基于SOPC技术的超声波扫描倒车探测器

基于SOPC技术的超声波扫描倒车探测仪邵丽华张小花付慧慧甘江英（指导老师：龚兆岗教授）摘要：本设计装置名称为“基于SOPC技术的超声波扫描倒车探测器”，即在NiosⅡ处理器的设计平台上采用超声波测量物体距离的传感方式，应用步进电机带动超声波传感器对车后进行180度全方位扫描，得到超声波传感器测得的车与障碍物的相对距离信息和步进电机的角度方向信息，NiosⅡ软核处理器将此信息综合分析后得出车后障碍物的具体方位信息，并将车后障碍物的具体方位以光标动态闪烁的方式实时地显示在LCD显示屏上。关键词：SOPC超声波步进电机NiosⅡ软核处理器FPGAIP核SOPC-basedtechnologyultrasonicscanningdetectorinreversingShaoLihuaZhangXiaohuaFuHuihuiandGanJiangying（GuidanceTeacher:GongZhaogang)Abstract:Thedesignofthedeviceknownasthe"SOPC-basedtechnologyultrasonicscanningprobereverse",thatis,intheNiosⅡprocessorplatformdesignobjectsusingultrasoundmeasurementofthedistancesensingmodalities,steppingmotordriveapplicationofultrasonicsensorsonthecarafterthe180All-timescanning,ultrasoundsensorstobemeasuredvehiclebarriersandtherelativedistanceanddirectionofthesteppermotorpointofinformation,NiosⅡsoft-coreprocessor,acomprehensiveanalysisofthisinformationafterthevehiclereachedtheconcretebarrierafterthepositioninformation,Afterthevehiclesandobstaclestothespecificpositionthecursorflashingdynamicapproachtoreal-timedisplayontheLCDscreen.Keywords:SOPCultrasonicsteppermotorNiosⅡsoft-coreprocessorFPGAIPcore1引言随着汽车逐渐进入百姓家庭，保障行车安全的各个细节越来越受到人们的重视，安装倒车雷达，可以使驾驶员泊车更加安心。目前汽车市场上倒车雷达种类繁多，其性能主要从探测准确性、显示稳定性、探测范围和捕捉目标的速度来考虑。通常，探头的数量决定了倒车雷达的探测覆盖能力，探头越多越能减少探测盲区。但是,目前倒车雷达运用的超声波探测是从一点或者多点进行探测，探测范围不能很好地覆盖整车后周围，即便采用多探头提高覆盖能力，但其安装方式复杂累赘，且影响车的美观；而且倒车雷达多采用极限报警，即探测到障碍物距离小于设定的安全距离时发出声音或者灯光报警，不能对车后有效范围内的障碍物进行较为全面的、直观的实时监控。因此，本设计装置基于NiosⅡ处理器，采用超声波测量物体距离的传感方式，应用步进电机带动超声波传感器对车后进行180度全方位扫描，得到超声波传感器测得的车与障碍物的相对距离信息和步进电机的角度方向数据，利用NiosⅡ软核处理器将此数据综合分析后得到车后障碍物的极坐标值，并将其坐标值以光标动态闪烁的方式实时地显示在LCD上。2超声波测距离原理超声波是由机械振动产生的，可在不同介质中以不同的速度传播，具有定向性好、能量集中、传输过程中衰减较小、反射能力较强等优点。超声波传感器可广泛应用于非接触式检测方法，它不受光线、被测物颜色等影响，对恶劣的工作环境具有一定的适应能力，因此在本倒车扫描系统中应用超声波进行障碍物的测量。本实验装置中超声波测距是通过在一个设定的周期内连续发射若干个超声波信号，不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出一个时间周期内发射和接收回波的时间差Δｔ，然后求出障碍物距离S。在速度ｖ已知的情况下，距离S的计算，公式如下：S＝ｖΔｔ／２（1）在空气中，15℃下超声波的传播速度是340米／秒，但其传播速度Ｖ易受空气中温度、湿度、压强等因素的影响，其中受温度的影响较大，如温度每升高１℃，声速增加约０.６米／秒。因此在测距精度要求很高的情况下，应通过温度补偿的方法对传播速度加以校正。已知现场环境温度Ｔ时，超声波传播速度Ｖ的计算公式如下：Ｖ＝３３１．５＋０．６０７Ｔ（2）将公式（2）代入公式（1）得到实际距离S的计算公式如下：S=(331.5+0.607T)Δｔ／２(3)这样，只要测得超声波发射和接收回波的时间差Δｔ以及现场环境温度Ｔ，就可以精确计算出发射点到障碍物之间的距离。3系统硬件框图系统硬件框图如图-1所示。图-1系统硬件框图“基于SOPC技术的超声波扫描倒车探测器”总体结构主要由AlteraFPGA开发平台、超声波传感器、步进电机、位置传感器以及LCD显示器等组成。为完成串行口通信、SDRAM、FLASH芯片访问等功能，本设计系统配置了基于Avalon总线的SDRAM接口、SRAM接口、FLASH接口、时钟TIMER、UART核等组件。3.1超声波控制IP图-1中超声波控制IP完成对超声波传感器的控制。包括：控制超声波传感器发送40KHz超声波，同时给定时器控制器一个开始信号，使其控制定时器开始计数；超声波传感器接收被障碍物反射回来的超声波后，给定时器控制器一个结束信号，使其控制定时器结束计数。由NiosⅡCPU处理器通过计算超声波收发之间的时间差来确定车与车后障碍物之间的距离。本实验装置中超声波测距是通过在一个设定的周期内连续发射若干个超声波信号，不断检测5系统软件流程图系统软件流程图如图-5所示：图-5系统软件流程图软件部分最主要的是实现图像数据的采集、读写、传输、显示。主控函数，主要是图像数据的读取、显示。用中断来通知系统完成以下具体的工作指令：半周扫描结束，数据写入SRAM，与SRAM中原有无障碍坐标图进行比较综合，在LCD上显示图像。图像数据处理显示模块软件流程图如图-6所示：(1）调用开始中断和读数值转换为一维地址值，该一维地址值需要写入自行设计的SRAM_LCMIP，将该一维地址值赋给一数组中的相应元素。(2）从SRAM中读取无障碍坐标底图数据，每读取一个数据，将其地址与该数组中每个元素进行比较，若匹配则将数组中元素的值与从SRAM中读取的数据作“或”运算，将运算结果存入寄存器；若两者不相同，则直接将从SRAM中读取的数据存入寄存器。(3)

将寄存器中的值写入SRAM_LCMIP。图-6

图像数据处理显示模块软件流程图5结果分析本装置中，将一个超声波传感器固定在步进电机轴杆上，用步进电机带动超声波传感器做匀速扫描运动，不仅能够检测到车尾中心正后方的障碍物，也能检测到整个车尾后方的障碍物，图-7为测到的障碍物在LCD上的显示图像，其中三个红色的圆点分别代表所测到的三个障碍物。因此可以说本设计很好地完成了预定功能。图-7车后障碍物在LCD上的显示图像6总结（1）本设计装置在性能上具备探测范围广、捕捉目标速度快、显示分辩率高等特点,可以应用到各种车型中，实现实时倒车泊车监控。（2）将超声波传感器固定在步进电机轴杆上，用步进电机带动超声波传感器做匀速扫描运动，实现对车后障碍物的全方位动态扫描，提高了探测覆盖能力，减少了探测盲区，可获得较详尽的车后障碍物情况。（3）将检测到的车后障碍物以光标动态闪烁方式在LCD上显示出来，实现对车后障碍物的实时监控，给驾驶员一个简洁、直观、清晰的车后障碍物动态视觉信息。(4)NiosⅡ符合工业技术的发展潮流，即硬件设计软件化，可以结合FPGA做出很多比较理想的东西，这就是NiosⅡ乃至其他所有软核CPU的最大的意义所在。本设计采用基于FPGA嵌入IP硬核的SOPC系统，系统更为灵活，功能更为强大，对更多任务的完成具有更好的适应性。设计方式灵活，不仅利用其自带的IP核，还构建自定义IP核，如超声波传感器控制IP、步进电机控制IP，大大提高了数据的处理速度，降低了成本。(5)采用模块化的设计方法和思路。NiosⅡ软核处理器最大的优势和特点是模块化的硬件结构，以及由此带来的灵活性和可裁减性。相对于传统的处理器，NiosⅡ系统可以在设计阶段根据实际需求来增减外设的数量和种类。而且，SOPCBuilder还提供了标准的接口方式，以便用户将自己的外围电路做成NiosⅡ软核可以添加的外设模块。这种设计方式，更加方便了各类系统的设计调试。参考文献[1]周立功.SOPC嵌入式系统基础教程.北京航空航天出版社.2006.11[2]沈津农.传感器及应用技术.化学工业出版社.2002[3]夏宇闻.Verilog数字系统设计教程.北京航空航天出版社.2003.7[4]李兰英.NiosII嵌入式软核SOPC设计原理与应用.北京航空航天大学出版社.2006.11[5]徐光辉.基于FPGA的嵌入式开发与应用.电子工业出版社.2006.9[6]孙明珠.VB程序设计实习指导.天津大学