摘 要

生活中的撞击摩擦时有出现，因此防撞系统成为汽车的配有部分。目前，超声波测距系统在市场上普遍存在，因为该系统可以测量较远的距离，也因为可以实现很多功能、便宜又便利。系统需要发生器产生驱动信号，而最常见的成本低单片机却难以实现较好测量准确度。具有运行速度快、自由编辑器件等功能的PGA作为一种高密度可编程器件，提供了一种新的方案。因此，本文基于FPGA设计了倒车防撞系统。超声波测距是防撞系统设计的核心，进一步重要的是超声波信号的接收和发射两个部分。本文在软件设计中，利用FPGA的高速性对全局时钟信号的频率进行了划分，并通过频率计数法精确测量超声波传输的传输时间，提高了系统的可靠性，提高了系统的测距精度。

关键词：FPGA；防撞系统；超声波测距

Design of Reversing Anti-collision System Based on FPGA

ABSTRACT

Collision and friction often occur in life, so the anti-collision system has become an integral part of the car. At present, the ultrasonic ranging system is ubiquitous in the market, because the system can measure a long distance, but also because it can achieve many functions, cheap and convenient. The system needs a generator to generate driving signals, but the most common low-cost single-chip computer is difficult to achieve better measurement accuracy. As a kind of high density programmable device, PGA, which has the functions of fast running speed and free editing device, provides a new scheme. Therefore, this paper designs a backing anti-collision system based on FPGA. Ultrasound ranging is the core of anti-collision system design. What is more important is the receiving and transmitting of ultrasonic signals. In the software design, the frequency of the global clock signal is divided by the high speed of the FPGA, and the transmission time of the ultrasonic transmission is measured accurately by the frequency counting method, which improves the reliability of the system and the ranging accuracy of the system.

Keywords：FPGA ; Collision avoidance system ; Ultrasonic ranging

目录

第一章 绪论 1

1.1 本课题的背景意义 1

1.2 本课题的当前发展 2

1.3 论文主要内容 3

1.4 论文结构安排 3

第二章 防撞系统的总体设计 4

2.1 总体设计方案选择 4

2.2 系统方案及器件选择 5

第三章 防撞系统的模块设计 9

3.1 系统设计思路 9

3.2 时钟模块和复位按键 9

3.3 分频模块 10

3.4 测距模块 11

3.5 距离计算模块 13

3.6 显示模块 13

3.7 距离判断模块 16

3.8 报警模块 17

3.9 系统整体电路 18

第四章 系统仿真和测试 19

4.1 模块仿真 19

4.2 实物测试 20

4.3 问题与解决的方法 23

第五章 论文总结 24

参考文献 25

附录 28

致谢 51

绪论

本章对课题选取的背景意义及当前发展进行讨论，然后阐述了本论文中的主要完成的内容，最后罗列出论文的总体结构安排。

本课题的背景意义

现代社会汽车工业一直都在以一个很快的速度发展，拥有私家车的人数骤增，慢慢引发了很多意想不到的交通状况。其中，怎么样安全倒车这个问题给驾驶技术不够熟练或者缺乏安全意识的驾驶员带来了困扰。如果出现了一点差错，不仅会在财产损失方面给自己或他人带来困扰，还会引起激烈的争纷，甚至还可能危及司机的人身安全。为解决这种情况和问题，设计了防撞系统设计。根据声源或视觉显示，提醒驾驶员周围是否有障碍物以及障碍物的具体距离。它可以在驾驶员在倒车的过程中从更全面的视角看到周围环境，能及时做出反应，使得倒车更安全[1]。近几年来，被应用在汽车上的汽车电子技术一直是被动安全研究的热点。例如，安装保险杠、安全气囊系统等。安装保险杠可以减少汽车碰撞造成的损坏，但不能从根本上避免或者减少碰撞造成的损坏，这依然对人身财产安全构成了威胁。汽车安全气囊的安装也仍然不一定能有效、全面地保护机组人员的安全。因此，对汽车主动安全提出了越来越多的社会要求。如果每一次汽车事故的预防都能取得成效，汽车安全领域将取得新的进展和跳跃。防撞系统前后发展了六代，在外型效果、成本耗费以及功能显示上都有自己的特点[2][3]。

在倒车雷达系统等辅助倒车领域，美国、德国、日本等许多发达国家都签署了技术等级。此外，这些国家在汽车信息技术研究领域有较好较早的技术支持，在半导体和微电子领域也具有巨大的技术优势[3][4][5]。所以，汽车上的智能电子设备在这些国家的发展层次相当高，许多先进的科学技术已经在人群中普遍存在。在停车过程中，当驾驶员开始倒挡，导航系统会从开始到结束感应车辆的位置和角度。如果驾驶员没有倒车，导航系统可以自动计算另一个最佳的停车路线和角度[6]。每当导航系统锁定在适当的驻车位置时，如果驾驶员挂上倒车档，仪表板将开始显示安装在汽车后部的摄像头发送的后图像[7]。同时，驾驶员只需面对导航系统选择提供的停车位确认。然后，松开方向盘和脚制动器以保持正确的速度。从现在开始，停车过程完全负责配备超声波雷达系统和摄像头的停车导航雷达系统。如果司机想停止程序，他只需要踩下刹车。社会所涉及的技术已经开始装备高端汽车[8]。

本课题的当前发展

在国外汽车避碰系统的早期，大多采用红外辐射和接收的原理，但存在一个很大的缺点，即红外辐射容易受到干扰，整个系统的报警声往往呈现出不稳定的匿名状态。后来在欧美出现了电磁感应倒车雷达，在一条线路上设置了一圈感应线圈，爱车后有感应物体[9]。

我国避碰系统的发展可以概括为六代。第一代是倒车时的人工智能声纳预警。目前，这种倒车雷达只使用了少量的卡车和泥浆卡车。只要驾驶员挂上倒车档，人工智能声纳就会响起来，通知周围的人注意。但只告诉路人要小心。第二代开始使用蜂鸣器，到达某一范围限制时发出“嘟、嘟、嘟”的声音，起到报警器的作用警示别人。第三代是数字带显示反转系统。与之前几代相比，这一代的功能则是可以以数字的形式显示出车与障碍物之间的距离距离[10]。可以看到车和障碍物之间的具体数字距离的方法有：可以看到显示出来的具体距离，用LED将车与障碍物之间的距离标识出来；或者可以从颜色上加以分别：表示这个距离够大，很安全并且无需担心的用绿色；表示这个距离很小，很有可能来不及阻止，超过了反应时间必须要消耗的距离的用黄色；表示这个距离已经非常小，有可能在几秒后就会发声碰撞的用红色[11]。第四代是液晶动态显示，可以通过屏幕实时看清倒车情况。一旦汽车启动，显示屏将显示汽车模式与车身附近障碍物之间的距离。颜色清晰，外观美观。可直接粘贴在仪表板上，安装方便。第五代是超先进倒车雷达系统。通过优势互补的方式，最新的仿真超声雷达技术和高速计算机控制被使用，可以将周围2米内的障碍物都精确检测，并将其显示给不同国家的驾驶员。第六代是集成视频音频倒车雷达系统。这种倒车雷达系统是专门为生产高端车辆而设计的。

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