已经是开始将注意力防治到了汽车新型防撞激光系统上，针对于这种新型的防撞激光系统应用在高速公路上面，对其简称为AICC，主要是为自主职能巡航的控制，同时也是汽车激光系统的发展高级阶段，根据实际的情况来分析，国际上所研究出来应用在高速公路上的防撞激光系统技术仅仅只是需要完成驾驶人员提供危险报警的功能，从而更好的为驾驶人员争取一定的时间11。在欧美，有个RadarNet研究项目，它把现阶段所有的成果进行了合并，研发了一个有别以往的功能比较完备的汽车防撞激光系统，在这之中，德国的奔驰公司以及英国英伦斯电子公司联合研究出来了应用在汽车防撞激光系统工作的35GHz，其探测的距离主要是为一百五十米，信号的处理系统能够有效的计算出前方车辆或者是障碍物的距离，同时根据后车的速度来计算出一个安全的距离，然而在两辆车的距离小于安全距离的时候便发出灯光以及声音的警报，将其安装在轿车上面和客车上面进行使用，所具有着的效果也较为良好12。但是，美国在这方面，研究防撞技术比别的国家都比较晚，然而现阶段也处于领先世界的水平，主要是福特公司以及Eaton orad公司研究的汽车防撞激光系统系统，其前方的探测距离能够达到一百零六米，所探测的范围跟踪具有着二十多个目标，工作中的主要是为24.725GHz13。针对于我国的汽车防撞装置研究来说，相对来讲，也是非常晚的，而且发展水平也低于哪些先进的国家发展水平。所具有着代表性的主要是为上海汽车电子工程中心所研究出来的SAE-100型毫米的汽车防撞激光系统样机，并且是采用LFMCW制式，它正常工作的主频在35GHz，其能够探测的距离一般都会超过100m，而测速一般大于1km/h，其喇叭天线的增益是26dB，而释放出的功率是405mW。依据DSP充当最为重要的核心处理器。现阶段我国很多单位和公司已经是买了国外不同厂商的激光设备，并且已经是生成了大量的原始点运以及影响数据，然而针对于这些数据来说，一直没有得到有效的处理，导致出现了很大的浪费，现阶段仅仅只是有山西太阳太公司以及广西桂林信息公司使用了自购的RIEGL的激光产品来进行电力选线以及地形图绘制等少量的工具14。尽管如此，越来越多的单位对使用激光技术产生了浓厚的兴趣，显示了这项技术的广阔前景。第2章 系统总体结构和各功能模块介绍2.1 系统总体结构介绍基于激光的车载防撞系统主要由激光雷达传感器、单片机、声音报警单元、CAN收发模块、CAN总线、ABS等几个部分构成，具体见图2-1。图2-1 激光车载防撞系统的总体结构图2.2 测距传感器的选择现阶段，对于两个汽车运行过程中的安全距离如何确定，主要有下面几种测量手段：超声波、红外线、摄像系统与激光四种测距工具。对于超声波这种测距方法，其原理非常简单，其制作也非常的简单，并且花费较少。然而，在汽车行驶速度非常快的情况下，这种测距传感仪器就没有多少作用，其主要的原因有两个方向：第一个是外界环境的变化严重影响到了超声波的速度测定。外界温度不同，那么测下来的声速也就不同，在零下三十摄氏度到三十摄氏度的变化主要是为三百一十三秒每米到三百四十九秒每米。但是，在下雨、下雪以及大雾的情况下，只要天气发生大的变化，那么测出来的距离就会有出入。第二个方面，由于超声能量随着距离的平方降低而衰减，因此距离如果远的情况下，那么反射回来的超声波则比较小，灵敏度下降也比较快，从而使其超声波的测距方式仅仅适用于比较短的距离，现阶段国内外一般的超声波较为理想的测距主要是为四米到五米，所以，通常情况下，在汽车的倒车防撞方面应用比较多。而红外线用来测距，其好处是造价不贵，容易制作，而且很安全，但是其不足之处就是不够精准，距离有限，方向性不准。由于红外线在遭遇别的物质时折射率几乎没有，因此，在长距离的测距方面仪器均采用红外线，但是红外线一般要有时间才能够传播，这就造成了采用红外线测距其实在及时反馈现场路况时不够及时，假如使用红外线进行测距，也就失去了研究汽车防撞的意义。摄像系统的核心部件是电耦合器件CCD，（主要是为即charl筘coupled Device)。根据CCD这类的摄像机的工作原理，其采用的是和人眼几乎一样的光电探测器，它的大小、质量比较轻以及功耗小和噪音低，同时动态范围比较大以及广计量准确等，现如今在汽车行业当中已经是得到了十分广泛的应用。然而，现阶段其造价高，另外，软件与硬件也都制约着该类探测器，它的成像过程相对慢一些，同时会处理非常多的数据。然而，当计算机的软、硬性能越来越好的时候，该探测器必将大范围的使用15。使用激光方式进行测距工作的时候，首先要调整激光二极管到目标的方向同时激发出激光脉冲。射向目标的激光会散射到各个不同的方向，一部分散射光可以反射到传感器对应的接收器中，其中的光学系统获得这些反射回来的激光后会自动到光电二极管上成像并且计算光脉冲整个过程所消耗的实际时间，这样就可以测定出相应的目标距离。这种利用激光来测距的探测器可以非常准确的计算出传输的时间，并且光速快。这种激光测距传感器的特点就是非常准确，并且能180探测，所以，激光传感器能满足系统的要求16。2.3 激光系统的工作原理激光是在1960年后期出现的，作为当时非常重要的科学技术成就。它运用十分的迅猛，很快被应用在国防、生成以及医学和非电测量等各个产业。它跟普通的光差别很大，只有激光器才能产生这种激光。在普通的状态下，激光器所使用的物质大多数情况下是稳定的，能量级别非常低，为E1，当有外界光线产生后，照射到这种低能的E1级的物质，从而吸收了光子的能量而变成了高能级的E2级别。但是，对于光子的能量E=E2-E1=hv，这里，h代表叫做普朗克的常数，但是v却代表光子频率。但是，当频率v的这种光产生诱发作用，在能级E2的原子首先释放出能量随之发光，进而自己也就变成了低能量的E1级别，这种变化过程叫做受激辐射。激光器第一步，让那些需要工作的物质中的原子增加能量变成高能级别，这样做的目的就是在后面的辐射这些原子过程中就会有相当大的优势，这样以来，它的频率被改变成了v，进而它的诱发光就变的更加的强大了，这样，它可以透过平行的反射镜最终形成迸发式的放大作用，从而出现较强的受激辐射光，这个光便可以称之为激光17。针对于激光来说，主要是具有着三个重要的特性：第一是高方向性，激光束在几公里之外的拓展范围不超过几厘米。第二是高单色性，激光的频率宽通常情况下比普通的光小十倍以上。第三是具有着高亮度，通过利用激光束汇聚最高能够产生几百万度的高温18。激光的工作原理是，该激光的发射机首先给空中射出连续的时间基本相同的频率非常高的窄脉冲，要是其电磁波传播的目标是存在着，那么激光便能够接受目标发射来回的回拨，由于用于回拨的信号功能就是在本系统与要测量的目标两者之间来回传播，这就是延迟于发射脉冲的原因。如图2-2所示： 图2-2 电磁波工作原理针对于电磁波的能量来说，主要是根据光速来进行传播的，将其目标的距离设置成为R，那么传播过程中的距离主要是等于光速乘以时间的间隔，主要是为： 在上述公式当中，目标到激光系统的距离主要是为R，单位采用m来进行表示。为电磁波在激光发射机器和目标之间所往返需要时间间隔，单位采用s来进行表示。电磁波在空气当中的传播速度则是采用c来进行表示，大约是在。因为电磁波传播相对来说比较快，激光技术的时间单位通常是为us，然而回拨脉冲滞后在发射脉冲的一个微秒时候，那么对应的目标距离R主要是为。针对于能测目标距离来说，主要是为激光系统的一个突出优点，测量的精度以及分辨率则是和发生信号带宽存在着直接的关系，如果脉冲比较窄，那么性能则相对来说比较好19。针对于激光系统来说，对于空间目标P的位置使用三个坐标进行显示：它们分别是、R、或者H，它们分别代表方位角、斜距、仰角、高度。进行测定则是需要采用三个坐标来进行表示，如下图所示： 图2-3 激光系统的空间坐标激光系统在经过天线之后，实际上持续的向目标之间发射了连续的相同周期的高频脉冲，当遇到要测试目标时，激光会反射回来并且会自然产生一个较高频率的时差Tr与一个频移Fa。此时，整个激光系统能够与这两个数据通过下属的公式来对其目标位置做出判断： R=CTr/2 Fa=2Vr/在上述公式当中，R主要是为激光传感器的距离，单位则是为m；光速则是为C，电磁波在激光传感器与要测试的目标两者之间传播会出现一个时间间隔，称为Tr，其单位是s：多普勒频移则是采用了Fa，单位采用m/s；激光系统工作过程中的波长为，单位采用m；激光传感器和目标之间的速度采用Vr-进行表示，单位则是为m/s。针对于激光系统来说，可以沿着方位角所指的方向实施移动，进一步通过天线波束的方向来查找所对应的方位角，与此同时也能够根据激光系统的天线在仰角的方向转动可以确定仰角20。 激光传感器采用标准数据RS232接口，工作电压在5V-9V。2.4系统各个模块的介绍2.4.1 单片机的选择及介绍单片机采用freescale公司的MC9S12C32（见图2-4），这款芯片与其他单片机最大的不同在于，它有CAN总线控制引脚，可以通过CAN收发模块与汽车CAN总线之间进行通信，从而实现紧急刹车的功能。图2-4 单片机芯片 MC9S12C32具有SPI四线同步双向串行总线，以主从方式工作，该接口一般使用4条线：串行时钟线（SCLK）、主机输入/从机输出数据线MISO、主机输出/从机输入数据线MOSI和低电平有效的从机选择线CS。 MOSI SPI 总线主机输出/ 从机输入；MISO SPI 总线主机输入/ 从机输出；SCLK 时钟信号，来自于主要的设备； CS 从设备汇总发出信号，而且主设备控制。另外，MC9S12C32具有SCI典型串行的通信接口，I/O引脚两个：即SCI TXD与SCI RXD，使用某个16位特征的波特率进行寄存器编程的选择，这样就获得了65000种相互迥异的速率，包括1-8位的能够编程的数据位，其中1位或2位的能够停止的可用于编程，在这个内部，有一个所谓串行时钟就产生了，SCI接口工作方式不仅包括双工还有全双工，这样就可以达到双缓接收以及发送方式，在这里，不论发送或者接收操作都能随时的实施中断以及如何查询操作。 MC9S12C32还具有CAN控制器功能，通过RXCAN和TXCAN两个引脚可以实现与CAN总线的通信,芯片的PW引脚能够生产类似PWM波，把握住生成电压的频率。中央电源由VDDA或者VSSA管脚供给，采用标准5V的I/O引脚，这些标准引脚被分类为I/O接口管脚，模拟信号输入，BKGD和RESET管脚。这些管脚的内部结构都是一致的，然而，有些功能可以被禁止。比如，模拟信号输入到输出驱动管脚上，上拉电阻和下拉电阻被永久禁止。模拟参考引脚，这组管脚由VRH 和VRL 管脚组成。振荡器管脚，XFC, EXTAL, XTAL管脚组成振荡器管脚，2.5V标准电平，由VDDPLL管脚供电。测试引脚TEST仅用于生产测试用。2.4.2 通信模块因为激光传感器数据端口属于RS232接口，跟单片机是中间有间隔的,在单片机和激光传感器之间需要加一个通信模块。MAX232位于激光传感器与单片机之间的，MAX232芯片由美信公司设计的，只提供给电脑的RS-232标准串口,供电标准采用的是+5v单电源。其里面的构造由三个模块组成：第一个模块是电荷泵电路。共有6个脚及4个电容组成。该模块主要是通过创造+12v和-12v两个输出电源，用以输出给RS-232串口电瓶。第二个模块叫做数据转换通道。有两个通道，共8个脚（7-14）。而其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为首个数据通道。8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二个数据通道。第三部分是供电。15脚GND、16脚VCC（+5v）。图2-5 数据结构及电路连接如图，加上MAX232通信模块之后，可以提供一个RS232数据接口（图2-5），与激光传感器相连。2.4.3 CAN总线2.4.3.1 CAN总线的介绍CAN作为控制器局域网络的简写，全称叫做Controller Area Network, 德国BOSCH公司所开发的，该公司在汽车电子产品的研制方面有着非常丰富的经验。由于其经验丰富，它所制定的标准最终变成了国际标准（ISO11898）。截止到现在，国际上使用的最多的现场总线。最初的目的仅仅用来在汽车环境中，为了控制通讯方面而设置的，在车载系统中，有了它可以作为媒介让不同的电子控制装置ECU来进行信息通讯。比如发动机管理、系统的变速控制器以及仪表装置和电子主干系统之中，全面不都嵌入到CAN控制当中。实际操作过程中，CAN节点的数目与网络硬件方面的有关电气特性是分不开的，但是CAN可以给出达到1Mbit/s 的数据进行传输速率，这样能够保证其控制更加的容易，在此之外，硬件的错误检测特性也能够全面的额提高CAN的抗电磁干扰能力。针对于CAN来说，因为CAN总线的及时性能非常良好，因此，它对于工业汽车还有航空工业等领域存在着较为广泛的应用17。针对于CAN通讯协议来说，主要是定义了两种CAN的格式，主要是为标准的格式以及扩展的格式。在这些格式当中，大多数标识符的长度只有11位。然而在拓展格式当中，其标识符的长度能够达到29为。CAN 特点是否明显，人们都很愿意使用它，而主要有下面几个特点：1、低成本2、具有着比较高的总线利用效率3、能够有效的进行远距离的数据传输4、最高的数据传输速度能够达到1Mbit/s5、可以依据报文的ID标识来判断是接收还是屏蔽它6、具有着较为有效的错误处理以及检错机制7、能够有效的发送信息收到破坏之后进行自动的重新发送2.4.3.2 CAN总线收发模块PCA82C250 是CAN 协议控制器和物理总线间的接口，它主要是为汽车中高速通讯（高达1Mbps）应用而设计，其完全符合“ISO11898”标准。其引脚如图2-6所示：符号管脚功能描述TXD1发送数据输入GND2接地Vcc3电源电压RXD4接收数据输出Vref5参考电压输出CANL6低电平CAN电压输入/输出CANH7高电平CAN电压输入/输出Rs8斜率的电阻输入图 2-6 CAN控制器引脚2.4.3.3 针对于CAN总线的抗干扰分析为了增强CAN 总线节点的抗干扰能力，MC9S12C32 的TXCAN 和RXCAN 并不是直接与82C250 的TXD 和RXD 进行相互连接，然而主要是通过高速光耦6N137 后与82C250 进行县固化连接，在这样的情况下，能够圆满的完成总线上不同的CAN上的节点相互的电气隔离。6N137光耦合器主要是一款能够应用在单通道的高速光耦合器，它主要是一个光敏二极管和高增益线性运行和肖特基前卫的集电极开路三极管所组合而成。6N137具有以下特性：1、转换速率最高的时候能够达到10MBit/s;2、摆率高达10kV/us;3、扇出的系数在主要是为8;4、逻辑电平输出;5、集电极开路输出;工作过程中的参数：所存在着的最大输入电流以及低电平为，250uA 最大输入电流，然而高电平15mA 最大允许低电平电压。0.8V主要是为最大的允许电平电压，Vcc则是为最大的电源电源以及输出，5.5V 扇出(TTL负载)：8个(最多) 工作温度范围：-40C to +85C 典型应用：高速数字开关，马达控制系统和A/D转换等。高速光耦引脚如图2-7所示：引脚名称1IN2N.C3VDD4N.C5GND6OUT7EN8VCC图2-7高速光耦引脚图第3章 硬件电路的设计3.1 电源模块电源作为整体系统的能量供应渠道，它的正常与否涉及到系统可不可以正常运行。一般中型和小型的汽车车内供电是12V，而单片机工作电压要求为5V，所以需要一个电源转换模块（见图3-1），从而使单片机能够正常的工作。图3-1 电源转换模块3.2 单片机复位电路在上电或者是进行复位的过程中，对其CPU的复位状态做出控制，从而能够有效的防治CPU出现错误的指令以及执行一些错误的操作，与此同时也能够有效的提高电磁的兼容性。无论使用哪种类型的单片机，总要涉及到单片机复位电路的设计（见图3-2）。针对于单片复位机来说，其电路设计的好与坏也将会直接的影响到系统工作的可靠性。很多用户在对单片机系统进行设计完成之后，并且在实验室做好相应的调试，然而在现场进行使用的过程中则是出现了死机的一个状态，这主要是因为单片机的复位电路设计出现了不可靠所导致的。图3-2 单片机复位电路单片机上电时，但由于电容C两端的电压VC不能突变，因此VC保持低电平。但随着电容C的充电，VC不断上升。只要选择合适的R和C，VC就可以在单片机复位电压以下持续足够的时间使单片机复位。复位之后，VC上升至电源电压，单片机开始正常工作。相当于在单片机上电时，自动产生了一个一定宽度的低电平脉冲信号，使单片机复位。图中，X1端口与单片机的低电平复位端口RESET相连。3.3 单片机晶振电路晶振是单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率的部件（见图3-3），单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机运行速度就越快，单片接的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率。图3-3 单片机晶振电路3.4 激光传感器与单片机之间的通信模块MAX232MAX232具有以下的特点：1、符合所有的RS-232C技术标准；2、仅仅只是需要单一的一个 +5V电源供电；3、其片载的电荷泵能够升压以及电压极性发展的能力，与此同时也能够出现+10V和-10V电压V+、V-；4、具有着较高的集成度，片外仅仅只是需要四个电容便能够进行工作。激光传感器的信号线接口为RS232，通过模块的信号转换，将R2 OUT 和R2 IN引脚分别与单片机的RXD 和TXD 引脚相连，实现单片机与激光传感器之间的信息交换与控制（见图3-4）。图3-4 通信模块MAX2323.5 声音报警电路在单个软件进行设置的过程中具有着几个系统的存储器则是用来设置PWM口进行输出的，能够设置占空比以及周期等等，这个时候便可以应用这个波来对驱动蜂鸣器进行驱动（见图3-5）。例如频率是在2000Hz的蜂鸣器进行驱动，能够知道其周期主要是为500s，仅仅只是需要将PWM周期设置为500s，占据的点评设置主要是为250s，这个时候便可以差生一个频率是在2000Hz的方波，便能够有效的通过对这个方波进行再次利用三极管就可以去驱动这个蜂鸣器了。图3-5 声音报警电路声音报警系统通过与单片机PW输出端口相接，单片机在输出端口输出一PWM波，通过控制输出端口信号的占空比来控制PNP的闭合与断开，从而控制发声器的工作频率，让扬声器发出不同频率的声音，情况越紧急，蜂鸣器发出的声音频率越高，以此来达到提示驾驶员的目的。3.6 CAN收发模块82C250接口电路82C250的CANH和CANL引脚各自通过一个5的电阻以及CAN的总线进行相互连接，使其能够起到一定程度的限流作用，更好的保护82C250不会受到过流所带来的冲击。另外，在两根CAN总线上面的输入端以及接地点位置分别的连接一个防雷二极管，在两端入端和接地之间出现瞬时干扰的时候通过防雷管能够有效的起到一定程度的保护作用。然而在实际当中，仅仅只是需要保证CAN网络当中的“CAN_H”和“CAN_L”之间跨接电阻是在六十欧姆便可以。第4章 软件部分的设计4.1 系统需要实现的功能首先，单片机通过处理激光传感器的信息，做出决策，根据不同的情况做出不同的动作，在本系统中，分为三种不同的动作：一是普通声音报警，二是紧急声音报警，三是紧急刹车，其中，第三个动作又根据相对车速的不同，发出不同程度的刹车控制信号，距离越近，相对速度越高，汽车ABS刹车程度越高。为了实现以上功能，可以通过编程对单片机进行设置，给单片机设定两个判定时间：1、报警临界时间Ts，即单片机在对激光传感器采集到的数据进行处理后得到的预料撞车时间T小于Ts时，则单片机通过向蜂鸣器引脚发送出电平信号，使蜂鸣器发出报警声音；2、安全极限时间Tl，即一旦预料撞车时间T小于Tl时，驾驶员通过自身生理反应已经来不及采取认为制动措施，此时，系统自动对ABS发出刹车控制信号，以防止因驾驶员来不及刹车而导致发生事故的可能性。当T大于Ts时，说明汽车处于安全行驶状态，系统依然处于不断的向传感器采集数据的状态，当T小于Ts且大于Tl的时候，蜂鸣器开始报警，并且，当T越靠近Tl(即T-Tl越趋近于0)，向蜂鸣器所在引脚输出的电压脉冲波占空比越小，此时，蜂鸣器报警声音的频率越来越高。当T小于等于Tl的时候，蜂鸣器维持最高报警频率，并且单片机通过CAN收发模块向ABS发出刹车信号，若Tl-T的值越大，刹车程度越高。4.2 系统对数据的处理激光传感器向汽车正前方0-180的方向不断的发送激光探测波，通过激光接收器获取回波信息，具体信息包括与目标物之间的距离s，二者之间的相对速度v以及以本车身为原点中心的坐标中，目标物所在位置的角度。但是，怎样才能被认为是对本车构成安全威胁呢？还需要具体研究，如示意图4-1所示：图4-1 激光探测波示意图图4-1中，3辆小车的车身宽度都假设为x，在小车0上装有激光传感器，以小车0为坐标中心，小车2与小车0之间的纵向距离为y2，横向距离为x2，小车4与小车0之间的纵向距离为y4，横向距离为x4（横向距离只计算绝对值）。假设小车0，小车1，小车4的车速分别为v0， v3和v4。由图4-1中可以看出，y4y1，x4x0x1，很明显，即便与小车2和小车4的相对速度再大（假设Vx接近无穷大），他们也不会对小车x0构成安全威胁，此时得出第一个结论，激光所采集到的障碍物的横向坐标需要小于自身车辆的宽度的一半，才会视为数据采集对象。假设：小车1和小车3都相对于小车0行驶，由图4-2可知，小车1和小车3对小车0构成安全威胁，他们的坐标信息被单片机视为有效信息，尽管小车3与小车0的纵向距离y3小于小车1与小车0的纵向距离y1，即y3 y1/（v0+v1）,也就是说，小车1会比小车3先和小车0相撞，则单片机会优先考虑小车1的坐标信息，如果坐标信息达到报警条件，报警系统会报警，如果坐标信息达到刹车条件，单片机会向CAN总线发出刹车信号，进行紧急制动。图4-2 由此分析可得出，在软件实现方面，首先应该考虑的是小车与目标障碍物之间的横向距离x，在横向距离考虑范围之内的障碍物，不只是考虑纵向距离y，而应该考虑二者之间所处的相对速度v下的预想相撞时间t=y/v，即预想相撞时间t越小，越优先考虑。或者说，时间最短对应的某个坐标信息优先级最高，只要有任何一个信息构成报警条件，单片机都会采取应对措施。4.3 基于CAN总线的单片机与汽车ABS之间的通信针对于CAN总线的借口管理逻辑来说，主要是来自于CPU的命令。CPU则是在FIFO的支持下进行信息处理过程中对其他信息进行接受。验收滤波器能够将其中的数据以及接受的识别码内容作出相互的比较，进而决定出是否对信息进行接受。在纯粹的接受测试过程中所有的信息保存在RXFIFO之中，然而位于处理器则是在一个发送缓冲器RXFIFO以及CAN总线之间的控制数据程序装置，同时也能够在CAN总线上面执行错误做出检测，并且进行仲裁填充以及错误的处理。以此为基础，CAN总线在收到单片机的对制动装置