胡 寧，李斌斌 Hu Ning，Li Binbin

基于CAN總線的智能車燈設(shè)計

胡 寧，李斌斌 Hu Ning，Li Binbin

（長安大學(xué) 汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

為引起行人對夜間行駛過程中汽車的注意，避免造成車燈晃眼而引發(fā)交通事故，提出了一種結(jié)合90C51單片機和汽車CAN總線的智能車燈控制系統(tǒng)，首先通過安裝在汽車前端的激光雷達(dá)來檢測前方是否有行人，并且可以通過連續(xù)接收的雷達(dá)間隔時間結(jié)合汽車車速判斷行人的行走方向，以此決定車燈的變換。智能車燈設(shè)計系統(tǒng)關(guān)鍵在于可以通過自動檢測使車燈自動變換，而不需要人為長時間手動控制車燈，進一步降低交通事故的發(fā)生率和減少駕駛疲勞，保證行車安全。

激光雷達(dá)；CAN總線；單片機；智能車燈

0 引 言

近幾年來，交通事故的發(fā)生率居高不下，每年因為交通事故死亡的人數(shù)一直占據(jù)很大的比重，而事故的原因大多數(shù)是由駕駛員錯誤操作或行人不留意道路車輛而引起。夜間駕駛員很難辨別遠(yuǎn)處是否有行人，常常會由于剎車不及時而釀成交通事故。為了減少駕駛?cè)说鸟{駛疲勞，及時發(fā)現(xiàn)行人提前做出反應(yīng)，設(shè)計中利用激光傳感器提前檢測行人以及行人的行走方向和速度，綜合自身速度利用遠(yuǎn)近光連續(xù)變換來提醒行人，最終會根據(jù)行人運動方向而開啟遠(yuǎn)光燈或者近光燈，減少燈光對行人眼睛的刺激，大大降低事故的發(fā)生率，避免更大的人員傷亡。

如今，CAN總線廣泛應(yīng)用在汽車上已經(jīng)有近十年的歷史。利用CAN總線可以方便快捷地獲取各節(jié)點想要獲取的數(shù)據(jù)，并且節(jié)點本身的數(shù)據(jù)可以通過CAN總線發(fā)送到其他任意節(jié)點，CAN總線是汽車智能化，包括無人駕駛技術(shù)以及汽車輔助駕駛技術(shù)的基礎(chǔ)。以CAN總線為基礎(chǔ)設(shè)計的智能車燈控制系統(tǒng)具有很好的前景，如今各大車企都試圖與IT企業(yè)合作開發(fā)，汽車安全會被放在越來越突出的位置，這體現(xiàn)了基于CAN總線的智能車燈控制系統(tǒng)的價值以及良好的前景。

1 智能車燈的總體設(shè)計

設(shè)計采用90C516BD+單片機控制車燈的開啟和關(guān)閉，利用現(xiàn)今廣泛應(yīng)用的汽車CAN總線作為傳播媒介，通過安裝在汽車前方的激光雷達(dá)傳遞過來的時間結(jié)合汽車CAN總線的車速節(jié)點請求數(shù)據(jù)信號判斷行人的行走方向，經(jīng)MCU分析后做出決策，進一步控制車燈的遠(yuǎn)近光。

系統(tǒng)首先判斷前方行人的行走方向，當(dāng)汽車檢測到行人同汽車同向時，單片機控制車燈遠(yuǎn)光燈開啟0.5 s，近光燈開啟0.5 s，這樣閃爍5 s的時間，為了保證汽車的行車安全，最終汽車?yán)^續(xù)開啟遠(yuǎn)光燈；當(dāng)汽車檢測到行人同汽車逆向時，單片機控制車燈遠(yuǎn)光燈開啟0.5 s，近光燈開啟0.5 s，這樣閃爍5 s的時間，為了防止車燈對行人眼睛的刺激，最終汽車?yán)^續(xù)開啟近光燈。

系統(tǒng)設(shè)計基于未來的實際應(yīng)用，運用模塊化的設(shè)計思路，系統(tǒng)的主要模塊有電源模塊，感知模塊，控制模塊，通信模塊和核心處理器模塊。

1.1 核心處理器

設(shè)計的核心處理器采用51系列的單片機90C516BD+，即89C51的升級版本。90C516BD+作為新一代高速低功耗單片機，指令代碼與傳統(tǒng)51單片機完全兼容，內(nèi)部集成專用復(fù)位電路MAX810，當(dāng)晶振為12MHz以下頻率時，復(fù)位腳可直接接地。90C516BD+單片機內(nèi)置8位中央處理單元，有3個16位定時/計數(shù)器和5個兩級終端結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器采用的字節(jié)數(shù)為512，90C516BD+包括4個I/O口[1]。除此之外，此單片機也可以在低功耗模式工作，可以工作在空閑或者掉電模式，當(dāng)單片機處在空閑模式時，即使單片機的CPU停止工作，但其定時器、串口和中斷將繼續(xù)維持其功能；在掉電模式下，RAM的數(shù)據(jù)保存，其他的功能模塊將會停止工作。在此設(shè)計中，51單片機的P0口被用來控制汽車CAN通信以及數(shù)據(jù)的輸入輸出。

1.2 電源模塊

設(shè)計的電源采用7.2V的直流電源經(jīng)過LM7805穩(wěn)壓芯片調(diào)整為5.0V的電壓，單片機以及傳感器模塊、CAN通信模塊都可以在5V電壓基礎(chǔ)上經(jīng)過處理后正常工作。電源模塊電路如圖1所示。

1.3 通信模塊

設(shè)計的通信模塊主要是由CAN總線構(gòu)成，CAN總線是世界上最廣泛的現(xiàn)場總線之一，主要負(fù)責(zé)51單片機與汽車各節(jié)點之間的雙向通信，CAN總線在1991年9月由德國BOSCH公司制定發(fā)布，目的是解決汽車各個控制器件之間頻繁的數(shù)據(jù)交換，該技術(shù)規(guī)范包括A和B兩部分[2]。CAN2.0A協(xié)議規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)幀格式，標(biāo)準(zhǔn)幀中報文的識別為11位，報文總計11個字節(jié)，其中包括幀信息1個字節(jié)，幀ID 2個字節(jié)，數(shù)據(jù)幀8個字節(jié)[3]；與標(biāo)準(zhǔn)幀不同的是，CAN擴展幀的幀ID為4個字節(jié)。CAN是一種多自主總線，通信介質(zhì)可以是雙絞線、光纖或者同軸線。CAN總線的傳播速度最高可以達(dá)到1 Mbps，實現(xiàn)了ISO 11898標(biāo)準(zhǔn)的物理層要求；當(dāng)傳輸速率為5 kbps時，傳輸距離可以達(dá)到10 km。設(shè)計采用MCP2515CAN控制器用于網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸控制，對于一般模式，增加了Pelican新模式；CAN收發(fā)器采用TJA1050作為控制器與總線之間的電壓轉(zhuǎn)化器件。

1.4 傳感器模塊

因設(shè)計需要采集前方是否有行人以及行人的行走方向，所以采用的傳感器模塊為激光雷達(dá)傳感器，激光雷達(dá)是以發(fā)射激光束探測目標(biāo)的位置、速度等特征量的雷達(dá)系統(tǒng)。從工作原理上講，與微波雷達(dá)沒有根本區(qū)別，但是探測的距離范圍比微波傳感器遠(yuǎn)得多，向目標(biāo)發(fā)射探測信號，然后將接收到的從目標(biāo)反射回來的信號與發(fā)射信號進行比較，適當(dāng)處理后，可以獲得目標(biāo)的有關(guān)信息，如目標(biāo)距離、方位、高度、速度、姿態(tài)、甚至形狀等，從而對飛機、導(dǎo)彈等目標(biāo)進行探測、跟蹤和識別[4]。傳感器探測的信號通過電信號傳遞給單片機，作為整個智能系統(tǒng)的認(rèn)知部分。

1.5 輸出模塊

輸出模塊主要是對車輛的近光燈和遠(yuǎn)光燈分別用2個LED燈進行模擬，因為LED燈使用比較方便，易于操作，并且完全可以達(dá)到模擬的效果。在設(shè)計中用紅色LED燈代表汽車近光燈，綠色LED燈代表汽車遠(yuǎn)光燈，直接與單片機的I/O口連接。

2 硬件設(shè)計

在智能車燈設(shè)計中，處理器對激光雷達(dá)采集的時間信號進行處理分析后，輸出對應(yīng)信號控制汽車遠(yuǎn)光燈和近光燈，判斷依據(jù)為：

1）當(dāng)傳感器檢測到前方有行人時，會向單片機發(fā)出高電平，觸發(fā)單片機的外部中斷，這時單片機輸出控制紅燈和綠燈閃爍，即為汽車遠(yuǎn)近光燈的交替變化；

2）在1）的基礎(chǔ)上，激光傳感器再次發(fā)送脈沖信號，通過與1）中發(fā)送脈沖信號接收時間的對比，結(jié)合自身汽車車速信息，判斷行人的行走方向。

當(dāng)行人與汽車同向時，單片機向綠色LED燈發(fā)送高脈沖，這時汽車遠(yuǎn)光燈亮起，保證汽車的行車安全；當(dāng)行人與汽車行駛方向相反時，單片機向紅色LED燈發(fā)送高脈沖，這時汽車的近光燈亮起，防止車燈對行人眼睛的刺激而引發(fā)交通事故。

CAN控制器中MCP2515和90C516BD+的地址線和數(shù)據(jù)線是共用的，直接連接就可以，但是為了區(qū)分某個時間段發(fā)送的是數(shù)據(jù)還是地址，單片機必須要連接地址鎖存信號ALE，單片機直接與控制器MCP2515的讀寫信號相連，設(shè)計中采用MCP2515的RST復(fù)位端直接與90C516BD+的I/O口連接，單片機向I/O口輸送高電平使控制器硬復(fù)位。90C516BD+的中斷管腳與單片機的INT1連接，當(dāng)收到數(shù)據(jù)時通知單片機。

控制器的TXCAN和RXCAN分別與收發(fā)器TJA1050的TXD與RXD連接，而收發(fā)器CAN_H、CAN_L管腳分別連接至CAN總線的CAN_H與CAN_L，控制器的SPI總線模塊直接與單片機I/O口連接，這樣就組成了整個設(shè)計，如圖2所示。

設(shè)計中采用紅色LED燈與綠色LED燈對汽車的遠(yuǎn)近光燈進行模擬，單片機的高電平為5V左右，所以可以將燈直接連接在單片機上，使用起來特別方便，并且容易控制，只需單片機給管腳高電平即可點亮LED燈，如圖3所示。

3 軟件設(shè)計

CAN總線節(jié)點要快速、實時地完成通信任務(wù)，軟件的設(shè)計起到至關(guān)重要的作用，利用程序的結(jié)構(gòu)化設(shè)計，具有較好的模塊性、可理解性和移植性等特點[5]。

設(shè)計的軟件部分主要包括主程序、發(fā)送程序和接收程序，軟件主要包括1個主節(jié)點和2個從節(jié)點。激光雷達(dá)作為從節(jié)點將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過驗收濾波器和屏蔽濾波器傳至主節(jié)點，另外主節(jié)點發(fā)送遠(yuǎn)程幀向汽車的車速從節(jié)點發(fā)送請求車速報文，該從節(jié)點接收到主節(jié)點的請求信號，會立即做出響應(yīng)，向主節(jié)點發(fā)送帶有車速信息的報文，這樣主節(jié)點的單片機接收到2個從節(jié)點傳遞來的數(shù)據(jù)進行分析，判斷行人的行走方向，然后主節(jié)點的單片機分別向代表汽車遠(yuǎn)光燈的綠燈和代表汽車近光燈的紅燈發(fā)送高電平信號，通過LED燈的顯示信息可以方便快捷地實現(xiàn)智能車燈的控制。整個控制流程如圖4所示。

CAN總線發(fā)送請求的擴展幀信息見表1。

表1 汽車擴展幀信息發(fā)送內(nèi)容

標(biāo)識符IDPC1MODEPID測試內(nèi)容 0X18DB33F1（擴展幀）0X020X010X0C發(fā)動機轉(zhuǎn)速 0X020X010X0D行車速度 0X020X010X05冷卻液溫度 0X020X010X0F進氣溫度

由表1可以看出，請求汽車車速信息的主節(jié)點發(fā)送的報文標(biāo)識符ID為18 DB 33 F1共4個字節(jié)，數(shù)據(jù)幀為02 01 0D 00 00 00 00 00共8個字節(jié)，當(dāng)車速節(jié)點收到此報文后，會自動做出反應(yīng)，回復(fù)帶有車速信息的報文給主節(jié)點。此過程中報文發(fā)送程序流程如圖5所示。

報文接收程序流程如圖6所示。

4 結(jié)束語

基于CAN總線的信息傳遞，設(shè)計了智能車燈控制系統(tǒng)，可有效防止外界的干擾；并且當(dāng)其中1根CAN線破壞時不影響系統(tǒng)的正常工作，具有很好的穩(wěn)定性。既可以降低駕駛員因駕駛疲勞而引發(fā)交通事故，還能人性化提醒路邊行人，防止因行人不注意而造成傷亡。系統(tǒng)通過激光雷達(dá)傳感器檢測路上是否有行人，再與汽車自身車速的對比分析判定行人的行走方向，進而控制車燈，可以有效地方便駕駛員的操作，減少傷亡的發(fā)生。

[1]李朝青. 單片機原理及接口技術(shù)[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005：17-21.

[2]龍志強，李曉龍，竇峰山. CAN總線技術(shù)與應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2013：3-8.

[3]周立功. iCAN現(xiàn)場總線原理與應(yīng)用[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006：24-28.

[4]王化祥，張淑英. 傳感器原理及應(yīng)用[M]. 天津：天津大學(xué)出版社，2014：52-54.

[5]李正軍. 現(xiàn)場總線及其應(yīng)用技術(shù)[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2005：64-66.

2016-11-15

1002-4581（2017）02-0043-04

U463.75

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2017.02.011