基于VHDL语言的汽车车灯自动控制系统的设计.doc

发布时间：2022-06-10 发布人：admin 分类：说明书资料大小：0.63M 资料格式：doc 举报版权申诉

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摘要

Abstract

第1章绪论

1.1 课题背景

1.2 汽车车灯发展情况

1.3 汽车车灯自动控制系统的必要性

第2章汽车车灯自动控制系统理论基础

2.1 FPGA 的应用状况

2.2 硬件语言VHDL的简介及优势

2.2.1 VHDL系统设计的特点

2.2.2 VHDL语言的优势

第3章汽车车灯自动控制系统基本原理及整体方案

3.1 基本原理

3.2 系统实现功能

3.3 系统方框图

第4章传感器信号处理系统

4.1 光电传感器

4.1.1 光电传感器的基本原理

4.1.2 会车车灯转换的研究

4.2 温湿度传感

4.3 绝对式光电转角传感器及信号的采集和处理

第5章系统分析及程序设计

5.1 CPLD的设计流程

5.2 前照灯的系统分析及流程图设计

5.3 前照灯的顶层设计原理图

5.4 前照灯的时序仿真结果

5.5 尾灯的程序设计流程图

5.6 尾灯的顶层设计原理图

5.7 尾灯的时序仿真结果

第6章结论

附录

参考文献

致谢

本科生毕业论文设计题目基于 VHDL 语言的汽车车灯自动控制系统的设计作者姓名指导教师董艳宾赵增荣所在学院职业技术学院专业（系）应用电子技术教育班级（届） 2010 届完成日期 2010 年 5 月 26 日

摘要摘要本课题所研究的汽车自适应照明控制系统能够自动为车辆提供所处环境位置需要的灯光光型，为驾驶员提供良好的照明范围，减轻驾驶员的工作压力，减少交通事故，同时本系统与手动控制并联，不妨碍驾驶员对车灯的手动控制。本系统主要有弯道照明、前照灯自动开闭、会车时灯光自动切换以及前照灯延时关闭功能，可为驾驶员在不同的行驶环境下提供良好的照明，是汽车智能化照明的一个更加全面完善的设计方案。本文首先概述了汽车自动照明控制系统的国内外发展状况和发展趋势。介绍了系统相应的法律基础，在此基础上提出了系统的总体方案，给出了系统所实现的功能以及工作原理，并详细的阐述了系统工作的理论基础。随后详细的阐述了系统前照灯偏转调整的控制策略。根据系统的功能要求，对所用传感器进行了选择。系统选用 FPGA 为核心处理单元，对外围电路进行了设计，包括各个传感器信号的数据采集处理电路等。对系统各个功能模块软件进行了设计，给出了系统软件设计的流程图，程序和仿真。关键词 EDA；CPLD；VHDL；自动控制系统 Ⅰ

Abstract Abstract This topic research car adaptive control system can automatically lighting for type position to provide a good driver, reduce vehicle provide environment to light the pilot work pressure, reduce the number of traffic accidents and manual illume, control system, parallel to the lamp drivers don't interfere with manual control. .This system mainly corner lamp lighting, body pitch, highway uphill lamp open and close automatically adjusted, some light pulses, when automatically switched off and the time delay function, can remove for drivers in different driving conditions provide good lighting, is a more intelligent lighting automobile comprehensive consummation design scheme. This paper first Outlines the automotive lighting control system of adaptive development status and development trend. Introduces the corresponding legal basis and system is proposed based on the overall scheme of the system is presented, the function of system and the working principle and detailed describes the working theory basis. Then detailed describes some of the control strategy adjustment deflection. According to the function of the system requirements, the choice to use sensors. Choose the FPGA as the core system for handling unit, outer circuit design, including the each sensor signal of data acquisition and processing circuit, the switch state detection circuit, stepping motor drive circuit and relay control and fault diagnosis alarm indicator circuit design, etc. Each module of system software design, and presents the design of software system, and the simulation program flowchart. Key Words: EDA；CPLD；VHDL；AUTOMATIC CONTROL SYSTEM Ⅱ

目录目录摘要 ........................................................................................................................... Ⅰ ABSTRACT .................................................................................................................Ⅱ 第 1 章绪论 ..............................................................................................................1 1.1 课题背景 ............................................................................................................1 1.2 汽车车灯发展情况 ............................................................................................2 1.3 汽车车灯自动控制系统的必要性 ..................................................................3 第 2 章汽车车灯自动控制系统理论基础 ..............................................................4 2.1 FPGA 的应用状况 ............................................................................................4 2.2 硬件语言 VHDL 的简介及优势 ................................................................... 5 2.2.1 VHDL 系统设计的特点 .............................................................................. 5 2.2.2 VHDL 语言的优势 .......................................................................................6 第 3 章汽车车灯自动控制系统基本原理及整体方案 .........................................7 3.1 基本原理 ............................................................................................................7 3.2 系统实现功能 ................................................................................................... 7 3.3 系统方框图 ....................................................................................................... 8 第 4 章传感器信号处理系统 ...................................................................................9 4.1 光电传感器 ....................................................................................................... 9 4.1.1 光电传感器的基本原理 ............................................................................9 4.1.2 会车车灯转换的研究 .............................................................................. 1 4.2 温湿度传感 ..................................................................................................... 1 4.3 绝对式光电转角传感器及信号的采集和处理 ........................................... 1 第 5 章系统分析及程序设计 ................................................................................ 1 5.1 CPLD 的设计流程 .......................................................................................... 1 5.2 前照灯的系统分析及流程图设计 ................................................................1 5.3 前照灯的顶层设计原理图 ............................................................................ 1 5.4 前照灯的时序仿真结果 ................................................................................ 1 5.5 尾灯的程序设计流程图 ................................................................................ 1 5.6 尾灯的顶层设计原理图 ................................................................................ 1 5.7 尾灯的时序仿真结果 .....................................................................................2 第 6 章结论 ..............................................................................................................2 附录 .......................................................................................................................... 2 参考文献 .................................................................................................................... 2 致谢 .......................................................................................................................... 2 0 0 1 2 2 3 6 7 8 9 0 1 2 7 8 Ⅲ

第 1 章绪论第 1 章绪论 1.1 课题背景随着经济的发展和人类科学技术的进步，汽车已成为现代社会必不可少的交通运输工具之一。但是，随着车辆的增多，汽车也带来了许多严峻的交通问题，交通事故频繁发生，己成为一个世界性的重大问题，因此有人说“汽车是杀人的利器”。据统计，驾驶员有关交通的信息在以上是通过视觉获得的，包括道路的表面形状、方向、交通信号、交通标志的内容，车辆所处的交通环境以及对面方向上的车流等，以上信息在白天很容易通过视觉获得，但在没有光线的夜间，特别是在恶劣环境下，如夜晚、雾天等干扰的情况下，就相对困难。据世界卫生组织统计，全世界每年约有多万人死于交通事故，占总死亡人数的 2.3%，排在人类死亡原因的第 9 位，到 2020 年，这一排名将上升到第三位。我国的交通安全状况尤为严峻，每天约有人丧生于车祸，道路交通伤害死亡人数和死亡率居世界前列。据公安部交通管理局的统计年中国道路交通事故死亡人数达 9.4 万人，居世界第一；2007 年，全国共发生道路交通事故 327209 起，造成 81649 人死亡、280442 人受伤，直接财产损失 12 亿元，2008 年，全国共发生道路交通事故 26204 起，造成 73484 人死亡、304919 人受伤，直接财产损失 10.1 亿元，仅 2009 年上半年，全国共发生道路交通事故 107193 起，造成人 29886 死亡、128336 人受伤，直接财产损失 4.1 亿元，减少交通事故，提高道路交通安全水平已成为全社会的迫切要求。当今世界，汽车安全、环保与节能成了汽车发展的三大课题。汽车的安全性是汽车运行中一个极为重要的性能。作为汽车的三大安全部件之一，汽车照明系统是最主要的主动式安全装置，它的主要功用就是照亮道路，让驾驶者能够监视道路情况，及时看清障碍物并做出反应，是汽车的重要安全部件，是保证汽车在夜间或能见度较低的环境下安全行驶的关键。目前传统的汽车头灯是以固定光型提供近光、远光与雾灯等前方照明功能，无法随路面转弯、岔路、高速行驶等各种路面情况给予不同的照明角度，导致道路照明度不够，提高车祸发生的机率。车辆在加减速时容易因车头的上仰和下沉使头灯的照射方向忽近忽远，且在过弯时，无法将光线投射在前方的正确路面上，让驾驶者不能事先看清楚前方的道路情况，进而影响行车的安全。出于减少交通事故的需求，人们对改进汽车照明系统寄予厚望。因此，车灯的自动控制成为当前车灯技术的发展主流之一，它能够适应于各地的高速公路、城市、乡村道路、弯道及恶劣气候，有效减少因头灯的角度和照射范围不足所造成的交通事故。 1

1.2 汽车车灯发展情况河北师范大学职技学院学士学位论文汽车照明系统是汽车最主要的主动式安全装置之一，汽车灯为行驶的主动安全提供了必须的保证。1898 年，哥伦比亚号电动汽车把电灯用于前灯和尾灯，这样车灯就诞生了。截至 20 世纪 80 年代，汽车前照灯都是全玻璃密封式，其镜头和反射镜连为一体，中间放置热辐射白炽灯，共有 6 种形状作为统一规格。由于产品规范，生产工艺可极大地简化，生产成本低廉，因此几十年一直被广泛采用。直到 20 世纪 80 年代初，新设计的汽车前照灯表面镜头的形状逐步与汽车形状相适应，出现了光源可换式的前照灯。进入新世纪，汽车照明系统正经历着重要变革，不仅 HID(high-intensitydischarge lamp)和 LED(light-emitting diode)源得到了更广泛的应用，而且汽车照明系统也日益智能化，智能车灯是当前车灯技术的发展主流之一。智能车灯系统由微电脑控制，从车内的电子传感器获得信息，由传感器来辨别各种照明状况。速度传感器能够为智能车灯提供各种数据，辅助传感器用于监测周围环境灯光及能见度、道路状况，包括干、湿、雾、直道、弯道等，不仅可以向照明系统提供重要数据，还能为其他电子控制系统提供数据，从而对驾驶者提供有效帮助。智能车灯与导航系统相连，可以对各种驾驶情况进行预见，从而实现多种照明分布。随着先进的车辆安全保障技术的发展，智能灯及其相关技术得到广泛关注。目前，以德国海拉公司为首的汽车灯具巨头们正在考虑如何让车灯在多种复杂的道路状况下为道路使用者提供更好的照明。一种被称作 VARILIS(多功能可变智能灯光系统)的新技术即将诞生，在 VARILIS 系统中，光源和透镜之间不是双氛气前照灯中的遮光罩，而是一个可旋转的柱体，该柱体表面有很多不同的形状，根据智能控制器对各类传感器信号的处理，使转到不同的角度产生不同的光型汇。国内对汽车自适应照明控制系统的研究起步比较晚，研究还比较少，加之引进的 AFS 系统大多为生产商本国道路状况考虑，且国内的道路状况也与日本和欧洲有较大不同，有自己的道路特点和地形地貌，因此 AFS 系统并不能发挥最大的作用，对系统在国内的应用带来了阻力。国内上海小系已经对天津丰田锐志 AFS 前照灯完成了国产化开发工作，用于新款丰田佳美 AFS 前照灯系统业己完成，但其主要是以技术引进为主。目前，国内配备自适应照明系统的汽车产品有奥迪 A8、雷克萨斯 LS460L、奔驰 S400 等，但都局限在各自的技术范畴内，且提供的自适应照明系统功能也有差异。可以说自适应照明系统是近年国际国内在汽车智能照明系统方面研究的热点，也是汽车主动式安全系统研究有所突破的领域。 1.3 汽车车灯自动控制系统的必要性安全，作为当今世界汽车发展的三大课题之一，永远是汽车至高无上的主题， 2

第 1 章绪论也是人们行车的永恒的主题。众所周知，驾驶视野的好坏直接影响行车的安全。驾驶员有关的交通信息有以上是通过视觉获得的，包括道路表面形状、方向、交通信号及交通标志的内容、本车所处的交通环境以及行驶方向上的车流状态等。以上信息在白天较容易通过视觉等获得，但在没有光线的夜晚，尤其是在恶劣环境下，相对就比较困难。一个好的照明系统应该满足的条件是能够为驾驶者提供前方路段内足够的景象信息，以便驾驶者有时间做出反应来避免危险驾驶者获取信息时不感到非常疲劳使驾驶者能够获得有关交通环境和道路条件下的景象信息既不造成其它车道使用者的麻烦，也不会导致判断失误。自动车灯照明控制系统正是基于此而研制的，它不像传统的前照灯系统一样，只能工作在一种模式，即只能在一种固定的模型下工作，它能够根据车辆行驶的速度、道路的情况以及外界环境的状况自动的改变车灯的工作模式，产生适合当前驾驶环境的光束模型，为驾驶员自动提供更宽更合理的视野范围，提高驾驶员的行车安全。自适应车灯照明控制系统的能够在夜间和恶劣环境等条件下为驾驶员自动的提供适合的灯光照射模式，为驾驶员提供更合理的视野范围，对驾驶员的行车安全，尤其是在我们国家汽车保有量迅猛增加、机动车驾驶员数量又如此之多、交通事故位居世界前列的这样的一个国情下，自动车灯控制系统的应用就显得尤为重要，对提高行车安全，保障人民的生命财产以及我国的交通事业的发展具有重要的意义。 3

河北师范大学职技学院学士学位论文第 2 章汽车车灯自动控制系统理论基础 2.1 FPGA 的应用状况当今社会是数字化的社会，是数字集成电路广泛应用的社会。数字集成电路本身在不断地进行更新换代。它由早期的电子管、晶体管、小中规模集成电路、发展到超大规模集成电路(VLSIC，几万门以上)以及许多具有特定功能的专用集成电路。但是，随着微电子技术的发展，设计与制造集成电路的任务已不完全由半导体厂商来独立承担。系统设计师们更愿意自己设计专用集成电路(ASIC)芯片，而且希望 ASIC 的设计周期尽可能短，最好是在实验室里就能设计出合适的 ASIC 芯片，并且立即投入实际应用之中，因而出现了现场可编程逻辑器件(FPLD)，其中应用最广泛的当属现场可编程门阵列(FPGA)和复杂可编程逻辑器件(CPLD)[1]。当 FPGA 初次出现在市场上时，业界普遍相信它将是 ASIC 的一个低成本替代产品。它无需制作掩模，而且允许设计师随意地更改设计，当时 FPGA 所需要的所有东西似乎只要再增加一点逻辑容量，以有能力在除大批量生产之外的所有领域取代 ASIC。不过，经验表明：要想使 FPGA 变成定制逻辑的批量生产型替代产品，较少的逻辑容量看起来更具吸引力。 2.2 硬件语言 VHDL 的简介及优势 VHDL 的英文名是 Very-High-Speed Integrated Circuit HardwareDescription Language,诞生于 1982 年。1987 年底，VHDL 被 IEEE 和美国国防部确认为标准硬件描述语言。自 IEEE 公布了 VHDL 的标准版本，IEEE-1076（简称 87 版)之后，各 EDA 公司相继推出了自己的 VHDL 设计环境，或宣布自己的设计工具可以和 VHDL 接口。此后 VHDL 在电子设计领域得到了广泛的接受，并逐步取代了原有的非标准的硬件描述语言。1993 年，IEEE 对 VHDL 进行了修订，从更高的抽象层次和系统描述能力上扩展 VHDL 的内容，公布了新版本的 VHDL，即 IEEE 标准的 1076-1993 版本，（简称 93 版）。现在，VHDL 和 Verilog 作为 IEEE 的工业标准硬件描述语言，又得到众多 EDA 公司的支持，在电子工程领域，已成为事实上的通用硬件描述语言[2]。有专家认为，在新的世纪中，VHDL 于 Verilog 语言将承担起大部分的数字系统设计任务。 VHDL 语言是一种用于电路设计的高级语言。它在 80 年代的后期出现。最初是由美国国防部开发出来供美军用来提高设计的可靠性和缩减开发周期的一种使用范围较小的设计语言。 VHDL 的英文全写是：VHSIC（Very High Speed Integrated Circuit）Hardware Description Language.翻译成中文就是超高速集成电路硬件描述语言。因此它的应用 4

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