毕业设计（论文）-基于DSP的智能防汽车追尾安全装置设计

分类号密级宁宁波大红鹰学院毕业设计(论文)基于DSP的智能防汽车追尾安全装置设计所在学院专业班级姓名学号指导老师年月日诚信承诺我谨在此承诺：本人所写的毕业论文《基于DSP的智能防汽车追尾安全装置设计》均系本人独立完成，没有抄袭行为，凡涉及其他作者的观点和材料，均作了注释，若有不实，后果由本人承担。承诺人（签名）：年月日PAGEIVPAGEV摘要当今汽车数量也与日俱增，因此汽车的行驶安全就显得尤为重要。介绍一种基于DSP汽车防追尾碰撞报警系统，他是自动检测行进中汽车前后方障碍物的距离，当达到安全极限距离时，会发出声光报警，提示驾驶员进行相应的操作。给出该报警系统的软硬件设计，实践证明该系统有效且准确。为提高汽车运行的安全性和降低碰撞发生的可能,本文讲述一种主动型汽车防追尾碰撞报警系统。该系统装置将单片机的实时控制及数据处理功能，与毫米波雷达的测距技术、传感器技术相结合，可检测汽车运行中前方、后方障碍物与汽车的距离及汽车车速，通过数显装置显示距离，并由发声电路根据距离远近情况发出警告声。关键词：DSP；碰撞；报警；检测AbstractWithrisingoflivingstandard,thenumberofcarsincreasedeveryday,socarsdrivingsafetyisparticularlyimportant.Thesystemofautomobileanti-collisionalarmingsystembasedonsingleFusionFPGAAFS600-chipisintroduced,itcanautodetectdistancefrontageanrearfraise,whenreachcriticalsecuritydistance,alarmingofsoundanlightaregiven,thesystemhardwarecompositionandsoftwareprojectareshowed,Experimentresultsprovevalidityandveracity. Inordertoenhancethesafetyofcarsandreducethepossibilityofacollision,thepaperaboutapro-activeanti-vehiclecollisionwarningsystem.Thesystemwillbeinstalledreal-timecontrolofthemicrocontrolleranddataprocessingfunctions,andmillimeter-waveradarrangingtechnology,sensortechnology,couldbedetectedinthevehiclerunninginfront,therearvehiclebarriersandthedistanceandvehiclespeed,throughthesignificantnumberofDeviceshowsthatdistancebydistancevoicecircuitsbasedonthesituationissuedawarningsound.Keywords:DSP;collision;alarming;detection目录8328摘要 III32283目录 V14445第1章引言 6284861.1DSP相关知识 6154871.2课题研究背景及意义 12220101.3国内外研究现状 12170901.4设计思路 1223213第2章系统关键技术分析 1367422.1系统组成及基本原理 1378272.2系统的硬件部分 14317122.3系统的算法设计 15191652.4结论 1831341第3章系统架构设计 19252363.1系统功能结构设计 1982673.2各模块功能分析 2013460第3章系统硬件电路设计 22162864.1稳压电源电路设计 22302734.2模拟光电传感器电路设计 23319414.3红外避障传感器控制电路设计 2553444.4声光指示电路设计 2622534.5电机驱动电路设计 2731420第5章系统测试 29298205.1系统测试工具 29119085.2测试结果与分析 302240结束语 339859参考文献 3414211致谢 35第1章引言1.1DSP相关知识数字信号处理(DigitalSignalProcessing，简称DSP)是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。20世纪60年代以来，随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展。数字信号处理是一种通过使用数学技巧执行转换或提取信息，来处理现实信号的方法，这些信号由数字序列表示。在过去的二十多年时间里，数字信号处理已经在通信等领域得到极为广泛的应用。德州仪器、Freescale等半导体厂商在这一领域拥有很强的实力。1.1.1DSP微处理器DSP（digitalsignalprocessor）是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件。其工作原理是接收模拟信号，转换为0或1的数字信号。再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。它的强大数据处理能力和高运行速度，是最值得称道的两大特色。DSP微处理器（芯片）一般具有如下主要特点：（1）在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法；（2）程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据；（3）片内具有快速RAM，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问；（4）具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持；（5）快速的中断处理和硬件I/O支持；（6）具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器；（7）可以并行执行多个操作；（8）支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。当然，与通用微处理器相比，DSP微处理器（芯片）的其他通用功能相对较弱些。1.1.2DSP优点对元件值的容限不敏感，受温度、环境等外部因素影响小；容易实现集成；VLSI可以分时复用，共享处理器；方便调整处理器的系数实现自适应滤波；可实现模拟处理不能实现的功能：线性相位、多抽样率处理、级联、易于存储等；可用于频率非常低的信号。1.1.3DSP缺点需要模数转换；受采样频率的限制，处理频率范围有限；数字系统由耗电的有源器件构成，没有无源设备可靠。但是其优点远远超过缺点。1.1.4DSP的开发工具数字信号处理器（DSP）作为一种可编程专用芯片，是数字信号处理理论实用化过程的重要技术工具，在语音处理、图像处理等技术领域得到了广泛的应用。但对于算法设计人员来讲，利用汇编语言或C语言进行DSP功能开发，具有周期长、效率低的缺点，不利于算法验证和产品的快速开发。由MathWorks公司和TI公司联合开发的DSPMATLABLinkforCCSDevelopmentTools（简称CCSLink）是MATLAB6.5版本（Release13）中增加的一个全新的工具箱，它提供了MATLAB、CCS和DSP目标板的接口，利用此工具可以像操作MATLAB变量一样来操作DSP器件的存储器和寄存器，使开发人员在MATLAB环境下完成对DSP的操作，从而极大地提高DSP应用系统的开发进程。MATLAB具有强大的分析、计算和可视化功能，利用MATLAB提供的数十个专业工具箱，可以方便、灵活地实现对自动控制、信号处理、通信系统等的算法分析和仿真，是算法设计人员和工程技术人员必不可少的软件工具。1.1.5DSP系统的设计过程DSP系统的设计还没有非常好的正规设计方法。在设计DSP系统之前，首先必须根据应用系统的目标确定系统的性能指标、信号处理的要求，通常可用数据流程图、数学运算序列、正式的符号或自然语言来描述。第二步是根据系统的要求进行高级语言的模拟。一般来说，为了实现系统的最终目标，需要对输入的信号进行适当的处理，而处理方法的不同会导致不同的系统性能，要得到最佳的系统性能，就必须在这一步确定最佳的处理方法，即数字信号处理的算法（Algorithm），因此这一步也称算法模拟阶段。例如，语音压缩编码算法就是要在确定的压缩比条件下，获得最佳的合成语音。算法模拟所用的输入数据是实际信号经采集而获得的，通常以计算机文件的形式存储为数据文件。如语音压缩编码算法模拟时所用的语音信号就是实际采集而获得并存储为计算机文件形式的语音数据文件。有些算法模拟时所用的输入数据并不一定要是实际采集的信号数据，只要能够验证算法的可行性，输入假设的数据也是可以的。在完成第二步之后，接下来就可以设计实时DSP系统，实时DSP系统的设计包括硬件设计和软件设计两个方面。硬件设计首先要根据系统运算量的大小、对运算精度的要求、系统成本限制以及体积、功耗等要求选择合适的DSP芯片。然后设计DSP芯片的外围电路及其他电路。软件设计和编程主要根据系统要求和所选的DSP芯片编写相应的DSP汇编程序，若系统运算量不大且有高级语言编译器支持，也可用高级语言（如C语言）编程。由于现有的高级语言编译器的效率还比不上手工编写汇编语言的效率，因此在实际应用系统中常常采用高级语言和汇编语言的混合编程方法，即在算法运算量大的地方，用手工编写的方法编写汇编语言，而运算量不大的地方则采用高级语言。采用这种方法，既可缩短软件开发的周期，提高程序的可读性和可移植性，又能满足系统实时运算的要求。DSP硬件和软件设计完成后，就需要进行硬件和软件的调试。软件的调试一般借助于DSP开发工具，如软件模拟器、DSP开发系统或仿真器等。调试DSP算法时一般采用比较实时结果与模拟结果的方法，如果实时程序和模拟程序的输入相同，则两者的输出应该一致。应用系统的其他软件可以根据实际情况进行调试。硬件调试一般采用硬件仿真器进行调试，如果没有相应的硬件仿真器，且硬件系统不是十分复杂，也可以借助于一般的工具进行调试。系统的软件和硬件分别调试完成后，就可以将软件脱离开发系统而直接在应用系统上运行。当然，DSP系统的开发，特别是软件开发是一个需要反复进行的过程，虽然通过算法模拟基本上可以知道实时系统的性能，但实际上模拟环境不可能做到与实时系统环境完全一致，而且将模拟算法移植到实时系统时必须考虑算法是否能够实时运行的问题。如果算法运算量太大不能在硬件上实时运行，则必须重新修改或简化算法。1.1.6DSP技术的应用语音处理：语音编码、语音合成、语音识别、语音增强、语音邮件、语音储存等。图像/图形：二维和三维图形处理、图像压缩与传输、图像识别、动画、机器人视觉、多媒体、电子地图、图像增强等。军事：保密通信、雷达处理、声呐处理、导航、全球定位、跳频电台、搜索和反搜索等。仪器仪表：频谱分析、函数发生、数据采集、地震处理等。自动控制：控制、深空作业、自动驾驶、机器人控制、磁盘控制等。医疗：助听、超声设备、诊断工具、病人监护、心电图等。家用电器：数字音响、数字电视、可视电话、音乐合成、音调控制、玩具与游戏等。生物医学信号处理举例：CT机示例CT：计算机X射线断层摄影装置。（其中发明头颅CT英国EMI公司的豪斯菲尔德获诺贝尔奖。）CAT：计算机X射线空间重建装置。出现全身扫描，心脏活动立体图形，脑肿瘤异物，人体躯干图像重建。心电图分析。1.1.7DSP发展轨迹DSP产业在约40年的历程中经历了三个阶段：第一阶段，DSP意味着数字信号处理，并作为一个新的理论体系广为流行。随着这个时代的成熟，DSP进入了发展的第二阶段，在这个阶段，DSP代表数字信号处理器，这些DSP器件使我们生活的许多方面都发生了巨大的变化。接下来又催生了第三阶段，这是一个赋能（enablement）的时期，我们将看到DSP理论和DSP架构都被嵌入到SoC类产品中。”第一阶段，DSP意味着数字信号处理。80年代开始了第二个阶段，DSP从概念走向了产品，TMS32010所实现的出色性能和特性备受业界关注。方进先生在一篇文章中提到，新兴的DSP业务同时也承担着巨大的风险，究竟向哪里拓展是生死攸关的问题。当设计师努力使DSP处理器每MIPS成本降到了适合于商用的低于10美元范围时，DSP在军事、工业和商业应用中不断获得成功。到1991年，TI推出价格可与16位微处理器不相上下的DSP芯片，首次实现批量单价低于5美元，但所能提供的性能却是其5至10倍。到90年代，多家公司跻身DSP领域与TI进行市场竞争。TI首家提供可定制DSP——cDSP，cDSP基于内核DSP的设计可使DSP具有更高的系统集成度，大大加速了产品的上市时间。同时，TI瞄准DSP电子市场上成长速度最快的领域。到90年代中期，这种可编程的DSP器件已广泛应用于数据通信、海量存储、语音处理、汽车电子、消费类音频和视频产品等等，其中最为辉煌的成就是在数字蜂窝电话中的成功。这时，DSP业务也一跃成为TI最大的业务，这个阶段DSP每MIPS的价格已降到10美分到1美元的范围。21世纪DSP发展进入第三个阶段，市场竞争更加激烈，TI及时调整DSP发展战略全局规划，并以全面的产品规划和完善的解决方案，加之全新的开发理念，深化产业化进程。成就这一进展的前提就是DSP每MIPS价格目标已设定为几个美分或更低。1.1.8DSP未来发展1、数字信号处理器的内核结构进一步改善，多通道结构和单指令多重数据（SIMD）、特大指令字组（VLIM）将在新的高性能处理器中将占主导地位，如AnalogDevices的ADSP-2116x。ADSP产品2、DSP和微处理器的融合：微处理器是低成本的，主要执行智能定向控制任务的通用处理器能很好执行智能控制任务，但是数字信号处理功能很差。而DSP的功能正好与之相反。在许多应用中均需要同时具有智能控制和数字信号处理两种功能，如数字蜂窝电话就需要监测和声音处理功能。因此，把DSP和微处理器结合起来，用单一芯片的处理器实现这两种功能，将加速个人通信机、智能电话、无线网络产品的开发，同时简化设计，减小PCB体积，降低功耗和整个系统的成本。例如，有多个处理器的Motorola公司的DSP5665x，有协处理器功能的Massan公司FILU-200，把MCU功能扩展成DSP和MCU功能的TI公司的TMS320C27xx以及Hitachi公司的SH-DSP，都是DSP和MCU融合在一起的产品。互联网和多媒体的应用需要将进一步加速这一融合过程。3、DSP和高档CPU的融合：大多数高档GPP如Pentium和PowerPC都是SIMD指令组的超标量结构，速度很快。LSILogic公司的LSI401Z采用高档CPU的分支预示和动态缓冲技术，结构规范，利于编程，不用担心指令排队，使得性能大幅度提高。Intel公司涉足数字信号处理器领域将会加速这种融合。4、DSP和SOC的融合：SOCSOC(System-On-Chip）是指把一个系统集成在一块芯片上。这个系统包括DSP和系统接口软件等。比如Virata公司购买了LSILogic公司的ZSP400处理器内核使用许可证，将其与系统软件如USB、10BASET、以太网、UART、GPIO、HDLC等一起集成在芯片上，应用在xDSL上，得到了很好的经济效益。因此，SOC芯片近几年销售很好，由1998年的1.6亿片猛增至1999年的3.45亿片。1999年，约39%的SOC产品应用于通讯系统。今后几年，SOC将以每年31%的平均速度增长，到2004年将达到13亿片。毋庸置疑，SOC将成为市场中越来越耀眼的明星。5、DSP和FPGA的融合：FPGA是现场编程门阵列器件。它和DSP集成在一块芯片上，可实现宽带信号处理，大大提高信号处理速度。据报道，Xilinx公司的Virtex-IIFPGA对快速傅立叶变换（FFT）的处理可提高30倍以上。它的芯片中有自由的FPGA可供编程。Xilinx公司开发出一种称作Turbo卷积编译码器的高性能内核。设计者可以在FPGA中集成一个或多个Turbo内核，它支持多路大数据流，以满足第三代（3G)WCDMA无线基站和手机的需要，同时大大WCDMA无线基站节省开发时间，使功能的增加或性能的改善非常容易。因此在无线通信、多媒体等领域将有广泛应用。1.2课题研究背景及意义为有效降低小汽车碰撞事故的高发率，近年来广大电子爱好者始终都在试图通过制作模型的方式，努力探寻解决该问题的可行方案，而模型制作所需的硬件基础尤其成为解决问题的关键。高速公路汽车防追尾系统模型的研究与实现奠定了坚实的硬件基础。这一系统研究的成功将为汽车安全驾驶提供一个具有价值的参考，在一定程度上可减少或消除追尾事故的发生，防止行车过程中对行人造成安全隐患，从而达到安全行驶的目的。1.3国内外研究现状通过资料的收集和网上相关的查阅，得知汽车防追尾的话题在国内外一直很受关注。国内近年来也出现了轮胎气压检测、汽车防追尾仪和防追尾指示灯等汽车防追尾装置的研发与投产，但这类装置有些只为解决由于汽车硬件故障造成防追尾事故而设计，有些装置虽然以发出警示信息等方式，为驾驶者在突发状况下采取应急措施提供条件，但都在很大程度上忽略了人为因素对追尾事故的影响，此外这类装置较高的成本也阻碍其投产与推广。基于DSP的高速公路汽车防追尾系统模型的研究将对以后这类产品的研究提供一个更好的构想。本课题将以人为本作为核心出发点，弥补驾驶者因主观失误造成事故而设计。通过进一步改进可附加在成品汽车上，在整车设计中可把其作为一个标准的汽车电子配件。随着时间和技术的推移，市场中将会出现更多汽车安全类的产品，但由于市场接受需要一个过程，截止目前，还没有一个类似的安全产品在成品汽车上应用。1.4设计思路本系统模型采用两辆智能小车进行汽车防追尾的设计与实现[3]。智能小车有两个电机，后轮为驱动电机，前轮为转向电机，可通过PWM控制电机的转向和转速。黑色路径为智能小车的识别标志，模拟高速公路中的实际道路。系统中设计了两条黑色路径，一条为慢车道，另一条为快速车道，也就是超车道。设计的重点在路径识别和智能避障上，首先要实现智能小车在指定的路线上行驶，之后实现智能小车的避障功能。考虑到实际道路中不同的情况，系统在设计中放置了固定障碍物和移动中的障碍物（车速较慢的智能小车2，以下简称车2），为了能够更好的体现路况，着重对直道、普通弯道和S形弯道等3种走向的黑色路径做了设计。黑色路径识别是通过模拟光电传感器来实现的，根据光敏电阻的阻值随光强度变化而变化的原理，在检测中取其一端电压为输出信号，当模拟光电传感器在跑道上不同位置时，通过输出信号电压的变化来判断和识别智能小车的位置；障碍物检测是通过红外避障传感器来实现的，在3-80cm范围内可调，可根据不同的情况调整其检测的距离。根据动量守恒原理，速度越快惯性越大，所以在应用中，调车2的检测距离为20cm，调车1（速度较快的智能小车，以下简称车1）的检测距离为50cm。系统开发了智能小车高性能的仿真平台，对模拟光电传感器的前瞻性能进行了深入研究。由于转向电机、驱动电机和车身都是高阶惯性延迟环节，从输入到输出需要一定的时间，越早知道前方道路的信息，就越能减小从输入到输出的滞后。为了使智能小车达到一定速度，模拟光电传感器在安装时，采用了一定的前瞻性。前瞻能检测车前方一定距离的赛道，在一定的前瞻范围内，前瞻越远的传感器方案，其极限速度就会越高，其高速行驶过程中对引导线的跟随精度也相对较高，系统的整体响应性能较好。因此路径识别模块将模拟光电传感器置于车身的前方，以利于更好地调整车辆的姿态。除了车1速度上的优势和车2的倒车功能外，两车几乎具有完成相同的功能。在行驶中，将两车同时放在慢车道上，车1在前车2在后，因为车1的速度较快，所以在行驶过程中车1必然会追上车2，这样就模拟了高速公路上防追尾和超车的功能，有效的解决了在同一车道上，因为两车速度的不同而发生的追尾事故。因为在沿途中还放置有固定障碍物，模拟车坏在路上或前方道路维修等情况，所以车2也追加了避障功能，这样使整个模型显得更具有说服力。第2章系统关键技术分析2.1系统组成及基本原理一个完整的识别系统不仅要具备图像的实时采集功能,对图像进行必要的预处理(如图像滤波、转换等),最关键的是对采集处理好的图像进行识别,判断其是否为车辆[1].这些算法不仅运算量大,而且实时性要求较高,因此采用DSP芯片作为数据核心处理单元.图1是基于CCD和DSP的图像采集和识别系统的原理图.本文将详尽阐述图像的采集处理和识别车辆的实现方法.2.2系统的硬件部分2.2.1视频信号的采集可编程视频解码器[2]SAA7111,采用CMOS工艺,通过简单的总线编程,内部包含模拟处理通道,抗混叠滤波、A/D转换、自动嵌位、自动增益控制、时钟产生、多制式解码等特点.图2为图像采集系统的框图,主要包括SAA7111、帧存储体、系统接口逻辑3部分.SAA7111完成由CCD(ChargeCou2pledDevice)摄像机输出的模拟视频信号的数字化和向整个系统提供时钟及同步信号[3].帧存储体用来存储SAA7111输出的数字图像和向前端处理器提供要处理的图像.系统接口逻辑包括采集系统与DSP系统接口、视频转换控制接口、到前端处理器的接口以及三者之间的接口[4].图中SCL为I2C总线的串行时钟输入信号;SDA为I2C总线的串行数据输入/输出信号;LLC为行锁定系统时钟输LLC2为LLC的二分频输出信号;HREF为水平参考输出信号;VREF为垂直参考输出信号;ODD(SAA7111的RTS0)为奇偶场标志信号;FEI为使能信号;Bank0为第一帧存储器;Bank1为第二帧存储器.2.2.2DSPTMS320C6713图像的处理识别单元在本设计中,图像处理、车辆识别等任务都是由DSP信号处理单元[1]完成的.作为整个系统的核心,DSP采用32位浮点型6713DSP,其工作频率可达到167MHz并有丰富的外围接口,本设计主要使用了其强大EMIF功能与外围器件进行通讯,完成了成像、识别等多重任务,其原理图如图3所示.图3DSP图像处理识别单元Fig.3ThepartofDSP（这张图我要画成CAD清楚一些，替换掉）2.3系统的算法设计2.3.1为了对摄取到的图像进行识别,需要对图像进行必要的处理,从图像中分割出运动区域的图像,这样在以后的处理过程中就仅需要考虑运动区域了[5].在进行运动图像的分割与匹配方法中,人们将精力主要集中在静态特征与动态特征之间的匹配.实际上,这些静态特征是运动信息提取的最大障碍.如果直接检测运动特征,那么完成匹配所需的计算量可以从根本上大大减小.在相对稳定的情况下,当汽车在高速公路上高速运行时,与汽车的运动相比,可以假设背景变化是非常缓慢的.一条边缘运动后仍是一条边缘.运动边缘[3]可以通过逻辑“与”算子对时间和空间梯度进行组合来实现,其中的“与”算子可以由乘法来实现.这样,图像E(x,y,t)中的一点的时间边缘由下式给出:式中,和分别是点(x,y,t)的光强在空间和时间上的梯度值.实验表明:这种边缘检测方法将对有清晰边缘的缓慢运动和以适当速度运动的弱边缘响应.当边缘的运动非常大时,检测的性能也是十分满意的.图4是时变边缘检测的结果示意图.2.3.2把预处理后的图像送到DSP单元进行识别,判断其是否为车辆[1].由图4可以算出,时变边缘检测后,会留下一些背景缓慢变化的干扰和汽车自身除外围轮廓外的一些边缘线.为此,选择轮廓跟踪法进行进一步的识别判断.所谓轮廓跟踪[4]就是从一个起始点开始,按照4领域或8领域关系点跟踪轮廓,同时输出每1步移动的方向,直到回到起始点不能移到才结束1次跟踪.在边缘跟踪之前,必须仔细选择起始点.为了解决这个问题,定义了一种探测准则:按照从左到右、从下到上的顺序搜索,找到的第1个黑点一定是最左下方的边界点.这在汽车识别中是汽车轮廓的第1个边界点,也是第1个特征点.以这个边界点为起点,假设已经沿顺时针方向环绕整个图像一周找到了所有的边界点,由于边界是连续的,所以每一个边界点都可以用这个边界点的张角来表示.根据不同车型的车尾特征,可以使用下面的跟踪算法:从第1个边界点开始,定义初始的搜索方向为沿左上方,如果左上方的点为黑色像素,则为边界点,否则搜索方向顺时针旋转45°.直到找到第1个黑色像素为止.然后将这个黑色像素作为新的边界点,在当前搜索方向的基础上逆时针旋转90°,继续用同样的方法搜索下一个黑色像素点,直到返回最初的边界点为止.图5所示为这一轮廓跟踪算法的示意图.图6为汽车车尾轮廓跟踪算法的结果.如果边界点之间的张角等于90°或135°,则就可认为此边界点为汽车识别的特征点.假如出现4个或6个这样的特征点,就可初步判定此轮廓有可能为汽车车尾的轮廓.其示意图如图7所示通过判断特征点的几何分布情况来最后判断此轮廓是否为汽车车尾.在判决上述特征点的几何组合是否符合车尾的几何分布中,采用了下述判决规则:上述规则中所涉及的值都是根据相关规定或经过试验反复比较选定的.经过以上规则判决筛选以后,若符合以上规则,则可以完全判断前方运动物体为车辆.2.4结论车辆识别系统在汽车防追尾过程中有着非常重要的作用.试验中,按本方法现场采集了一组运动车辆图像多幅,包含小轿车、货车、大型客车等多种车型,按上述算法流程进行处理,能正确判断出前方运动物体为车辆,可以运用于汽车防追尾过程中的车辆识别.第3章系统架构设计3.1系统功能结构设计智能小车系统主要由电源管理模块、路径检测模块、电机驱动模块、车距检测模块、声光指示模块和ACTEL公司的FusionStartKitFPGA开发板组合而成，以黑色路径为引导，寻迹导航行驶。智能小车能按指定路线行驶，在行驶过程中能自动进行加速、减速、避障、自动倒车以及相应声光指示。系统中充分体现了高速公路汽车放追尾的功能，两辆智能小车车1和车2，分别仿真超车和被超车，两车硬件略有不同，车1前端装有4个模拟光电传感器和一个红外避障传感器，主要完成寻迹避障功能；车2前端和后端均安装有4个模拟光电传感器，可完成寻迹避障和倒车功能，两车的不同点体现的前后端有无模拟光电传感器上，但车1在速度上是大于车2的。在安全距离内车1检测到前方有障碍物（行进中的车2或固定障碍物）时，智能小车红外指示灯将点亮，小车将自动减速或驶向快速车道，在快速车道上能自动实现加速超车功能，并返回慢速车道，与此同时，蜂鸣器的报警声和对应的转向指示灯会间歇性的闪烁[16]。车2除了能寻迹避障外，还额外增加了自动倒车功能。当前端的模拟光电传感器检测到倒车标志时，小车会自动停车，并开启后端模拟光电传感器，检测车后路况信息，执行倒车功能；当后端模拟光电传感器检测到车库停车标志时，小车停止，尾灯电亮，电机关闭，以示倒车完成。倒车过程中右侧转向指示灯与蜂鸣器及其指示灯将同频率间歇性进行声光指示，直至控制倒车过程结束。系统基于FusionStartKitFPGA开发板而设计，主要利用其独特的模拟部分和flash架构设计构成核心控制模块，并结合红外测距、路径检测、驱动电机控制、转向电机控制、电源管理、声光指示等6个模块共同实现系统前述的各项功能。系统功能框图如图5所示。 图5系统功能框图3.2各模块功能分析3.2.1路径检测路径检测通过模拟光电传感器对外界路况信息进行实时检测[15]。模拟光电传感器由高亮发光二极管和光敏电阻组成，由于高亮发光二极管发射的光线在黑色路径和白色跑道上反射光强度的不同，引起了光敏电阻接收光线强度的变化，通过变化来确定小车当前的位置和应执行的状态。光敏电阻的两端阻值是随接收光照强度大小而变化的，光照强度越小，两端的电阻值越大，电路中反馈信号的电压值越大。当模拟光电传感器的高亮发光二极管照射在黑色路径时，反射光的强度最小，得到的反馈信号电压值最大。在同一跑道上，光线的强弱与电压信号值的大小是成反比的。模拟光电传感器检测到的电压值经片内模数转换，程序判断后，实现相应的控制功能。3.2.2红外测距红外测距模块为系统重要的一个组成部分，通过红外避障传感器可实现一定范围内的障碍物检测。它是一种集发射与接收于一体的光电传感器，检测距离在3cm-80cm范围内可调。系统中两辆智能小车前端均安装有一个红外避障传感器，二者可检测的距离不同，车1红外避障传感器检测距离设置为50cm，车2检测距离设置为20cm。在设定的范围内，当智能小车前端的红外避障传感器检测到前方有障碍物（固定或移动障碍物）时，经其内部处理后将信号反馈至FusionFPGAAFS600。红外避障传感器反馈的信号类型为开关信号，检测到障碍物时，输出信号为低电平，否则为高电平。此外，红外避障传感器的工作状态由FusionFPGAAFS600来控制，控制信号为低电平时，红外避障传感器开始工作，否则不工作。3.2.3驱动电机控制驱动电机控制模块主要由FusionFPGAAFS600主控芯片和L298N驱动芯片组成。L298N的输入端接FusionFPGAAFS600的信号输出端，由FusionFPGAAFS600来控制L298N的输出状态，从而达到控制电机的作用。驱动电机的控制主要体现在程序的设计上，通过改变占空比，实现智能小车的加速、减速、前进与后退。在系统中专门设计了个占空比调制模块，可以随时调整高低电平的占空比，实现较准确的速度控制，这里规定“10”为前行，“01”为倒车，“00”为停车。3.2.4转向电机控制转向电机控制模块与上述的速度控制模块相似，控制功能主要由程序实现，可较准确的实现智能小车在行进过程中前轮转向与转动角度的控制。通过占空比调制模块，由FusionFPGAAFS600输出信号控制L298N的输出状态，从而控制转向电机转动的方向及其转动角度的大小。转向电机占空比变量越大，转动的角度就越大；相反，转向电机占空比变量越小，转动的角度就越小。3.2.5声光指示声光指示模块主要由蜂鸣器和发光二极管组成，在避障和自动倒车过程中都会伴有相应的声光指示。声光指示电路比较简单，难点在控制逻辑上，可通过FusionFPGAAFS600控制相应的声光指示。当红外避障传感器在安全距离内检测到障碍物时，用于指示障碍物存在的发光二极管将点亮，同时蜂鸣器及其指示灯将同频率进行间歇性鸣响与闪烁以示报警。智能小车遇到障碍物时，将会自动左转，其左侧转向指示灯将进行间歇性闪烁，频率与蜂鸣器相同。智能小车在快速车道上完成加速超车后，自动返回慢速车道，返回过程中其右侧转向指示灯与蜂鸣器将以同频率进行声光指示，直至智能小车进入慢速车道。智能小车遇到停车标志时，执行自动倒车动作，同时车身两侧转向指示灯将同时点亮并保持，直至计时结束。在控制倒车的过程中，智能小车右侧转向指示灯与蜂鸣器也将以同频率间歇性进行声光指示，直至遇到车库停车标志。3.2.6电源管理智能小车系统根据各部件正常工作的需要，对标准车模用7.2V2200mAhNi-MH电池组进行电压调节。其中，路径检测的模拟光电传感器、红外避障传感器和声光指示电路需要5V电压，为了电路更加简化，在这将电机驱动芯片L298N工作电压也设定为5V，FusionFPGAAFS600工作电压为3.3V【5】。因为开发板在获得5V电压供电后，根据其自身的硬件设计，本身就能输出+3.3V、+2.56V、+1.5V等不同数值的电压，所以FusionFPGAAFS6003.3V的工作电压就不用多加设计。最常见的电源管理芯片是7805和7806。考虑到由驱动电机引起的电压瞬间下降的现象，低压降的电压调节器如LM2940、LM2575等也被广泛地采用，在本系统中只用了7805电源管理芯片。综上所述，智能小车系统工作电压是由+3.3V、+5V、7.2V三个系统混合组成。第3章系统硬件电路设计4.1稳压电源电路设计本系统正常工作电压为5V，主要由电池组与电源模块电路两部分共同提供。其中电池组供电电压为7.2V，供电电流为2200mA，属镍氢系列电池。镍氢电池组如图6所示。图6镍氢电池组电源模块电路主要由滤波、稳压、指示等三部分组成，其中滤波部分由C1、C2、C3三个电容分别完成稳压前滤波及稳压后滤波；稳压主要依靠稳压芯片7805实现，该芯片包括电压输入、输出与接地等三个管脚，可将7.2V电压稳压至5V，可为自制电路板和FusionStartKitFPGA开发板同时供电，且开发板上还可输出+3.3V、+2.56V、+1.5V等不同数值的电压。稳压电路如图7所示。图中JP1用于连接7.2V电池组，“VDD_7.2V”示意已连接电源。当电源接通时，发光二极管点亮[6]。图7稳压电路在选择电池组时一定选择大容量的电池组，因为车替在运行时，驱动电机和转向电机的耗电量比较大，假如电池组的容量不能够提供足够的电量，则主控芯片会经常复位，导致整个系统工作不正常。4.2模拟光电传感器电路设计模拟光电传感器采集电路由光敏电阻（R11-R18）、高亮发光二极管（DS9-DS16）和电阻（R19-R34）等元器件组成，其中AV0_USE0-AV7_USE7为电路的数据输出端口，该端口通过导线连接FusionStartKitFPGA开发板的AV0-AV7模拟输入端口，作为模拟数据输入。R27-R34阻值为470欧姆，R19-R26阻值为10K欧姆，当然这个阻值并不是一定的，可以根据情况的不同，取不同阻值的电阻[15]。光敏电阻一端接地，一端接10K欧姆的普通电阻，信号输出端口从接10K欧姆的电阻端引出。利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。在黑暗环境里，它的电阻值很高，当受到光照时，只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则价带中的电子吸收一个光子的能量后可跃迁到导带，并在价带中产生一个带正电荷的空穴，这种由光照产生的电子—空穴对增加了半导体材料中载流子的数目，使其电阻率变小，从而造成光敏电阻阻值下降。光照愈强，阻值愈低。入射光消失后，由光子激发产生的电子—空穴对将逐渐复合，光敏电阻的阻值也就逐渐恢复原值。模拟光电传感器电路如图8所示。模拟光电传感器信号接口如图9所示[2]。在系统的应用中，主要是利用光敏电阻在白区和黑线范围内接收反射光强的不同，引起其两端阻值的变化，使输出信号呈现不同的电压值，这是判断路径的主要依据。当模拟光电传感器向黑线移动时，反射光线变弱，阻值增大，输出电压变大；当模拟光电传感器向白区移动时，反射光线变强，阻值减小，输出电压变小。在同一系统设计中，电阻的阻值和接法最好一样，光敏电阻最好选择同一厂家生产的比较好，避免工艺的不同导致各模拟光电传感器测试结果偏差过大，在写程序时造成不必要的麻烦。模拟光电传感器实物图如图10所示。开发板ADC输入端口实物图如图11所示。图8模拟光电传感器电路图9模拟光电传感器信号接口图10模拟光电传感器实物图图11开发板ADC输入端口实物图4.3红外避障传感器控制电路设计红外避障传感器是一种集发射与接收于一体的光电传感器。主要用于障碍物的检测，对障碍物的感应距离可以根据要求通过后部的旋钮进行调节。传感器前端增加了透镜，利用其聚焦作用，传感器可以最远探测80cm处的物体。红外避障传感器的输出信号类型为开关量，可以直接和CPU连接使用。传感器内部集成了放大、比较、调制等电路，使得该传感器具有探测距离远、受可见光干扰小、价格便宜、易于装配、使用方便等特点，可以广泛应用于机器人避障、流水线计件等众多场合[2]。该传感器工作电压5V，电流100mA，可调探测距离3-80cm。红外避障传感器实物图如图12所示。图12红外避障传感器实物图FusionFPGAAFS600芯片工作电压为3.3V，输出信号高电平电压3.3V，低电平电压0V，而红外避障传感器工作电压为5V，所以在FusionFPGAAFS600控制红外避障传感器时，需要对电平进行处理【7】。红外避障传感器电路如图13所示。图中F_ISA_D8管脚利用三极管的导通特性，控制红外避障传感器的开启与关闭，当F_ISA_D8管脚被置为逻辑“0”时，其输出电压也为0，此时Q2即NPN型三极管8050截止，Q1即PNP型三极管8550基极被拉高而截止，红外避障传感器的VCC端为0V，红外避障传感器不工作，其输出管脚ADOUT为逻辑“1”，发光二极管不导通；当F_ISA_D8管脚被置逻辑“1”时，其输出电压为3.3V，这一电压可使Q2导通，Q1基极电压被拉低使Q1导通，5V电压就可以输入到VCC端，使红外避障传感器开始工作。当检测距离无障碍物时，红外避障传感器的输出“1”，DS1不点亮，当安全距离内遇到障碍物时，此时VOUT输出为逻辑“0”，发光二极管导通点亮。F_ISA_D8与开发板MiniISA接口D8相连，开发板MiniISA接口如图17。图13红外避障传感器电路4.4声光指示电路设计声光指示电路包括转向报警和转向指示，转向报警电路主要由蜂鸣器、三极管、发光二极管和电阻组成，由FusionFPGAAFS600输出信号控制三极管Q3的通断,间断的启动和点亮蜂鸣器和发光二极管。转向指示灯主要由电阻和发光二极管组成，由FusionFPGAAFS600直接输出信号控制[3]。声光指示电路如图14所示。图中DS4、DS5和DS6、DS7分别为小车进行超车转向时前、后两组指示灯，当小车超车过程中向左/右转向行驶时，相应方向的指示灯将闪烁，直到小车完成超车动作。与此同时，蜂鸣器及其指示灯DS2也会在小车进行超车动作时间歇性鸣响与闪烁，其频率与转向时指示灯的闪烁频率相同。F_ISA_D12、F_ISA_D13、F_ISA_A0管脚分别与开发板MiniISA接口D12、D13、A0（或H16管脚）相连。开发板MiniISA接口如图17。图14声光指示电路4.5电机驱动电路设计电机驱动电路主芯片是恒压恒流桥式2A驱动芯片L298N。L298是SGS公司的产品，比较常见的是15脚Multiwatt封装的L298N，内部同样包含4通道逻辑驱动电路。可以方便的驱动两个两相直流电机，或一个三相步进电机。L298N可接受标准TTL逻辑电平信号VSS，VSS可接4．5～7V电压。4脚VS接电源电压，VS电压范围VIH为＋2．5～46V。输出电流可达2．5A，可驱动电感性负载。1脚和15脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号[6]。L298可驱动2个电动机，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之间可分别接电动机。5，7，10，12脚接输入控制电平，控制电机的正反转。EnA，EnB接控制使能端，控制电机的停转，在系统中将其直接接电源，只用5，7，10，12脚的输入电平控制电机的正反转和停转。L298N功能模块见图15和表3【15,16】。图15L298N内部功能模块表3L298N功能模块EnAIn1In2运行状态0XX停止110正转101反转111刹停100停止In3，In4的逻辑图与表3相同。由表3可知EnA为低电平时，输入电平对电机控制不起作用，当EnA为高电平，输入电平为一高一低时，电机正转或反转。输入同为低电平电机停止，同为高电平电机刹停。电机驱动电路如图16所示。图中IN1、IN2和OUT1、OUT2作为控制驱动电机的输入/输出，IN3、IN4和OUT3、OUT4用于控制转向舵机的输入输出，IN1、IN2、IN3、IN4分别与开发板MiniISA接口D0、D1、D2、D3相连，当IN1、IN2输入为00/11、01、10几种逻辑电平信号，驱动电机将分别完成停止、刹停、正转和反转等动作。（转向电机控制原理与驱动电机相同，不再重述）。开发板MiniISA接口如图17。图16电机驱动电路图17开发板MiniISA接口第5章系统测试5.1系统测试工具5.1.1数字万用表(DT9205)本仪表以大规模集成电路、双积分A/D(模/数)转换器为核心，配以全功能过载保护电路，可用来测量直流和交流电压、电流、电阻、电容、二极管、三极管、温度、频率、电路通断等[14]。精确度:±(%读数+第四位上的字数)。注意:括号内的第2部分，为精确度的修正值，应放在该档位的最后一位数字上。精确度保证期为1年。环境温度:230C±50C；相对湿度:<75%。（1）.功能选择具有32个量程。量程与LCD有一定的对应关系:选择一个量程，如果量程是一位数，则LCD上显示一位整数，小数点后显示三位小数；如果是两位数，则LCD上显示两位整数，小数点后显示两位小数；如果是三位数，则LCD上显示三位整数,小数点后显示一位小数；有几个量程，对应的LCD没有小数显示。（2）测试数据显示在LCD中（3）过量程时，LCD的第一位显示"1"，其他位没有显示（4）最大显示值为1999(液晶显示的后三位可从0变到9，第一位从0到1只有两种状态，这样的显示方式叫做三位半)（5）全量程过载保护（6）工作温度:00℃-400℃储存温度：-100℃-+500℃（7）电池不足指示：LCD液晶屏左下方显示5.1.2自制直流稳压电源·输入电压：交流220V，50～60Hz，允许电压变化±10％·输出电压：直流1.2～28.2V，9～1800mA，可调·调整范围：±0.01V·电压稳定度：≤2×10-3·负载稳定度：≤2×10-3·输出文波：≤5mV5.2.3MCS—51单片机开发系统·主要器件：STC89C51RC40C-PDIP，ATMLU818，MAX232，SM3381等·实现功能：LED显示，数据存储，红外遥控，键盘输入，蜂鸣器报警等·供电电压：DC5V·支持下载：串口，JTAG ·晶振频率：11.0592MHz5.2.4.\o"MC9S12DG128货源和PDF资料"FusionStartKitFPGA开发板（1）Fusion系列芯片具有Flash架构的FPGA所有特点（安全性、可靠性、单芯片、上电即行、非易失性、低功耗等）；其内部集成了独特的模拟部分，具有：分辨率高达12位、采样率高达600kbps、30个输入通道、2.56V内部参考源的AD；高达30个模拟的输入I/O，可以承受±12V输入电压，并有10个MOSFET门驱动输出，驱动能力可调；可实现电压、温度、电流检测；片内集成100MHz、精度为%1的RC振荡器；外部可接32KHz~20MHz的晶振；具有可编程的实时计数器（RTC）；片内具有1.5V稳压源，可提供内核电压，实现睡眠和待机的低功耗模式[16]。（2）芯片其他资源包括4Mbit的用户可用的FlashMemory、1kbit的FlashROM、108kbit的RAM；2个PLL，最高频率可达350MHz；支持多种I/O电平标准，其中差分的I/O标准有：LVPECL、LVDS、BLVDS、M-LVDS；具有AES、FlashLock加密技术；几乎具有ProASIC3的所有资源。（3）开发板外设资源有：512K字节的SRAM、、SP5301USBPHY，带有迷你USB接口、1602液晶、LVDS接口，发送和接收各一路、四个可用的串口，两个带有座子、MiniISA接口，可以扩展ZLG的MiniISA工控板、用户可用的多路模拟I/O接口、ADR525提供2.5VAD基准源、32.768KHz以及48MHz晶振、核心板温度、电压、电流检测电路、四路MOSFET驱动电路、5个按键、8个LED、交流蜂鸣器、VGA接口、鼠标键盘