基于CAN总线的汽车智能LED点阵灯的设计与仿真＊

陆恒辉，李晓帅，龚精武，范书文，李英洁

基于CAN总线的汽车智能LED点阵灯的设计与仿真＊

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）

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。

FPGA；智能车灯控制；CAN总线；灯光仿真

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100 km/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 90～110 m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。

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色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1.8~5.5 V输入。保护电路部分包括峰值电流的电流、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3 A/40 V类型。该装置通过内部电流模式脉宽调制控制调节200 mV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25 m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。

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。

［1］吴露露.浅谈汽车LED前照灯设计方法及流程［J］.设计研究，2018（23）：105-107.

［2］刘攀，雷旭，初翔杰，等.汽车LED前照灯驱动电路设计方案［J］.设计研究，2018（13）：128-130.

［3］兰金耀，杨才生.基于环境的可调亮度汽车自适应前照灯系统［J］.设计研究，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）

陆恒辉（1998—），男，本科在读。

〔编辑：王霞〕