电子技术课程设计基于ise的倒车雷达设计大学论文Word文档下载推荐.docx
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达到实时显示距离信息，且当该最小距离计入危险值时，系统会有报警提示。
系统以Basys2开发板为硬件核心，XilinxISE为软件开发核心。
系统主要包括以下模块：
DCM时钟管理模块，超声波接发模块，测距模块以及显示报警模块。
DCM时钟管理模块将晶振信号二分频作为整个系统工作时钟信号，确保系统的稳定性。
超声波接发模块发送超声波探测障碍物并记录回响信号间隔时间，作为测距模块数据来源。
测距模块利用基于温度补偿的超声波幅值检测法计算车辆与障碍物之间的距离。
显示报警模块实时显示距离信息，并根据阈值信息判断是否启动蜂鸣器报警。
模块分析部分给出了系统的每一个主要模块的流程图，并使用FPGA的VerilogHDL对系统的软件进行了编写。
本设计采用了XilinxISE软件对系统程序进行了综合，调试，和仿真。
根据仿真结果与给定指标判断该系统达到了预期的效果，作为相对简洁并且成本比较低的车辆雷达系统，具有一定实用价值的。
但系统仍有很多不足，比如没有对温度以及电磁波对系统的干扰考虑在内，未来可通增加温度矫正模块和抗电磁波干扰模块来提高系统的可靠性。
关键词：
超声波，测距，倒车雷达，Basys2，XilinxISE
Abstract：
Theincreasingnumberofvehiclesinmodernsociety,peopleneedtoreversethefrequencyofparkingisalsoincreasing,sopeopleforparkingwhenthesafetyandconveniencerequirementsaregettinghigherandhigher.TheISE-basedreversingradardesign,setdistancemeasurement,distancedisplayanddangerousalarminone,toimprovethedriverintheparkingandsecurityforthepurposeofthedesign.
Basedontheresearchofultrasonicrangingtechnology,areversingparkingradarsystembasedonultrasonicdistancemeasurementisdeveloped.Thissystemsetsupthetechnicalindexofthesystemaccordingtothedemandofdriverintheprocessofactualparkingandputsforwardtheoveralldesignschemebasedonultrasonicdistancemeasurement.ThesystemadoptsultrasonictransducerofHC-SR04toformtheultrasonictransmittingandreceivingmodule.Theultrasonicechoissentandthereturnedechosignalisusedasthedatasourceofthedistancemeasurement,andtheultrasonicamplitudedetectingmethodisadopted.Real-timedisplaydistanceinformation,andwhentheminimumdistanceintothedangerousvalue,thesystemwillalarm.
SystemtoBasys2developmentboardforthehardwarecore,XilinxISEforsoftwaredevelopmentcore.Thesystemmainlyincludesthefollowingmodules:
DCMclockmanagementmodule,ultrasonictransmitterandreceivermodule,rangingmoduleanddisplayalarmmodule.DCMclockmanagementmodulewillcrystaloscillatorsignalasawholesystemclockfrequencysignaltoensurethatthestabilityofthesystem.Ultrasonictransmitterandreceivermoduletosendultrasonicdetectionofobstructionsandrecordthetimeintervalofthereverberationsignal,asadistancemeasurementmoduledatasource.Therangemodulecalculatesthedistancebetweenthevehicleandtheobstacleusingtheultrasonicamplitudedetectionmethodbasedonthetemperaturecompensation.Thedisplayalarmmoduledisplaysthedistanceinformationinrealtime,andjudgeswhethertostartthebuzzeralarmaccordingtothethresholdinformation.
Themoduleanalysispartgivestheflowchartofeachmainmoduleofthesystem,anduseFPGAVerilogHDLtowritethesoftwareofthesystem.ThisdesignusestheXilinxISEsoftwaretocarryonthesynthesis,thedebugging,andthesimulationtothesystemprocedure.Accordingtothesimulationresultsandthegivenindex,itisconcludedthatthesystemachievesthedesiredeffect,whichisofpracticalvalueasarelativelysimpleandlowcostvehicleradarsystem.Butthesystemstillhasmanyshortcomings,suchasnotemperatureandelectromagneticinterferencetothesystem,takingintoaccountthefuturethroughtheadditionoftemperaturecorrectionmoduleandanti-electromagneticinterferencemoduletoimprovesystemreliability.
Keywords：
Ultrasonic,ranging,reversingradar,Basys2,XilinxISE
绪论
本课题研究的背景
近十年以来，我国每年车辆平均增长超过1500万辆，而汽车保有量更是达到了1.54亿辆。
十年前，汽车占所有车辆的比例为33.3%，如今这个数字已经增长到了58.5%。
群众的出行方式也从机动小型化转变为机动大型化、从摩托车出行转变为汽车出行，交通出行结构发生了根本性变化。
驾驶人和机动车数量的急剧增长，使得道路越来越拥挤，停车场越来越狭小，路况也越来越复杂给汽车驾驶员带来很大困难，常让驾驶员在倒车泊车时无所适从，稍不留神就会导致刮擦事故。
一方面，坐在车内座位上的驾驶员无法及时完全的了解车辆周边尤其是后方的环境，虽然所有的车辆都安装了后视镜，但都不可避免的存在盲区；
另一方面，驾驶员在倒车时同时要兼顾车辆四周的情况，身体尤其是头部需要做一些幅度比较大的动作，这都对驾驶员的体力和脑力造成了一些无形的损耗，容易产生一些危险因素；
倒车泊车是一种系统的，繁琐的行为，它的成功不但决定于驾驶员驾驶经验和技巧的成熟度而且还决定于驾驶员的操作灵敏度，任何一个环节出现问题都有可能造成该行为的失败。
倒车雷达，即汽车倒车泊车安全辅助装置，也称为倒车防撞雷达。
该装置能以声音或者更为直观的方式告知驾驶员车辆周围尤其是后方的障碍物的情况，能够有效降低驾驶员在倒车泊车时的困扰，提高车辆驾驶的安全性。
本课题研究的意义
倒车雷达的出现大幅度降低了驾驶者的体力和脑力的消耗，使驾驶员在倒车泊车时，只需要坐在驾驶座位上不需要左顾右盼就可以了解车辆四周的环境，为驾驶员能在夜间光线不太明朗的情况下更加安全的倒车泊车提供了可能性，大幅度的降低了追尾刮擦事故发生的概率，提高了驾驶的安全性，减少了很多驾驶员的困扰。
本课题的倒车雷达系统采用了超声波来对距离进行测量，超声波具有声能衰减小，方向性好，穿透能力强和反射能力强等诸多优点，能有效提高系统的测距精度和广度。
采用功能强大的FPGA作为控制核心，在保证功能的前提下能有效降低成本并且易于制造和使用。
同时采用了LCD对距离进行实时显示，距离小于设定的阈值是通过声音报警器报警，具有集成度高的特点。
本课题的研究具有一定实用价值。
倒车雷达的国内外发展现状
近几年来，世界倒车雷达产品的产量成明显的增长趋势。
2009年该类产品的产量为1756万套，到2013年就增长到了4199万套，其中，以中国为代表的中低端产品产量的急剧增长是推动全球该类产品产量增长的主要因素。
据统计，中国倒车雷达产品的总产量在2013年达到了1349万套，占全球总产量的32%。
在我国，该雷达装置的普及率相对比较高，但也不是所有的机动车型都已经配备。
从倒车雷达的出现发展至今，已经经过了七代的技术创新改良，不管是结构外观上还是从性能价格上，每一代的产品都有其各自的特点[1]：
第一代和第二代的倒车雷达都是以声音报警为主要功能。
第三代的倒车雷达是以数码波段显示为主要功能。
该产品可显示车辆距离障碍物的距离。
同时有两种显示方式可供选择。
一种显示方式是波段显示，另外一种是数码显示，其可直接显示障碍物距车辆的距离。
第四代的倒车雷达是以液晶荧屏显示为主要功能。
该代产品开始将动态显示系统加入到显示荧屏中，这是前所未有的性能飞跃。
只要启动汽车，该雷达系统便自动启动。
第五代是魔幻镜倒车雷达。
该代产品不但整合了前四代产品的优势，而且加入了最新的仿生测量距离的技术，可以实时准确的侦测两米以内的障碍物并根据车体周围障碍物的情况采用不同级别的声音和直观的显示来提示驾驶员。
第六代是无线倒车雷达。
该代产品融合了倒车雷达、无线连接、彩色液晶显示和BP警示音。
第七代是MP3倒车雷达。
这一代的倒车雷达实现了行业的创新。
雷达与车载MP3完美结合，具备了倒车雷达功能的同时增加了MP3调频发射功能。
综合考量，未来倒车雷达系统技术的发展趋势是技术整合。
针对倒车雷达产品的技术在车辆倒车或者泊车时才会起作用，随着此类产品的进一步的发展，视频成像技术和多重探测技术等更为复杂的技术会加入到产品中，从而能为驾驶员提供更为安全更为便利直观的倒车泊车辅助。
本课题设计了一种简单实用的倒车泊车雷达系统，该系统采用了FPGA作为控制核心，并且利用超声波来进行测距，测量精度比较高，同时具有实现显示和报警的功能，能满足于驾驶员日常的需求，且集成度比较高便于安装和使用。
本课题研究的内容
本课题主要研究了一种基于超声波测距技术和FPGA控制平台的车辆倒车雷达系统，阐述了超声波测距的基本原理，介绍了系统的结构组成、硬件电路的搭建和软件程序的设计。
该系统主要包括以下几个部分构成：
超声波收发模块、测距模块、DCM时钟管理模块和显示报警模块。
FPGA是整个系统的控制核心并且为核心组件，它的功用是协调每一个电路的运行并保证整个系统按照一定的时序有序的进行工作。
软件程序主要包括系统运行主程序，超声波收发子程序，测距子程序，温度测量与补偿子程序，数码管显示子程序和蜂鸣器子系统。
车辆与障碍物距离通过数码管显示器实时显示，当距离小于设定的阈值时，报警设备发出警报提醒驾驶人距离过近。
为提高系统实际运用过程中的可靠性和所测距离的精度，本系统测量周围环境温度，并对超声波速度进行补偿，提高了系统在实际运用中的稳定性和鲁棒性。
总体方案设计
总体电路设计方案
到目前为止，市场上已经出现的汽车倒车雷达产品根据其采用的测距技术大致可分为超声波测量、激光测量、红外线测量和毫米波测量等产品。
以下为几种测距方法的比较[3]。
方案比较
红外线测距
红外线测距方案如下[3]:
图2.1红外线测距方案图
该方式测距的基本原理是发射传感器发出红外线，红外线遇到障碍物会发生反射，接收传感器会接收红外线的反射光，系统根据该接收到的反射信号来判断传感器前方是否具有障碍物。
采用红外线测距装置的倒车雷达成本较低，但是其测量效果受周边环境的影响较大。
在环境恶劣和天气不好的情况下，其测量效果仍然不太理想。
激光测距
激光测距方案如下[4]：
图2.2激光测距示意图
激光传感器的工作原理与红外线的相似，都是通过激光发光管发射激光，然后接收管接收反射激光，从而判断车辆周边是否有障碍物。
这种装置对周边环境或者气候的适应性不强，且价格相对较高。
CCD摄像机测距
CCD摄像机测距方案如下[5]：
图2.3CCD摄像机测距方案图
由CCD摄像头与普通的监视显示器配合的CCD摄像系统可以使驾驶员看到车辆周边的影响，使其大体了解车辆的大体位置和后方的情况，但该系统受外界环境干扰太大，比如雾天时效果非常不好且摄像头易污损。
超声波测距
超声波测距方案如下：
图2.4超声波测距方案图
超声波是一种频率高于20000赫兹的声波，它的方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能。
超声波的工作原理同红外线和激光类似，也是利用超声波的反射特性通过侦测反射波来实现的。
超声波测距同蝙蝠感知周围环境类似，可以不限时间，不限地点，不限环境的来侦测汽车周边的状况。
超声波传感器便于安装使用且价格低廉，是一种较为理想的测距传感器，缺点为测量距离较小。
方案论证
下面是几种方案性能比较表2.1[2]:
表2.1方案比较表
CCD摄像机
激光
红外线
超声波
最长探测距离
响应时间比较
由处理时间决定
受污染，磨损
很大
微弱
几乎没有
等因素影响
成本
环境适应性
较差
差
好
由表2.1可以看出，尽管超声波的最长探测距离大约只有10m，但是一般倒车泊车时倒车雷达不需探测很长距离，而且超声波传感器成本较低，而且环境的适应性比较好，故本课题采用超声波来进行测距。
方案选择
基于2.3中的分析，本课程采用超声波测距方案作为倒车雷达的核心部分，设计具体方式如下:
图2.5实验系统框图
从图2.5可以看出，当倒车时（如挂后退档），产生一个倒车信号，信号选通开关选通，DCM分频器提供时钟信号（50MHz），传递给锁相环，由锁相环捕捉，稳定时钟信号，并以此激励10us计数器和TRIG脉冲生成器。
由计数器每个时段产生一个维持10us的高电平信号，以此激励TRIG脉冲生成器循环发出8个40kHz周期电平；
激励脉冲接收器，使其检测回波信号，并将检测到的回波信号传输给测距处理模块。
由温度补偿模块检测室内温度，并根据温度补偿公式将修正数据传输给测距模块。
测距处理时利用超声波幅值检测法结合温度修正计算出当前车距障碍物的距离，并激励数码管显示驱动，使距离实时显示在数码管上；
当距离小于设定的阈值时，激励蜂鸣器发声驱动，通过蜂鸣器以声音的方式发出警报。
图2.6超声波探测示意图[6]
测距算法
利用超声波来测距的方法有很多，而这些方法各有各的优点和缺点，本次试验中，根据实际情况，采用超声波幅值检测法作为测距算法[7]。
该方法是模块内将发出8个40kHz周期电平并检测回波。
一旦检测到有回波信号则输出回响信号。
回响信号的脉冲宽度与所测的距离成正比，可通过至发射信号到接收到的回响信号的时间间隔来计算距离。
公式如下：
式中,
为车辆与障碍物之间的距离
为超声波速度,
为所测得的时间间隔。
图2.7超声波传感器时序图[7]
温度补偿
由于超声波也是一种声波．其声速与温度有关。
表1列出了几种不同温度下的声速㈣。
使用时，若温度变化不大。
则可视声速基本不变；
若测距精度要求很高，则应通过温度补偿法予以校正。
公式如下[8]：
式中，
为标况下超声波速,
为环境温度（摄氏度），
为温度补偿后的超声波速度。
单元模块设计
DCM时钟管理模块设计
功能实现
该程序主要实现接收倒车信号后开启整个系统的时钟，供给整个系统工作，保证时钟信号稳定，确保系统工作的可靠性。
本模块接收到给予的倒车信号时开始工作，DCM时钟分频器将晶振频率而分频，且内部通过锁相环维持时钟频率的稳定。
DCM分频后的信号作为激励源激励10us定时器和TRIG脉冲生成器，使超声波发送模块工作。
图3.1DCM设计流程
RTL级电路设计
图3.2DCM分频器RTL电路
基于ISE编译后，DCM分频器生成RTS级电路如图3.2所示。
其中CLKIN_IN为外部晶振输入信号；
RST_IN为信号选通输入信号，CLKDV_OUT为时钟频率CLK0_OUT频率的分数，分频比由内部参数决定；
CLK0_OUT位于输入CLKIN_IN同频的信号，且在默认情况下，大小也相同；
CLKIN_INBUFG_OUT为全局时钟输入缓存；
LOCKED_OUT为锁相环PLL的同步输出，用于指示锁相环是否完成锁相。
本模块当倒车信号给定时，在本实验中由人为给定，DCM分频器工作，将外部晶振提供的信号做而分频处理，由二分频后的信号作为整个系统工作时的时钟信号；
当时钟信号偏移时通过输出锁相环指示信号交由电路重新调整时钟信号直至稳定。
超声波接发模块
本程序主要实现驱动超声波传感器，由发送端发送超声波信号，当信号遇到障碍物时，会返回回响信号，由接收端以10us步长直至接收完回响信号的高电平后结束计数，将计数结果传递给测距模块。
本模块接收到分频信号后，将会初始化10us定时器，确定超声波电路工作步长；
激励TRIG脉冲生成器，发送8个40kHz的高电平脉冲信号，发送超声波进行检测是否存在障碍物；
开启脉冲计数器，每一个工作步长计数一次。
当检测到障碍物时，超声波会返回，当接收端接收回波信号完毕时，如图2.7高电平变为低电平，计数器将记得的时间间隔传递给测距模块。
图3.3超声波接发模块设计流程
图3.4发送电路RTL级电路
基于ISE编译后，超声波发送电路生成RTS级电路如图3.4所示。
其中clk为时钟信号；
rst_n为复位信号；
clk_100khz_en为文献[7]中给出的，如图2.7激励超声波传感器发出超声波进行探测障碍物。
图3.5接收电路RTL级电路
基于ISE编译后，超声波控制电路生成RTS级电路如图3.5所示。
clk_100khz_en为10us定时器信号；
ultrasound_echo为超声波探测到障碍物后的回响信号；
echo_pluse_num（15:
0）为以10us为单位对超声波测距模块回响信号高脉冲进行计数的最终值；
echo_pulse_en为超声波测距模块回响信号计数值有效信号；
ultrasound_trig为超声波测距模块脉冲激励信号。
该模块工作时，由发送电路产生10us的有效高电平脉冲信号，促使超声波传感器内部产生8个40kHz的高电平脉冲，发送出超声波进行对障碍物的探测。
当探测到障碍物存在时，超声波返回，借由超声波控制电路接收到返回的回响信号，直至回响信号高电平结束，通过计数器记下发出信号与接收到回波信号之间以10us为时间步长的次数，计算出结果后将结果传递给测距模块。
测距模块设计
该程序主要实现利用超声波接发模块传递过来的数值，结合外部温度信息对超声波速度进行温度补偿，测得车辆距离障碍物之间的距离，驱动数码管，将距离信息传递给数码管和蜂鸣器。
本模块接收到发送过来的脉冲计数值，因每个计数值为10us，则可根据
计算出间隔时间，其中
为脉冲计数值。
考虑到温度给超声波信号带来的影响，本课题采用温度传感器采集周围温度信号，求出温度
（摄氏度）[9]，对超声波速度按照式
进行温度补偿，从而修正在超声波速度，降低误差，提高精度。
将修正后的速度
与时间间隔
带入式
，解出车辆与障碍物之间的距离。
图3.6测距模块设计流程
图3.7温度补偿电路RTL级电路
基于ISE编译后，温度补偿电路生成RTS级电路如图3.7所示。
one_bit_rd为单位读操作，从温度传感器中读取信息；
one_bit_wr为传感器驱动信号，由主机FPGA驱动温度传感器时赋值；
temperature（15:
0）为温度信号，以16位二进制形式保存，传输给测距电路。
图3.8距离计算电路RTL级电路
基于ISE
升级会员 