陸恒輝，李曉帥，龔精武，范書文，李英潔

基于CAN總線的汽車智能LED點(diǎn)陣燈的設(shè)計與仿真＊

陸恒輝，李曉帥，龔精武，范書文，李英潔

（合肥工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

設(shè)計了以嵌入式FPGA結(jié)合CAN總線的LED智能點(diǎn)陣燈系統(tǒng)，并用3D建模軟件和燈光仿真軟件進(jìn)行了光線追跡。嵌入式FPGA在汽車上應(yīng)用越來越多，且汽車本身搭載CAN總線系統(tǒng)，結(jié)合FPGA和CAN總線設(shè)計車燈不失為一種更好的嘗試，而LED大燈本身逐漸取代了鹵素?zé)?、疝氣燈。LED點(diǎn)陣燈能彌補(bǔ)傳統(tǒng)大燈亮度上的不足，利用其本身優(yōu)勢滿足人們對更安全、更智能、更美觀燈的需要。

FPGA；智能車燈控制；CAN總線；燈光仿真

全球60%的交通事故于晚上發(fā)生，22%的交通事故原因是能見度不良，排除不良駕駛的人為因素，我們不得不提及汽車照明本身對安全的影響。目前大多數(shù)車燈是鹵素?zé)?，光源暗黃發(fā)散，功能單一，不能很好地適應(yīng)突發(fā)事件和不良路況。

1 項目總體設(shè)計

本項目設(shè)計一款基于FPGA控制的汽車LED點(diǎn)陣燈，在PC端模擬車載主動安全模塊輸入數(shù)據(jù)，將信號通過CAN總線傳入FPGA，進(jìn)而對LED點(diǎn)陣車燈進(jìn)行點(diǎn)亮，以模擬實現(xiàn)照亮夜間行車視野盲區(qū)，遠(yuǎn)近光智能切換，信號燈智能點(diǎn)亮的功能，并且光照強(qiáng)度在仿真中滿足國家標(biāo)準(zhǔn)。整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，由FPGA控制模塊、驅(qū)動電路模塊、LED前照燈設(shè)計仿真驗證組成。

圖1 整體結(jié)構(gòu)圖

2 車燈功能實現(xiàn)

2.1 環(huán)境變化引起的遠(yuǎn)光燈

外界光照環(huán)境的變化可以通過光敏傳感器來感知，當(dāng)光照增強(qiáng)時，光敏電阻阻值變小。外界傳感器將此信息傳遞給CPU，CPU進(jìn)而處理信息。本項目采用了PID算法，通過PID算法的調(diào)節(jié)輸出PWM波來控制汽車的遠(yuǎn)光燈，進(jìn)而將外界環(huán)境的亮度控制在某一值。此外，車速也能改變遠(yuǎn)光燈的亮度，車速的感知可以通過霍爾效應(yīng)傳感器。當(dāng)車速超過100 km/h時，汽車處于高速模式下，通過PWM調(diào)節(jié)遠(yuǎn)光燈的亮度，使照明視野范圍更廣、更清晰。

2.2 遠(yuǎn)近光切換

會車時，當(dāng)車與車之間的距離為 90～110 m范圍內(nèi)，而車與車之間的距離需通過圖像識別的方式來測量，一般采用雙目測距的方法。當(dāng)車與車的距離過于接近時，前照燈需由遠(yuǎn)光燈自動切換為近光燈，會車后會自動切換回遠(yuǎn)光燈。

2.3 左右視野盲區(qū)

在夜間行車時并且遇到轉(zhuǎn)彎的情況可根據(jù)汽車輪子的轉(zhuǎn)動角度來使轉(zhuǎn)向側(cè)的輔助照明燈點(diǎn)亮，使駕駛員能看清轉(zhuǎn)彎的路面情況。汽車輪子的轉(zhuǎn)動角度信息可由陀螺儀傳感器獲得。

2.4 智能信號燈

利用汽車上的圖像傳感器檢測前方的行人，當(dāng)檢測到前方有行人經(jīng)過時，此時汽車自動打開雙閃燈，進(jìn)而提醒行人。而在雨天時，可根據(jù)雨量決定是否自動打開車距燈以及根據(jù)雨量的大小調(diào)節(jié)車距燈的亮度。

3 硬件部分設(shè)計

3.1 處理器選取

項目采用正點(diǎn)原子的開拓者FPGA開發(fā)板，型號為EP4CE10，自帶由CAN接口。在本項目中，采用的是以NIOS 2軟核為核心的CPU技術(shù)開發(fā)CAN通信。NIOS Ⅱ/f其具有最高的系統(tǒng)性能，足夠處理外界多變的環(huán)境信息。而CAN控制的ip核是用opencore開源網(wǎng)站獲取的，其仿照了SJA1000。SJA1000 是一種獨(dú)立控制器，用于CAN總線的通信。

3.2 電路模塊

3.2.1 控制電路

本次項目中控制電路需增設(shè)外電源，經(jīng)查閱相關(guān)資料，獲悉了三極管電路、譯碼器電路及繼電器共三種解決方案。最后經(jīng)比較電路難易程度及焊接的簡便性，選擇了電磁繼電器作為外電源驅(qū)動電路核心。

3.2.2 驅(qū)動電路

驅(qū)動電路的關(guān)鍵在于驅(qū)動芯片的選擇，不外乎三個條件：①芯片支持的電壓及恒流輸出所能提供電流范圍，確保能夠為所選燈珠提供可控的電源；②為保證燈珠電路穩(wěn)定工作[1]，芯片架構(gòu)出的恒流電路的穩(wěn)定性及抗干擾性是需要進(jìn)行甄別挑選的；③在前者基礎(chǔ)上，盡可能選擇電路簡單、電路相關(guān)器件易得且焊接簡單的驅(qū)動模塊[2]。

日行及轉(zhuǎn)向部分的芯片選用了RICON公司的芯片R1218N021A。該芯片為可利用PWM控制的升壓型DC/DC變換器所構(gòu)成的集成電路，功能方面主要作用于驅(qū)動白色LED燈珠。芯片內(nèi)部包含NMOS FET、振蕩器、PWM比較器、電壓基準(zhǔn)單元、誤差放大器、電流限制、欠壓鎖定模塊（UVLO）以及保護(hù)器件所必要的過壓保護(hù)部分（OVP）。進(jìn)入CE引腳的PWM信號為實現(xiàn)調(diào)光控制所需條件。最大占空比內(nèi)部固定，類型91%～92%。芯片穩(wěn)定類型1.8~5.5 V輸入。保護(hù)電路部分包括峰值電流的電流、輸出的過壓極限和欠壓閉鎖功能。圖2是我方依據(jù)驅(qū)動芯片做出的電路圖，通過改變1及輸入電壓的大小便可以很方便地對輸出電壓及電流進(jìn)行控制。

圖2 信號燈驅(qū)動電路

遠(yuǎn)近光的驅(qū)動芯片選用了德州儀器公司的TPS61500. TPS61500內(nèi)含低側(cè)開關(guān)場效應(yīng)晶體管，可用于驅(qū)動多個高亮度燈珠的串聯(lián)。晶體管為3 A/40 V類型。該裝置通過內(nèi)部電流模式脈寬調(diào)制控制調(diào)節(jié)200 mV的FB引腳電壓。電容與電感輪流提供能量。外部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)連接到COMP引腳，以優(yōu)化反饋回路的穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應(yīng)。電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。DIMC引腳的電容器可用于模擬調(diào)光[3]，并且LED電流與外部PWM信號的占空比成部分線性變化。DIMC引腳懸空時，器件設(shè)定為純PWM調(diào)光，此時可通過CE引腳進(jìn)行調(diào)節(jié)，平均LED電流=PWM信號占空比×LED電流。

圖3 遠(yuǎn)近光燈驅(qū)動電路

4 軟件部分設(shè)計

為了實現(xiàn)該車燈的控制程序在汽車上有更好的功能性和適用性，使用FPGA作為原型開發(fā)，開發(fā)軟件為Altera的Quartus。而為了模擬外界復(fù)雜的情況以及簡化程序的驗證，通過PC傳輸CAN協(xié)議給FPGA開發(fā)板，作為開發(fā)板的輸入。車燈控制的整體框架如圖4所示。當(dāng)給模塊上電后，首先會對各個參數(shù)進(jìn)行初始化設(shè)置并準(zhǔn)備接收來自外界的信號，從而實現(xiàn)智能車燈、智能LED點(diǎn)陣燈等功能。

圖4 車燈控制整體框架圖

5 車燈仿真

圖5為燈光仿真結(jié)果，左上方為距離近光燈25 m處豎直放置的一塊屏幕上的輻照度分析圖。燈光的分布情況基本滿足國家不對稱標(biāo)準(zhǔn)。左半部分設(shè)計成為水平直射光，這是考慮到道路左側(cè)會有迎向駛來的車輛，過強(qiáng)的燈光照射會對對面駕駛員產(chǎn)生眩暈影響，引發(fā)事故。光線的右半部分為一個斜向上的15°的明暗截止線，且光線輻照強(qiáng)度均勻。道路右側(cè)沒有迎面駛來的車輛，不會使前方其他駕駛員產(chǎn)生眩暈的感覺，而且因為右側(cè)為道路邊界，需要良好的照明。

圖5中的右上方圖為道路照度模擬分析圖，采用的方法是模擬建造一段道路，模擬現(xiàn)實中車燈與道路的位置關(guān)系，然后用tracepro進(jìn)行光線仿真，進(jìn)行模擬路面輻照度分析，觀測光線分布情況。同樣下方為遠(yuǎn)光燈輻照度分析。

從仿真結(jié)果可以看出，近光燈照射距離小，且右側(cè)光線照射遠(yuǎn)，可滿足右側(cè)需要充足光線照射的要求。左側(cè)光線照射的近，且水平以上的光線被截去，很好地達(dá)到了防眩光的目的。遠(yuǎn)光照射距離足夠遠(yuǎn)，基本滿足照射要求。

圖5 遠(yuǎn)光燈輻照度分析

6 結(jié)語

本文利用LED燈體積小、亮度高、方便調(diào)節(jié)的優(yōu)勢，設(shè)計了一種基于FPGA和CAN總線控制的LED點(diǎn)陣燈，實現(xiàn)了遠(yuǎn)近光智能切換、夜間輔助照明、智能信號燈點(diǎn)亮的功能，并對設(shè)計的點(diǎn)陣燈模型加以光源，用tracepro軟件光線追跡，仿真后滿足國家不對稱配光標(biāo)準(zhǔn)。LED點(diǎn)陣燈因其功能性和美觀性更為人們所接受，能給駕駛員提供更安全舒適的視野。

［1］吳露露.淺談汽車LED前照燈設(shè)計方法及流程［J］.設(shè)計研究，2018（23）：105-107.

［2］劉攀，雷旭，初翔杰，等.汽車LED前照燈驅(qū)動電路設(shè)計方案［J］.設(shè)計研究，2018（13）：128-130.

［3］蘭金耀，楊才生.基于環(huán)境的可調(diào)亮度汽車自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)［J］.設(shè)計研究，2019（12）：57-59.

U463.65

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.12.056

2095－6835（2020）12－0127－02

合肥工業(yè)大學(xué)2019年省級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目“汽車多功能組合LED點(diǎn)陣燈”資助（編號：S201910359268）

陸恒輝（1998—），男，本科在讀。

〔編輯：王霞〕