基于FPGA的自动刹车系统的研究与设计

摘要 随着社会经济的发展，私家车的数量出现爆发性的增长，在这种背景下，汽车安全问题日益凸显。为了减少交通事故造成的伤亡，本文设计了一种自动刹车系统，和传统方案不同，该系统采用FPGA作为主控制系统，并通过超声波和霍尔传感器的辅助设计。实验结果表明，该系统不仅能够成功的实现紧急情况下的自动刹车功能，而且还具有设计简单，实时性和稳定性较高的特点，因此能有效的保障车辆驾驶员的生命安全。

关键字 FPGA；超声波；霍尔传感器；刹车系统

中图分类号U46 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2014）111-0081-03

0 引言

伴随着社会经济的发展，有车一族正变得日益庞大，但与此同时，交通事故的发生也变得更加频繁，许多驾驶员因此失去了宝贵的生命。而根据交通部门的最新统计，大部分事故的发生是由于车主无法及时刹车，结果造成了车辆追尾事故。在这种背景下，本文综合考虑各种因素设计了一种自动刹车系统。

1 系统原理及组成

如图1所示，本系统主要包括三大模块：测量模块，数据分析处理模块和自动刹车模块。

图1 系统原理框图

1）测量模块

这一部分主要是用来实时获取当前车辆的车速和本车、前车或者障碍物之间的距离。具体工作则是由超声波传感器和霍尔传感器测得。

2）数据分析处理模块

数据分析模块是对测得的速度和距离参数进行分析和处理。本模块内的相关软硬件将这些信息进行识别分类、分析以及计算等综合处理，得到的是汽车行驶的具体数据，比如与前车或障碍物的距离，车速的大小等参数，这些数据会作为是否自动刹车的重要参考，而这一切功能主要都是通过FPGA来实现。

3）自动刹车模块

自动刹车部分是对前面分析的数据进行建模，根据模型来判断汽车的行驶速度与状态，对当前的行驶状况进行分析，进而判断车辆是否超速，是否超过安全距离等，然后反馈给驾驶人供参考，必要时候会有语音报警提醒以及超时后自动刹车等操作。该模块包括语音报警电路和刹车控制单元。

2 硬件设计

图 2 系统硬件设计方案

2.1 传感器

传感器是将某种不易进行数据分析的信号转化为分析处理的如电信号，在本文中主要用到了检测距离的超声波传感器和检测车速的霍尔传感器，由于距离有前后，所以一次需要两个超声波传感器进行车前和车后的检测，霍尔传感器需要安装在车身底盘检测车速，图3和图4分别为超声波传感器和霍尔传感器。

图3超声波传感器

图4 霍尔传感器

2.2 微型处理器

微型处理器是此系统中数据处理分析的核心，主要功能是对汽车检测的信号进行分析处理，得到车距以及车速等数据，并对其进行建模判断车况状态。微型处理器在当前常用主要有ARM芯片、DSP芯片、FPGA芯片等，ARM类似单片机，控制管理较强，主要体现在控制功能上，DSP数据处理能力强，运行速度快，而FPGA灵活性更好，可重复性高，实时性好，本文根据分析后采用FPGA芯片进行处理。FPGA芯片主要负责完成数据处理模块和自动刹车模块的相关功能，它具有运行速度快、执行效率高、并行处理和可靠性好等突出优势。

本系统采用的是台湾友晶公司的DE2-115系列开发板，该开发板主芯片型号为Cyclone IV EP4CE115F29，它包含114，480个逻辑单元，432 M9K的内存模块，3，888 Kbits的嵌入式存储器位以及4 个锁相环，在存储配置方面，也极其丰富，完全满足本次系统设计的需求。

2.3 语音报警电路

语音报警电路的作用是：当汽车的行驶状况达到设定的标准时会产生报警信号警示驾驶人，这里的电路中运用的美国ISD公司的2500系列专业语音芯片，根据录放时间有不同的型号，ISD2500是DIP封装，片内E2PROM能达到480k的容量，十根地址线，能寻址1024位，录音时间长，支持分段录音，音质好，支持抗断电特点，并且内部集成了功放电路，因此可以直接驱动扬声器，图5为ISD2500的基本电路图。

图5 语音报警电路

3 软件设计

3.1 系统软件流程

图6表示的是自动刹车的流程图。软件流程通过两个方面同时监控实现，一方面判断距离是否达到报警距离，如果达到报警距离然后接着判断是否小于安全距离，如果未到安全距离则报警提示驾驶人，等待操作减速，如果驾驶人并未作出任何操作，等到距离小于安全距离后系统会自动刹车；另一方面判断汽车距离的相对速度是否大于报警速度，如果大于报警速度会继续判断是否大于安全速度，如果没有则先报警等待驾驶人操作，如果车速继续增加甚至大于安全速度时候则会强行刹车，以保证驾驶员的安全。

图6 自动刹车流程图

3.2 系统初始化

如图7所示，系统初始化是对汽车的数据分析计算得到相关结果。初始化后会检测到自车速度、前车速度以及车距，并实时的监测，根据两者的车速可以计算出相对速度，再根据车距等参数进行建模分析得到报警距离d1，安全车距d2，报警速度速度v1，安全车速v2，每一次实时的检测都会更新d1，d2，v1，v2，实现系统的初始化。

图7 系统初始化示意图

3.3 车距和车速计算

1）超声波测距：超声波测距主要是利用它的的强反射性能，大致工作原理如图8所示。 在接收到电信号后，FPGA芯片即可计算出前车与本车之间的相对距离H=1/2*vtcosθ。式中v为超声波在空气中的传播速度（在常温下v为某一常数）；t为超声波从发射到接收所用的时间。由于角度几乎为0，故上式可变为H=1/2*Vt 。

图8 超声波测距原理图

2）霍尔传感测速：在利用霍尔传感器进行车速测量的过程中，还需用到铁质齿轮。如图9所示，当车轮转动时 ，测速齿轮也会随之转动，进而引起齿轮和霍尔原件之间的磁通密度发生变化 ， 传感器一旦检测到这种变化就会马上输出一个脉冲信号，汽车的速度就可以通过测量脉冲的频率而得出。 具体计算公式为 : V =C*n，其中V为汽车的车速 ， C为车轮周长，n为汽车转速。

图9 霍尔传感器测速装置示意图

3.4 安全车距计算模型

假设系统认定的安全距离为d1，也即是在当前车速下，本车与前车间距不小于d1的时候才能保证安全；由于不同速度下的安全距离值不一样，所以d1的数值是在不断变化的。根据汽车制动的几个过程，我们需要考虑以下几个时间参数，包括反应动作时间tf ，制动协调时间tx，减速度增长时间和持续制动时间tz ，那么安全车距的计算模型则如式(3.3)所示：

(3.3)

上式中，V0 是刹车瞬间车辆的速度。考虑不到实际车况和其他因素，安全车距的计算模型如式（3.4）：

(3.4)

其中VA 为前面车辆的车速。

4 结论

按照前面的设计思路，可以搭建出一个相对简单的自动刹车系统。对于该系统，我们进行了多次实车验证，实验结果表明：该系统能够有效且稳定的实现汽车的自动刹车功能，完全符合设计预期。

参考文献

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