電子技術(shù)課程設(shè)計-基于ISE的倒車雷達設(shè)計

1、成績課程設(shè)計說明書課程設(shè)計名稱:題學(xué)院:電子技術(shù)課程設(shè)計基于ise的倒車雷達設(shè)計電氣與電子信息學(xué)院生姓名專業(yè):信息工程學(xué)號:指導(dǎo)教師:日期：2016年12月26日基于ise的倒車雷達設(shè)計扌商 要：現(xiàn)代社會車輛的數(shù)量越來越多，人們需要倒車泊車的頻率也在日益增大， 于是人們對于倒車泊車時的安全性和方便性要求越來越高。本課題為基于ise的倒車雷 達設(shè)計，集距離測量，距離顯示和危險報警于一體，以提高駕駛者在倒車泊車時的安全 性和舒適性為目的而進行的設(shè)計。在深入研究和參考各種關(guān)于超聲波測距技術(shù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了一款基于超聲波測距 的車輛倒車泊車雷達系統(tǒng)。本系統(tǒng)根據(jù)駕駛員在實際倒車泊車過程屮的需求設(shè)定了系統(tǒng)

2、 的技術(shù)指標，提出了基于超聲波測距的整體設(shè)計方案。系統(tǒng)選用hc-sr04超聲波傳感器 構(gòu)成超聲波接發(fā)模塊，通過發(fā)送超聲波并接受返回的回響信號作為測距的數(shù)據(jù)來源，通 過溫度補償后的超聲波幅值檢測法測距。達到實時顯示距離信息，且當該最小距離計入 危險值時，系統(tǒng)會有報警提示。系統(tǒng)以basys2開發(fā)板為硬件核心，xilinx ise為軟件開發(fā)核心。系統(tǒng)主要包括以下模 塊：dcm時鐘管理模塊，超聲波接發(fā)模塊，測距模塊以及顯示報警模塊。dcm時鐘管 理模塊將晶振信號二分頻作為整個系統(tǒng)工作時鐘信號，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。超聲波接發(fā) 模塊發(fā)送超聲波探測障礙物并記錄回響信號間隔時間，作為測距模塊數(shù)據(jù)來源。測距模 塊

3、利用基于溫度補償?shù)某暡ǚ禉z測法計算車輛與障礙物z間的距離。顯示報警模塊 實時顯示距離信息，并根據(jù)閾值信息判斷是否啟動蜂鳴器報警。模塊分析部分給岀了系統(tǒng)的每一個主要模塊的流程圖，并使用fpga的verilog hdl 對系統(tǒng)的軟件進行了編寫。本設(shè)計采用了xilinx ise軟件對系統(tǒng)程序進行了綜合，調(diào)試， 和仿真。根據(jù)仿真結(jié)果與給定指標判斷該系統(tǒng)達到了預(yù)期的效果，作為相對簡潔并且成 本比較低的車輛雷達系統(tǒng)，具有一定實用價值的。但系統(tǒng)仍有很多不足，比如沒有對溫 度以及電磁波對系統(tǒng)的干擾考慮在內(nèi)，未來可通增加溫度矯正模塊和抗電磁波干擾模塊 來提高系統(tǒng)的可靠性。關(guān)鍵詞：超聲波，測距，倒車雷達，ba

4、sys2, xilinx iseabstract: the increasing number of vehicles in modern society, people need to reverse the frequency of parking is also increasing, so people for parking when the safety and convenience requirements are getting higher and higher. the ise-based reversing radar design, set distance meas

5、urement, distance display and dangerous alarm in one, to improve the driver in the parking and security for the purpose of the design.based on the research of ultrasonic ranging technology, a reversing parking radar system based on ultrasonic distance measurement is developed. this system sets up th

6、e technicalindex of the system according to the demand of driver in the process of actual parking and puts forward the overall design scheme based on ultrasonic distance measurement. the system adopts ultrasonic transducer of hc-sr04 to form the ultrasonic transmitting and receiving module. the ultr

7、asonic echo is sent and the returned echo signal is used as the data source of the distance measurement, and the ultrasonic amplitude detecting method is adopted. real-time display distance information, and when the minimum distance into the dangerous value, the system will alarm.system to basys2 de

8、velopment board for the hardware core, xilinx ise for software development core. the system mainly includes the following modules: dcm clock management module, ultrasonic transmitter and receiver module, ranging module and display alarm module. dcm clock management module will crystal oscillator sig

9、nal as a whole system clock frequency signal to ensure that the stability of the system. ultrasonic transmitter and receiver module to send ultrasonic detection of obstructions and record the time interval of the reverberation signal, as a distance measurement module data source. the range module ca

10、lculates the distance between the vehicle and the obstacle using the ultrasonic amplitude detection method based on the temperature compensation. the display alarm module displays the distance information in real time, and judges whether to start the buzzer alarm according to the threshold informati

11、on.the module analysis part gives the flow chart of each main module of the system, and use fpga verilog hdl to write the software of the system. this design uses the xilinx ise software to carry on the synthesis, the debugging, and the simulation to the system procedure. according to the simulation

12、 results and the given index, it is concluded that the system achieves the desired effect, which is of practical value as a relatively simple and low cost vehicle radar system. but the system still has many shortcomings, such as no temperature and electromagnetic interference to the system, taking i

13、nto account the future through the addition of temperature correction module and anti-electromagnetic interference module to improve system reliability.keywords: ultrasonic, ranging, reversing radar, basys2, xilinx ise目錄1 緒論11.1本課題研究的背景11.2本課題研究的意義11.3倒車雷達的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀11.4本課題研究的內(nèi)容22 總體方案設(shè)計42.1總體電路設(shè)計方案42.

14、2方案比較42.2.1紅外線測距42.2.2 激光測距42.2.3 ccd攝像機測距52.2.4超聲波測距52.3方案論證62.4方案選擇72.4.1測距算法82.4.2 溫度補償83 單元模塊設(shè)計93.1 dcm時鐘管理模塊設(shè)計93.1.1 功能實現(xiàn)93.1.2 rtl級電路設(shè)計103.2超聲波接發(fā)模塊103.2.1 功能實現(xiàn)103.2.2 rtl級電路設(shè)計113.3測距模塊設(shè)計123.3.1功能實現(xiàn)123.3.2 rtl級電路設(shè)計133.4顯示報警模塊設(shè)計143.4.1功能實現(xiàn)143.4.2 rtl級電路設(shè)計154 軟件設(shè)計174軟件介紹174.2軟件設(shè)計結(jié)構(gòu)174.3軟件設(shè)計流程框圖19

15、5 系統(tǒng)調(diào)試205.1調(diào)試方法205.2調(diào)試內(nèi)容206 系統(tǒng)功能、指標參數(shù)216.1系統(tǒng)主要的設(shè)計功能和指標216.2系統(tǒng)運行與測試226.2.1系統(tǒng)運行226.2.2 系統(tǒng)測試236.3參數(shù)分析287 結(jié)論298 總結(jié)和體會318.1總結(jié)318.2體會319 參考文獻32附錄33附錄一：相關(guān)設(shè)計圖33附錄二：元件清單表34附錄三：設(shè)計軟件圖34附錄四：核心代碼351緒論1.1本課題研究的背景近十年以來，我國每年車輛平均增長超過1500萬輛，而汽車保有量更是達到了 1.54 億輛。十年前，汽車占所有車輛的比例為33. 3%,如今這個數(shù)字已經(jīng)增長到了58. 5%o群 眾的出行方式也從機動小型化轉(zhuǎn)

16、變?yōu)闄C動大型化、從摩托車出行轉(zhuǎn)變?yōu)槠嚦鲂?，交?出行結(jié)構(gòu)發(fā)生了根本性變化。駕駛?cè)撕蜋C動車數(shù)量的急劇增長，使得道路越來越擁擠，停車場越來越狹小，路況 也越來越復(fù)雜給汽車駕駛員帶來很大困難，常訃駕駛員在倒車泊車吋無所適從，稍不留 神就會導(dǎo)致刮擦事故。一方面，坐在車內(nèi)座位上的駕駛員無法及吋完全的了解車輛周邊 尤其是后方的環(huán)境，雖然所有的車輛都安裝了后視鏡，但都不可避免的存在盲區(qū)；另一 方面，駕駛員在倒車吋同吋要兼顧車輛四周的情況，身體尤其是頭部需要做一些幅度比 較大的動作，這都對駕駛員的體力和腦力造成了一些無形的損耗，容易產(chǎn)生一些危險因 素；倒車泊車是一-種系統(tǒng)的，繁瑣的行為，它的成功不但決定于駕

17、駛員駕駛經(jīng)驗和技巧 的成熟度而口還決定于駕駛員的操作靈敏度，任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都有可能造成該行 為的失敗。倒車雷達，即汽車倒車泊車安全輔助裝置，也稱為倒車防撞雷達。該裝置能以聲咅 或者更為直觀的方式告知駕駛員車輛周圍尤其是后方的障礙物的情況，能夠有效降低駕 駛員在倒車泊車時的困擾，提高車輛駕駛的安全性。1.2本課題研究的意義倒車雷達的出現(xiàn)大幅度降低了駕駛者的體力和腦力的消耗，使駕駛員在倒車泊車時, 只需要坐在駕駛座位上不需要左顧右盼就可以了解車輛四周的環(huán)境，為駕駛員能在夜間 光線不太明朗的情況下更加安全的倒車泊車提供了可能性，大幅度的降低了追尾刮擦事 故發(fā)生的概率，提高了駕駛的安全性，減少了

18、很多駕駛員的困擾。本課題的倒車雷達系統(tǒng)采用了超聲波來對距離進行測量，超聲波具有聲能衰減小， 方向性好，穿透能力強和反射能力強等諸多優(yōu)點，能有效提高系統(tǒng)的測距精度和廣度。 采用功能強大的fpga作為控制核心，在保證功能的前提下能有效降低成本并且易于制 造和使用。同時采用了lcd對距離進行實時顯示，距離小于設(shè)定的閾值是通過聲音報警 器報警，具有集成度高的特點。本課題的研究具有一定實用價值。1.3倒車雷達的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀近幾年來，世界倒車雷達產(chǎn)品的產(chǎn)量成明顯的增長趨勢。2009年該類產(chǎn)品的產(chǎn)量為 1756萬套，到2013年就增長到了4199萬套，其中，以中國為代表的中低端產(chǎn)品產(chǎn)量的急 劇增長是推動全

19、球該類產(chǎn)品產(chǎn)量增長的主要因素。據(jù)統(tǒng)計，中國倒車雷達產(chǎn)品的總產(chǎn)量 在2013年達到了 1349萬套，占全球總產(chǎn)量的32%。在我國，該雷達裝置的普及率相對比 較高，但也不是所有的機動車型都已經(jīng)配備。從倒車雷達的出現(xiàn)發(fā)展至今，己經(jīng)經(jīng)過了七代的技術(shù)創(chuàng)新改良，不管是結(jié)構(gòu)外觀上 還是從性能價格上，每一代的產(chǎn)品都有其各自的特點第一代和第二代的倒車雷達都 是以聲音報警為主要功能。第三代的倒車雷達是以數(shù)碼波段顯示為主要功能。該產(chǎn)品可顯示車輛距離障礙物的 距離。同時有兩種顯示方式可供選擇。一種顯示方式是波段顯示，另外一種是數(shù)碼顯示, 其可直接顯示障礙物距車輛的距離。第四代的倒車雷達是以液晶熒屏顯示為主要功能。該代

20、產(chǎn)品開始將動態(tài)顯示系統(tǒng)加 入到顯示熒屏中，這是前所未有的性能飛躍。只要啟動汽車，該雷達系統(tǒng)便自動啟動。第五代是魔幻鏡倒車雷達。該代產(chǎn)品不但整合了前四代產(chǎn)品的優(yōu)勢，而h加入了最 新的仿牛測量距離的技術(shù)，可以實時準確的偵測兩米以內(nèi)的障礙物并根據(jù)車體周圍障礙 物的情況采用不同級別的聲音和直觀的顯示來提示駕駛員。第六代是無線倒車雷達。該代產(chǎn)品融合了倒車雷達、無線連接、彩色液晶顯示和bp 警示音。第七代是mp3倒車雷達。這一代的倒車雷達實現(xiàn)了行業(yè)的創(chuàng)新。雷達與車載mp3完 美結(jié)合，具備了倒車雷達功能的同時增加了mp3調(diào)頻發(fā)射功能。綜合考量，未來倒車雷達系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展趨勢是技術(shù)整合。針對倒車雷達產(chǎn)品的技

21、術(shù)在車輛倒車或者泊車時才會起作用，隨著此類產(chǎn)品的進一步的發(fā)展，視頻成像技術(shù)和 多重探測技術(shù)等更為復(fù)雜的技術(shù)會加入到產(chǎn)品中，從而能為駕駛員提供更為安全更為便 利直觀的倒車泊車輔助。木課題設(shè)計了一種簡單實用的倒車泊車雷達系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了fpga作為控制核 心，并且利用超聲波來進行測距，測量精度比較高，同時具有實現(xiàn)顯示和報警的功能， 能滿足于駕駛員日常的需求，且集成度比較高便于安裝和使用。1.4本課題研究的內(nèi)容本課題主要研究了一種基于超聲波測距技術(shù)和fpga控制平臺的車輛倒車雷達系 統(tǒng)，闡述了超聲波測距的基本原理，介紹了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成、硬件電路的搭建和軟件程 序的設(shè)計。該系統(tǒng)主要包括以下幾個部分構(gòu)

22、成：超聲波收發(fā)模塊、測距模塊、dcm時鐘管理模 塊和顯示報警模塊。fpga是整個系統(tǒng)的控制核心并且為核心組件，它的功用是協(xié)調(diào)每 一個電路的運行并保證整個系統(tǒng)按照一定的時序有序的進行工作。軟件程序主要包括系統(tǒng)運行主程序，超聲波收發(fā)子程序，測距子程序，溫度測量與補償子程序，數(shù)碼管顯示 子程序和蜂鳴器子系統(tǒng)。車輛與障礙物距離通過數(shù)碼管顯示器實時顯示，當距離小于設(shè)定的閾值時，報警設(shè) 備發(fā)出警報提醒駕駛?cè)司嚯x過近。為提高系統(tǒng)實際運用過程中的可靠性和所測距離的精度，木系統(tǒng)測量周圍環(huán)境溫度, 并對超聲波速度進行補償，提高了系統(tǒng)在實際運用中的穩(wěn)定性和魯棒性。2總體方案設(shè)計2. 1總體電路設(shè)計方案到目前為止，市

23、場上己經(jīng)出現(xiàn)的汽車倒車雷達產(chǎn)品根據(jù)其采用的測距技術(shù)大致可分 為超聲波測量、激光測量、紅外線測量和毫米波測量等產(chǎn)品。以下為幾種測距方法的比 較。2.2方案比較2. 2. 1紅外線測距紅外線測距方案如下：圖2.1紅外線測距方案圖該方式測距的基本原理是發(fā)射傳感器發(fā)出紅外線，紅外線遇到障礙物會發(fā)生反射， 接收傳感器會接收紅外線的反射光，系統(tǒng)根據(jù)該接收到的反射信號來判斷傳感器前方是 否具有障礙物。采用紅外線測距裝置的倒車雷達成本較低，但是其測量效果受周邊環(huán)境 的影響較大。在環(huán)境惡劣和天氣不好的情況下，其測量效果仍然不太理想。2.2.2激光測距激光測距方案如下巴圖2.2激光測距示意圖激光傳感器的工作原理與

24、紅外線的相似，都是通過激光發(fā)光管發(fā)射激光，然后接收 管接收反射激光，從而判斷車輛周邊是否有障礙物。這種裝置對周邊環(huán)境或者氣候的適 應(yīng)性不強，且價格相對較高。2. 2.3 ccd攝像機測距ccd攝像機測距方案如下叫圖2.3 ccd攝像機測距方案圖由ccd攝像頭與普通的監(jiān)視顯示器配合的ccd攝像系統(tǒng)可以使駕駛員看到車輛周 邊的影響，使其大體了解車輛的大體位置和后方的情況，但該系統(tǒng)受外界環(huán)境干擾太大, 比如霧天時效果非常不好且攝像頭易污損。2. 2.4超聲波測距超聲波測距方案如下:圖2.4超聲波測距方案圖超聲波是一種頻率高于20000赫茲的聲波，它的方向性好，穿透能力強，易于獲得較 集中的聲能。超聲

25、波的工作原理同紅外線和激光類似，也是利用超聲波的反射特性通過 偵測反射波來實現(xiàn)的。超聲波測距同蝙蝠感知周圍環(huán)境類似，可以不限吋間，不限地點, 不限環(huán)境的來偵測汽車周邊的狀況。超聲波傳感器便于安裝使用且價格低廉，是一種較 為理想的測距傳感器，缺點為測量距離較小。2. 3方案論證下面是幾種方案性能比較表2. 1:表2.1方案比較表ccd攝像機激光紅外線超聲波最長探測距離> 100m> 200m-10ma 10m響應(yīng)時間比較由處理時間決定-10/775=1000ms-15 ms受污染，磨損 等因素影響很大很大微弱幾乎沒有成本>500$>500$-50$-20$環(huán)境適應(yīng)性較差較

26、差差好由表2可以看出，盡管超聲波的最長探測距離大約只有10m,但是一般倒車泊車時 倒車雷達不需探測很長距離，而且超聲波傳感器成本較低，而且環(huán)境的適應(yīng)性比較好， 故本課題采用超聲波來進行測距。2. 4方案選擇基于2.3屮的分析，本課程采用超聲波測距方案作為倒車雷達的核心部分，設(shè)計具體方式如下：圖2.5實驗系統(tǒng)框圖從圖2.5可以看出，當?shù)管嚂r(如掛后退檔)，產(chǎn)生一個倒車信號，信號選通開關(guān)選通, dcm分頻器提供時鐘信號(50mhz),傳遞給鎖相環(huán)，由鎖相環(huán)捕捉，穩(wěn)定時鐘信號，并 以此激勵10us計數(shù)器和trig脈沖生成器。由計數(shù)器每個時段產(chǎn)生一個維持lous的高電平 信號，以此激勵trig脈沖生成

27、器循環(huán)發(fā)出8個40khz周期電平；激勵脈沖接收器，使其 檢測回波信號，并將檢測到的回波信號傳輸給測距處理模塊。由溫度補償模塊檢測室內(nèi) 溫度，并根據(jù)溫度補償公式將修正數(shù)據(jù)傳輸給測距模塊。測距處理時利用超聲波幅值檢 測法結(jié)合溫度修正計算出當前車距障礙物的距離，并激勵數(shù)碼管顯示驅(qū)動，使距離實時 顯示在數(shù)碼管上；當距離小于設(shè)定的閾值時，激勵蜂鳴器發(fā)聲驅(qū)動，通過蜂鳴器以聲音 的方式發(fā)出警報。圖2.6超聲波探測示意圖由表2可以看出，盡管超聲波的最長探測距離大約只有10m,但是一般倒車泊車時倒車雷達不需探測很長距離,而且超聲波傳感器成木較低，而且環(huán)境的適應(yīng)性比較好, 故木課題采用超聲波來進行測距。2. 4.

28、 1測距算法利用超聲波來測距的方法有很多，而這些方法各有各的優(yōu)點和缺點，本次試驗中， 根據(jù)實際情況，采用超聲波幅值檢測法作為測距算法。該方法是模塊內(nèi)將發(fā)出8個40khz周期電平并檢測回波。一旦檢測到有回波信號則輸 出回響信號。回響信號的脈沖寬度與所測的距離成正比，可通過至發(fā)射信號到接收到的 回響信號的時間間隔來計算距離。公式如下：uxt58式中，s為車輛與障礙物之間的距離（加）皿為超聲波速度，/為所測得的時間間隔。磁信號10us 的 ttli®環(huán)發(fā)出8個40khz脈沖模塊內(nèi)部 發(fā)岀信號輸岀回利信號回響電平輸出與檢測距js成比例圖2. 7超聲波傳感器時序圖2. 4.2溫度補償由于超聲波

29、也是一種聲波.其聲速與溫度有關(guān)。表1列出了幾種不同溫度下的聲速 。使用時，若溫度變化不大。則可視聲速基本不變；若測距精度要求很高，則應(yīng)通過 溫度補償法予以校正。公式如下：u = v + 0.60t式中，卩為標況下超聲波速，：t為環(huán)境溫度（攝氏度），比為溫度補償后的超聲波速 度。3單元模塊設(shè)計3. 1 dcm時鐘管理模塊設(shè)計3. 1. 1功能實現(xiàn)該程序主要實現(xiàn)接收倒車信號后開啟整個系統(tǒng)的時鐘，供給整個系統(tǒng)工作，保證時 鐘信號穩(wěn)定，確保系統(tǒng)工作的可靠性。本模塊接收到給予的倒車信號時開始工作，dcm時鐘分頻器將晶振頻率而分頻，且 內(nèi)部通過鎖相環(huán)維持時鐘頻率的穩(wěn)定。dcm分頻后的信號作為激勵源激勵10

30、us定時器和 trig脈沖生成器，使超聲波發(fā)送模塊工作。圖3. 1 dcm設(shè)計流程3. 1.2 rtl級電路設(shè)計clkin inrst indcm1clkdv outclkinjbufg_outcu<0_outlocked outuut_dcm圖3. 2 dcm分頻器rtl電路基于ise編譯后，dcm分頻器生成rts級電路如圖3. 2所示。其中clkin.in為外部晶振 輸入信號；rst.in為信號選通輸入信號，clkdv_out為時鐘頻率clko_out頻率的分數(shù)， 分頻比由內(nèi)部參數(shù)決定；clko_out位于輸入clkin.in同頻的信號，且在默認情況下，大 小也相同；clkin_in

31、bufg_out為全局時鐘輸入緩存；locked_out為鎖相環(huán)pll的同步輸 出，用于指示鎖相環(huán)是否完成鎖相。本模塊當?shù)管囆盘柦o定時，在本實驗屮由人為給定，dcm分頻器工作，將外部晶振提 供的信號做而分頻處理，由二分頻后的信號作為整個系統(tǒng)工作時的時鐘信號；當時鐘信 號偏移時通過輸出鎖相環(huán)指示信號交由電路重新調(diào)整時鐘信號直至穩(wěn)定。3. 2超聲波接發(fā)模塊3. 2. 1功能實現(xiàn)本程序主要實現(xiàn)驅(qū)動超聲波傳感器，由發(fā)送端發(fā)送超聲波信號，當信號遇到障礙物 時，會返回回響信號，由接收端以lous步長直至接收完回響信號的高電平后結(jié)束計數(shù)， 將計數(shù)結(jié)果傳遞給測距模塊。本模塊接收到分頻信號后，將會初始化10us

32、定時器，確定超聲波電路工作步長；激 勵trig脈沖生成器，發(fā)送8個40khz的高電平脈沖信號，發(fā)送超聲波進行檢測是否存在障 礙物；開啟脈沖計數(shù)器，每一個工作步長計數(shù)一次。當檢測到障礙物時，超聲波會返回, 當接收端接收回波信號完畢時，如圖2. 7高電平變?yōu)榈碗娖?，計?shù)器將記得的時間間隔 傳遞給測距模塊。曲1xy圖3. 3超聲波接發(fā)模塊設(shè)計流程3.2.2 rtl級電路設(shè)計clkdiv_generationuut_clkdiv_ge neration圖3. 4發(fā)送電路rtl級電路基于ise編譯后，超聲波發(fā)送電路生成rts級電路如圖3. 4所示。其中elk為時鐘信號; rst_n為復(fù)位信號；clk_1

33、00khz_en為文獻中給出的，如圖2. 7激勵超聲波傳感器發(fā)岀超 聲波進行探測障礙物。ultrasound_controllerelk lookhzrecho pulse num(15 0)enultrasound triguut_ultraso un d_controller圖3. 5接收電路rtl級電路基于ise編譯后，超聲波控制電路牛成rts級電路如圖3. 5所示。其中elk為時鐘 信號；rst_n為復(fù)位信號；clk_100khz_en為10us定時器信號；ultrasound_echo為超聲波 探測到障礙物后的回響信號；echo_pluse_num( 15:0)為以10us為單位對超

34、聲波測距模塊 回響信號高脈沖進行計數(shù)的最終值;echo_pulse_en為超聲波測距模塊回響信號計數(shù)值有 效信號；ultrasoundjrig為超聲波測距模塊脈沖激勵信號。該模塊工作時，由發(fā)送電路產(chǎn)牛10us的有效高電平脈沖信號，促使超聲波傳感器內(nèi) 部產(chǎn)牛8個40khz的高電平脈沖，發(fā)送出超聲波進行對障礙物的探測。當探測到障礙物 存在時，超聲波返回，借由超聲波控制電路接收到返回的回響信號，肓至回響信號高電 平結(jié)束，通過計數(shù)器記下發(fā)出信號與接收到回波信號之間以10us為時間步長的次數(shù)， 計算出結(jié)果后將結(jié)果傳遞給測距模塊。3. 3測距模塊設(shè)計3. 3. 1功能實現(xiàn)該程序主要實現(xiàn)利用超聲波接發(fā)模塊傳

35、遞過來的數(shù)值，結(jié)合外部溫度信息對超聲波 速度進行溫度補償，測得車輛距離障礙物之間的距離，驅(qū)動數(shù)碼管，將距離信息傳遞給 數(shù)碼管和蜂鳴器。本模塊接收到發(fā)送過來的脈沖計數(shù)值，因每個計數(shù)值為10us,則可根據(jù)r = 10x/t計 算出間隔時間，其中為脈沖計數(shù)值?？紤]到溫度給超聲波信號帶來的影響，本課題采 用溫度傳感器釆集周圍溫度信號，求出溫度t (攝氏度)，對超聲波速度按照式 w = v + 0.60t進行溫度補償，從而修正在超聲波速度，降低誤差，提高精度。將修正后 的速度"與時間間隔/帶入式s = (ux0 / 58 ,解出車輛與障礙物z間的距離。(幵始出就*湼度補償倉tm椚詒計算摳離圖3

36、. 6測距模塊設(shè)計流程3. 3.2 rtl級電路設(shè)計temperature_detectelkon e_bitdone bit wrmatured 5 0)temp er at uref 15:0)u ut_te mperatu re_d ete ct圖3.7溫度補償電路rtl級電路基于ise編譯后，溫度補償電路生成rts級電路如圖3.7所示。其中elk為時鐘信號； one_bit_rd為單位讀操作，從溫度傳感器中讀取信息；one_bit_wrj傳感器驅(qū)動信號，由 主機fpga驅(qū)動溫度傳感器時賦值；rst_n為復(fù)位信號；temperature( 15:0)為溫度信號,以 16位二進制形式保存，

37、傳輸給測距電路。dista nce_computeech olpu lse f ilter n u m(俚陽temperatue(1eqelkecho»pulse f mul num(15:0)uut_distan ce_co mpute圖3. 8距離計算電路rtl級電路基于ise編譯后，距離計算電路生成rts級電路如圖3. 8所示。其中elk為時鐘信 號；echo_pulse_filter_num( 15:0)為以10us為單位對超聲波測距模塊回響信號高脈沖進 行計數(shù)的最終值；temperature(15:0)為溫度信息；rst_n為復(fù)位信號。 echo_pulse_f_mul_n

38、um( 15:0)為以1 ous為單位對超聲波測距模塊回響信號高脈沖進行計 數(shù)的最終值，且換算為實際距離的10進制數(shù)據(jù)，其中15:12為千位數(shù)據(jù)，11:8為百 位數(shù)據(jù)，7:4為十位數(shù)據(jù)，3:0為個位數(shù)據(jù)。本模塊實際工作時，有溫度補償電路采集周圍的溫度信息，并將其傳輸給計算距離 電路；而計算距離電路首先根據(jù)溫度信息對超聲波速度按公式(2)進行溫度補償，再將 超聲波速度與吋間間隔輸入乘法器按公式(1)計算車輛與障礙物的距離，其中時間間隔 由高脈沖計數(shù)值echo_pulse_filter_num( 15:0)與時間步長按t = 10x/2計算。計算完畢后將 計算結(jié)果傳遞給下一級電路。3. 4顯示報警

39、模塊設(shè)計3.4. 1功能實現(xiàn)該程序的主要功能是實現(xiàn)對車輛與障礙物之間的距離通過數(shù)碼管能夠?qū)崟r顯示，且 當此距離小于設(shè)定的閾值時能夠通過激勵蜂鳴器發(fā)出警報，提醒駕駛員。由于系統(tǒng)采用的是分時選通每一個通道，利用人眼的視覺暫留特性達到動態(tài)展示的 效果，4個數(shù)碼管的段選信號連接在fpga的8個引腳上(包括小數(shù)點)。當初次有時鐘脈 沖進入時，初始化數(shù)碼管功能以及清除緩存數(shù)據(jù)以此來驅(qū)動數(shù)碼管；待由測距電路給出 的信號傳輸?shù)竭_后，提取出數(shù)據(jù)中的，千位，百位，十位以及個位，通過選擇段選信號 選定數(shù)碼管，并在利用信號將對應(yīng)位的距離數(shù)據(jù)賦值給數(shù)碼管，達到顯示效果。根據(jù)求出的距離信息對照實現(xiàn)所賦予的距離閾值s，當求

40、出的距離人于閾值sy 時，表示fi前距離還處于安全范圍，測距模塊輸出信號激勵數(shù)碼管驅(qū)動；當求出的距離 小于閾值s?時需要警報提醒，蜂鳴器被驅(qū)動，發(fā)出警報。激勵蜂鳴器后，接收占空比不同的脈沖信號，距離越近，脈沖信號越密集，蜂鳴器 叫聲越急促；距離越遠，脈沖信號越稀疏，蜂鳴器叫聲越緩慢。圖3. 9顯示報警模塊設(shè)計流程3.4.2 rtl級電路設(shè)計display num(15:0)seg7f、dtube cs n(3:0)dtube cs n(3:0)elkrst_ndtube data(7:o)dtube data(7:o)kjuut_seg7圖3. 10數(shù)碼管rtl級電路基于ise編譯后，數(shù)碼管電

41、路牛成rts級電路如圖3.10所示。其中elk為時鐘信號; rst_n為復(fù)位信號；display_num(15:0)為測距模塊計算后的距離信號；dtube_cs_n(3:0)為 4位數(shù)碼管段選信號；dtube_data(7:0)位數(shù)碼管位選信號。beep_c on trailerdisplay num(15 0)t1beepelkrst nkjuut_beep_cont roller圖3. 11蜂鳴器rtl級電路圖4基于ise編譯后，蜂鳴器電路生成rts級電路如圖3. 11所示。其中elk為時鐘 信號；rst_n為復(fù)位信號；display_num(15:0)為測距模塊計算后的距離信號；beep

42、為蜂 鳴器驅(qū)動信號。該模塊工作時，數(shù)碼管電路將測距模塊傳輸來的距離信息通過控制四位數(shù)碼管的段 選與位選，并根據(jù)人眼的視覺暫留特性，通過延時達到動態(tài)展示的效果；蜂鳴器電路將 距離信息與人為賦值的閾值信息比對，如果距離大于閾值則不發(fā)岀警報，如果小于閾值, 激勵蜂鳴器，發(fā)出警報，且距離越近，警報越尖銳，以此提醒駕駛員注意車距。4軟件設(shè)計4. 1軟件介紹ise的全稱為integrated software environment,即"集成軟件環(huán)境”,是xilinx公司 的硬件設(shè)計工具，是現(xiàn)有的相對容易使用的、首屈一指的pld設(shè)計環(huán)境。ise將先進的 技術(shù)與靈活性、易使用性的圖形界面結(jié)合在一起

43、，極大減少開發(fā)者的屁費時間，使其在 最短的時間，以最少的努力，達到最佳的硬件設(shè)計。 ise設(shè)計軟件是業(yè)內(nèi)唯款功能齊全、面向linux、windows xp和windows 7 的免費front-to-back fpga設(shè)計解決方案。 ise是理想的、可下載fpga和cpld設(shè)計解決方案，提供了 hdl綜合與仿真、 實現(xiàn)、器件適配和jtag編程。 ise提供了全面的front-to-back設(shè)計流程，能夠立即免費獲取ise特性和功能。通過提供及時更新的設(shè)計解決方案(無誤下載和單文件安裝),xilinx創(chuàng)建的解決 方案可以實現(xiàn)合宜的生產(chǎn)率。ise設(shè)計時，利用verilog hdl設(shè)計，verilo

44、g hdl是一種硬件描述語言 (hdl:hardware description language),以文木形式來描述數(shù)字系統(tǒng)硬件的結(jié)構(gòu)和行為 的語言，用它可以表示邏輯電路圖、邏輯表達式，還可以表示數(shù)字邏輯系統(tǒng)所完成的邏 輯功能，再借由ise內(nèi)部組件完成對程序的綜合、優(yōu)化等，并在確認仿真無誤后，下載 到開發(fā)板。4. 2軟件設(shè)計結(jié)構(gòu)本課題采用基于ise軟件自頂向下設(shè)計，通過“設(shè)計t綜合優(yōu)化t驗證t修改或 優(yōu)化設(shè)計t再驗證”的不斷重復(fù)，實現(xiàn)一個滿足系統(tǒng)要求的設(shè)計。這種自頂向下的設(shè)計 方法較自頂向上的由基本電路逐個向上的設(shè)計方法，具有設(shè)計效率高、修改容易、成本 低且不易出錯的優(yōu)勢。基于ise的倒車宙

45、達設(shè)計頂層枳塊,實例化dcm時鐘管理模塊超聲波基準時鐘產(chǎn)生模塊（100khz）超聲波控制模塊（發(fā)送,接收）驅(qū)動模塊倒車信號陰法器ip距離計算模 塊混度補償模塊圖4. 1軟件設(shè)計結(jié)構(gòu)圖從圖4.1中得知木課題基于ise的倒車雷達設(shè)計遵循“自頂向下”的設(shè)計原則，由一 個頂層模塊控制下列所有模塊。由圖可知，倒車信號激勵dcm時鐘管理模塊，dcm時 鐘管理模塊連接到超聲波基準時鐘產(chǎn)牛模塊，時鐘模塊連接超聲波控制模塊；溫度傳感 器連接溫度補償模塊；除法器ip core連接計算模塊；溫度補償模塊和超聲波控制模塊共 同連接距離計算模塊，距離計算模塊連接驅(qū)動模塊；位選與段選連接數(shù)碼管；驅(qū)動模塊 分別連接蜂鳴器和

46、數(shù)碼管。所述ise的倒車雷達系統(tǒng)中，其特征在于dcm時鐘管理模塊接收到倒車信號后，產(chǎn) 牛供系統(tǒng)工作的時鐘信號，并通過內(nèi)部鎖相環(huán)裝置穩(wěn)定信號，保證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性， 魯棒性。所述ise的倒車雷達系統(tǒng)中，其特征在于超聲波基準時鐘產(chǎn)牛模塊產(chǎn)牛一個能使超聲 波控制模塊正常工作的高電平信號。所述ise的倒車雷達系統(tǒng)中，其特征在于超聲波控制模塊以lous為步長，發(fā)送8個 40khz高電平脈沖激發(fā)超聲波并以時間步長計數(shù)；接受完回波信號后，將時間步長計數(shù) 值傳遞給距離計算模塊。所述ise的倒車雷達系統(tǒng)中，其特征在于溫度補償模塊通過溫度傳感器采集到周圍環(huán) 境溫度并將溫度（攝氏度）傳遞給距離計算模塊。所述ise的

47、倒車雷達系統(tǒng)中，其特征在于利用時間步長計數(shù)值計算出超聲波發(fā)送到接 收所花費的時間；利用溫度修正超聲波速度，并根據(jù)距離計算公式求出距離值；利用除 法器ip core將距離信息以千位，百位，十位，個位的形式傳遞出去；所述ise的倒車雷達系統(tǒng)中，其特征在于驅(qū)動模塊接收到傳遞過來的距離信息，驅(qū)動 數(shù)碼管，并和位選信號與段選信號一起將距離信息實時顯示在數(shù)碼管上；根據(jù)人為設(shè)定的閾值信息，當車距小于閾值時驅(qū)動蜂鳴器,發(fā)出警報。4. 3軟件設(shè)計流程框圖下面以數(shù)字電路的設(shè)計過程為例進行詳細說明：圖4. 2軟件設(shè)計流程圖首先根據(jù)方案設(shè)計，分析輸入與輸出。將總體設(shè)計系統(tǒng)中分析子系統(tǒng)，并對子系統(tǒng) 模塊化，根據(jù)設(shè)計方案

48、，對每個模塊和頂層進行設(shè)計輸入。利用verilog hdl語言抽象化 各模塊，通過程序設(shè)計的方法完成對模塊的實現(xiàn)。設(shè)計輸入完成后，利用ise synthesize-xst工具進行綜合。這時可以對設(shè)計進行功能仿真，觀察在給定的輸入下是 否產(chǎn)生了規(guī)定的輸出。如果不滿足設(shè)計要求應(yīng)進行設(shè)計輸入的修改。如果滿足要求，就 利fflise implement design進行布局、布線適配及優(yōu)化，產(chǎn)生有布線延遲和元件延遲的網(wǎng) 表。對含有延遲的網(wǎng)表進行時序仿真，看是否滿足設(shè)計要求。如果不滿足設(shè)計要求，需 要修改設(shè)計輸入，重新規(guī)劃verilog hdl語言或進行進一步的優(yōu)化布局、布線，并進一步 進行時序仿真，直

49、至滿足要求。在時序仿真滿足設(shè)計要求后，就可以利用設(shè)計生成比特 流下載文件，且將設(shè)計下載或配置到fpga/cpld中，進行硬件的驗證。5系統(tǒng)調(diào)試5. 1調(diào)試方法木課題通過ise軟件內(nèi)部集成的chipscope pro在線邏輯分析儀完成調(diào)試。stepl.利用fpga內(nèi)部未使用的blockram,并根據(jù)所設(shè)定的觸發(fā)條件將信號實時保 存到那些未使用的blockramz中。step2.進行功能仿真，觀察結(jié)果，與預(yù)想結(jié)果比對，正確則執(zhí)行跳轉(zhuǎn)到step5ostep3.逐步縮小調(diào)試范圍，模塊化查找。step4.找到出錯模塊，返回程序編輯界面修改，重新執(zhí)行stepl。step5.運行時序仿真，觀察是否出現(xiàn)競爭冒

50、險等差錯，無錯則跳轉(zhuǎn)到step8ostep6.模塊化查找，精確查找到出現(xiàn)差錯模塊。step7.改變邏輯屬性，重新執(zhí)行step 1 ostep8.將開發(fā)板連接電源，通過usb數(shù)據(jù)線將開發(fā)板與pc機連接。step9.在工程文件中新建chipscope definition and connection file文件保存，設(shè)置 相關(guān)參數(shù)，最后綜合生成比特流文件下載到開發(fā)板，點擊運行，即可觀測到測試的波形, 若結(jié)果正確則結(jié)朿調(diào)試，若結(jié)果錯誤則返回pc機修改代碼，重新執(zhí)行stepk5. 2調(diào)試內(nèi)容本次調(diào)試實現(xiàn)對系統(tǒng)屮所有模塊的調(diào)試，具體包括(a) dcm時鐘管理模塊分頻比改變調(diào)試；(b) dcm時鐘管理

51、模塊輸出時鐘魯棒性調(diào)試；(c) 超聲波接發(fā)模塊10us定時器調(diào)試；(d) 超聲波發(fā)送端發(fā)送信號產(chǎn)生調(diào)試；(e) 超聲波接收端接收回響信號調(diào)試；溫度補償模塊溫度獲取調(diào)試；(g) 溫度補償模塊溫度傳輸調(diào)試；(h) 測距模塊接收數(shù)據(jù)調(diào)試；測距模塊距離計算調(diào)試；(j)數(shù)碼管驅(qū)動調(diào)試；(k)數(shù)碼管顯示調(diào)試；蜂鳴器驅(qū)動調(diào)試；(m)蜂鳴器警報調(diào)試。6系統(tǒng)功能、指標參數(shù)6. 1系統(tǒng)主要的設(shè)計功能和指標一個倒車雷達系統(tǒng)必須具備以下幾個基木功能：能夠提供給超聲波發(fā)射裝置一定的 發(fā)射脈沖，使其具有良好的發(fā)射超聲波的性能；接收傳感器能實現(xiàn)對機械回波良好的接 收，同時控制電路能夠?qū)崿F(xiàn)對超?；夭ǖ男盘柕膶崿F(xiàn)放大、濾波、整

52、形并同時響應(yīng)控制 器的中斷；能夠?qū)崟r的計算并且以育觀的方式將障礙物與車體后方的距離顯示出來，當 二者之間進入危險報警距離時，能夠以聲音和光等信號來對駕駛者實時報警。木系統(tǒng)的 設(shè)計指標如下：1、能夠有效測量的距離范圍:0.01m10im2、所測距離誤差：小于5%；3、在數(shù)碼管上能夠?qū)崟r的顯示障礙物距離車輛尾部的最小距離；4、當障礙物距離車輛尾部小于2米時，蜂鳴器發(fā)出報警聲音，距離越近，報警越急 促；5、顯示的最小分辨率:1mm；6、測量的肓區(qū)要盡可能的小；7、所需電源：12v直流。6. 2系統(tǒng)運行與測試6. 2. 1系統(tǒng)運行圖6.1電路總體設(shè)計圖本課題采用基于ise的軟件仿真與基于basys2開

53、發(fā)板的實際測試，開啟信號選通的“倒車信號”由人為給定。系統(tǒng)工作流程如下:圖6. 2系統(tǒng)工作流程圖第22頁6. 2. 2系統(tǒng)測試本次試驗屮，將會將會采用本課題基于ise的倒車雷達設(shè)計屮超聲波所測得的車輛與 障礙物z間的距離，與人工工具測量出的距離比對。(1) dcm時鐘管理模塊測試dcm時鐘管理模塊為本系統(tǒng)只極其重要的一環(huán)，為系統(tǒng)帶來統(tǒng)一的時鐘信號供系統(tǒng)工 作，而時鐘信號的穩(wěn)定程度直接決定了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定程序，因此，本課題對dcm時鐘 管理系統(tǒng)分頻后的時鐘信號做出測試，結(jié)果如下：八？*尸t r “11s 220us £ |4 re-1 amch圖6. 3時鐘管理模塊測試據(jù)圖6. 3可看

54、出，分頻后的時鐘信號elk維持在一個穩(wěn)定的狀態(tài)，占通比幾乎沒有改 變。因此經(jīng)過測試，證實了本系統(tǒng)屮的dcm時鐘管理系統(tǒng)能夠提供一個有效的，穩(wěn)定的 時鐘信號，使得系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠。(2)超聲波接發(fā)模塊測試本系統(tǒng)測量距離是否準確與超聲波的收發(fā)密切相關(guān)，而超聲波發(fā)送裝置由傳感器內(nèi) 部完成，因此當回波信號返回時，是否能準確統(tǒng)計到發(fā)送到接收z間的時間間隔決定著 測量距離是否準確，因此，本課題對超聲波接發(fā)模塊做出測試，結(jié)果如下：圜 trigger setup- devto myoeitc«o (xc3s10ce) umto myluo qla)t財6 mifunctxio-qmotnwerpoto= y| addjladweitngoec cordion namecvfge.伽伽 vmrdasl|d«(h 8192storage ouainioa4 data sa