王生毅 馬宗敏 李康康 張真榕

摘 ?要： 為了解決以單片機為主控制器的倒車防碰撞系統(tǒng)精度不高、拓展性不強等問題，結(jié)合超聲波測距原理，提出基于FPGA和TDC?GP2高精度的倒車防碰撞系統(tǒng)設(shè)計。該系統(tǒng)以FPGA芯片為主控制器，采用模塊化思想進(jìn)行設(shè)計，利用TDC?GP2高精度時差測量芯片測量超聲波傳播時差計算車尾與障礙物的垂直距離，使得系統(tǒng)測量距離實現(xiàn)mm級精度，同時實現(xiàn)距離語音提示和距離LED直觀顯示。經(jīng)測試，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定、性能良好、精度高，可以成功應(yīng)用于汽車的倒車系統(tǒng)中。

關(guān)鍵詞： 防撞系統(tǒng); FPGA; 超聲波測距; TDC?GP2; 時差法; 倒車系統(tǒng)

中圖分類號： TN752.6?34; TP911 ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2018）10?0015?04

Abstract： To resolve the problems such as low precision and weak extensibility of auto reversing anti?collision system which takes SCM as the main controller， a high?precision auto reversing anti?collision system based on FPGA and TDC?GP2 is designed by combining with the ultrasonic distance measurement principle. In the system， the FPGA chip is taken as the main controller， and the idea of modularized design is adopted. The high?precision time difference measurement chip TDC?GP2 is used to measure the time difference of ultrasonic propagation and calculate the vertical distance between the rear end of automobile and the obstacle， so as to achieve the MM?level precision of distance measurement for the system and meanwhile achieve the voice prompt and LED visual display of the distance. The test shows that the system operates stably， has good performance and high precision， and can be successfully applied to the auto reversing system.

Keywords： anti?collision system; FPGA; ultrasonic distance measurement; TDC?GP2; time difference method; auto reversing system

0 ?引 ?言?

駕駛員在停車位泊車或路上倒車時，倒車影像中車體與車身后邊障礙物的距離并不能很直觀反映真實距離，為此駕駛員需靠倒車系統(tǒng)語音提示來判斷實際距離進(jìn)行泊車或倒車。為提高駕駛員倒車的安全性，對一種高精度、低成本、推展性強的汽車倒車防撞預(yù)警系統(tǒng)提出了迫切要求。張安然以單片機主控制器設(shè)計了一種倒車防碰撞系統(tǒng)[1]，成本低，但精度不高。本文以FPGA為主控制器，利用TDC?GP2高精度時差測量芯片測量超聲波傳播時差，進(jìn)而計算車尾與障礙物的垂直距離，設(shè)計了汽車倒車語音提示系統(tǒng)。該系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)設(shè)計合理、工作穩(wěn)定、性能良好、精度高、實時檢測速度快。

1 ?超聲波測距原理

超聲波測距原理是不斷檢測超聲波在遇到障礙物而反射回來的反射波，進(jìn)而測量發(fā)射超聲波與接收反射波之間的時間差[t]來計算距離S。若已知超聲波在空氣中傳播速度為C，則距離為：

在倒車防碰撞系統(tǒng)中，超聲波發(fā)射模塊和接收模塊之間安裝距離間隔很小，如圖1所示。而相對于超聲波在空氣中傳輸?shù)乃俣葋碚f，車體在倒車狀態(tài)下的運行速度非常小。所以本系統(tǒng)在設(shè)計時忽略車身速度的影響，認(rèn)為計算所得S即為車身與障礙物距離。

2 ?總體設(shè)計方案

該系統(tǒng)以FPGA芯片為主控制器，采用模塊化思想進(jìn)行設(shè)計。硬件部分包括溫度測量模塊、FPGA控制模塊、LED顯示模塊、語音報警模塊、TDC時差測量模塊、驅(qū)動發(fā)射模塊、信號調(diào)理模塊與超聲波發(fā)射接收模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

系統(tǒng)接通電源后，F(xiàn)PGA主控制器產(chǎn)生一個初始信號，使相關(guān)模塊完成初始化和寄存器的配置。隨后系統(tǒng)進(jìn)入等待狀態(tài)。一旦FPGA主控制器檢測到開始信號（汽車進(jìn)入倒車狀態(tài)），F(xiàn)PGA主控制器控制溫度測量模塊工作，并將結(jié)果保存在測溫模塊的寄存器中。同時FPGA主控制器控制TDC芯片輸出兩路40 kHz的同相脈沖信號，其中一路為驅(qū)動發(fā)射電路，使超聲波發(fā)射模塊發(fā)射超聲波，另一路脈沖信號作為START始能信號觸發(fā)TDC模塊開始時差測量工作。超聲波接收模塊接收到回波信號，經(jīng)信號調(diào)理模塊處理后，以STOP信號進(jìn)入TDC模塊。TDC模塊判斷接收到回波后，結(jié)束測量，內(nèi)部ALU單元計算出時間間隔，并將結(jié)果送入寄存器保存起來。TDC芯片通過INTN端口返回給FPGA一個中斷信號，通知FPGA讀取測量的時差信息和溫度信息。FPGA中ALU單元基于讀取的溫度和時差信息進(jìn)行相關(guān)計算，并將最后計算所得距離信息適時直觀地顯示在LED顯示模塊上，同時語音報警模塊發(fā)出報警聲音。

3 ?系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

3.1 ?信號調(diào)理模塊設(shè)計

信號調(diào)理模塊如圖3所示，此模塊主要起放大、濾波、整形、檢波作用[3]。超聲波接收模塊接收到的回波信號（正弦波）比較微弱，為mV級別，不足以觸發(fā)TDC芯片，需要對回波信號進(jìn)行放大處理。NE5532是一款專業(yè)的音頻前端放大專用芯片，具有高性能低噪聲，線性失真度小的特點。此處采用該放大芯片組成二級放大電路對回波信號進(jìn)行放大處理，形成1.3～4.8 V的方波信號。超聲波回波信號中不可避免地夾雜有一些噪聲，故在回波信號放大后，應(yīng)先濾除這些干擾噪聲來提高回波信號質(zhì)量。回波信號的有用信號頻率為40 kHz，為了消除噪聲信號為下一步的整形電路輸入更高信噪比的回波信號，此處設(shè)計了基于LM324的二階巴特沃斯帶通濾波器（中心頻率為40 kHz）來濾除噪聲信號。濾波電路出來的信號最終要觸發(fā)中斷，因此必須是一個邏輯信號。所以采取將濾波后的回波信號進(jìn)入電壓比較器，通過與門限電壓比較，來確定超聲波回波的到來與否[4?6]。

3.2 ?TDC時差測量模塊設(shè)計

由于倒車防碰撞系統(tǒng)所需要測算的距離都比較近，超聲波的傳輸時間比較短，所以需要一個高精度的時差測量模塊才可以進(jìn)行高精度的距離測量。此系統(tǒng)采用德國公司生產(chǎn)的TDC?GP2芯片來進(jìn)行超聲波傳輸時間的測量。TDC時差測量模塊如圖4所示。使用TDC芯片自帶的脈沖發(fā)射模塊產(chǎn)生40 kHz超聲波驅(qū)動脈沖，TDC芯片外接2 MHz高速石英晶振。所以不需要對晶振校準(zhǔn)。使用TDC芯片時，要注意VCC和VIO的隔離或者采用VIO大于VCC的方式接入電源，否則容易燒毀TDC芯片。結(jié)合具體的使用環(huán)境，TDC芯片選擇測量模式2，典型分辨率為50 ps，間隔脈沖對的分辨能力為2個校準(zhǔn)時間周期[7]。

在測量過程中，由FPGA控制TDC芯片生成40 kHz脈沖信號FIRE驅(qū)動超聲波發(fā)生模塊驅(qū)動，同時該信號作為START信號觸發(fā)測量模塊啟動測量工作。經(jīng)過信號調(diào)理模塊的回波信號作為STOP進(jìn)入TDC芯片，TDC芯片停止測量。TDC芯片通過四線SPI總線接口（SSN，SCK，SI，SO四個接口）和FPGA相連進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

FPGA通過SPI總線接口可以對TDC芯片進(jìn)行配置，也可以在測量結(jié)束后通過SPI接口讀取測量所得的時間數(shù)據(jù)。INTN的電平跳變作為中斷信號驅(qū)動FPGA主控制器讀取狀態(tài)寄存器。信號調(diào)理模塊越靠近TDC測量模塊越好，這樣可以減少引入誤差，從而提高測量精度[8]。

4 ?系統(tǒng)軟件設(shè)計

在該系統(tǒng)中，選用FPGA芯片作為整個系統(tǒng)的控制中心，控制各個相關(guān)模塊有序地執(zhí)行相應(yīng)功能。系統(tǒng)時序流程圖如圖5所示。

系統(tǒng)接通電源后，F(xiàn)PGA芯片首先通過SPI總線和溫度單總線完成對TDC芯片和DS18B20的初始配置，此后進(jìn)入等待狀態(tài)，檢測到開始命令到來，啟動計時器，開始測量。一次測量結(jié)束后，F(xiàn)PGA讀取溫度和時差信息，ALU計算得出距離信息，并控制LED顯示出來，同時語音報警。此過程持續(xù)進(jìn)行，直到結(jié)束命令到來，時差測量模塊報警模塊結(jié)束工作。FPGA主控制器通過SPI總線控制TDC芯片進(jìn)行超聲波傳輸時間測量的流程圖如圖6所示。

系統(tǒng)上電時，F(xiàn)PGA主控制器發(fā)送0x50對TDC芯片初始化配置，同時對TDC芯片選擇測量模式2，隨后系統(tǒng)進(jìn)入等待狀態(tài)。汽車進(jìn)去倒車狀態(tài)的同時給FPGA主控制器一個開始測量命令，主控制器發(fā)送0x01觸發(fā)TDC芯片生成40 kHz的脈沖信號控制驅(qū)動電路驅(qū)動發(fā)生模塊發(fā)射超聲波?；夭ㄐ盘柦?jīng)信號調(diào)理模塊后作為STOP信號進(jìn)入TDC芯片。INTN標(biāo)志端口發(fā)送中斷信號，通知FPGA測量結(jié)果。

5 ?系統(tǒng)測試結(jié)果

考慮到實際使用情況，設(shè)計的系統(tǒng)最大量程為4 m，精度為1 mm。在 ?測試系統(tǒng)時，為了驗證系統(tǒng)在小距離下的精確度與可靠性，在室外選200～4 000 mm之間的8組距離分別進(jìn)行50次測量取其平均值對比，結(jié)果如表1所示。加入溫度補償前后系統(tǒng)的誤差對比圖如圖7所示。

通過測量結(jié)果分析可以發(fā)現(xiàn)，加入溫度補償模塊后系統(tǒng)的誤差更小，幾乎與實際距離曲線重合。誤差主要來源于時間測量誤差、硬件電路信號傳輸影響帶來誤差、測距時探頭機械位置微小變化等[9?10]。

6 ?結(jié) ?論

本文設(shè)計一種高精度、高可靠性的超聲波倒車防碰撞系統(tǒng)。其采用FPGA作為主控制器，通過TDC?GP2芯片實現(xiàn)超聲波傳播時間的高精度測量。經(jīng)過FPGA中ALU單元來計算車體與障礙物距離，報警系統(tǒng)及時響應(yīng)，達(dá)到提醒司機安全駕駛的目的。通過測試，系統(tǒng)在精度與可靠性方面均滿足預(yù)期要求，有很高的實用價值。此外基于FPGA豐富的I/O接口和高效的程序重構(gòu)性，可以增加汽車ABS系統(tǒng)（剎車系統(tǒng)）車載空調(diào)等拓展，使系統(tǒng)更加智能化。

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