车辆防撞预警系统研究本科毕业设计说明书

1、学校代码： 10128学 号： 本科毕业设计说明书（题 目：车辆防撞预警系统研究二 一 三 年 六 月摘 要道路交通事故的多发造成人员财产的重大损失，与之相关的安全技术日益成为研究重点。汽车自动防撞系统是一项基于智能交通系统的先进安全技术，对于提高道路交通的安全水平，降低交通安全事故发生率，促进智能交通系统的发展及实现具有重要意义。本文以车辆防撞预警系统为研究对象，利用超声波不容易受到外界环境影响、精度高、范围大的特点，提出了一种基于fpga芯片的超声波测距系统，分析了超声波测距原理和超声波需要从外界获取的参数，设计了超声波测距的硬件、软件系统，确定了实现系统功能所需的关键技术。经实验证实，该

2、系统具有集成度高，反应快速，测量精度高，性价比高的特点，可以完成倒车雷达等泊车辅助系统所需要的测距任务，具有一定的的应用前景和使用价值。本文所设计的汽车自动防撞系统，对于提高车辆的主动安全性，降低交通事故发生率，减小交通事故带来的损害，保障安全行车具有重要意义。关键词：超声波；测距；倒车雷达；汽车防撞 abstractroad traffic accidents bring the significant loss to people and personal property. the related security technology has become a new research

3、 focus. automobile automatic collision avoidance system is an advanced security technology based on intelligent transportation systems, which is of great significance to improve the level of road traffic safety, reduce the incidence of traffic accidents, and promote the development of intelligent tr

4、ansportation system and its implementation.choosing the vehicle collision avoidance warning system as the research object, taking the advantage of the fact that the ultrasonic is not easy to be affected by external environment, the characteristics of its high precision and large range, this paper pu

5、ts forward a kind of ultrasonic ranging system based on the fpga chip, and analyzes the ultrasonic ranging principles and parameters which ultrasound needs to get from the outside world, designs the hardware and software system of the ultrasonic ranging, and determines the key technology needed for

6、the realization of system functions. it is confirmed by experiments that the system has the features of high integration, fast response, high accuracy and cost-effective, and it can complete the needed range tasks of the parking assist system like back-draft radar, which leads to the fact that it ha

7、s a certain application prospect and using value. the design of automobile automatic collision avoidance system in this paper is of great significance to improve vehicle active safety, reduce traffic accidents, decrease traffic accident damage and ensure safe driving.keywords:ultrasonic;ranging;reve

8、rse sensor;vehicle collision目 录引言1第一章 绪论2 1.1车辆预警防撞系统简介21.1.1车辆防撞预警系统定义21.1.2车辆防撞系统组成21.1.3当前面临的主要问题31.2车辆防撞系统设计的发展31.3国内外车载测距系统设计方案31.3.1微波雷达测距方式31.3.2毫米波雷达测距方式41.3.3超声波雷达测距方式41.3.4激光雷达测距方式41.3.5红外线雷达测距方式51.3.6基于视觉的智能防撞51.3.7车车通信测距系统51.3.8多传感器信息融合防撞系统51.4本课题研究的主要内容6第二章 系统硬件电路设计72.1 fpga对于设计的必要性72.2

9、 fpga的结构、工作原理和选型依据82.3超声波传感器的选择和超声波测距原理102.3.1超声波传感器的选择102.3.2超声波测距原理112.4 显示器件的选择122.5 本章小结13第三章 系统软件设计143.1系统软件设计整体框架143.2分频模块153.3超声波回波数据处理153.3.1计数处理153.3.2 送显示屏数据的处理163.4扫描显示模块19 3.5 本章小结19第四章 系统开发与调试204.1系统开发环境quartus204.2 系统编程语言vhdl214.3 fpga器件配置和下载224.4 基于fpga超声波测距系统性能分析23第五章 总结与展望245.1 本文的主

10、要工作和结论245.2 展望24参考文献26附录27致谢33引言近年来我国交通事故频发，因交通事故死亡、受伤人数激增，社会影响恶劣，各方面损失巨大。严峻的社会形势使人们不得不正视汽车安全的问题。以预防撞击为核心的现代汽车主动安全技术成为现代智能交通发展的迫切要求和热点问题。据相关部门统计，汽车碰撞事故中，76.3%是由于驾驶员操作不当引起，主要由于驾驶员注意力不集中、酒后驾驶、疲劳驾驶,11.6%由客观驾驶环境引起。由此可见，若要减少汽车碰撞事故可以从提示驾驶员操作失误入手。 另一方面，随着计算机、通信、电子技术的飞速发展，利用电子设备检测操作不当、提示矫正操作也已经成为可能。当前，国际上大多

11、数学者都是利用雷达、视频或者车辆间通信，设置固定的判断车辆是否安全的算法判断车辆行驶状态是否安全。当认定为危险状态时，通过声音、显示或者自动控制来矫正车辆的行驶第一章 绪论1.1车辆预警防撞系统简介1.1.1车辆防撞预警系统定义 车辆防撞预警系统归属于车辆主动安全部分，是防止车辆相互碰撞的一种智能装置。它能够自动探测、识别可能与之发生碰撞的车辆、行人或障碍物，同时向驾驶员提示或者自动采取例如自动刹车等规避措施，从而避免碰撞的发生。其核心在于精确、快速地探测出汽车与障碍物之间的状态和距离，并且及时采取相应措施通知其他的汽车控制系统，以达到防止碰撞的目的。1.1.2车辆防撞系统组成 信号采集系统：

12、采用超声波、毫米波雷达、激光、声纳、红外线、影像等技术自动测出本车于前后车相对运动状态及两车之间的距离。 数据处理系统：计算机芯片对信号采集器的信息收集、分析、处理，判断当前状态是否安全，若不安全则启动执行机构予以干预当前状态。 执行机构：实施数据处理系统的指令，发出警报提示驾驶员。数据处理系统执行机构信号采集系统 图1-1：系统组成1.1.3当前面临的主要问题 识别误操作和过度保护。如果一个安全系统过度灵敏，就会对每一辆前后汽车发出警报；如果在计算机算法定义为不安全的情况下，驾驶员想做出超车、加速等行为，执行系统就会干预，这样就会导致驾驶员忽视安全系统的警告，进而导致安全系统名存实亡。1.2

13、车辆防撞系统设计的发展 车辆防撞系统的研究起始于20世纪60年代，以德、美、日为代表。 早期：1969年，lucas公司（英国伯明翰）研究了雷达防撞的可行性，并研制了中心频率为24ghz的fmcw雷达；1973年一种非相干雷达原型在aeg-telefuncken和bosch（德国）成功研制和实验。 中期：1986欧洲“普罗米修斯”计划的实施。从此有了快速发展。bmw和benz采用调频毫米波雷达（fmcw）其代表产品：benz和劳伦斯电子公司出品的防撞系统，探测距离为150米，车距离小于安全距离时，警报灯光提示，该系统已经应用，效果良好。83年尼桑公司的倒车声纳系统后，有开发acc系统，以毫米波

14、雷达作为探测传感器。 目前：以90年代以来日本提出先进安全汽车asv计划，成果是1995年丰田汽车公司的主动预防安全系统。采用fmcw工作方式，中心频率61-60，76-77ghz，探测距离120米。95年美国运输部公布国家智能项目运输计划后，戴姆勒克莱斯勒提出基于两个测距仪和影像系统的防撞系统。我国起步较晚，开始于20世纪90年代中期。1.3国内外车载测距系统设计方案1.3.1微波雷达测距方式 采用相控阵天线成像技术的探测器已经入应用阶段，但成本居高不下，经济性较低，激光波束较窄、路障报告率偏低，不利于广泛推广。但是探测距离远、范围大。 1.3.2毫米波雷达测距方式探测器发出雷达波并收集反射

15、回来的雷达波从而发现目标并定位，定位不存在距离肓区，且容易实现极高的距离分辨力。但是由于干扰源较多、杂波对消以及多目标测量等要求，毫米波雷达测距对微处理器的计算、分析能力有很高的要求，另外，这种探测器发射器和接收器同时作用，当探测距离较远时，所需功率会变得很大，导致该测距方法的作用距离有限。1.3.3超声波雷达测距方式作为非接触检测识别手段的一种，波长短、方向性好、能够呈射线定向传播且反射效果显著。这些特性有利于选用超声波做媒体，测定物体的位置、距离甚至形状等。超声波防撞技术主要是利用超声波回声测距原理，测量出车后一定距离内的物体，及时显示出车后障碍物的距离和方位，按照安全区、警示区、紧急停车

16、区分段距离给出报警或语音信号，以警示车辆处于不同的紧急状态，司机可据此作出相应措施，防止事故的发生。具备以下优点：1. 超声波指向性强，能量消耗缓慢，因此可以直接测量较近目标的距离。2.超声波对色彩、光照度不敏感，可适用于识别透明、半透明及漫反射差的物体(如玻璃、抛光体)，抗干扰性好。3. 超声波对外界光线和电磁场不敏感，可用于黑暗、有灰尘或烟雾、电磁干扰强、有毒等恶劣环境。4.超声波传感器结构简单、体积小、费用低、信息处理简单可靠易于小型化与集成化，并且可以进行实时控制。1.3.4激光雷达测距方式 这种方法的工作原理与微波雷达测距相似，测距方式分为连续波和脉冲波两种。连续波相位测距是用无线电

17、波段的频率，对激光束进行幅度调制并测定调制光往返测线一次所产生的相位延迟，再根据调制光的波长换算此相位延迟所代表的距离，即用间接方法测定出光经往返测线所需的时间。激光脉冲测距是利用测量往返脉冲间隔时间，获知距离。测时方法是在确定时间起止点之间用时钟脉冲填充计数这种方法精度很高。1.3.5红外线雷达测距方式 红外线的波长比可见光长，是肉眼看不见的光，有显著的热效应和较强的穿透云雾的能力。同时，任何物体在任何时候都会发出红外线。红外线测距和激光、超声波测距在原理上基本相同，均是根据发射波和反射波的时间来判断目标的距离，红外线测距在技术上难度不大，构成的测距系统成本低廉，但由于红外线式传感器是基于测

18、量传感器附近物体所发射的热能来实现测距的，缺点是响应时问过长，使驾驶员得到的提前报警常常不足以躲避碰撞，从而限制了其在车辆碰撞报警系统的应用。1.3.6基于视觉的智能防撞视觉信号可以最全面地包含道路中的所有信息，同时可以充分利用所要识别的道路以及车辆在特征和模型上的特点，特别是对于结构化道路，场景较为简易，目标突出，使用合适的图像处理算法可以很有效地实现目标检测，同时摄像头成本与激光、雷达等相比要低很多。因此，利用机器视觉进行汽车自动驾驶以达到自动防撞是目自矿智能汽车的最佳方案之一。1.3.7车车通信测距系统应用无线网络技术，车车通信系统可以克服盲点比如当转弯或者通过的时候。主要有 基于zig

19、bee 基于gprs 基于wcdma和基于gps的防撞预警系统.系统具有如下优点：（1）采集周边信息时无盲点；（2）利用gps 进行观测，不受实践、地点约束，可以全天候不间断地进行工作，随着gps 精度的提高，完全能够代替光学传感器；（3）低成本。越来越多的汽车上配备gps，不必再安装其余的传感器，降低了系统的成本；（4）抗干扰性好、保密性强1.3.8多传感器信息融合防撞系统 充分利用多个传感器资源，把来自多个信息源的数据加以校准、联合、相关，合并，将包含了相似特征的不同种类或形态的数据，按照一定的原则和方法进行比较、取舍和综合判断，获得被测对象的一致性解释或描述。 优点：1提高可靠性。2扩展

20、时间和空间扩展范围。3增强实时处理能力。代表： 1、基于gps与zigbee无线网络通信的防撞系统 采用gps进行远距离系统定位，gps的定位数据通过zigbee无线网络传输信息，报臀控制器根据本机和机群内部其他养护大机的gps定位信息计算出两车的相对距离、相对速度、航向角，最后根据预设的养护大机安全参数进行撞车危险性判定，输出相应的报臀信息。预警距离长100-1000m。但容易受到天气影响，造价高。一般用于火车等。定位精度高。 2、基于摄像机和激光测距的汽车防撞系统 车载摄像机和激光测距的汽车防撞系统可以自动测量本车与前方车辆之间的相对距离和相对速度，然后据其计算出的安全距离，进行危险判断，

21、及时提醒驾驶员作出相应动作以避免汽车得碰撞。采用立体视觉图像和激光测距相融合，克服了单一传感器可靠性低、有效探测范围小的缺点，从而保证了系统在任何时刻都能提供完全可靠的信息，几乎不存在距离和速度的模糊。1.4本课题研究的主要内容通过在汽车上安装各种传感器的方法来对车辆的形式参数进行实时监测，是车辆安全的核心问题。所提取的车辆信息的可靠性和准确性也是核心问题之一。对汽车防撞预警系统来讲，选取测距模式和数据处理方式是至关重要的。车载雷达测量过程中，存在大量干扰，对目前防撞系统的制作，有两个基本问题需加以解决：测距精度问题：在现有条件下，合理选取一种精度高、易于实现的传感器至关重要。本文选取了hc-

22、sr04超声波探测器，其使用方便，价格合理。而且可以很好地探测2cm-400cm距离范围内物体。 器件选购也比较容易。信号实时性问题：倒车雷达作为车辆安全的重要部分，其实时性至关重要 。本文选取fpga芯片作为信号数据处理器，其可以并行执行多个进程，增强了系统的实时性和可靠性，并可以并行传输数据，及时的动态显示当前车辆行驶状态。第二章 系统硬件电路设计fpga芯片具有良好的实时性，调试过程中可以直接将控制程序通过下载线写入芯片中，为设计带来极大的便利。fpga芯片通过晶振计数来对hc-sr04超声波模块产生的回波计时，进而计算出物体距离，再通过1602显示输出。fpga芯片1602显示屏hc-

23、sr04超声波模块图2-1 基于fpga超声波测距系统硬件框图2.1 fpga对于设计的必要性fpga是一种半定制的集成电路，结合当代计算机技术可以封边快捷的构建数字系统。fpga芯片采用硬件语言编程，具有很强的逻辑组合能力和时序控制能力。虽然没有指令控制系统，控制能力相对较弱，但对于通信接口，特别是对于不同速率、不同协议的高速通信接口可以桥接和耦合。运行速录非常迅速。用fpga芯片，利用其丰富的内部资源将计时、提供驱动等逻辑功能集中在一块芯片内部实现，体积很小，和其本身强大的时许处理能力和较高的运行速度来完成此项设计。fpga是现场可编程门阵列（field programmable gate

24、 array）的简称，fpga器件机器开发系统是在cpld基础上发展起来的新技术。他利用计算机辅助设计，绘制出实现用户逻辑的原理图、硬件描述语言等方式记性设计输入，实现了满足用户要求的专用集成电路，真正达到了用户自行设计、自行研制和自行生产集成电路的目的。其显著特点是高速、高密度、小型化。期间密度从几万系统门到几千万系统门，系统性能可以达到数千兆赫兹。设计灵活方便，可无限次反复编程，并可现场模拟调试验证，大大缩短电子系统开发周期。2.2 fpga的结构、工作原理和选型依据 当前主流fpga生产厂家有alter、xilinx、actel、lattice四家。生产的芯片基本结构大体相同，分为：可编

25、程i/o单元、嵌入式arm、丰富的布线资源、底层嵌入式单元、基本可编程逻辑单元。如下图所示： 图2-2 fpga芯片结构（1） 可编程i/o单元：芯片与外界电路接口的部分，完成不同电气特性对输入输出信号驱动与匹配要求。（2） 基本可编程逻辑单元：是可编程逻辑的主题，依据具体设计可以灵活的改变内部链接和配置，完成不同的逻辑功能。（3） 嵌入式arm：当前多数fpga芯片都内嵌有ram块，大大地拓展了fpga的灵活性和应用范围。fpga内嵌的ram块可以灵活配置单端口ram、双端口ram、伪双端口ram、fifo、cam等常用存储器结构。（4） 丰富的布线资源：布线资源联通芯片内部所有资源，连线长

26、度和工艺决定信号在连线上的驱动能力和传输速度。fpga内的布线资源依据尺寸和工艺被分为不同等级。使用过程中，设计者不需要直接选择布线资源，而是系统布线器自动布线联通所用底层单元模块。（5） 底层嵌入功能单元：是指通用程度较高的嵌入式功能模块，当前多数fpga厂商都在芯片内部集成dll和pll硬件电路，用来完成时钟的功能。发展趋势是芯片内部集成的dll和pll资源越来越丰富，功能愈发复杂而且包含dsp和cpu等软驱里核，进而由传统硬件设计手段逐渐过渡为系统设计平台。（6） 内嵌专用内核：主要指一些通用性较弱，非所有fpga芯片都包含的的硬核。基于以上方面考虑，本设计选用altera公司的apex

27、 2系列的ep2a15b724c8型的fpga芯片，其主要特性如下：u 具有1gbps true-lvds特性，而且额外结合624 mbps flexible-lvds通道，可提供多达124条支持高性能差动i/o的输入和输出通道。u 支持常用的lvds、lvpecl、pcml（准电流模式逻辑）以及等同速率下的hypertransport接口。u 采用tsmc最新的0.15mm全通工艺制造，与采用铝内连工艺制造的器件相比，采用所有层铜互联技术的器件性能可以提高3040%之多。u 借助0.15mm晶体几何管工艺，可以在一片芯片上集成超过8.9万个逻辑单元和1.5mbits片上ram.u 在设计时充

28、分考虑了特殊应用和高速总线接口的需要，特别是集成了pos-phy l4、utopia l4、flesbus l4、rapidio和hyper transport支持功能，可以与数据通路中assp、包处理器、主处理器和其他器件接口。u 器件的密度范围为16640逻辑单元和425984 memory bits的片上ram.u 完全基于bga封装技术，引脚间距1.27mm。2.3超声波传感器的选择和超声波测距原理2.3.1超声波传感器的选择超声波至振动频率大于20khz以上的，超出人耳听觉上限的声波。超声波发生器分为电气方法产生超声波和机械方式产生超声波两种，其所产生的超声波功率、频率各有不同，用途

29、也不一样，电气方法产生超声波的传感器比较常见。为了发挥设计的可行性，采用现成模块化系统。由于传感器使能信号是由fpga产生的ttl3.3v方波信号，故超声波传感器的工作电压不能过高，否则需要配备变压器和继电器；本设计是一种用于车载的收发一体式超声波测距系统体积也不宜过大。超声波传感器的主要性能指标包括：（1） 灵敏度：其主要取决于模块本身。机电耦合系数小，灵敏度低；机电耦合系数大，灵敏度升高。（2） 工作温度：当工作温度比较低时，可以长时间工作而不失效，因为压电材料的居里点比较高，尤其是诊断用超声波探头使用功率较小。医用超声波探头功率大，温度比较高，需要单独配备冷却设备。（3） 工作频率：即压

30、电晶振的共振频率。若需灵敏度达到最高，必将它两端交流电压的频率和晶片共振频率相等，此时输出能量最大。 基于以上考虑，本设计试用压电式超声波传感器hc-sr04，其本身是一种小功率收发一体、高度集成化切体积小的超声波模块，只需fpga提供使能信号、接收回传信号就可以正常使用测量距离。其性电气参数如下表： 表2-1 超声波模块电气参数表电气参数hc-sr04超声波模块工作电压dc5v工作电流15ma工作频率40hz最远射程4m最近射程2cm测量角度15度输入触发信号10us的ttl脉冲输出回响信号输出ttl电平信号，与射程成比例规格45*20*15mm 该模块自动连续发送8个40khz的方波，自动

31、检测是够有信号返回，工作过程如下图： 图2-3 hc-sr04模块工作时序图上图表明，只需要提供一个10us以上的脉冲触发信号，该模块内部将发出8个40khz周期点评并自动检测回波。当检测到有回拨信号则输出回响信号。回响信号的脉冲快读与探测到的距离呈正比关系。由此通过晶振计数得到时间间隔，可以计算得到所测距离。2.3.2超声波测距原理1946年galt和pellam首次提出了脉冲回波法，即利用超声波对物体的反射特性惊醒距离测量。用压电法产生超声波的传感器，使能信号驱动传感器探头向外发射超声波信号，同事自动检测回拨信号，通过晶振计时，记录从发送超声波到接收到回波的时间，利用公式：计算出传感器与被

32、测物体之间的距离。原理如图3333所示：图2-4 超声波测距原理图图中被测距离为s，l为两传感器探头中心距离的一半，运用勾股定理可得：当s远大于l时在超声波传播过程中，很多因素都会产生影响，为了简化模型，一般只考虑温度的影响，沿用公式： c是声速，t是温度（摄氏度），k是常数273.16.所以，当声速确定后，回响时间t就成为测距关键。2.4 显示器件的选择对于显示器件有如下考虑：现有的显示器件中，lcd和led试用最为广泛，lcd显示器功耗低，体积小，重量轻，可以显示汉字，清晰美观。与lcd相比，led虽然价格低廉，但是显示内容过于单调，无法显示汉字。经过比较考虑，本设计采用1602lcd液晶

33、显示器作为执行单元显示测距距离。其主要技术参数如下表： 表2-2 显示器参数显示容量162个字符芯片工作电压4.55.5v工作电流2.0ma（5v）最佳控制电压5.0v字符尺寸2.954.35mm2.5 本章小结通过对fpga相关知识的介绍，说明了本设计采用fpga芯片的必要性，对fpga的结构以及工作原理进行了分析，作为选择fpga的选择依据。硬件设计中，器件的选择对于整个系统设计至关重要，本章还详细介绍了系统其他模块快：数据采集模块和执行模块的选择依据及其选择的优缺点和介绍了超声波的测距原理。第三章 系统软件设计3.1系统软件设计整体框架 下图给出了系统软件设计的整体框架。在vhdl语言中

34、，各个子进程并行执行，而且每个进程都是完成相对独立功能的模块，故软件程序并非按照顺序方法编写的，而是将整体划分为小模块，每个子模块进行设计综合。但应严格控制时序。 图3-1 软件系统流程图信号采集进程中，软件驱动超声波模块，使其发出超声波，同时高速计数器开始计数，检测到回波后，开始停止计数，经过计算后将数据传给1602显示器显示结果。3.2分频模块设计本身采用全局晶振为50mhz的fpga芯片，而人体的视觉停留只有25毫秒，所以控制显示器扫描的时钟信号需要分频。分频部分源程序： cfxh: process(clk) begin if(clkevent and clk=1)then ff=ff+

35、1; if (ff=00000000000000010000) then ee=1; else ee=0; end if; end if; end process cfxh;3.3超声波回波数据处理3.3.1计数处理计数部分为本设计的核心，为了更加精确，技术晶振采用外接晶振代替。计数方式是通过外界晶振计数回响电平持续时间来进行的。超声波在测距实验中传播速度可以近似认为稳定，假设超声波速度为340m/s，设定测距技术脉冲有k个，那么距离s为：计算后的单位为mm。在编程过程中，由于加法的实现远比乘法简洁，故采用加法做乘法：每个发生一个计数电平就加上170，而不是先计数再乘以170。但是在具体试验调

36、试过程中，由于超声波在空气中的传播速度受到温度、湿度等因素的影响，在实际操作中传播速度并不是340m/s，而是近似290m/s。所以程序中每个计数周期加145。源程序如下：js: process(clk) begin if(clkevent and clk=1)then if reset=0 then cnt_jian= 0 ; data_th = 00110000 ; （加80h变ascii码送显示） data_hu = 00110000 ; data_ten= 00110000 ; data_ge = 00110000 ; qv=00110000; bv=00110000; sv=0011

37、0000; gv=00110000; gh= 0 ; wadd=0; end if; if(mc=1) then gh=gh+145; current current if gh 1000 then (分别提取个十百千位) current = thousand ; tt=cnt_jian; else gh = gh-1000 ; cnt_jian if cnt_jian 1000 then current = hundred ; else cnt_jian = cnt_jian-1000 ; data_th qv=data_th; ccq1=data_th; ramtmp1(conv_inte

38、ger(wadd)=ccq1; if cnt_jian 100 then current = ten ; else cnt_jian = cnt_jian - 100 ; data_hu bv= data_hu ; ccq2=data_hu; ramtmp2(conv_integer(wadd)=ccq2; if cnt_jian 10 then current = ge_wei ; else cnt_jian = cnt_jian - 10 ; data_ten sv=data_ten; ccq3=data_ten; ramtmp3(conv_integer(wadd)=ccq3; if c

39、nt_jian 1 then wadd=not wadd; current = over; else cnt_jian = cnt_jian - 1 ; data_ge = data_ge + 1 ; gv=data_ge; ccq4=data_ge; ramtmp4(conv_integer(wadd) gh=0; cnt_jian= 0 ; data_th = 00110000 ; （对所提取位分别加上80h，送显示） data_hu = 00110000 ; data_ten= 00110000 ; data_ge null ; end case ; end if ; end if;3.

40、4扫描显示模块显示数据单位是mm，本设计中，通过对1602显示器的初始化，将mm这个字符作为单位固定显示在屏幕中，动态数据依据3.4模块中送来的结果动态显示。流程图如下：图3-3 动态扫描框图3.5 本章小结本章主要分块阐述了本设计软件编程的思想和部分流程图、源程序。每个模块的设计都经过独立的编译、仿真验证。第四章 系统开发与调试4.1系统开发环境quartus 本设计以altera公司生产的ep2a15b724c8芯片作为数据处理的主控部分。开发工具采用altera公司为fpga开发提供的集成开发环境quartus。 图4-1 quartus设计流程altera的quartus ii软件作为

41、fpga的设计环境，因其强大的设计能力和直观易用的接口，受到大量数字系统设计者的欢迎。系统设计者可以利用quartus ii软件评估hardcopy stratix器件的性能和功耗，从而进行最大吞吐量的设计。altera的quartus ii软件属于第四代pld开发平台该平台能够胜任一个工作组的设计要求，支持基于internet的协作设计。该平台还与各大主流eda供应商相应的开发工具兼容，并且大幅提升了调试能力。当前最新版本的quartus ii软件可以支持几乎所有altera公司生产的fpga芯片。该软件通过增强层次logiclock模块设计方式，能良好的改善性能。4.2 系统编程语言vhd

42、lvhdl是一种硬件描述语言。20世纪80年代美国国防部提出了vhsic计划目标之一是为了完成下一代集成电路的生产。vhdl诞生于1982年。1987年，ieee和美国国防部确定其为标准硬件描述语言。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了vhdl的内容，公布了最新版本的vhdl，即ieee标准的1076-1993版本。现在vhdl已经成为事实上的通用硬件描述语言。vhdl语言打破了软件和硬件的界限。其用软件的方式设计系统，在硬件领域可以用vhdl语言代替原理图、逻辑状态图等。同时具备较强的抽象描述能力，可进行系统级别行为描述，描述简介，效率更高。描述与

43、实现工艺无关，可读性很强易于修改和发现错误。vhdl主要用于描述数字系统的结构、行为、功能和接口。除了含有许多具有硬件特征的语句外，其语言形式和描述风格与句法十分类似于一般计算机高级语言。应用vhdl语言进行工程设计优点是多方面的：1 与其他硬件描述语言相比，vhdl具有更强的行为描述能力2 vhdl具有丰富的仿真语句和库函数，任何大型系统设计早期就能查验设计系统的功能可行性，随时对系统进行仿真模拟。3 vhdl语句的行为描述能力和程序结构，决定了它具有支持大规模设计的分解和对已有设计的再利用功能。4 用vhdl完成一个确定设计，可以利用eda工具进行逻辑综合和优化，并自动把vhdl描述设计转

44、变成门基网表。这种方式突破了门级设计的瓶颈，减少了集成电路设计的时间和错误率，降低开发成本。5 vhdl对设计描述具有相对独立性。6 vhdl语言具有类书描述语句和子程序调用等功能，对于设计，在不改变源程序的条件下，只改变类属参量或函数，就能轻易地改变设计的规模和结构。因此，考虑到各种硬件设计方法各自的优点，结合本设计的具体情况，本设计采用vhdl描述方法将fpga内部功能划分为多个独立的、规模较小的底层模块，用vhdl语言实现，流出必要的功能接口，实现上层逻辑功能，如图： 图4-2 vhdl的设计框图4.3 fpga器件配置和下载将已经在quartus ll 开发环境下编译生成的目标文件通过

45、jtag下载电缆直接下载到fpga芯片中，就可以完成在线编程和配置。jtag是一种主要用于芯片内部测试的国际标准测试协议。一半高级电子器件都支持jtag协议，如fpga、dsp器件。jtag最初是用来对芯片进行测试的，现在还用于实现isp，对flash等器件编程。标准jtag接口是4线：tck、tms、tdo、tdi，分别为时钟、模式选择、数据输出线和数据输入线。可对psd芯片内部所有部件进行在线编程，大大加快工程进度。硬件结构方面，jtag接口分为控制器和端口两部分。4.4 基于fpga超声波测距系统性能分析 基于fpga的超声波测距系统的性能优势主要体现在以下两点：u 对超声波模块使能信号

46、的精确控制使用单片机作为数据处理器时，程序采用顺序执行方式，利用定时器中断方式产生的使能信号会有小幅误差（us级），无法对使能信号精确控制。fpga采用外接晶振1.25khz，程序是并行执行方式，因此理论误差远小于单片机产生的误差（ns级）u 对渡越时间的精确测量fpga片内的pll可以保证，各分频信号和全局时钟信号的同步性。技术误差也可以限定在极小的范围内，fpga中每个子程序也是并行关系，计数器独立计数，程序间不影响。故可以保证对渡越时间的精确测量。第5章 总结与展望5.1 本文的主要工作和结论 本文的内容是车辆防撞系统的研究和基于fpga的超声波测距防撞系统的设计。采用fpga芯片取代更

47、为常用的单片机作为主控芯片，利用外接晶振计数计算测距时间，提高了计时精度；解决了单片机作为主控芯片时，对于使能信号控制不精确的问题。从而在整体上提高了超声波测距系统的测量精度。具体工作如下：1. 通过查阅大量文献资料梳理了当前主流的汽车防撞系统技术，并分析各种手段的优缺点，得出超声波测距防撞系统的优越性。2. 详尽分析fpga芯片的特性和优点，分析了其作为本实验主控芯片的必要性。3. 选用altera公司的apex 2系列的ep2a15b724c8型的fpga芯片作为本设计的主控芯片搭建平台，分析了超声波特性、测距原理和使用hc-sr04模块对本实验的必要性。对比分析了lcd和led的性能特点

48、，及其采用lcd的优势。4. 采用硬件语言vhdl，利用从顶层到底层的设计方式，经系统分为若干子程序设计实现功能。并调试程序。5. 通过试验比较本设计的优越性。介绍了fpga的开发环境quartus ll，分析了本设计的性能。该超声波测距防撞系统结构简单，性能稳定，精度高，功耗低，易于扩展，抗干扰能力强。可以实现生活中中近距离的精确测距。5.2 展望本文工作只是超声波测距防撞系统的设计初步，在调试过程之中，实现了设计目的，但在实际应用、大批量生产等环境考虑仍有不足，需要改进。1. 超声波模块本身的精度本文设计中使用的超声波模块较为低端，但是足够常见，适合本科阶段电子通信专业学生入门使用，但是由

49、于本身造价相对低廉，设计较为粗糙，制作工艺也比较普通。若用在实际批量生产中，应使用更高精度的超声波模块替代。2. 信号分频为了提高设计的可行性，程序编写过程中对fpga芯片自带全局晶振仅在1602扫描显示中使用，为提高精度，测距晶振没有使用全局晶振分频，而是直接外接。这无疑提高了设备复杂度。3. 系统外部拓展fpga具有大量外部拓展管脚，是的本系统可以进一步拓展，实现更为丰富的功能。例如，可以在本设计中加入一个蜂鸣器，在所测距离小于一定值时，使其驱动蜂鸣器，在听觉上丰富本设计。4. 系统抗干扰能力fpga作为一种在线可编程逻辑器件，虽在开发过程中具有良好的稳定性，但对于外部噪声较大环境下抗干扰

50、能力欠缺。由于本人能力、时间有限，本设计虽已达到实验目的但仍存在很多不足，配合实际工业测量用途，实地调研和环境考察有所欠缺，系统功能仍需要进一步改进与完善。参考文献1 胡萍.超声波测距仪的研制.计算机与现代化.2003，7：21-23.2 时德刚，刘哗. 超声波测距的研究.计算机测量与控制.2002,9: 34-543 苏长赞.红外线与超声波遥控.北京.人民邮电出版社.1993.7: 41-834 张谦琳.超声波检测原理和方法.北京.中国科技大学出版社.1993.10: 21-295 潘松，黄继业.eda技术与vhdl.北京.清华大学出版社.2007：23-246 王开军,姜宇柏.面向cpld/fpga的vhdl设计.机械工业出版社.2006,12：28-657 吴超.基于fpga的超声波测距系统.武汉理工大学硕士学位论文.20098 彭俊.基于fpga的温度采集控制器的分析和设计.同济大学硕士学位论文.20079 陈云超.基于f