基于SOPC技術(shù)的超聲波掃描倒車(chē)探測(cè)器

基于SOPC技術(shù)的超聲波掃描倒車(chē)探測(cè)儀邵麗華張小花付慧慧甘江英（指導(dǎo)老師：龔兆崗教授）摘要：本設(shè)計(jì)裝置名稱(chēng)為“基于SOPC技術(shù)的超聲波掃描倒車(chē)探測(cè)器”，即在NiosⅡ處理器的設(shè)計(jì)平臺(tái)上采用超聲波測(cè)量物體距離的傳感方式，應(yīng)用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)超聲波傳感器對(duì)車(chē)后進(jìn)行180度全方位掃描，得到超聲波傳感器測(cè)得的車(chē)與障礙物的相對(duì)距離信息和步進(jìn)電機(jī)的角度方向信息，NiosⅡ軟核處理器將此信息綜合分析后得出車(chē)后障礙物的具體方位信息，并將車(chē)后障礙物的具體方位以光標(biāo)動(dòng)態(tài)閃爍的方式實(shí)時(shí)地顯示在LCD顯示屏上。關(guān)鍵詞：SOPC超聲波步進(jìn)電機(jī)NiosⅡ軟核處理器FPGAIP核SOPC-basedtechnologyultrasonicscanningdetectorinreversingShaoLihuaZhangXiaohuaFuHuihuiandGanJiangying（GuidanceTeacher:GongZhaogang)Abstract:Thedesignofthedeviceknownasthe"SOPC-basedtechnologyultrasonicscanningprobereverse",thatis,intheNiosⅡprocessorplatformdesignobjectsusingultrasoundmeasurementofthedistancesensingmodalities,steppingmotordriveapplicationofultrasonicsensorsonthecarafterthe180All-timescanning,ultrasoundsensorstobemeasuredvehiclebarriersandtherelativedistanceanddirectionofthesteppermotorpointofinformation,NiosⅡsoft-coreprocessor,acomprehensiveanalysisofthisinformationafterthevehiclereachedtheconcretebarrierafterthepositioninformation,Afterthevehiclesandobstaclestothespecificpositionthecursorflashingdynamicapproachtoreal-timedisplayontheLCDscreen.Keywords:SOPCultrasonicsteppermotorNiosⅡsoft-coreprocessorFPGAIPcore1引言隨著汽車(chē)逐漸進(jìn)入百姓家庭，保障行車(chē)安全的各個(gè)細(xì)節(jié)越來(lái)越受到人們的重視，安裝倒車(chē)?yán)走_(dá)，可以使駕駛員泊車(chē)更加安心。目前汽車(chē)市場(chǎng)上倒車(chē)?yán)走_(dá)種類(lèi)繁多，其性能主要從探測(cè)準(zhǔn)確性、顯示穩(wěn)定性、探測(cè)范圍和捕捉目標(biāo)的速度來(lái)考慮。通常，探頭的數(shù)量決定了倒車(chē)?yán)走_(dá)的探測(cè)覆蓋能力，探頭越多越能減少探測(cè)盲區(qū)。但是,目前倒車(chē)?yán)走_(dá)運(yùn)用的超聲波探測(cè)是從一點(diǎn)或者多點(diǎn)進(jìn)行探測(cè)，探測(cè)范圍不能很好地覆蓋整車(chē)后周?chē)?，即便采用多探頭提高覆蓋能力，但其安裝方式復(fù)雜累贅，且影響車(chē)的美觀；而且倒車(chē)?yán)走_(dá)多采用極限報(bào)警，即探測(cè)到障礙物距離小于設(shè)定的安全距離時(shí)發(fā)出聲音或者燈光報(bào)警，不能對(duì)車(chē)后有效范圍內(nèi)的障礙物進(jìn)行較為全面的、直觀的實(shí)時(shí)監(jiān)控。因此，本設(shè)計(jì)裝置基于NiosⅡ處理器，采用超聲波測(cè)量物體距離的傳感方式，應(yīng)用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)超聲波傳感器對(duì)車(chē)后進(jìn)行180度全方位掃描，得到超聲波傳感器測(cè)得的車(chē)與障礙物的相對(duì)距離信息和步進(jìn)電機(jī)的角度方向數(shù)據(jù)，利用NiosⅡ軟核處理器將此數(shù)據(jù)綜合分析后得到車(chē)后障礙物的極坐標(biāo)值，并將其坐標(biāo)值以光標(biāo)動(dòng)態(tài)閃爍的方式實(shí)時(shí)地顯示在LCD上。2超聲波測(cè)距離原理超聲波是由機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生的，可在不同介質(zhì)中以不同的速度傳播，具有定向性好、能量集中、傳輸過(guò)程中衰減較小、反射能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。超聲波傳感器可廣泛應(yīng)用于非接觸式檢測(cè)方法，它不受光線(xiàn)、被測(cè)物顏色等影響，對(duì)惡劣的工作環(huán)境具有一定的適應(yīng)能力，因此在本倒車(chē)掃描系統(tǒng)中應(yīng)用超聲波進(jìn)行障礙物的測(cè)量。本實(shí)驗(yàn)裝置中超聲波測(cè)距是通過(guò)在一個(gè)設(shè)定的周期內(nèi)連續(xù)發(fā)射若干個(gè)超聲波信號(hào)，不斷檢測(cè)超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測(cè)出一個(gè)時(shí)間周期內(nèi)發(fā)射和接收回波的時(shí)間差Δｔ，然后求出障礙物距離S。在速度ｖ已知的情況下，距離S的計(jì)算，公式如下：S＝ｖΔｔ／２（1）在空氣中，15℃下超聲波的傳播速度是340米／秒，但其傳播速度Ｖ易受空氣中溫度、濕度、壓強(qiáng)等因素的影響，其中受溫度的影響較大，如溫度每升高１℃，聲速增加約０.６米／秒。因此在測(cè)距精度要求很高的情況下，應(yīng)通過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒▽?duì)傳播速度加以校正。已知現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度Ｔ時(shí)，超聲波傳播速度Ｖ的計(jì)算公式如下：Ｖ＝３３１．５＋０．６０７Ｔ（2）將公式（2）代入公式（1）得到實(shí)際距離S的計(jì)算公式如下：S=(331.5+0.607T)Δｔ／２(3)這樣，只要測(cè)得超聲波發(fā)射和接收回波的時(shí)間差Δｔ以及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度Ｔ，就可以精確計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)到障礙物之間的距離。3系統(tǒng)硬件框圖系統(tǒng)硬件框圖如圖-1所示。圖-1系統(tǒng)硬件框圖“基于SOPC技術(shù)的超聲波掃描倒車(chē)探測(cè)器”總體結(jié)構(gòu)主要由AlteraFPGA開(kāi)發(fā)平臺(tái)、超聲波傳感器、步進(jìn)電機(jī)、位置傳感器以及LCD顯示器等組成。為完成串行口通信、SDRAM、FLASH芯片訪問(wèn)等功能，本設(shè)計(jì)系統(tǒng)配置了基于Avalon總線(xiàn)的SDRAM接口、SRAM接口、FLASH接口、時(shí)鐘TIMER、UART核等組件。3.1超聲波控制IP圖-1中超聲波控制IP完成對(duì)超聲波傳感器的控制。包括：控制超聲波傳感器發(fā)送40KHz超聲波，同時(shí)給定時(shí)器控制器一個(gè)開(kāi)始信號(hào)，使其控制定時(shí)器開(kāi)始計(jì)數(shù)；超聲波傳感器接收被障礙物反射回來(lái)的超聲波后，給定時(shí)器控制器一個(gè)結(jié)束信號(hào)，使其控制定時(shí)器結(jié)束計(jì)數(shù)。由NiosⅡCPU處理器通過(guò)計(jì)算超聲波收發(fā)之間的時(shí)間差來(lái)確定車(chē)與車(chē)后障礙物之間的距離。本實(shí)驗(yàn)裝置中超聲波測(cè)距是通過(guò)在一個(gè)設(shè)定的周期內(nèi)連續(xù)發(fā)射若干個(gè)超聲波信號(hào)，不斷檢測(cè)5系統(tǒng)軟件流程圖系統(tǒng)軟件流程圖如圖-5所示：圖-5系統(tǒng)軟件流程圖軟件部分最主要的是實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的采集、讀寫(xiě)、傳輸、顯示。主控函數(shù)，主要是圖像數(shù)據(jù)的讀取、顯示。用中斷來(lái)通知系統(tǒng)完成以下具體的工作指令：半周掃描結(jié)束，數(shù)據(jù)寫(xiě)入SRAM，與SRAM中原有無(wú)障礙坐標(biāo)圖進(jìn)行比較綜合，在LCD上顯示圖像。圖像數(shù)據(jù)處理顯示模塊軟件流程圖如圖-6所示：(1）調(diào)用開(kāi)始中斷和讀數(shù)值轉(zhuǎn)換為一維地址值，該一維地址值需要寫(xiě)入自行設(shè)計(jì)的SRAM_LCMIP，將該一維地址值賦給一數(shù)組中的相應(yīng)元素。(2）從SRAM中讀取無(wú)障礙坐標(biāo)底圖數(shù)據(jù)，每讀取一個(gè)數(shù)據(jù)，將其地址與該數(shù)組中每個(gè)元素進(jìn)行比較，若匹配則將數(shù)組中元素的值與從SRAM中讀取的數(shù)據(jù)作“或”運(yùn)算，將運(yùn)算結(jié)果存入寄存器；若兩者不相同，則直接將從SRAM中讀取的數(shù)據(jù)存入寄存器。(3)

將寄存器中的值寫(xiě)入SRAM_LCMIP。圖-6

圖像數(shù)據(jù)處理顯示模塊軟件流程圖5結(jié)果分析本裝置中，將一個(gè)超聲波傳感器固定在步進(jìn)電機(jī)軸桿上，用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)超聲波傳感器做勻速掃描運(yùn)動(dòng)，不僅能夠檢測(cè)到車(chē)尾中心正后方的障礙物，也能檢測(cè)到整個(gè)車(chē)尾后方的障礙物，圖-7為測(cè)到的障礙物在LCD上的顯示圖像，其中三個(gè)紅色的圓點(diǎn)分別代表所測(cè)到的三個(gè)障礙物。因此可以說(shuō)本設(shè)計(jì)很好地完成了預(yù)定功能。圖-7車(chē)后障礙物在LCD上的顯示圖像6總結(jié)（1）本設(shè)計(jì)裝置在性能上具備探測(cè)范圍廣、捕捉目標(biāo)速度快、顯示分辯率高等特點(diǎn),可以應(yīng)用到各種車(chē)型中，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)倒車(chē)泊車(chē)監(jiān)控。（2）將超聲波傳感器固定在步進(jìn)電機(jī)軸桿上，用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)超聲波傳感器做勻速掃描運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)后障礙物的全方位動(dòng)態(tài)掃描，提高了探測(cè)覆蓋能力，減少了探測(cè)盲區(qū)，可獲得較詳盡的車(chē)后障礙物情況。（3）將檢測(cè)到的車(chē)后障礙物以光標(biāo)動(dòng)態(tài)閃爍方式在LCD上顯示出來(lái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)后障礙物的實(shí)時(shí)監(jiān)控，給駕駛員一個(gè)簡(jiǎn)潔、直觀、清晰的車(chē)后障礙物動(dòng)態(tài)視覺(jué)信息。(4)NiosⅡ符合工業(yè)技術(shù)的發(fā)展潮流，即硬件設(shè)計(jì)軟件化，可以結(jié)合FPGA做出很多比較理想的東西，這就是NiosⅡ乃至其他所有軟核CPU的最大的意義所在。本設(shè)計(jì)采用基于FPGA嵌入IP硬核的SOPC系統(tǒng)，系統(tǒng)更為靈活，功能更為強(qiáng)大，對(duì)更多任務(wù)的完成具有更好的適應(yīng)性。設(shè)計(jì)方式靈活，不僅利用其自帶的IP核，還構(gòu)建自定義IP核，如超聲波傳感器控制IP、步進(jìn)電機(jī)控制IP，大大提高了數(shù)據(jù)的處理速度，降低了成本。(5)采用模塊化的設(shè)計(jì)方法和思路。NiosⅡ軟核處理器最大的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)是模塊化的硬件結(jié)構(gòu)，以及由此帶來(lái)的靈活性和可裁減性。相對(duì)于傳統(tǒng)的處理器，NiosⅡ系統(tǒng)可以在設(shè)計(jì)階段根據(jù)實(shí)際需求來(lái)增減外設(shè)的數(shù)量和種類(lèi)。而且，SOPCBuilder還提供了標(biāo)準(zhǔn)的接口方式，以便用戶(hù)將自己的外圍電路做成NiosⅡ軟核可以添加的外設(shè)模塊。這種設(shè)計(jì)方式，更加方便了各類(lèi)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)調(diào)試。參考文獻(xiàn)[1]周立功.SOPC嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程.北京航空航天出版社.2006.11[2]沈津農(nóng).傳感器及應(yīng)用技術(shù).化學(xué)工業(yè)出版社.2002[3]夏宇聞.Verilog數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)教程.北京航空航天出版社.2003.7[4]李蘭英.NiosII嵌入式軟核SOPC設(shè)計(jì)原理與應(yīng)用.北京航空航天大學(xué)出版社.2006.11[5]徐光輝.基于FPGA的嵌入式開(kāi)發(fā)與應(yīng)用.電子工業(yè)出版社.2006.9[6]孫明珠.VB程序設(shè)計(jì)實(shí)習(xí)指導(dǎo).天津大學(xué)