基于CPLD 的超声波倒车预警系统的研究

徐旭，陈嘉鹏

（中科芯集成电路有限公司，江苏无锡 214072）

随着社会的发展，汽车走进了千家万户，汽车产业的发展让人们的生活变得更加便捷的同时，交通事故的发生也屡见不鲜。据统计，我国每年交通事故造成的死亡人数高达10万人以上，而在这些交通事故当中，因倒车而引发的交通事故就占一半以上[1]。目前市面上的一些中高档汽车基本都配备了倒车影像雷达，可以在倒车时给驾驶员提供直观、准确的车辆后方障碍信息，但这种装备成本较高，对于低端车辆，例如小型货运车辆并不适用。但近年来，小型货车在倒车过程中发生意外，造成人员生命财产损失的事件时有发生，因此，有必要研发一种适合小型货运车辆的倒车预警系统。超声波由于其能量集中、指向性强、较好的抗干扰能力等特点，被广泛应用于测距领域[2-3]。文中基于CPLD 设计了一种超声波倒车预警系统，经验证，该系统可以有效对倒车过程中的障碍物距离进行测量，并进行相应报警提示，提高车辆安全系数。

1 超声波测距原理

超声波测距的原理是利用超声波发射探头发出超声波，在声波发射的同时开始计时，超声波传播过程中如果遇到障碍物会发生反射，反射波一旦被接收探头识别，就立即停止计时[4]。由于一定条件下声速v是确定的，所以只要知道超声波传播的时间t，就可以得出超声波发射点和障碍物之间的距离s为：

超声波作为一种声波，其传播速度受温度的影响，温度每升高1 ℃，声速将增大约0.6 m/s[5-6]。为了提高系统的测量精度，对温度的影响进行了补偿，已知环境温度为T，则超声波的传播速度为：

2 系统总体设计

现有的超声波测距系统一般都采用单片机作为主控芯片，受单片机工作频率偏低以及执行指令时长难以准确估算的限制，系统测距结果的准确性很难得到保证[7-9]。利用FPGA 作为主控芯片可以有效提高计时精度，但成本较高，不利于推广[10-11]。鉴于以上考虑，该系统采用价格较为适中，但工作频率较高，并且以能并行运行的CPLD 作为主控制器，提高了性价比。超声波倒车预警系统结构框图如图1 所示，主要包括CPLD 控制芯片、超声波传感器、数码管显示模块、声光报警模块、温度检测模块。

图1 系统结构框图

3 系统硬件设计

3.1 CPLD控制电路

CPLD控制电路主要由六部分组成：EPM240T100C5主控芯片、电源电路、时钟电路、JTAG 下载调试电路、USB 转串口电路、按键电路，原理图如图2 所示。

图2 CPLD控制电路

EPM240T100C5 是Altera 公司生产的一款低成本、低功耗的CPLD 芯片，工作电压的范围为2.5～3.3 V，拥有80 个IO 口，可以满足系统设计需要。系统由USB 接口供电，使用方便并且支持热插拔，USB接口输入的电压经AMS1117-3.3 低压差线性稳压器转换成稳定的3.3 V 电压，为了方便后续系统功能扩展，还通过USB 转串口芯片CH340G 预留了串口通信功能。系统时钟由50 MHz 有源晶振提供，计时精度可达20 ns。

3.2 超声波测距模块

为了简化设计，超声波测距模块采用的是HCSR04 超声波传感器，该传感器的探测范围为2～450 cm。该模块使用方便，只有VCC、GND、TRIG、ECHO 四个引脚，其接线原理图如图3 所示，VCC 接5 V，GND 接地，TRIG 引脚内部有10 kΩ上拉电阻，测量时通过CPLD 的IO 口先将TRIG 引脚拉低，再提供一个10 μs 以上的脉冲信号，传感器将自动发送8 个频率为40 kHz 的方波，激励换能器发射超声波，实际使用时高电平保持40～50 μs 效果最佳。接收到回波信号后，传感器将通过ECHO 引脚输出一个高电平给CPLD，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的间隔时间。HC-SR04 超声波传感器工作的时序图如图4 所示。

图3 HC-SR04模块接线原理图

图4 HC-SR04模块工作时序图

3.3 温度检测模块

由式（2）可知，声速受温度的影响，为了提高超声波倒车预警系统的测量精度，对声速进行了温度补偿。温度检测模块采用的是美国Dallas 公司生产的DS18B20温度传感器,该传感器的测温范围为-55～125 ℃，测量误差不超过±0.5 ℃[12-13]。DS18B20 传感器具有精度高、智能化、体积小、线路简单等优点，采用单总线协议，即与CPLD 接口仅需占用一个I/O 端口，简化了传感器与CPLD 的接口设计的同时提高了抗干扰性。该传感器能够直接读取温度测量值，用户可以根据实际需要，通过编程设置测量分辨率，其分辨率范围为9～12 位。DS18B20 有寄生电源供电和外部电源供电两种供电方式，为了保证转换精度，系统通过外部电源给DS18B20 传感器供电。温度检测模块的接线原理图如图5 所示。

图5 温度检测模块接线原理图

3.4 显示和声光报警模块

常用的显示设备有LCD 液晶显示器、数码管等，其中LCD 液晶显示器虽然功耗低，但在工作环境光线较强的情况下难以看清显示内容[14-15]，如果应用在倒车预警系统中会影响系统的安全性。因此超声波倒车预警系统采用显示更加清晰，并且价格相对便宜的数码管来显示测距结果。显示模块的原理图如图6 所示，4 位数码管采用共阳极连接，用NPN 三极管作为开关控制位选信号，当基极为高电平时，三极管导通，输出高电平，如对Q1 而言，当SEL0_T 为高电平时，选通数码管D1。

声光报警模块由有源蜂鸣器和不同颜色的发光二极管组成，为了更好地提示驾驶员障碍物当前的危险系数，系统将测距范围设定为四个安全等级（一级：大于3 m，二级：2～3 m，三级：1～2 m，四级：小于1 m），由CPLD 根据不同的安全级别输出不同频率的驱动信号，使蜂鸣器发出报警，同时驱动不同颜色的发光二极管发光（一级：指示灯均不亮，二级：绿灯亮，三级：黄灯亮：四级：红灯亮），由于有源蜂鸣器的工作电流较大，通过三极管Q5 设计一个简单的放大电路。声光报警模块原理图如图6 所示。

图6 显示和声光报警模块

4 系统软件设计

系统软件的总体架构采用自顶向下的模块化设计方法,开发环境为QuartusⅡ，采用Verilog HDL 硬件描述语言进行设计[16]。CPLD 芯片内部模块主要包括：按键检测模块、超声波触发模块、回波检测模块、计时模块、声速校正模块、距离计算模块、数码管显示模块、声光报警模块。

为了降低代码复杂程序，使用状态机来进行代码编写，根据输出是否与输入有关，可以将状态机分为摩尔型和米利型，其模型分别如图7 和图8 所示，系统采用摩尔型状态机，其输出只取决于当前状态，稳定性更好。状态机根据相应的控制信号跳转到不同的状态，由于CPLD 内部提供较多的组合逻辑，代码采用格雷码对不同的状态进行编码，格雷码虽然使用较多的组合逻辑，但节省了寄存器。

图7 摩尔型状态机模型

图8 米利型状态机模型

系统启动后，开始检测按键是否被按下，如果按键按下，表示开始倒车，此时超声波触发模块驱动超声波传感器发出超声波，当回波检测模块检测到高电平时，计数模块开始计数，高电平结束立即停止计数，超声波传播时间t=N/f，其中N为计数值，f为系统时钟频率。已知传播时间t和校正后的声速v，根据式（1）就可以计算出障碍物距离，再通过显示模块驱动数码管显示测量结果。报警模块根据距离大小，控制蜂鸣器发出不同频率的提示音，同时点亮相应颜色发光二极管。系统流程图如图9 所示。

图9 系统流程图

5 实验及分析

为了验证超声波倒车预警系统的测量精度，对其进行了实测，实验记录了12 次测量结果，如表1 所示，其中，实际值是用钢制卷尺多次测量得到的平均值。由实验结果可知，该文所设计的超声波倒车预警系统的测量范围在2～450 cm，在10～450 cm 量程之间，测量结果的相对误差在5%以内，能够满足实际需要。

表1 实验结果

6 结论

该文在综合分析了现有倒车预警系统的基础上，将CPLD 和超声波测距技术相结合，设计了一种适用于小型货运车辆的超声波倒车预警系统。该系统采用CPLD 作为主控芯片，利用HC-SR04 传感器发送接收超声波信号，并具有温度补偿功能，简化了系统复杂度的同时提高了测量精度。倒车过程中，当检测到车辆后方有障碍物时，系统会通过数码管显示障碍物当前距离，并根据距离大小发出相应的声光报警。实验表明，该系统能满足实际需要，性价比高，具有一定的推广价值。