【《汽车智能照明系统的硬件和软件设计案例》6900字】

汽车智能照明系统的硬件和软件设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u8600汽车智能照明系统的硬件和软件设计案例 19427第1章系统硬件设计 248321.1硬件系统总体设计 2202671.2主控芯片设计 3322301.3执行器硬件设计 387181.4传感器模块设计 4212451.1.1车速传感器设计 473431.1.2车身高度传感器设计 5194661.1.3红外测距传感器设计 5293981.1.5方向盘转角传感器设计 644241.5CAN总线硬件设计 6105261.2.1总控制器的CAN总线选择 6176761.2.2传感器的CAN总线电路图设计 6205121.6本章小结 714009第2章系统程序设计 8159052.1系统主程序设计 8159402.2系统子程序设计 9253342.2.1随动转弯子程序设计 933262.2.2车身俯仰调整子程序 10287302.2.3上坡调整子程序 11259782.3本章小结 128207第3章系统仿真与调试 13316833.1PROTEUS软件介绍 13304593.2仿真电路设计 1321233.3基于KEIL的源代码编写 154193.4PROTEUS与KEIL的联合仿真 17110573.1.1转弯随动仿真 18218783.1.2车身俯仰仿真 20273423.1.3上坡调整仿真 20第1章系统硬件设计1.1硬件系统总体设计传感器经调理电路把相应信号发送到CAN总线。主控单元从CAN总线中，通过接收并计算出各个电路传感器所需要发送的相应信号，并根据这些相应信号脉冲来准确判断汽车当前的车辆行驶状态。并由其发送一个相应的信号脉冲，控制电机驱动对车灯进行调整，以便于准确实现该控制系统的主要功能。该系统中的结构图如下图4-1所见：图4-1系统硬件总体设计图1.2主控芯片设计微控芯片作为汽车电控的核心，其性能的好坏直接影响电控装置的运行。选择微控芯片最主要的是选择性价比。既要考虑市场销售的价格因素，又要充分考虑系统的性能必须达到所需的要求。目前汽车微控芯片的市场价格相对比较低，所以我们在对汽车微控芯片的设计和选型时，往往优先考虑选择一种高性能的芯片来作为整个系统的主要控制单元。本系统选用ATMEL公司的AT89C51单片机。1.3执行器硬件设计智能车灯系统的硬件组成部分主要依靠电机调整前照灯的位置。执行机构选取步进电机，可以满足前照灯因为实时路况随时改变的前照灯位置。步进驱动电机控制驱动的工作方法主要分为控制硬件和驱动软件两种。驱动软件的方法虽然不必再要求额外的发送驱动脉冲，但是在系统正常工作过程中，却常常需要同时使用多个微控制器不断地进行发送驱动脉冲，从而也就占用了很多的CPU的硬件资源，降低了系统的硬件运行量和工作效率。因此本次测试系统设计采用了硬件设计方法，对整个步进驱动电机电路进行驱动脉冲电流控制。本系统主要选用了比较为普遍的L297芯片与L298芯片联合驱动步进电机。其电路图见下图4-3所示。图4-3L298和L297联合驱动电路图1.4传感器模块设计随着汽车电子技术的广泛应用，汽车部件中使用电控装置也随之增加。传感器在电控装置中主要起到信息采集与传递功能。汽车传感器能够及时地识别到一辆汽车本身和周围环境的改变，进行对信息的反馈，实现对电控系统的全方位自动化管理[14]。本系统主要涉及到的传感器有三个：车速传感器、方向盘转角传感器、红外线测距传感器。1.1.1车速传感器设计车速传感器作为一个专门用来检测汽车行驶速度的专用传感器。其位置一般安装在自动变速器壳内部或者驱动桥壳内部，根据器件类别的不同，他们所需要输出的控制信号可能为一个自动数字信号，也可能是一个交流控制信号。汽车车速传感器根据产品种类不同，可以分为光电式和电磁感应式以及霍尔式车速传感器。本系统为霍尔式车速传感器。其线路图如图4-5可见。车速控制传感器系统采用了一种标准3管脚式车速元器件，一个管脚自动连接一个电源，一个管脚自动接地，一个管脚为车速控制器同时提供车速输入和输出信号。图4-5霍尔传感器电路图1.1.2车身高度传感器设计车身高度的变化主要是通过检测传动杆的转动变化来测量。当车身俯仰导致悬架产生变形时，传感器轴上的圆盘在传感器带动下转动，使遮光器进行ON、0FF转换，并将这些转换结果输出至微控制器中，就可以得出车身高度的变化。为确保汽车在俯仰状态下前照灯可以提供安全的照明环境，我们分别在汽车前后左右四个车轴附近安装四组光电式车身感度传感器。通过4组传感器进行ON、0FF的组合，可以将车身高度划分为多个检测部分。为避免因为路面不平而引起的车灯高度变化，我们通过多次测量取平均值的方法来正确判断车身俯仰程度。当车身俯仰超过临界值时，单片机就会发送脉冲指令对前照灯进行垂直调整。图4-6车身高度传感器1.1.3红外测距传感器设计由于本系统所使用的传感器主要用于夜间行驶，故选用红外传感器进行测距。红外线变频测距式相位传感器主要可以分为相位脉冲法、相位差法及变频测量法三种。本系统采用了脉冲方式。该控制系统在高速工作时通常采用高频脉冲信号驱动。与其他输入方式输出相比，这种输出方式的最主要优点在于，输出时的信号功率大、耗电少、体积小。图4-7红外测距传感器设计框图1.1.5方向盘转角传感器设计光电式转角传感器是目前国内应用最多的一种转角传感器，广泛地可以应用于不同的车型。光电式转角传感器通常被安装到驱动转向盘的一个轴向导管上，能够同时实现对转向盘转动方向、运行角度和转动速度的监测与检查。传感器的遮光器通常两个为一组。当方向盘不断旋转时，使得遮光器之间的反射光束不停发生变化，从而在其中自动产生了一系列的数字信号，并将其中的输出到微控制器中,微控制器根据这些数字信号得出每个方向盘的运动角度和其中的转速。1.5CAN总线硬件设计1.2.1总控制器的CAN总线选择本文选用控制器时，为了简化控制器主系统选取了AT89C51单片机。该单片机采用了80C51指令并且包含了Philips半导体控制芯片SJA1000。由于控制器本身拥有强大的PeliCAN控制功能，所以软件设计方面我们无需接入SJA1000芯片。只需将单片机与一个PCA82C250芯片连接即可，这使整个控制系统还能同时拥有CAN总线的控制功能。1.2.2传感器的CAN总线电路图设计AT89C51单片机是ATMEL公司生产的低功耗、高性能CMOS工艺的八位单片机，与51系列单片机的指令完全兼容。因此本模块采用AT89C51单片机作为处理核心，采用SJA1000作为CAN总线控制器，PCA82C250作为CAN总线收发器。基于拥有强大功能的AT89C51单片机可为众多控制领域的应用提供更全面的解决方案。本系统的传感器节点硬件设计结构如下图4-8所示。图4-8SJA1000和PC82C250连接图1.6本章小结本章主要为大家阐述了系统应用相关的软硬件总线设计的理论基础和软件总体方案。并分别在这个基础上详细介绍了整个系统中所用测量传感器的选型、执行中的驱动器、电机的总线选型和连接设计以及CAN总线各个主要功能模块之间的总线选型和连接设计。

第2章系统程序设计2.1系统主程序设计主程序系统作为适应前照明控制系统主要功能的一个组成部分，它直接体现了整个系统的逻辑关系。在本次自动控制功能系统中，主要控制程序模块有系统初始化子程序、前照灯水平偏转子程序、前照灯车身俯仰垂直调整子程序、前照灯高速公路上坡调整子程序4个主要控制功能模块。前照灯水平偏转子程序、前照灯车身俯仰垂直调整子程序、前照灯高速公路上坡调整子程序就是在实际行驶环境场景中，对每一个前照灯头的灯光照射角度方向分别做出一个相应的控制调整。主程序可以持续地进行一个自动循环式的数据扫描和自动检测数据判别，以及通过调用每一个处理功能，将要处理的一个子程序合并去自动执行和处理完成该操作系统的每一个重要功能。图2.1系统主程序软件设计流程图2.2系统子程序设计2.2.1随动转弯子程序设计在汽车驾驶员进行转弯控制系统操作时，系统首先通过车速传感器所采集的车速信息并发送给微控制器，微控制器通过预先先设定的额定值来判断是否启动子程序。再通过将汽车转动方向盘左右旋转时得到的角度，根据传感器所需要采集的角度数据，来自动判断汽车是否有必要对控制前照灯转向进行一个水平方向偏转调整。当方向盘转角大于设定值时，则需要进行前照灯水平偏转。前照灯转弯控制子程序的设计工作软件流程图示如图2.2所示：图2.2随动转弯子程序软件设计流程图2.2.2车身俯仰调整子程序当汽车沿着一条直线或者横向的特殊路况运行时，系统通常会通过对汽车高度传感器中所采集的高度信息及其数据进行分析判断。从而可以确定汽车是否因为有必要对车身前照灯的俯仰垂直度进行调整。当得到的车身高度信号数据已经超过了系统的实际设定值，就会对前照灯的角度进行调整。再微控制器计算就能得出电机输入的每个脉冲角度参数，驱动步进电机就可以达到系统设计规定的一个偏转角度。如果数据采集系统得到的一辆车高度信息远远小于该子系统的自动设定值，则汽车无需对车身俯仰的照明灯高度进行车身垂直度的自动调整。车身俯仰调整子程序如图2.3所示：图2.3车身俯仰自动调整子程序流程图2.2.3上坡调整子程序当汽车在高速公路上行驶且前方道路存在上坡路况时，系统首先通过车速传感器及其采集的车速数据来自动判断它们的车是否进入这个子程序。如果一辆汽车的平均车速已经超过了这个设定值，表示这个时候你的汽车已经完全处在了在高速公路正常运行的加速状态，此时就会进入这个子程序。再通过红外测距仪在传感器中所收集的相关数据，即可来准确判断车辆是否进行前照灯的方向垂直偏转。首先用红外线测距传感器将检测到的数据按一定的信号格式发送到车辆相应的主控单片机，同时为了有效减少上坡路面不平坦等原因可能引起的车身不断转向、俯仰等其他不良因素。进行多次重新检测(本测试系统自动重新设定为10次)，如果各个系统每次重新测量结果，基准值都远远小于上次重新测量的设定值，则可以判断前方车辆是否有上坡的特殊路况。驱动步进角的电机就可以把它们的灯头偏转角度达到驱动系统中所规定的偏转角度。当这个系统可以判定前方再也没有汽车上坡的紧急路况可能发生时，只需要把储存在数据寄存器中的上次停车脉冲数取相反值，用它的值作为最终停车输出的下次脉冲数。使得汽车前照灯号的返回值达到初始的停车位置。上坡自动调节系统子程序的工作流程图结构，如图2.4所示:图2.4上坡调整子程序流程图2.3本章小结本章主要是针对该电子系统的主要应用程序特点，制作出系统主要应用程序流程基本框图。并分别设计了车身随动转弯转弯系统子程序、车身俯仰调节系统子程序、上坡调整系统子程序这三个系统软件。

第3章系统仿真与调试3.1PROTEUS软件介绍PROTEUS嵌入式操作系统软件仿真与设计开发软件平台工具软件，这是一款由英国Labcenter公司所授权自主发研的工具软件。是目前全球大陆范围内最先进的各种单片式电机和外围控制元件编程仿真控制软件。从系统软件集成原理设计示意图的设计分析和发布图、源代码的封装调试再到对软硬件集成电路相同点的仿真。真正在软件技术设计层次上完全实现了从软件设计师的概念开发到软件生产商的整体设计[16]。3.2仿真电路设计按照系统的功能特点，电路设计大致来说可以将其系统划分为：单片机最小输入系统模块、并行输入接口系统模块、信号发出输入接口模块、命令执行器硬件驱动四个模块。仿真集成电路总图如表3.1所示:图3.1仿真总体电路图该系列单片机的控制器原理是通过选择的AT89C51单片机。在单片机引脚的进行分配上，AT89C51的引脚P0.0~P0.2以及P0.5~P0.7分别通过同时连接两块基于L297芯片的CW/CWW、CLOCK、ENABLE三个引脚，来直接控制步进式发电机的正常运行。P1.0~P1.7引脚分别与ADC0808芯片的8个数据输出端口通过OUT1~0UT8连接。P3.0~P3.3连接4个LOGICSTATE的元器件。XTAL1、XTAL2与晶振、电容器直接并联连通。这就是说它构成了实现单片机系统功耗最小的重要部件。其中的仿真集成电路的线框图及其结构电路如下所示:图3.2最小单片机仿真电路图在实际中使用时，ADC0808转换系统开始时的启动时钟信号引脚引脚START与一个AT89C51的地址P2.0相连，转换开始运行时的钟信号引脚与单片机地址P2.1相连。地址数据机锁存允许主信号引脚ALE与两路单片机P2.2相连，主机地址锁存选择引脚与两路单片机地址P2.3~P2.5相连。输出电压允许通过信号引脚0E来连接5V的输出电压，置OE=1。输出数据是通过信号转换电路获取的信号数据。Vref(+)引脚下电接5v直流电源，Vref(-)引脚上电接地。八个不同数据读入输出引脚，可从OUT1~OUT8分别通过两个单片机上的P1.0~P1.7引脚连接进行数据连接。其中的电路图结构如下所示：图3.3A/D转换仿真电路图步进控制电机的驱动系统部件，主要是根据系统的原理和设计方案分别采用一个L297和一个L298芯片共同组成联合进行控制。L297和L298组成的两种联合驱动控制模式电机驱动芯片因其强大的功能特点而使其具有诸多功能。在本次操作系统中仅仅需要用户操作一个L297芯片上的三个虚拟端口。通过对ENABLE端口的控制，它就可以直接决定整个步进驱动电机的具体工作运行状态；通过对CW/CWW两个端口的串行运算就直接决定了整个步进驱动电机的的前进方向；它们通过对CLOCK端口的串行运算控制来直接决定所要进行发送的每个脉冲信号次数。其主要仿真原理电路图示框图及其结构电路如下所示；图3.4步进电机驱动仿真电路图3.3基于KEIL的源代码编写本文的研究课题选择目前最为广泛应用的51系列单片机，基于C语言软件开发测试系统。KeilC51作为开发单片控主机软件应用程序的一个基本编译测试工具和开发环境。KeiluVision4是一个名为KeilC51forWindows的小型嵌入式软件集成系统开发应用环境，它现在可以被广泛应用于汇编源程序、连接和重定位目标文件和库文件、创建HEX文件、调试一个项目的工作程序等。下图为Keil的操作界面：图3.5Keil源代码程序图(1)点击右键新建一个文件目录，选择ProjectNewProject，在此时弹出的两个对话框中，分别依次输入自己选定需要重新保存的两个文件名和自己选定的需要重新保存的文件目录。并在屏幕弹出的“SelectDeviceforTarget"提示对话框中，自动提示选择此次实际仿真所需要直接使用的电路是哪种单片式主机电路类型。这里我们首先选择了直接使用AT89C51。(2)在系统中新建各个模块的文件，输入这些文件名并把它们保存下来，然后把每个文件都被添加到上一步要求所建立的项目中。为了使得编程的过程变得更加合理和规范，把每一个功能模块单独地新建了一个文档来进行编写。(3)调试程序的自动编写工作全部完成后，需要先对程序源代码版本进行一次自动调试。一般来说，常规的图像调试方法是直接在整个软件系统编译器中，使用整个应用程序编译器本身进行调试，通过图像观测整个调试窗口各种调试寄存器、变量和调试并行口，所有调试数据写入输出的运行情况和调试结果，不断地对调试源代码数据进行不断修改和更新调整。Keil调试界面如下图所示：图3.6程序调试(4)对于如KEIL中的每个程序符号进行仿真检查，通过连续的程序调试等多种方式，用来不断纠正其在程序设计中的各种设计语言和程序逻辑上的出现的错误后，需要把自己已经精心编写好的仿真程序，格式改为一个完全能够与在进行如PROTEUS等仿真时同样可以正常使用的文件格式。在KEIL的“OptionsforTarget"窗中让你点击然后勾选“CreateHEXFile”的一个复选框，让Keil用户能够直接下载生成一个应用联合软件仿真版本所需的一个HEX文件，然后再次直接点击“rebuildalltargetfile”，最终你就可以直接生成版本相应的一个HEX文件。图3.7生成HEX文件3.4PROTEUS与KEIL的联合仿真在Keil中需要进行的单纯软件调试，只能够准确地发现一个应用程序的语言错误和一些逻辑上的错误。而对于一些没有逻辑错误的应用程序，在硬件电路中运用后是无法实现，所有人预想结果的特殊情况却又是无法被检测得出来。因此我们通过采用PROTEUS与KEIL联合仿真技术就能很好地解决这一问题。同时我们也可以通过检测得出许多其他硬件电路存在一些问题，例如电阻、晶振的数值选取不当。联合编辑进行过程仿真时，双击PROTEUS仿真电路，打开一个此时可以手动进行联合编辑的仿真对话框，点击“programfile”选项，在此时弹出的编辑对话框中，只要选择刚才所需要编辑生成的HEX文件，即可将它作为一个用于单片机和微控制器的一个联合仿真过程。如下表图3.8所示：图3.8PROTEUS与KEIL联合仿真仿真电路调试的操作过程，主要点击两个电位器上的POT-HG旁边的上下两个箭头直接改变两个电位器的输入路径、阻抗数值，从而直接调节它们输入的信号电压输出数值。并用来仿真实现各种模拟驾驶汽车上的车速传感器和汽车方向盘上的转角传感器的信号进出；然后通过移动鼠标直接分别点击电位LOGICSTATE旁边的