矩陣式LED遠光燈智能輔助控制系統(tǒng)

譚喜堂 劉莎 朱琴躍 范清雯 王晨

摘 要：針對現(xiàn)有汽車遠光燈需要司機通過自身對路況的判斷來完成手動操作，從而可能造成行車時因違規(guī)使用車燈而發(fā)生交通事故的問題，完成了基于不同路況和周圍環(huán)境自動調(diào)節(jié)遠光燈照射方式的矩陣式LED遠光燈智能輔助控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)。首先，根據(jù)車輛行駛特點及相關(guān)交通法規(guī)，針對不同的車前路況，提出矩陣式LED遠光燈輔助系統(tǒng)的智能控制策略;然后，對系統(tǒng)的軟硬件進行設計與實現(xiàn)，硬件部分主要包括主控制器模塊、LED電源驅(qū)動模塊以及矩陣開關(guān)控制模塊的選型與電路設計，軟件部分主要包括驅(qū)動電路控制、矩陣開關(guān)控制以及智能控制策略等功能模塊;最后，在實驗室環(huán)境下通過搭建完整的實驗系統(tǒng)進行了功能測試。實驗測試結(jié)果表明，所提方法控制結(jié)果準確、實時性好、可靠性高、易于實現(xiàn)，達到了預期目標。

關(guān)鍵詞：矩陣式LED;遠光燈輔助控制;智能控制策略;LED電源驅(qū)動;矩陣開關(guān)控制

中圖分類號： TP273.5計算機控制系統(tǒng)

文獻標志碼：A

Abstract： Focusing on the problem that the existing car high-beam requires the driver to manually change the headlamp through his own judgment of the road condition， which may results in a traffic accident due to the illegal use of the high-beam， a matrix LED high-beam intelligent assistant control system which can automatically adjust the radiation way of high-beam according to the road condition and environment was designed and implemented. Firstly， according to the driving characteristics of vehicles and related traffic regulations， the intelligent control strategy of matrix LED high-beam assistant system was proposed for different road conditions. Then the hardware and software of the system were designed and implemented. In the hardware part， the device selection and circuit design of the modules like main controller， LED power driver and matrix switch controller were given， and the software part was composed of function modules like driving circuit control， matrix switch control and intelligent control strategy. Finally， a complete experiment system under laboratory conditions was built for functional test. The experiment test results indicate that the proposed method has accurate results and is steady， reliable， better in real-time and easy to realize， which achieves the expected goal.

Key words： matrix LED; high-beam assistant control; intelligent control strategy; LED power driver; matrix switch control

0 引言

隨著汽車保有量的不斷增長，人們對于汽車安全的重視程度日益提高。據(jù)統(tǒng)計，在車輛夜間行駛中，LED遠光燈的不當使用是造成事故發(fā)生的一大原因[1-2]。這主要是由于現(xiàn)有的汽車遠光燈開關(guān)操作均由司機通過自身對于路況的判斷來手動完成，其操作準確性很大程度上依賴于司機的注意力和經(jīng)驗，同時遠光燈的濫用也會造成車外人員產(chǎn)生“炫目”從而引起嚴重事故。若汽車在行駛過程中能夠通過其自身的判斷主動進行LED遠光燈控制，將會大幅提升汽車的主動安全性[3-4]。近年來日漸出現(xiàn)的基于矩陣光柱技術(shù)的矩陣式LED遠光燈從本質(zhì)上可提高汽車的主動安全性。該類遠光燈由一定數(shù)量的光段組成，每個光段都由控制系統(tǒng)進行獨立開通或關(guān)斷控制。在這些光段的照射范圍內(nèi)，不同的車前位置被分為不同的區(qū);在遠光燈射程內(nèi)，當車前目標進入遠光燈的可控區(qū)域時，相應光段會自動關(guān)閉，其余光段仍保持開通，從而實現(xiàn)LED遠光燈的自動控制[5-6]。

然而，矩陣式LED遠光燈自動控制技術(shù)目前只在部分國外高端進口車型如奧迪A8高配[7-8]及奔馳CLS[9]等中有所應用，相關(guān)技術(shù)對我國仍處于未公開階段，但其廣闊的應用前景卻引起我國相關(guān)車企及汽車備件生產(chǎn)廠商的廣泛關(guān)注。近年來國內(nèi)相關(guān)企業(yè)和機構(gòu)相繼開展自主研發(fā)，取得了初步成果，如：以飛思卡爾S9S08DZ60F2MLF為主控制器的矩陣式LED汽車前照燈電路的設計方法[10];由多個LED矩陣管理器構(gòu)成矩陣管理單元以增加LED數(shù)量最多可達96顆[11];以TPS92661為LED驅(qū)動器件的矩陣式LED燈的亮、滅控制以及對光源矩陣的故障檢測和管理方法[12]。上述方法主要完成了對LED矩陣燈亮、滅的自動控制，而如何根據(jù)不同路況和周圍環(huán)境實時調(diào)整LED相關(guān)控制策略并未涉及。

為此，本文根據(jù)矩陣式LED遠光燈的工作機理，結(jié)合現(xiàn)有汽車對遠光燈的常規(guī)控制原理與方法，完成了矩陣式LED遠光燈輔助控制系統(tǒng)的硬件、軟件以及智能型LED照射控制策略的設計與實現(xiàn)，以期為國產(chǎn)車輛車燈的改進提供應用參考，同時也對部分進口車輛車燈的國產(chǎn)化維保提供技術(shù)支持。

1 矩陣式LED遠光燈控制策略設計

1.1 遠光燈輔助控制系統(tǒng)總體設計思路

矩陣式LED遠光燈智能輔助控制系統(tǒng)實現(xiàn)的功能為：根據(jù)安全駕駛規(guī)范，判斷當前路況，針對會車、前方有車、避讓行人等情況，在保證安全的前提下，根據(jù)實時路況主動調(diào)節(jié)遠光燈的開關(guān)控制，同時最大限度使用遠光燈照明，從而提升汽車安全的主動性，改善駕駛舒適性?；诖?，所提系統(tǒng)的總體設計結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由圖像采集和處理模塊（本設計不涉及）、系統(tǒng)硬件模塊、系統(tǒng)軟件模塊和矩陣式LED遠光燈控制策略組成。

1.2 輔助控制系統(tǒng)遠光燈控制策略總體流程

根據(jù)汽車遠光燈的實際應用可知，遠光燈的自動控制主要需實現(xiàn)高速公路、會車、前方有車或行人等不同情況下矩陣式LED的自動開通和關(guān)斷。為此，結(jié)合遠光燈使用的相關(guān)法規(guī)，所提系統(tǒng)所設計的矩陣式LED遠光燈控制策略總流程如圖2所示。下文將針對前方有車、前方有人、高速公路自動模式三種典型情況分別對遠光燈自動控制策略進行設計。

1.3 不同路況時遠光燈自動控制策略設計

1.3.1 光段及LED狀態(tài)變量定義

由于LED的電流強度（亮度）由驅(qū)動模塊進行控制，故遠光燈自動控制策略主要實現(xiàn)對LED光段和每個LED的亮滅控制。

為便于描述，假設控制對象為由50個LED組成的汽車前遠光燈，該遠光燈兩側(cè)對稱分布，即左右兩側(cè)各25個LED。根據(jù)矩陣光柱形成原理可知，該遠光燈的50個LED通過排列組合可形成25個獨立光段，每個光段里可包含多個LED，且每個LED也可屬于不同光段。若遠光燈LED排列方式如圖3所示，其中：數(shù)字1～50為每個LED的序號，則相應的25個光段分布示意如圖4所示，且每個光段與LED的對應關(guān)系如表1所示。由表1可見，所有光段中除13號光段外，其余每個光段均對應3個LED，且呈“V”字型排列;而第13號光段由于位于最中間，故其對應中間位置的4個LED，序號分別為23、25、26、29 。

為了直觀地描述每個LED光段的亮滅狀態(tài)與各個LED亮滅狀態(tài)間的關(guān)系，現(xiàn)分別定義三個變量：光段狀態(tài)變量Si（i=1，2，…，25），LED分狀態(tài)變量Lj，k（j=1，2，…，50;k=1，2），LED總狀態(tài)變量Lj（j=1，2，…，50），各個變量具體含義及相互間的邏輯關(guān)系如下：

2）由于每個LED可能存在于多個光段中，故分別在某個光段變量內(nèi)定義相應的LED分狀態(tài)變量。Lj，k即表示第j號LED的第k個分狀態(tài)變量，一個LED最多包含在兩個光段內(nèi)，故k的取值為1或2。例如第2號LED，同時包含在第1、2號光段內(nèi)，則第2號LED在光段1中的分狀態(tài)變量為L2，1，在光段2中的分狀態(tài)變量為L2，2。當?shù)趇號光段為滅即Si=0，Si對應的所有LED分狀態(tài)變量均為0;當?shù)趇號光段為亮即Si=1，Si對應的所有LED分狀態(tài)變量均為1。

3）LED總狀態(tài)變量取決于對應分狀態(tài)變量，與實際LED的開關(guān)狀態(tài)對應。當?shù)趈號LED的所有分狀態(tài)變量全為0時，其LED總狀態(tài)變量為0，該LED為滅;否則其LED總狀態(tài)變量為1，LED為亮。第j號LED的總狀態(tài)變量Lj與分狀態(tài)變量Lj，k的關(guān)系如式（1）所示：

基于上述各個變量的定義及每個LED光段的亮滅狀態(tài)與各個LED亮滅狀態(tài)間的關(guān)系，下面對不同路況下的矩陣式LED遠光燈自動控制策略進行設計。

1.3.2 前方有車

眾所周知，會車時司機一般會關(guān)閉遠光燈來防止對方司機產(chǎn)生“炫目”，但若將其全部關(guān)閉則會使遠光燈無法得到最佳使用。為此，若在前方有車時（包括超車、會車等情況）欲合理地使用遠光燈，可關(guān)閉前方車輛所處位置的光段，保持其他光段處于打開狀態(tài)。這樣既能防止其他車輛炫目，又能保證駕駛者視野清晰，減輕夜間行駛的心理壓力和惶恐感，從而提高夜間行車的安全性，如圖5～6所示。

為此，相應的矩陣式LED遠光燈自動控制策略設計步驟如下：

1）車前車輛識別。在車輛行駛過程中，基于圖像采集和處理模塊實時識別前方車輛。

2）車前車輛定位。根據(jù)實時識別所獲取的數(shù)據(jù)對前方車輛進行定位，實時獲得前方車輛的位置信息，并基于此確定此刻前車所處位置對應的LED遠光燈光段號。

3）遠光燈控制。根據(jù)上述計算而得的LED光段號，分析全部LED的當前狀態(tài)，實現(xiàn)矩陣式LED遠光燈中每個LED的亮滅控制。

4）重復上述步驟1）～3），直至前車駛出遠光燈照射范圍。

下面通過實例就上述控制策略對矩陣式LED遠光燈的自動控制效果進行分析。

如圖7所示，假設在t1時刻前方車輛位于距離本車較遠的位置A處，首先通過圖像采集和處理模塊檢測并識別到該車所處位置后，經(jīng)計算可得其對應LED遠光燈光段為第8～10號，為此應使該光段狀態(tài)變量內(nèi)所有LED分狀態(tài)變量全為0，其余光段內(nèi)的LED分狀態(tài)變量為1，即關(guān)閉第8～10號光段，最終可確定LED總狀態(tài)變量L16～L20=0，即關(guān)閉第16～20號LED。

假設在t2時刻，前方車輛位于距離本車較近的位置B處，如圖8所示。同樣經(jīng)過圖像采集和處理后，計算分析可得該車對應LED遠光燈光段為第4～8號，即關(guān)閉第4～8號光段，最終可確定關(guān)閉第7、9、10～15、18號LED。

1.3.3 前方有行人

夜間光線較暗，司機視野窄，視線模糊，更不易看清路邊行人[13]，對矩陣式LED實現(xiàn)閃爍控制，可警示司機和行人，提升安全性。相應的自動控制策略設計步驟如下：

1）車前行人識別。在車輛行駛過程中，基于圖像采集和處理模塊實時識別前方行人。

2）車前行人定位。根據(jù)實時所獲取的數(shù)據(jù)對前方行人進行定位，實時獲得前方行人的位置信息，并基于此確定此刻行人所處位置所對應的LED遠光燈光段號。

3）遠光燈控制。根據(jù)上述計算而得的LED光段號，分析全部LED的當前狀態(tài)，對行人所處光段對應的LED實現(xiàn)閃爍控制，閃爍的周期為0.5s，即對應LED每秒鐘亮滅各2次，警示行人和司機。

4）重復上述步驟1）～3），直至行人離開遠光燈照射范圍。

如圖9所示，假設在行車過程中，圖像采集和處理模塊檢測并識別到前方行人出現(xiàn)在第21～24號光段內(nèi)，經(jīng)過計算分析，最終實現(xiàn)第41～45、46、49號LED的亮滅閃爍，閃爍周期0.5s，提醒行人和司機。

1.3.4 高速公路自動模式

相比行駛在一般道路，高速公路上車輛行駛的特點是車速快，車輛密度低，側(cè)向干擾少[14]，此時司機的視角會變窄，遠光燈的照射范圍也要隨之收窄一些，以便與高速公路的結(jié)構(gòu)特點更匹配。

本模式下的矩陣式LED遠光燈自動控制策略設計思路為：高速公路模式下，當圖像采集和處理模塊識別到前方無車輛進入遠光燈照射范圍，關(guān)閉兩側(cè)的數(shù)個光段，其余光段亮起;當識別到前方有車輛進入遠光燈控制范圍內(nèi)時，除了關(guān)閉兩側(cè)光段，其余光段的控制按1.3.2節(jié)和1.3.3節(jié)中所述的不同情況下的遠光燈自動控制策略進行控制。圖10為高速公路自動模式下遠光燈全亮時各個光段狀態(tài)與相應LED狀態(tài)間的對應關(guān)系。圖10（a）中，深色區(qū)域表示光段亮，白色區(qū)域表示光段滅;圖10（b）中，黑色圓圈代表LED亮，白色圓圈代表LED滅。

2 智能輔助控制系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)硬件設計

2.1.1 系統(tǒng)硬件總體設計

根據(jù)系統(tǒng)的功能需求，矩陣式LED遠光燈輔助控制系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)如圖11所示，主要包括主控制器（MicroController Unit， MCU）模塊、LED電源驅(qū)動模塊和矩陣開關(guān)控制模塊。

2.1.2 MCU控制模塊設計

本系統(tǒng)中MCU控制模塊與其他硬件模塊間的接口設計如圖12所示。其中，本模塊電路通過串行外設接口（Serial Peripheral Interface， SPI）總線與LED電源驅(qū)動模塊相連，通過I2C（Inter-Integrated Circuit）總線與矩陣開關(guān)控制模塊相連。

MCU控制模塊的硬件主要包括MCU接口電路、聯(lián)合測試工作組（Joint Test Action Group， JTAG）調(diào)試接口電路和工作電源轉(zhuǎn)換電路。具體設計時，綜合考慮MCU的運行速度、成本和系統(tǒng)外設等需求，選取Silicon公司的C8051F410器件為系統(tǒng)MCU。該器件內(nèi)部自帶24MHz晶振，且具有UART、SPI、I2C總線接口，片上系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。同時，為提高系統(tǒng)控制的可靠性，設計中選用了DC/DC電源模塊HDW10-24S3V3，用以實現(xiàn)直流24V到3.3V的轉(zhuǎn)換及供電工作。

2.1.3 LED電源驅(qū)動模塊設計

在本設計中，擬驅(qū)動25個白光LED，故對驅(qū)動電源芯片的要求較高：輸入電壓范圍較大;LED負載串聯(lián)所導致的輸出電壓范圍較大;恒流驅(qū)動，輸出電流檢測基準小;可脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation， PWM）調(diào)光[15-16];耐受汽車級溫度（-40℃～125℃）。綜合上述要求，本設計選用安森美公司的NCV78763作為遠光燈的驅(qū)動電源芯片。NCV78763是先進的智能電源鎮(zhèn)流器及雙通道LED驅(qū)動器，提供高能效的單芯片汽車照明方案，其內(nèi)部DC-DC拓撲為Boost-Buck拓撲結(jié)構(gòu)，具有兩個Buck電路，能夠驅(qū)動電壓達60V的兩串LED，每路最大能夠輸出1.6A的直流電流。內(nèi)置電流模式電壓升壓控制器，能對輸入電流濾波。內(nèi)置PWM調(diào)光功能，頻率可達4kHz，此外還提供PWM直接饋送選擇，用于從外部微控制器進行完整頻率及精度范圍的控制。

為此，本文中LED電源驅(qū)動電路的硬件設計主要包括NCV78763的Boost電路、Buck電路和SPI接口電路，電路設計原理圖如圖13所示。其中Boost、Buck電路在完成接口電路設計的基礎上還需根據(jù)設計需求對其外圍接口電路的各個參數(shù)進行計算和設計。

2.1.4 矩陣開關(guān)控制模塊設計

由于本設計中LED采用串聯(lián)連接方式來保證電流的一致性，為了實現(xiàn)單個LED的亮滅控制，本設計采用開關(guān)并聯(lián)在LED兩側(cè)的方式來實現(xiàn)單個LED的亮滅控制。開關(guān)打開，LED正常亮起;開關(guān)閉合，LED因被短路而熄滅。因此，矩陣開關(guān)控制模塊的設計思路是，根據(jù)接收到的MCU控制模塊的控制信號，對單個開關(guān)進行動作，通過將開關(guān)與LED進行并聯(lián)，直接控制并聯(lián)LED的亮滅?？紤]設計需求和開關(guān)芯片的經(jīng)濟性，選擇凌力爾特公司的LT3965作為矩陣開關(guān)芯片。

LT3965芯片內(nèi)有8個獨立的NMOS開關(guān)，每個開關(guān)可作用于1～4個LED，具有可編程的開路和短路故障報警，支持I2C傳輸，擁有4位可配置的I2C地址，一條I2C總線上最多可以接入16個LT3965芯片。輸入電壓范圍寬，可以為8～60V，與驅(qū)動電源芯片NCV78763支持的輸入電壓范圍基本匹配。本設計中共有25個LED，故選用4個LT3965芯片。

MCU接口連接圖如圖12 所示，矩陣開關(guān)控制電路與MCU通過2路I2C總線相連，分別為時鐘線SCL和數(shù)據(jù)傳輸線SDA。本設計中，4個LT3965芯片的SCL和SDA接口同時與MCU的SCL和SDA接口相連，MCU可以通過地址匹配準確控制不同LT3965，即控制每個LED開關(guān)，使得對應LED完成亮滅動作。矩陣開關(guān)控制電路示意圖如圖14所示。

2.2 系統(tǒng)軟件設計

2.2.1 系統(tǒng)軟件總體設計

MCU系統(tǒng)控制軟件設計包含三部分：1）與圖像采集和處理模塊的通信軟件設計（本文不涉及）;2）LED電源驅(qū)動模塊控制軟件設計;3）矩陣開關(guān)模塊控制軟件設計。圖15為矩陣式LED遠光燈智能輔助控制系統(tǒng)的總體軟件設計架構(gòu)。

如圖15所示，MCU系統(tǒng)控制軟件的功能是，接收圖像采集和處理模塊的目標檢測結(jié)果信號，再分別對LED電源驅(qū)動模塊和矩陣開關(guān)模塊進行控制，從而調(diào)節(jié)LED遠光燈的亮度和照射區(qū)域;對LED電源驅(qū)動模塊的控制過程包括判斷車前路況，計算LED驅(qū)動電路的各參數(shù)，計算NCV78763寄存器設置參數(shù)，從而通過SPI串口通信實現(xiàn)控制信號傳輸;對于矩陣開關(guān)模塊的控制過程包括判斷車前路況，計算所有LED狀態(tài)變量，計算LT3965寄存器設置參數(shù)，從而通過I2C串口通信實現(xiàn)控制信號傳輸。

2.2.2 LED電源驅(qū)動控制模塊軟件設計

驅(qū)動控制即根據(jù)當前的路況信息來設置驅(qū)動電源芯片NCV78763，若當前進入夜間照明狀況較差的道路，且遠光燈自動控制模式打開，即可按照遠光燈自動控制下的驅(qū)動要求對驅(qū)動模塊進行設置。設置方式為通過SPI通信接口來設置NCV78763相關(guān)的寄存器，相應的對 NCV78763的控制軟件流程如圖16所示。

由圖16可知，MCU經(jīng)過SPI初始化后，開啟全局中斷，當接收到路況信息后，MCU計算LED驅(qū)動電路輸出情況是否需要更新。若需更新，則計算LED驅(qū)動電路在當前路況下所需的電流、電壓輸出值，并將其轉(zhuǎn)換成NCV78763芯片控制寄存器的參數(shù)設置值，再將此參數(shù)值通過SPI串口傳輸至NCV78763相應的寄存器中，傳輸結(jié)束后釋放SPI中斷。

本控制軟件主要設計函數(shù)有：

1）char ModeDetect （void）。主要用于當MCU根據(jù)接收到的路況信息來判斷電路是否需要更新驅(qū)動電路輸出。

2）void LEDDRIVERcalculate （void）。主要用于驅(qū)動電路輸出需要改變時，根據(jù)檢測到的道路情況，計算LED驅(qū)動電路參數(shù)。

3）void NCVREGISTERcalculate （void）。主要用于計算NCV78763相關(guān)寄存器的參數(shù)值。

4）void SPISendReceive （void） interrupt 1。定時中斷函數(shù)，主要用于MCU與NCV78763的SPI傳輸。

2.2.3 矩陣開關(guān)控制模塊軟件設計

矩陣開關(guān)控制軟件的功能為根據(jù)圖像目標檢測信息來控制開關(guān)芯片狀態(tài)，從而實現(xiàn)LED遠光燈的亮滅控制。MCU從圖像采集和處理模塊接收25個光段的狀態(tài)，分析計算該信息，確定25個光段內(nèi)50個LED的開關(guān)狀態(tài)，再通過I2C通信將控制信號發(fā)送給開關(guān)芯片LT3965，從而控制每個LED的亮滅。圖17為矩陣開關(guān)控制軟件流程。

3 實驗系統(tǒng)搭建與調(diào)試分析

3.1 實驗系統(tǒng)搭建

在實驗室環(huán)境下搭建的實驗系統(tǒng)硬件實物如圖18所示，主要包括：輸入直流電源（1）、MCU控制和LED驅(qū)動電路板（2）、LED開關(guān)控制電路板（3）、LED矩陣（4）及上位PC（5）。

3.2 結(jié)果分析

實驗測試系統(tǒng)搭建完成后，在實驗室環(huán)境下，對不同路況下矩陣式LED遠光燈的控制策略進行實驗測試。

4 結(jié)語

本文針對矩陣式LED遠光燈輔助控制系統(tǒng)完成了相應的設計，在實驗室環(huán)境下實現(xiàn)功能測試與驗證。與現(xiàn)有相關(guān)方法相比，本文所提方法的優(yōu)越性主要體現(xiàn)為：1）提出了基于不同車前路況和周圍環(huán)境的自適應矩陣式LED遠光燈智能控制策略。2）在確保實現(xiàn)LED智能照射控制的前提下，簡化并優(yōu)化了系統(tǒng)軟硬件設計：硬件方面的核心器件如MCU、LED電源驅(qū)動模塊分別選用了集成度高、主頻速度快、功能強大、外圍接口資源豐富的新型器件，性價比高，電路實現(xiàn)簡單，易于擴展;軟件設計更加關(guān)注控制結(jié)果的準確性、實時性與可靠性。3）從實驗室測試結(jié)果可知，該方法易于實現(xiàn)，復雜度尚可，具有良好的工程應用前景。然而，在實際工業(yè)應用場合，如何在各種復雜、不同車前路況下保證系統(tǒng)穩(wěn)定檢測車前運動目標的前提下進一步協(xié)調(diào)優(yōu)化系統(tǒng)控制的響應速度與靈敏度還需開展進一步的研究。

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