Science and Technology &Innovation ┃科技与创新
2020年第12期
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文章编号：2095－6835（2020）12－0127－02
基于CAN 总线的汽车智能LED 点阵灯的设计与仿真
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陆恒辉，李晓帅，龚精武，范书文，李英洁
（合肥工业大学汽车与交通工程学院，安徽合肥230009）
摘要：设计了以嵌入式FPGA 结合CAN 总线的LED 智能点阵灯系统，并用3D 建模软件和灯光仿真软件进行
了光线追迹。嵌入式FPGA 在汽车上应用越来越多，且汽车本身搭载CAN 总线系统，结合FPGA 和CAN 总线设计车灯不失为一种更好的尝试，而LED 大灯本身逐渐取代了卤素灯、疝气灯。LED 点阵灯能弥补传统大灯亮度上的不足，利用其本身优势满足人们对更安全、更智能、更美观灯的需要。关键词：FPGA ；智能车灯控制；CAN 总线；灯光仿真中图分类号：U463.65
文献标识码：A
DOI ：10.15913/jki.kjycx.2020.12.056
全球60%的交通事故于晚上发生，22%的交通事故原因是能见度不良，排除不良驾驶的人为因素，我们不得不提及汽车照明本身对安全的影响。目前大多数车灯是卤素灯，光源暗黄发散，功能单一，不能很好地适应突发事件和不良路况。
1项目总体设计
本项目设计一款基于FPGA 控制的汽车LED 点阵灯，在PC 端模拟车载主动安全模块输入数据，将信号通过CAN 总线传入FPGA ，进而对LED 点阵车灯进行点亮，以模拟实现照亮夜间行车视野盲区，远近光智能切换，信号灯智能点亮的功能，并且光照强度在仿真中满足国家标准。整体结构如图1所示，由FPGA 控制模块、驱动电路模块、LED
前照灯设计仿真验证组成。
图1整体结构图
2车灯功能实现
2.1环境变化引起的远光灯
外界光照环境的变化可以通过光敏传感器来感知，当光照增强时，光敏电阻阻值变小。外界传感器将此信息传递给CPU ，CPU 进而处理信息。本项目采用了PID 算法，通过PID 算法的调节输出PWM 波来控制汽车的远光灯，进而将外界环境的亮度控制在某一值。此外，车速也能改变远光灯的亮度，车速的感知可以通过霍尔效应传感器。当车速超过100km/h 时，汽车处于高速模式下，通过PWM 调节远光灯的亮度，使照明视野范围更广、更清晰。2.2远近光切换
会车时，当车与车之间的距离为90～110m 范围内，而车与车之间的距离需通过图像识别的方式来测量，
一般采用双目测距的方法。当车与车的距离过于接近时，前照灯需由远光灯自动切换为近光灯，会车后会自动切换回远光灯。2.3左右视野盲区
在夜间行车时并且遇到转弯的情况可根据汽车轮子的转动角度来使转向侧的辅助照明灯点亮，使驾驶员能看清转弯的路面情况。汽车轮子的转动角度信息可由陀螺仪传感器获得。
2.4智能信号灯
利用汽车上的图像传感器检测前方的行人，当检测到前方有行人经过时，此时汽车自动打开双闪灯，进而提醒行人。而在雨天时，可根据雨量决定是否自动打开车距灯以及根据雨量的大小调节车距灯的亮度。3硬件部分设计
3.1处理器选取
项目采用正点原子的开拓者FPGA 开发板，型号为EP4CE10，自带由CAN 接口。在本项目中，采用的是以NIOS 2软核为核心的CPU 技术开发CAN 通信。NIOS Ⅱ/f 其具有最高的系统性能，足够处理外界多变的环境信息。而CAN 控制的ip 核是用opencore 开源网站获取的，其仿照了SJA1000。SJA1000是一种独立控制器，用于CAN 总线的通信。
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＊［基金项目］合肥工业大学2019年省级大学生创新创业训练计划项目“汽车多功能组合LED 点阵灯”资助（编号：
S201910359268）
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2020年第12期
3.2电路模块3.2.1
控制电路
本次项目中控制电路需增设外电源，经查阅相关资料，获悉了三极管电路、译码器电路及继电器共三种
解决方案。最后经比较电路难易程度及焊接的简便性，选择了电磁继电器作为外电源驱动电路核心。3.2.2
驱动电路
驱动电路的关键在于驱动芯片的选择，不外乎三个条件：①芯片支持的电压及恒流输出所能提供电流范围，确保能够为所选灯珠提供可控的电源；②为保证灯珠电路稳定工作[1]，芯片架构出的恒流电路的稳定性及抗干扰性是需要进行甄别挑选的；③在前者基础上，尽可能选择电路简单、电路相关器件易得且焊接简单的驱动模块[2]。
日行及转向部分的芯片选用了RICON 公司的芯片R1218N021A 。该芯片为可利用PWM 控制的升压型DC/DC 变换器所构成的集成电路，功能方面主要作用于驱动白LED 灯珠。芯片内部包含NMOS FET 、振荡器、PWM 比较器、电压基准单元、误差放大器、电流限制、欠压锁定模块（UVLO ）以及保护器件所必要的过压保护部分（OVP ）。进入CE 引脚的PWM 信号为实现调光控制所需条件。最大占空比内部固定，类型91%～92%。芯片稳定类型1.8~5.5V 输入。保护电路部分包括Lx 峰值电流的电流、输出的过压极限和欠压闭锁功能。图2是我方依据驱动芯片做出的电路图，通过改变R 1及输入电压的大小便可以很方便地对输出
电压及电流进行控制。
图2信号灯驱动电路
远近光的驱动芯片选用了德州仪器公司的TPS61500.TPS61500内含低侧开关场效应晶体管，可用于驱动多个高亮度灯珠的串联。晶体管为3A/40V 类型。该装置通过内部电流模式脉宽调制控制调节200mV 的FB 引脚电压。电容与电感轮流提供能量。外部补偿网络连接到COMP 引脚，以优化反馈回路的稳定性和瞬态响应。电路结构如图3所示。DIMC 引脚的电容器可用于模拟调光[3]，并且LED 电流与外部PWM 信号的占空比成部分线性变化。DIMC 引脚悬空时，器件设定为纯PWM 调光，此时可通过CE 引脚进行调节，平均LED 电流=PWM 信号占空比×LED 电流。
图3远近光灯驱动电路
4软件部分设计
为了实现该车灯的控制程序在汽车上有更好的功能性和适用性，使用FPGA 作为原型开发，开发软件为Altera 的Quartus 。而为了模拟外界复杂的情况以及简化程序的验证，通过PC 传输CAN 协议给FPGA 开发板，作为开发板的输入。车灯控制的整体框架如图4所示。当给模块上电后，首先会对各个参数进行初始化设置并准备接收来自外界的信号，从而实现智能车灯、智能LED
点阵灯等功能。
图4车灯控制整体框架图
5车灯仿真
图5为灯光仿真结果，左上方为距离近光灯25m 处竖直放置的一块屏幕上的辐照度分析图。灯光的分布情况基本满足国家不对称标准。左半部分设计成为水平直射光，这是考虑到道路左侧会有迎向驶来的车辆，过强的灯光照射会对对面驾驶员产生眩晕影响，引发事故。光线的右半部分为一个斜向上的15°的明暗截止线，且光线辐照强度均匀。道路
右侧没有迎面驶来的车辆，不会使前方其他驾驶员产生眩晕的感觉，而且因为右侧为道路边界，需要良好的照明。
图5中的右上方图为道路照度模拟分析图，采用的方法是模拟建造一段道路，模拟现实中车灯与道路的位置关系，然后用tracepro 进行光线仿真，进行模拟路面辐照度分析，观测光线分布情况。同样下方为远光灯辐照度分析。
从仿真结果可以看出，近光灯照射距离小，且右侧光线照射远，可满足右侧需要充足光线照射的要求。左侧光线照射的近，且水平以上的光线被截去，很好地达到了防眩光的目的。远光照射距离足够远，基本满足照射要求。
（下转第131页）
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2020年第12期
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链技术对证据进行收集、固定或者利用防篡改的技术手段、电子取证存证平台认证，能够证明其真实性的，互联网法院应当确认。区块链技术数据存储方面的法律地位得以确立。同样在公检法领域，区块链技术对案卷存储而言更是一种福音。在技术引领发展与变革的时代，在“技术—经济—社会”良性发展的生态系统中，应经得住诱惑，避免因经济利益等外部因素的干扰，而影响对区块链技术相关内涵的认知导向。4结语
区块链理论从根源上讲，是来源于一种对重要数据的加密需求，被电子货币分散化机制的研究所推动，成长于现代互联网电子信息数据化现金支付系统，壮大在世界范围内比特币的应用，其应用前景必然枝繁叶茂。以区块链技术为支撑的数字档案长期保存方案的探究进展颇具成效，同时也对未来公检法领域案卷存储的方向有所揭示。区块链技术在公检法领域关于案卷存储的管理从研究走向实用，还需很长的时间，未来将会有更多更好的发展。参考文献：
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［4］何晓东，黄新荣.浅析区块链技术在电子文件管理中的
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于数据交换及存储中的应用价值［C ］//第十二届全国信号和智能信息处理与应用学术会议，2018.
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［11］张桐.区块链技术与网络安全［C ］//数字中国能源互
联——2018电力行业信息化年会，2018.————————
作者简介：陈颖（1994—），女，甘肃张掖人，硕士研究生，研究方向为司法鉴定、电子数据取证。杨昊亮（1995—），女，河南郑州人，硕士研究生，研究方向为物证技术。李雄伟（1987—），男，湖北武汉人，硕士研究生，研究方向为物证技术。
〔编辑：严丽琴〕
（上接第128页）
图5远光灯辐照度分析
6结语
本文利用LED 灯体积小、亮度高、方便调节的优势，设计了一种基于FPGA 和CAN 总线控制的LED 点阵灯，实现了远近光智能切换、夜间辅助照明、智能信号灯点亮的功能，并对设计的点阵灯模型加以光源，用tracepro 软件光线
追迹，仿真后满足国家不对称配光标准。LED 点阵灯因其功能性和美观性更为人们所接受，能给驾驶员提供更安全舒适的视野。参考文献：
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灯系统［J ］.设计研究，2019（12）：57-59.————————
作者简介：陆恒辉（1998—），男，本科在读。
〔编辑：王霞〕