TDC-GP2在汽車防撞系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

王生毅 馬宗敏 李康康 張真榕

摘 ?要： 為了解決以單片機(jī)為主控制器的倒車防碰撞系統(tǒng)精度不高、拓展性不強(qiáng)等問(wèn)題，結(jié)合超聲波測(cè)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(jì)。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(jì)，利用TDC?GP2高精度時(shí)差測(cè)量芯片測(cè)量超聲波傳播時(shí)差計(jì)算車尾與障礙物的垂直距離，使得系統(tǒng)測(cè)量距離實(shí)現(xiàn)mm級(jí)精度，同時(shí)實(shí)現(xiàn)距離語(yǔ)音提示和距離LED直觀顯示。經(jīng)測(cè)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(cè)距; TDC?GP2; 時(shí)差法; 倒車系統(tǒng)

中圖分類號(hào)： TN752.6?34; TP911 ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 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(shí)，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(shí)距離，為此駕駛員需靠倒車系統(tǒng)語(yǔ)音提示來(lái)判斷實(shí)際距離進(jìn)行泊車或倒車。為提高駕駛員倒車的安全性，對(duì)一種高精度、低成本、推展性強(qiáng)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(jī)主控制器設(shè)計(jì)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(shí)差測(cè)量芯片測(cè)量超聲波傳播時(shí)差，進(jìn)而計(jì)算車尾與障礙物的垂直距離，設(shè)計(jì)了汽車倒車語(yǔ)音提示系統(tǒng)。該系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、工作穩(wěn)定、性能良好、精度高、實(shí)時(shí)檢測(cè)速度快。

1 ?超聲波測(cè)距原理

超聲波測(cè)距原理是不斷檢測(cè)超聲波在遇到障礙物而反射回來(lái)的反射波，進(jìn)而測(cè)量發(fā)射超聲波與接收反射波之間的時(shí)間差[t]來(lái)計(jì)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(duì)于超聲波在空氣中傳輸?shù)乃俣葋?lái)說(shuō)，車體在倒車狀態(tài)下的運(yùn)行速度非常小。所以本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)忽略車身速度的影響，認(rèn)為計(jì)算所得S即為車身與障礙物距離。

2 ?總體設(shè)計(jì)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(jì)。硬件部分包括溫度測(cè)量模塊、FPGA控制模塊、LED顯示模塊、語(yǔ)音報(bào)警模塊、TDC時(shí)差測(cè)量模塊、驅(qū)動(dòng)發(fā)射模塊、信號(hào)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(gè)初始信號(hào)，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(cè)到開始信號(hào)（汽車進(jìn)入倒車狀態(tài)），F(xiàn)PGA主控制器控制溫度測(cè)量模塊工作，并將結(jié)果保存在測(cè)溫模塊的寄存器中。同時(shí)FPGA主控制器控制TDC芯片輸出兩路40 kHz的同相脈沖信號(hào)，其中一路為驅(qū)動(dòng)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(hào)作為START始能信號(hào)觸發(fā)TDC模塊開始時(shí)差測(cè)量工作。超聲波接收模塊接收到回波信號(hào)，經(jīng)信號(hào)調(diào)理模塊處理后，以STOP信號(hào)進(jìn)入TDC模塊。TDC模塊判斷接收到回波后，結(jié)束測(cè)量，內(nèi)部ALU單元計(jì)算出時(shí)間間隔，并將結(jié)果送入寄存器保存起來(lái)。TDC芯片通過(guò)INTN端口返回給FPGA一個(gè)中斷信號(hào)，通知FPGA讀取測(cè)量的時(shí)差信息和溫度信息。FPGA中ALU單元基于讀取的溫度和時(shí)差信息進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，并將最后計(jì)算所得距離信息適時(shí)直觀地顯示在LED顯示模塊上，同時(shí)語(yǔ)音報(bào)警模塊發(fā)出報(bào)警聲音。

3 ?系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 ?信號(hào)調(diào)理模塊設(shè)計(jì)

信號(hào)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(hào)（正弦波）比較微弱，為mV級(jí)別，不足以觸發(fā)TDC芯片，需要對(duì)回波信號(hào)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(diǎn)。此處采用該放大芯片組成二級(jí)放大電路對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行放大處理，形成1.3～4.8 V的方波信號(hào)。超聲波回波信號(hào)中不可避免地夾雜有一些噪聲，故在回波信號(hào)放大后，應(yīng)先濾除這些干擾噪聲來(lái)提高回波信號(hào)質(zhì)量?；夭ㄐ盘?hào)的有用信號(hào)頻率為40 kHz，為了消除噪聲信號(hào)為下一步的整形電路輸入更高信噪比的回波信號(hào)，此處設(shè)計(jì)了基于LM324的二階巴特沃斯帶通濾波器（中心頻率為40 kHz）來(lái)濾除噪聲信號(hào)。濾波電路出來(lái)的信號(hào)最終要觸發(fā)中斷，因此必須是一個(gè)邏輯信號(hào)。所以采取將濾波后的回波信號(hào)進(jìn)入電壓比較器，通過(guò)與門限電壓比較，來(lái)確定超聲波回波的到來(lái)與否[4?6]。

3.2 ?TDC時(shí)差測(cè)量模塊設(shè)計(jì)

由于倒車防碰撞系統(tǒng)所需要測(cè)算的距離都比較近，超聲波的傳輸時(shí)間比較短，所以需要一個(gè)高精度的時(shí)差測(cè)量模塊才可以進(jìn)行高精度的距離測(cè)量。此系統(tǒng)采用德國(guó)公司生產(chǎn)的TDC?GP2芯片來(lái)進(jìn)行超聲波傳輸時(shí)間的測(cè)量。TDC時(shí)差測(cè)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(dòng)脈沖，TDC芯片外接2 MHz高速石英晶振。所以不需要對(duì)晶振校準(zhǔn)。使用TDC芯片時(shí)，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(cè)量模式2，典型分辨率為50 ps，間隔脈沖對(duì)的分辨能力為2個(gè)校準(zhǔn)時(shí)間周期[7]。

在測(cè)量過(guò)程中，由FPGA控制TDC芯片生成40 kHz脈沖信號(hào)FIRE驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)生模塊驅(qū)動(dòng)，同時(shí)該信號(hào)作為START信號(hào)觸發(fā)測(cè)量模塊啟動(dòng)測(cè)量工作。經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理模塊的回波信號(hào)作為STOP進(jìn)入TDC芯片，TDC芯片停止測(cè)量。TDC芯片通過(guò)四線SPI總線接口（SSN，SCK，SI，SO四個(gè)接口）和FPGA相連進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

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

4 ?系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在該系統(tǒng)中，選用FPGA芯片作為整個(gè)系統(tǒng)的控制中心，控制各個(gè)相關(guān)模塊有序地執(zhí)行相應(yīng)功能。系統(tǒng)時(shí)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(guò)SPI總線和溫度單總線完成對(duì)TDC芯片和DS18B20的初始配置，此后進(jìn)入等待狀態(tài)，檢測(cè)到開始命令到來(lái)，啟動(dòng)計(jì)時(shí)器，開始測(cè)量。一次測(cè)量結(jié)束后，F(xiàn)PGA讀取溫度和時(shí)差信息，ALU計(jì)算得出距離信息，并控制LED顯示出來(lái)，同時(shí)語(yǔ)音報(bào)警。此過(guò)程持續(xù)進(jìn)行，直到結(jié)束命令到來(lái)，時(shí)差測(cè)量模塊報(bào)警模塊結(jié)束工作。FPGA主控制器通過(guò)SPI總線控制TDC芯片進(jìn)行超聲波傳輸時(shí)間測(cè)量的流程圖如圖6所示。

系統(tǒng)上電時(shí)，F(xiàn)PGA主控制器發(fā)送0x50對(duì)TDC芯片初始化配置，同時(shí)對(duì)TDC芯片選擇測(cè)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(shí)給FPGA主控制器一個(gè)開始測(cè)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(hào)控制驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)發(fā)生模塊發(fā)射超聲波?；夭ㄐ盘?hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理模塊后作為STOP信號(hào)進(jìn)入TDC芯片。INTN標(biāo)志端口發(fā)送中斷信號(hào)，通知FPGA測(cè)量結(jié)果。

5 ?系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

考慮到實(shí)際使用情況，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)最大量程為4 m，精度為1 mm。在 ?測(cè)試系統(tǒng)時(shí)，為了驗(yàn)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(cè)量取其平均值對(duì)比，結(jié)果如表1所示。加入溫度補(bǔ)償前后系統(tǒng)的誤差對(duì)比圖如圖7所示。

通過(guò)測(cè)量結(jié)果分析可以發(fā)現(xiàn)，加入溫度補(bǔ)償模塊后系統(tǒng)的誤差更小，幾乎與實(shí)際距離曲線重合。誤差主要來(lái)源于時(shí)間測(cè)量誤差、硬件電路信號(hào)傳輸影響帶來(lái)誤差、測(cè)距時(shí)探頭機(jī)械位置微小變化等[9?10]。

6 ?結(jié) ?論

本文設(shè)計(jì)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(guò)TDC?GP2芯片實(shí)現(xiàn)超聲波傳播時(shí)間的高精度測(cè)量。經(jīng)過(guò)FPGA中ALU單元來(lái)計(jì)算車體與障礙物距離，報(bào)警系統(tǒng)及時(shí)響應(yīng)，達(dá)到提醒司機(jī)安全駕駛的目的。通過(guò)測(cè)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(shí)用價(jià)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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