基于cpld的超声波倒车雷达.doc

1、毕 业 设 计 说 明 书题目： 基于 CPLD 的超声波倒车雷达设计实现 二级学院（直属学部）： 专业： 班级： 0 学生姓名： 学号： 指导教师姓名： 职称： 评阅教师姓名： 职称： 2012 年 06 月KC021-1电子信息与电气工程学院毕业设计说明书I摘要倒 车 雷 达 全 称 叫 倒 车 防 撞 雷 达 ， 也 叫 泊 车 辅 助 装 置 ， 是 汽 车 泊 车 或 者 倒 车 时 的 安全 辅 助 装 置 。 能 以 声 音 或 者 更 为 直 观 的 显 示 告 知 驾 驶 员 周 围 障 碍 物 的 情 况 ， 解 除 了 驾驶 员 泊 车 、 倒 车 和 起 动 车 辆 时

2、 前 后 左 右 探 视 所 引 起 的 困 扰 ， 并 帮 助 驾 驶 员 扫 除 了 视 野死 角 和 视 线 模 糊 的 缺 陷 ， 提 高 驾 驶 的 安 全 性 。本 文 主 要 介 绍 了 基 于 CPLD 的 超 声 波 倒 车 雷 达 的 设 计 ， 仿 真 和 调 试 。 本 文 所 设 计 的倒 车 雷 达 可 分 为 两 部 分 ： 1.超 声 波 测 距 部 分 ： 用 超 声 波 传 感 器 做 探 头 ， 用 CPLD 控 制 ，获 得 障 碍 物 的 距 离 将 数 据 输 入 控 制 芯 片 。 2.CPLD 控 制 部 分 ： CPLD 控 制 芯 片 要 实

3、 现 分频 器 ， 计 数 器 ， 乘 法 器 ， 译 码 器 等 功 能 。本 文 所 采 用 的 是 ALTERA 公 司 推 出 的 MAXII 系 列 芯 片 的 ZRtech COREC-240U 开 发套 件 。 使 用 QuartusII 进 行 软 件 的 设 计 ， 所 有 的 程 序 采 用 VHDL 硬 件 描 述 语 言 ， 经 过仿 真 后 下 载 到 开 发 板 上 验 证 ， 调 试 到 整 个 系 统 正 常 工 作 。关键词：倒车雷达； CPLD； 超声波测距； QuartusII电子信息与电气工程学院毕业设计说明书IIAbstractThe backing

4、car radar full name is backing car anti-collision radar also known as the parking assistant system, it is a safe auxiliary device when parking or reversing the car. It could make the driver known barriers around through the sound or a more intuitive display. It can solve the trouble of visit when th

5、e driver parking, reversing or starting the car. It can remove the vision dead ends and blurred vision to improve driving safe.This paper mainly introduces the design, simulation and test of backing car radar based on CPLD. The backing car radar in this paper can divided into two parts:1. the part o

6、f ultrasonic distance measurement: using the ultrasonic sensors as probe, using CPLD to control, when get the data from obstacles, put the data to the control chip. 2.CPLD control part: CPLD control chip should realize dividers, counters, multipliers and decoder functions. This paper using the devel

7、oping package of ZRtech COREC-240U .It from the series of chip MAXII made by ALTERA. This paper using the QuartusII software to designing and using the VHDL hardware language to writing all the programs. Through simulations and tests until all the systems can work well.Keywords: backing car radar； C

8、PLD； ultrasonic ranging； QuartusII电子信息与电气工程学院毕业设计说明书III目录摘要 .IABSTRACT .II目录 .III第 1 章 倒车雷达简介 .11.1 课题的来源 .11.2 倒车雷达原理 .11.3 倒车雷达的发展 .11.3.1 倒 车 雷 达 发 展 史 .11.3.2 倒车雷达发展趋势 .31.4 倒车雷达市场需求 .31.5 本章小结 .3第 2 章 CPLD 的介绍 .42.1 可编程逻辑器件 .42.1.1 可编程逻辑器件的概述 .42.1.2 可编程逻辑器件的分类 .42.1.3 可编程逻辑器件的发展历程 .42.2 CPLD 与

9、 FPGA 的比较 .52.2.1 CPLD 与 FPGA 的特点 .52.2.2 CPLD 与 FPGA 的区别 .62.3 开发板的介绍 .62.4 本章小结 .9第 3 章 系统的硬件设计 .103.1 硬件的总体设计 .103.2 MAXII 系列芯片 EPM240T100C5.113.2.1 芯片 EPM240T100C5 的管脚图 .113.2.2 芯片 EPM240T100C5 的优点 .113.3 超声波的发送和接收部分 .123.3.1 超声波测距原理 .123.3.2 超声波传感器 .133.3.3 超声波发射和接收电路 .15电子信息与电气工程学院毕业设计说明书IV3.3

10、.4 实验过程中发射和接收到的波形 .163.4 报警 模块 .173.5 显示模块 .183.6 电源模块 .203.7 本章小结 .21第 4 章 系统的软件部分 .224.1 CPLD 的设计流程 .224.2 系统程序流程图 .244.3 软件编译的各个模块 .254.3.1 分频器模块 .254.3.2 显示模块 .274.3.3 乘法器模块 .284.3.4 计数器模块 .314.3.5 报警模块 .344.4 本章小结 .34第 5 章 调试部分 .355.1 软件部分的整合 .355.2 软硬件的联合调试 .365.3 本章 小结 .37结论 .38致谢 .39参考文献 .40

11、附录 A .42附录 B .52附 录 C.55第 1 章 倒车雷达简介1第 1 章 倒车雷达简介倒 车 雷 达 全 称 叫 “倒 车 防 撞 雷 达 ”也 叫 “泊 车 辅 助 装 置 ”是 汽 车 泊 车 或 者 倒 车 时的 安 全 辅 助 装 置 ， 由 超 声 波 传 感 器 （ 俗 称 探 头 ） ， 控 制 器 和 显 示 器 或 蜂 鸣 器 等 部 分 组 成 。能 以 声 音 或 者 更 为 直 观 的 显 示 告 知 驾 驶 员 周 围 障 碍 物 的 情 况 ， 解 除 了 驾 驶 员 泊 车 、 倒车 和 起 动 车 辆 时 前 后 左 右 探 视 所 引 起 的 困

12、扰 ， 并 帮 助 驾 驶 员 扫 除 了 视 野 死 角 和 视 线 模糊 的 缺 陷 ， 提 高 驾 驶 的 安 全 性 。1.1 课题的来源近 年 来 ， 随 着 汽 车 产 业 的 迅 速 发 展 和 人 们 的 生 活 水 平 的 不 断 提 高 ， 我 国 的 汽 车 的数 量 正 在 逐 年 增 加 。 同 时 汽 车 驾 驶 人 员 中 ， 非 职 业 汽 车 驾 驶 人 员 的 比 例 也 逐 年 增 加 。在 公 路 、 街 道 、 停 车 场 车 库 等 拥 挤 、 狭 窄 的 地 方 倒 车 时 、 驾 驶 员 既 要 前 瞻 、 又 要 后 顾 、稍 微 不 小 心

13、就 会 发 生 汽 车 尾 部 碰 撞 事 件 。 据 有 关 调 查 统 计 ， 15%的 汽 车 碰 撞 事 故 是 由于 倒 车 时 汽 车 的 后 视 能 力 不 良 造 成 的 。 因 此 ， 增 强 汽 车 的 后 视 能 力 ， 对 于 提 高 行 车 安全 ， 减 轻 司 机 的 劳 动 强 度 和 心 理 压 力 是 十 分 重 要 的 。 有 鉴 于 此 ， 汽 车 倒 车 雷 达 应 运 而生 。 倒 车 雷 达 的 加 装 可 以 解 决 驾 驶 人 员 的 后 顾 之 忧 ， 大 大 降 低 了 倒 车 事 故 的 发 生 。1.2 倒车雷达原理倒 车 雷 达 的 原

14、 理 是 根 据 蝙 蝠 在 黑 夜 里 高 速 飞 行 而 不 会 与 任 何 障 碍 物 相 撞 的 原 理 设计 开 发 的 。 通 过 感 应 装 置 发 出 超 声 波 ， 然 后 通 过 反 射 回 来 的 超 声 波 来 判 断 前 方 是 否 有障 碍 物 ， 以 及 障 碍 物 的 距 离 、 大 小 、 方 向 、 形 状 等 。 只 不 过 由 于 倒 车 雷 达 体 积 大 小 及实 用 性 的 限 制 ， 目 前 其 主 要 功 能 仅 为 判 断 障 碍 物 与 车 的 距 离 ， 并 做 出 提 示 。 倒 车 雷 达是 汽 车 泊 车 或 者 倒 车 时 的 安

15、 全 辅 助 装 置 ， 能 以 声 音 或 者 更 为 直 观 的 显 示 告 知 驾 驶 员 周围 障 碍 物 的 情 况 ， 解 除 了 驾 驶 员 泊 车 、 倒 车 和 起 动 车 辆 时 前 后 左 右 探 视 所 引 起 的 困 扰 ，并 帮 助 驾 驶 员 扫 除 了 视 野 死 角 和 视 线 模 糊 的 缺 陷 ， 提 高 驾 驶 的 安 全 性 。通 常 倒 车 雷 达 由 超 声 波 传 感 器 、 控 制 器 和 显 示 器 或 蜂 鸣 器 等 部 分 组 成 。 倒 车 雷 达一 般 采 用 超 声 波 测 距 原 理 ， 在 控 制 器 的 控 制 下 ， 由 传

16、 感 器 发 射 超 声 波 信 号 ， 当 遇 到 障碍 物 时 ， 产 生 回 波 信 号 ， 传 感 器 接 收 到 回 波 信 号 后 经 控 制 器 进 行 数 据 处 理 、 判 断 出 障碍 物 的 位 置 ， 由 显 示 器 显 示 距 离 并 发 出 其 他 警 示 信 号 ， 得 到 及 时 警 示 ， 从 而 使 驾 驶 者倒 车 时 做 到 心 中 有 数 ， 使 倒 车 变 得 更 轻 松 。1.3 倒车雷达的发展1.3.1 倒 车 雷 达 发 展 史倒 车 雷 达 的 快 速 发 展 始 于 20 世 纪 末 21 世 纪 初 ， 经 过 几 年 的 时 间 ， 随

17、 着 技 术 发 展和 用 户 需 求 的 变 化 ， 倒 车 雷 达 在 几 年 的 时 间 里 大 致 经 过 了 六 代 的 演 变 。第 一 代 ： 倒 车 时 通 过 喇 叭 提 醒 。电子信息与电气工程学院毕业设计说明书2“倒 车 请 注 意 ！ ”想 必 不 少 人 还 记 得 这 种 声 音 ， 这 就 是 倒 车 雷 达 的 第 一 代 产 品 ，现 在 只 有 小 部 分 商 用 车 还 在 使 用 。 只 要 司 机 挂 上 倒 档 ， 它 就 会 响 起 ， 提 醒 周 围 的 人 注意 。 从 某 种 意 义 上 说 ， 它 对 司 机 并 没 有 直 接 的 帮 助

18、 ， 不 是 真 正 的 倒 车 雷 达 。点 评 ： 汽 车 在 倒 车 状 态 ， 语 音 提 示 路 人 小 心 ， 基 本 属 于 淘 汰 产 品 。第 二 代 ： 采 用 蜂 鸣 器 不 同 声 音 提 示 驾 驶 员 。这 是 倒 车 雷 达 系 统 的 真 正 开 始 。 倒 车 时 ， 如 果 车 后 1.8 米 -1.5 米 处 有 障 碍 物 ， 蜂鸣 器 就 会 开 始 工 作 。 蜂 鸣 声 越 急 ， 表 示 车 辆 离 障 碍 物 越 近 。点 评 ： 没 有 语 音 提 示 ， 也 没 有 距 离 显 示 ， 虽 然 司 机 知 道 有 障 碍 物 ， 但 不 能

19、 确 定 障碍 物 离 车 有 多 远 ， 对 驾 驶 员 帮 助 不 大 。第 三 代 ： 数 码 波 段 显 示 具 体 距 离 或 者 距 离 范 围 。这 代 产 品 比 第 二 代 进 步 很 多 ， 可 以 显 示 车 后 障 碍 物 离 车 体 的 距 离 。 如 果 是 物 体 ，在 1.8 米 开 始 显 示 ； 如 果 是 人 ， 在 0.9 米 左 右 的 距 离 开 始 显 示 。 这 一 代 产 品 有 两 种 显示 方 式 ， 数 码 显 示 产 品 显 示 距 离 数 字 ， 而 波 段 显 示 产 品 由 三 种 颜 色 来 区 别 ： 绿 色 代 表安 全 距

20、 离 ， 黄 色 代 表 警 告 距 离 ， 红 色 代 表 危 险 距 离 ， 必 须 停 止 倒 车 。 点 评 ： 第 三 代 产 品 把 数 码 和 波 段 组 合 在 一 起 ， 但 比 较 实 用 ， 但 安 装 在 车 内 不 太 美观 。第 四 代 ： 液 晶 荧 屏 动 态 显 示 。这 一 代 产 品 有 一 个 质 的 飞 跃 ， 特 别 是 屏 幕 显 示 开 始 出 现 动 态 显 示 系 统 。 不 用 挂 倒档 ， 只 要 发 动 汽 车 ， 显 示 器 上 就 会 出 现 汽 车 图 案 以 及 车 辆 周 围 障 碍 物 的 距 离 。点 评 ： 动 态 显

21、示 ， 色 彩 清 晰 漂 亮 ， 外 表 美 观 ， 可 以 直 接 粘 贴 在 仪 表 盘 上 ， 安 装 很方 便 。 不 过 液 晶 显 示 器 外 观 虽 精 巧 ， 但 灵 敏 度 较 高 ， 抗 干 扰 能 力 不 强 ， 所 以 误 报 也 较多 。第 五 代 ： 魔 幻 镜 倒 车 雷 达 。结 合 了 前 几 代 产 品 的 优 点 ， 采 用 了 最 新 仿 生 超 声 雷 达 技 术 ， 配 以 高 速 电 脑 控 制 ，可 全 天 候 准 确 地 测 知 2 米 以 内 的 障 碍 物 ， 并 以 不 同 等 级 的 声 音 提 示 和 直 观 的 显 示 提 醒驾

22、驶 员 。 魔 幻 镜 倒 车 雷 达 可 以 把 后 视 镜 、 倒 车 雷 达 、 免 提 电 话 、 温 度 显 示 和 车 内 空 气污 染 显 示 等 多 项 功 能 整 合 在 一 起 ， 并 设 计 了 语 音 功 能 。点 评 ： 因 为 其 外 形 就 是 一 块 倒 车 镜 ， 所 以 可 以 不 占 用 车 内 空 间 ， 直 接 安 装 在 车 内倒 视 镜 的 位 置 。 而 且 颜 色 款 式 多 样 ， 可 以 按 照 个 人 需 求 和 车 内 装 饰 选 配 。第 六 代 ： 无 线 倒 车 雷 达 。全 新 无 线 液 晶 倒 车 雷 达 ， 融 无 线 连

23、 接 、 倒 车 雷 达 彩 色 液 晶 显 示 、 BP 警 示 音 、 于 一体 。 由 于 普 通 倒 车 雷 达 安 装 时 ， 从 车 后 雷 达 主 机 到 车 前 仪 表 台 上 ， 显 示 器 要 布 一 条 线 ，这 样 要 拆 装 车 内 的 装 饰 板 、 胶 条 等 ， 非 常 不 方 便 。 现 在 最 新 推 出 的 第 六 代 无 线 液 晶 倒车 雷 达 ， 一 举 解 决 此 问 题 ， 车 后 主 机 和 显 示 器 之 间 无 线 连 接 ， 方 便 快 捷 。 更 可 在 大 巴 、卡 车 等 车 身 长 的 车 上 使 用 ， 使 安 装 更 容 易

24、。第 1 章 倒车雷达简介31.3.2 倒车雷达发展趋势1.由 加 装 向 原 装 发 展 。 越 来 越 多 的 汽 车 在 出 厂 时 配 有 倒 车 雷 达 。2.原 装 倒 车 雷 达 车 型 呈 现 高 档 、 中 档 、 低 档 的 发 展 态 势 。3.由 主 流 4 探 头 向 更 多 探 头 发 展 。4.功 能 更 加 强 大 ， 集 成 音 响 和 音 像 播 放 功 能 。5.设 备 趋 于 小 型 化 、 人 性 化 、 智 能 化 。1.4 倒车雷达市场需求根 据 所 收 集 的 资 料 分 析 ， 倒 车 雷 达 市 场 前 景 很 好 ， 需 求 量 越 来 越

25、 大 。 引 起 需 求 量大 增 的 原 因 有 ：1.汽 车 销 量 增 加 。 汽 车 产 销 量 双 超 1840 万 辆 汽 车 销 量 的 增 加 ， 必 然 导 致 倒 车 雷 达需 求 量 的 增 加 。2.车 位 少 、 停 车 难 。 单 位 和 个 人 拥 有 车 辆 的 增 加 使 得 市 区 和 住 宅 小 区 停 车 位 紧 张 ，停 车 越 来 越 困 难 ， 碰 撞 时 有 发 生 。 倒 车 雷 达 的 使 用 有 助 于 减 少 停 车 碰 撞 事 件 的 发 生 。3.女 性 驾 驶 员 增 多 。 多 数 女 性 驾 驶 员 由 于 个 子 小 或 是

26、胆 子 小 ， 停 车 时 会 非 常 紧 张 ，因 此 越 来 越 多 的 女 性 驾 驶 员 开 始 喜 欢 上 倒 车 雷 达 。4.城 市 街 道 交 通 拥 挤 。 随 着 汽 车 市 场 的 繁 荣 ， 城 市 街 道 的 行 车 越 来 越 拥 挤 ， 倒 车雷 达 ， 尤 其 是 多 探 头 倒 车 雷 达 不 仅 能 在 倒 车 、 泊 车 时 提 供 倒 车 信 息 ， 还 可 以 在 行 驶 时提 供 前 后 左 右 的 信 息 ， 有 助 于 安 全 行 驶 。1.5 本章小结通 过 查 找 相 关 资 料 ， 对 倒 车 雷 达 的 来 源 ， 发 展 史 ， 重 要

27、 性 ， 发 展 前 景 都 有 了 很 深的 认 识 。 倒 车 雷 达 是 根 据 超 声 波 测 距 原 理 发 展 起 来 的 ， 对 于 解 决 驾 驶 员 视 野 死 角 ， 减少 交 通 事 故 的 发 生 ， 有 着 很 大 的 作 用 。第 2 章 CPLD 的介绍4第 2 章 CPLD 的介绍2.1 可编程逻辑器件2.1.1 可编程逻辑器件的概述PLD（ programmable logic device)可 编 程 逻 辑 器 件 ： PLD 是 做 为 一 种 通 用 集 成 电路 生 产 的 ， 他 的 逻 辑 功 能 按 照 用 户 对 器 件 编 程 来 定 。

28、一 般 的 PLD 的 集 成 度 很 高 ， 足 以满 足 设 计 一 般 的 数 字 系 统 的 需 要 。 这 样 就 可 以 由 设 计 人 员 自 行 编 程 而 把 一 个 数 字 系 统“集 成 ”在 一 片 PLD 上 ， 而 不 必 去 请 芯 片 制 造 厂 商 设 计 和 制 作 专 用 的 集 成 电 路 芯 片 了 。2.1.2 可编程逻辑器件的分类目 前 使 用 的 PLD 产 品 主 要 有 ： 1.现 场 可 编 程 逻 辑 阵 列 FPLA（ field programmable logic array)； 2.可 编 程 阵 列 逻 辑 PAL（ progr

29、ammable array logic)； 3.通 用 阵 列 逻辑 GAL（ generic array logic)； 4.可 擦 除 的 可 编 程 逻 辑 器 件 EPLD（ erasable programmable logic device)； 5.现 场 可 编 程 门 阵 列 FPGA（ field programmable gate array)。 其 中 EPLD 和 FPGA 的 集 成 度 比 较 高 。 有 时 又 把 这 两 种 器 件 称 为 高 密 度PLD。2.1.3 可编程逻辑器件的发展历程当 今 社 会 是 数 字 化 的 社 会 ， 是 数 字 集 成

30、电 路 广 泛 应 用 的 社 会 。 数 字 集 成 电 路 本 身在 不 断 地 进 行 更 新 换 代 。 它 由 早 期 的 电 子 管 、 晶 体 管 、 小 中 规 模 集 成 电 路 、 发 展 到 超大 规 模 集 成 电 路 (VLSIC， 几 万 门 以 上 )以 及 许 多 具 有 特 定 功 能 的 专 用 集 成 电 路 。 但 是 ，随 着 微 电 子 技 术 的 发 展 ， 设 计 与 制 造 集 成 电 路 的 任 务 已 不 完 全 由 半 导 体 厂 商 来 独 立 承担 。 系 统 设 计 师 们 更 愿 意 自 己 设 计 专 用 集 成 电 路 (AS

31、IC)芯 片 ， 而 且 希 望 ASIC 的 设 计周 期 尽 可 能 短 ， 最 好 是 在 实 验 室 里 就 能 设 计 出 合 适 的 ASIC 芯 片 ， 并 且 立 即 投 入 实 际应 用 之 中 ， 因 而 出 现 了 现 场 可 编 程 逻 辑 器 件 (FPLD)， 其 中 应 用 最 广 泛 的 当 属 现 场 可 编程 门 阵 列 (FPGA)和 复 杂 可 编 程 逻 辑 器 件 (CPLD)。早 期 的 可 编 程 逻 辑 器 件 只 有 可 编 程 只 读 存 贮 器 (PROM)、 紫 外 线 可 擦 除 只 读 存 贮 器(EPROM)和 电 可 擦 除 只

32、 读 存 贮 器 (EEPROM)三 种 。 由 于 结 构 的 限 制 ， 它 们 只 能 完 成 简 单 的数 字 逻 辑 功 能 。其 后 ， 出 现 了 一 类 结 构 上 稍 复 杂 的 可 编 程 芯 片 ， 即 可 编 程 逻 辑 器 件 (PLD)， 它 能够 完 成 各 种 数 字 逻 辑 功 能 。 典 型 的 PLD 由 一 个 “与 ”门 和 一 个 “或 ”门 阵 列 组 成 ， 而任 意 一 个 组 合 逻 辑 都 可 以 用 “与 或 ”表 达 式 来 描 述 ， 所 以 ， PLD 能 以 乘 积 和 的 形 式 完成 大 量 的 组 合 逻 辑 功 能 。20 世 纪 80 年 代 中 期 。 Altera 和 Xilinx 分 别 推 出 了 类 似 于 PAL 结 构 的 扩 展 型