基于激光雷达的车载防撞系统的设计.doc

基于激光雷达车载防撞系统设计
汉字摘要：
多年来，中国道路交通安全形势仍然很严峻。假如在交通事故发生之前向驾驶员发出警告，让驾驶员能够采取一定避免方法，就能有效地降低交通事故发生,从而保障人身财产安全。
论文中关键介绍了一个基于激光雷达车载防撞系统，并给出了可能实现设计方法，描述了该防撞系统能够实现功效，和提出了有效避免车辆相撞方案。论文包含对硬件选型描述，硬件电路设计，和软件框图实现方法。距离传感器采取是激光传感器，单片机采取是fresscaleMC9S12C32型号。本文设计系统采取两种方法，一个是蜂鸣器报警，另一个是在极端紧急情况下，经过CAN总线对ABS发出制动信号，进行紧急刹车。激光传感器向汽车前方不停发射激光束，在收到反射回波后计算出于本车距离，方向角，和和本车之间相对速度。单片机经过一个通信模块不停向激光传感器采集数据，再经过软件程序计算，判定汽车是否处于安全状态，假如处于安全状态，单片机继续采集数据，假如处于危险状态，单片机发出控制信号，驱动声音报警电路进行报警，假如处于紧急情况，单片机经过汽车CAN总线向制动装置ABS发出控制信号，采取自动刹车。
关键词：防撞预警，激光雷达测距，单片机，CAN总线

第一章 引言
伴随社会进步，国民经济得到快速发展，人民生活生活水平不停提升，公路交通作为国民经济关键枢纽多年来受到极大重视，国家和各级政府全部对公里建设投入了大量资金、人力和物力。“九五”期间，中国高速公路建设达成了11万公里，行驶车辆速度再80km/h以上，一旦发生碰撞，后果不堪设想，故要求驾驶员注意力高度集中，时刻注意路况信息，增加了驾驶员劳动强度。另外，公路建设同时，也带动了民族汽车工业快速发展，20世纪末，中国汽车产量比1993年翻一番，，汽车产量又翻了一番，汽车数量逐年增加，越来越多人拥有私人汽车，多年来，借助于电子控制技术飞速发展，汽车操纵性能和运动性能得到很快提升。安全气囊 和ABS也逐步得到普及，不过，安全气囊属于被动安全方法，一旦发生交通事故，肯定带来财产损失，资料显示，70-90%交通事故是由人为错误引发，其中，错误判定和识别是最突出原因。依据德国原戴姆勒-奔驰汽车制造企业研究汇报表明：在危险情况下，如能给驾驶员提前半秒反应时间，则能够分别降低撞车尾事故30%、路面相关事故50%、迎面撞车事故60%。所以，这里再一次表明了汽车防撞系统技术关键性，采取适宜车辆测距方法，经过报警或自动进行某项预定操作比如制动方法，以避免于驾驶员疲惫、疏忽、误判所造成各项交通事故。在这么情况下，安全驾驶也逐步成为大家关注焦点，驾驶辅助系统开发意义便显得尤其突出，多种汽车安全辅助工具应运而生，车载防撞系统也是其中之一。
1.1研究背景及意义
自十九世纪末汽车问世以来，经过一个世纪发展，汽车已经成为现代文明和进步标志，是社会生活中不可缺乏关键组成部分。汽车以其特有优越性给大家生活方法、生产方法带来了巨大改变，它使大家出行变得越来越快速、越来越方便舒适，为现代社会发展和人类生活条件改善做出了巨大贡献。然而，当人类社会充足享受汽车带来很多好处同时，也为此付出了沉重生命和财产代价。据不完全统计【1】，中国自1990年至，累计已经有1380584人死于道路交通事故，受伤人数达成了5188475名，其中仅，道路交通事故就造成89455人死亡。
年份
事故次数（次）
死亡人数（人）
受伤人数（人）
直接经济损失（元）
1990
250297
49271
155072

1991
264817
53292
16

1992
228278
58729
144264

1993
242343
63508
142251

1994
253537
66362
148817

1995
271843
71494
159308

1996
287685
73665
174447

1997
304217
73861
190128

1998
346129
78067
222721

1999
412860
83529
286080

616971
93853
418721

754919
105930
546485

773137
109381
562074

667507
104372
494174

517889
107077
480864

450254
98738
469911

378781
89455
431139

表1．1 中国1990年一逐年交通事故次数、死亡人数、受伤人数和直接经济损失情况。
由上表能够看出，1990年．期间，中国道路交通事故呈显著增加趋势，尤其是和1990年相比，增加了两倍多，由250297起上升至773137起。交通事故死亡人数也对应地逐年上升，突破了10万人，达成一个高峰。
现在，中国交通事故发生率极高，交通事故死亡人数位居世界第一。中国拥有全世界8％车辆，确占据了全世界近20％交通事故死亡人数。，全国共发生道路交通事故378781起，造成89455人死亡，受伤431139人，直接财产损失达14．9亿元。其中，发生一次死亡三人以上交通事故1671起，造成6611人死亡，发生一次死亡五人以上交通事故326起，造成2244人死亡；发生一次死亡10人以上特大交通事故38起，造成558人死亡。跟世界其它发达国家相比，每百起事故死亡达23．6人。据中华网数据显示：中国万车死亡率为6．2，而同期日本为0．77，英国为1．1，法国为1．59，，美国为1．77。而事故死伤比为：中国1：4．8，法国为1：21，韩国为1：53，美国为1：62，英国为1：86，日本则为1：173。相比之下，中国数据指标高了快要一个数量级。以上表明，机动车在中国道路上行驶招致人员死亡风险远远高于上述各国。由此可见，中国道路交通安全形势很严峻。

中国
美国
欧盟
法国
日本
年份

事故起数（次）
378781
1929000
1232294
105500
936721
死亡人数（人）
89455
42815
38824
7242
8326
受伤人数（人）
431139
2936000
3327
137839
1167855
百起事故死亡数
23.6
2.2
3.1
6.9
0.9
万车死亡率（人）
6.2
1.9
1.7
1.59
1.2
表1．2中国和发达国家道路交通事故现实状况比较【1】
经过对表1．1和表1．2分析能够看出，中国交通安全现实状况不管从本身纵向比较，还是和其它国家横向比较，全部处于事故连续高发时期。面对中国目前十分严峻道路交通安全形势，应该怎样降低道路交通事故，已成为是目前社会亟待处理关键问题。
为了保障汽车安全驾驶，我们开始研究激光雷达汽车防撞系统，汽车防撞技术关键可分为被动式防撞和主动式防撞，现在广泛采取汽车安全带、安全座椅和安全气囊，均属被动式防撞，它只能在一定程度上降低交通事故损失，却不能避免交通事故发生。所以为了愈加好避免事故发生，愈加好保护个人生命财产安全，需要采取主动式防撞以降低事故发生，所以，设计出一个性能优异主动防撞系统产品显得迫切需要。本文研究激光雷达防撞系统测距装置、单片机、报警子系统、自动刹车装置组成，其特征在于：测距装置发射激光脉冲信号，单片机依据激光脉冲信号发射和接收时间次序实时地测出行车和前方机车或障碍物相对距离和相对速度，并利用采集所得相对距离和车辆相对速度数据进行计算，得出估计撞车时间，再将估计撞车时间和安全行车所要求安全时间相比较来判定行车是否处于安全行驶状态，当估计撞车时间小于安全行车时间时，单片机发出指令给报警子系统提醒司机，处于极度危险状态时，单片机直接将指令传给自动刹车装置，由自动刹车装置进行自动刹车。
1.2 中国外研究现实状况
国际上对汽车防撞雷达研究开始于20世纪60年代，在以后十多年内，以德国、美国和日本为代表部分国家掀起了一股研究高潮，各个研究机构和汽车制造商合作，也有了部分相关试验结果和论文发表出来，不过，局限于微波理论和硬件技术水平，和硬件系统成本问题，使雷达极难做到结构简单、体积轻巧和价格低廉，另外，因为车载雷达工作环境恶劣，干扰原因比较多，当初防撞雷达研究并不是尤其理想。
1986年，奔驰企业提议，包含遍布欧洲17家关键汽车生产厂和50多个研究所，制订了“Promtheus”计划，将组合传感器、通信、人工智能技术于一个系统中，其目标是改善汽车安全性、经济性和有效性，其中研制出性能优良汽车防撞雷达，帮助驾驶员避免发生交通事故，是该计划一个关键组成部份，该计划，伴随微波器件及其集成技术高速发展，和微处理器性能价格比突飞猛进，使得制造出低成主本、高性能汽车防撞雷达成为可能，进入90年代后，德国在这方面研究工作处于领先地位。
20世纪90年代中期以后，部分企业开始将注意力转向汽车新型防撞雷达，这种新型防撞雷达应用于高速公路，称为“AICC"，即自主智能巡航控制。是汽车雷达发展高级阶段，就实际情况看，国际上研制出用于高速公路防撞达基础上全部只需完成向驾驶员提供危险警报功效，为驾驶员争取一定反应时间。
欧盟RadarNet研究项目整合己有研究结果，研制新型多功效汽车防撞雷达，其中，德国奔驰企业和英国劳伦斯电子企业联合研制汽车防撞雷达工作于35GHz，探测距离150米，信号处理系统能够计算出前方车辆或障碍物距离及相对速度，并依据后车速度计算出必需安全距离，当两车距离小于安全距离时发出灯光和声音报警信号，安装在轿车、客车上试用，效果很好。
美国防撞技术研究起步较晚，但现在已处于世界领先水平。关键代表有福特和Eaton }orad企业开发汽车防撞雷达系统，其前方探测距离106米，可在探测范围内跟踪20多个目标，工作频率24.725GHz。
中国对汽车防撞装置研究相对比较晚，整体水平也相对较低。含有代表性是有:上海汽车电子工程中心研制SAE-100型毫米波汽车防撞雷达样机，采取LFMCW制式，工作频率35GHz，测距范围大于100米，测速范围大于100km/h采取增益为26dB喇叭天线，发射功率405mW，以DSP为中央处理器。现在，中国有多家单位和企业分别购置了国外不一样厂商数套商用激光雷达设备，生产了大量原始点云和影像数据，不过，这些数据一直没有有效处理，造成了巨大浪费。现在只有山西亚太企业和广西桂能信息企业使用自购RIEGL激光雷达产品进行了电力选线、地形图绘制等少许工程。尽管如此，越来越多单位对使用激光雷达技术产生了浓厚爱好，显示了这项技术宽广前景。
第二章 系统总体结构及工作原理
2.1 系统结构

2.2 测距传感器选择
现在，测定汽车之间安全距离方法有以下多个:超声波测距、红外线测距、摄像系统测距和激光雷达测距。
超声波测距仪原理简单，制作方便，成本比较低.但其作为高速行驶车辆上测距传感仪不可取，关键有两个方面原因：一是超声波速度”受外界环境改变影响较大。在不一样温度下，声速是不一样，在一30℃一30℃改变为313—349米／秒；而且声速”还随雨、雾、雪等天气改变而改变，不能正确测距。二是因为超声波能量是和距离平方成正比而衰减。故距离越远，反射回超声波越少，灵敏度下降很快，从而使得超声波测距方法只适适用于较短距离。现在中国外通常超声波测距仪理想测量距离为4米一5米左右，所以通常只能用于汽车倒车防撞系统上。
红外测距优点是廉价，易制，安全，缺点是精度低，距离近，方向性差。因为红外线在穿越其它物质时折射率很小，所以长距离测距仪全部会考虑红外线，而红外线传输是需要时间，所以采取红外线测距不能立即反馈路况信息，假如采取红外线测距，也就失去了研究汽车防撞意义。
摄像系统关键部件是电荷耦合器件CCD(即charl筘coupled Device)。CCD摄像机是一个用来模拟人眼光电探测器。它含有尺寸小、质量轻、功耗小、噪声低、动态范围大、光计量正确、其线扫描输出光电信号有利于后续信号处理等优良特征，在汽车行业也得到了广泛应用，但现在价格较高，同时因为受软件和硬件制约，成像速度较慢,数据处理量比较大。伴随计算机软硬件性能提升，最终将得到广泛应用。
激光雷达测距传感器工作时，先由激光二极管对准目标发射激光脉冲。经目标反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到传感器接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上统计并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历时间，即可测定目标距离。激光传感器能够正确地测定传输时间，而且光速很快。激光测距传感器优点是正确，而且能180°探测，所以，激光传感器能满足系统要求。
2.3 激光雷达工作原理
激光是20世纪60年代出现最重大科学技术成就之一。它发展快速，已广泛应用于国防、生产、医学和非电测量等各方面。激光和一般光不一样，需要用激光器产生。激光器工作物质，在正常状态下，多数原子处于稳定低能级E1,在合适频率外界光线作用下，处于低能级原子吸收光子能量受激发而跃迁到高能级E2。光子能量E=E2-E1=hv,式中h为普朗克常数，v为光子频率。反之，在频率为v光诱发下，处于能级E2原子会跃迁到低能级释放能量而发光，称为受激辐射。激光器首先使工作物质原子反常地多数处于高能级（即粒子数反转分布），就能使受激辐射过程占优势，从而使频率为v诱发光得到增强,并可经过平行反射镜形成雪崩式放大作用而产生强大受激辐射光，简称激光。
　　激光含有3个关键特征:①高方向性（即高定向性，光速发散角小），激光束在几公里外扩展范围不过几厘米；②高单色性，激光频率宽度比一般光小10倍以上；③高亮度，利用激光束会聚最高可产生达几百万度温度。
激光雷达工作时，发射机向空间发射一串反复周期一定高频窄脉冲。假如在电磁波传输路径上有目标存在，那么激光雷达就能够接收到由目标反射回往返波。因为回波信号往返于雷达和目标之间，它将滞后于发射脉冲一个时间，图所表示：

电磁波能量是以光速传输，设目标距离为 R，则传输距离等于光速乘上时间间隔，即

式中，R为目标到激光雷达单程距离，单位为m；为电磁波往返于目标和雷达之间时间间隔，单位为s；c为电磁波在空气中传输速度，约为：。因为电磁波传输速度很快，激光雷达技术常见时间单位为us，回波脉冲滞后于发射脉冲为一个微秒时，多对应目标距离R为。能测量目标距离是激光雷达一个突出优点，测量精度和分辨率和发射信号带宽（或处理后脉冲带宽）相关。脉冲越窄，性能越好。
激光雷达对空间目标P位置测定，必需用三个坐标来表示，即斜距R、方位角α、仰角β或高度H。图所表示：

雷达经天线向空间发射一定反复周期高脉冲，假如碰到目标则由目标反射回来反射波将滞后于发射高频脉冲一个时间差Tr和一个频移（多普勒频移）Fa。依据雷达能够测定这两个数据，就可依据以下公式断定目标位置：
R=C·Tr/2
Fa=2Vr/λ
式中，R-目标到雷达距离，单位为m；
C-光速，
Tr-电波往返于雷达和目标之间时间间隔，单位为s；
Fa-多普勒频移，单位为m/s；
λ-雷达工作波长，单位为m；
Vr-雷达和目标之间相对速度，单位为m/s。
而雷达在方位角方向移动，依据天线波束指向，能够确定方位角α；同理，依据雷达天线在仰角方向转动，能够确定仰角β。
激光雷达传感器采取标准数据RS232接口，工作电压在5V-9V。
第三章 系统各个模块介绍
3.1 单片机选择及介绍
单片机采取freescale企业MC9S12C32，这款芯片和其它单片机最大不一样在于，它有CAN总线控制引脚，能够经过CAN收发模块和汽车CAN总线之间进行通信，从而实现紧急刹车功效。

MC9S12C32含有SPI四线同时双向串行总线，以主从方法工作，该接口通常使用4条线：串行时钟线（SCLK）、主机输入/从机输出数据线MISO、主机输出/从机输入数据线MOSI和低电平有效从机选择线CS。
MOSI– SPI 总线主机输出/ 从机输入；
MISO– SPI 总线主机输入/ 从机输出；
SCLK – 时钟信号，由主设备产生；
CS – 从设备使能信号，由主设备控制，有IC此pin脚叫SS。
同时，MC9S12C32还拥有SCI串行通信接口，有两个I/O引脚：SCI TXD和SCI RXD，经过对一个16位波特率选择寄存器编程，能够得到65000种不一样速率，含有1-8位可编程数据位，长度为1位或2位可编程停止位，其内部能产生串行时钟，SCI接口采取半双工或全双工工作方法，含有双缓接收和发送功效，发送和接收操作均可经过中止或查询操作进行。
MC9S12C32还含有CAN控制器功效，经过RXCAN和TXCAN两个引脚能够实现和CAN总线通信,芯片PW引脚能够输出PWM波，控制输出电压频率。中央电源由VDDA或VSSA管脚供给，采取标准5VI/O引脚，这些标准引脚被分类为I/O接口管脚，模拟信号输入，BKGD和RESET管脚。这些管脚内部结构全部是一致，然而，有些功效能够被严禁。比如，模拟信号输入到输出驱动管脚上，上拉电阻和下拉电阻被永久严禁。模拟参考引脚，这组管脚由VRH 和VRL 管脚组成。振荡器管脚，XFC, EXTAL, XTAL管脚组成振荡器管脚，2.5V标准电平，由VDDPLL管脚供电。测试引脚TEST仅用于生产测试用。
3.2 通信模块
因为激光雷达传感器数据端口是RS232接口，不能和单片机直接相连,在单片机和激光雷达传感器之间需要加一个通信模块。激光传感器和单片机之间通信模块采取MAX232，MAX232芯片是美信企业专门为电脑RS-232标准串口设计接口电路,使用+5v单电源供电。内部结构基础可分三个部分：第一部分是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4只电容组成。功效是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平需要。第二部分是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚组成两个数据通道。其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头；DB9插头RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。第三部分是供电。15脚GND、16脚VCC（+5v）。

图，加上MAX232通信模块以后，能够提供一个RS232数据接口，和激光雷达传感器相连。
3.3 CAN总线
3.3.1 CAN总线介绍
CAN是控制器局域网络(Controller Area Network, CAN)简称，是由研发和生产汽车电子产品著称德国BOSCH企业开发了，并最终成为国际标准（ISO11898）。是国际上应用最广泛现场总线之一。最初CAN 被设计作为汽车环境中微控制器通讯，在车载各电子控制装置ECU 之间交换信息，形成汽车电子控制网络。比如发动机管理、系统变速箱控制器、仪表装备、电子主干系统中，均嵌入CAN 控制装置。
一个由CAN 总线组成单一网络中，理论上能够挂接无数个节点。实际应用中，节点数目受网络硬件电气特征所限制。比如当使用Philips P82C250 作为CAN 收发器时，同一网络中许可挂接110 个节点。CAN 可提供高达1Mbit/s 数据传输速率，这使实时控制变得很轻易，另外硬件错误检定特征也增强了CAN 抗电磁干扰能力。
CAN 是一个多主方法串行通讯总线。基础设计规范要求有高位速率，高抗电磁干扰性，而且能够检测出产生任何错误。当信号传输距离达成10Km 时，CAN 仍可提供高达50Kbit/s 数据传输速率。因为CAN 总线含有很高实时性能，所以CAN 已经在汽车工业、航空工业、工业控制安全防护等领域中得到了广泛应用。
CAN通讯协议定义了两种CAN格式，即标准格式和扩展格式。在标准格式CAN 报文中，标志符长度是11 位；而在扩展格式CAN 报文中，标志符长度可达29 位。CAN 能够使用多个物理介质，比如双绞线、光纤等，最常见就是双绞线，信号使用差分电压传送。两条信号线被称为CAN_H 和CAN_L， 静态时均是2.5V 左右，此时状态表示为逻辑1， 也能够叫做隐性。用CAN_H 比CAN_L 高表示逻辑0， 称为显性，此时通常电压值为CAN_H = 3.5V 和CAN_L= 1.5V。
CAN 含有十分优越特点，使大家乐于选择。这些特征包含：
1、低成本
2、极高总线利用率
3、很远数据传输距离(长达10Km)
4、高速数据传输速率高达1Mbit/s
5、可依据报文ID 决定接收或屏蔽该报文
6、可靠错误处理和检错机制
7、发送信息遭到破坏后可自动重发
8、节点在错误严重情况下含有自动退出总线功效
9、报文不包含源地址或目标地址仅用标志符来指示功效信息优先级信息
3.3.2 CAN总线收发模块
PCA82C250 是CAN 协议控制器和物理总线间接口，它关键是为汽车中高速通讯（高达1Mbps）应用而设计。此器件对总线提供差动发送能力，对CAN 控制器提供差动接收能力，完全符合“ISO11898”标准。其引脚图以下所表示：

符号
管脚
功效描述
TXD
1
发送数据输入
GND
2
接地
Vcc
3
电源电压
RXD
4
接收数据输出
Vref
5
参考电压输出
CANL
6
低电平CAN电压输入/输出
CANH
7
高电平CAN电压输入/输出
Rs
8
斜率电阻输入
3.3.3 CAN总线抗干扰
为了增强CAN 总线节点抗干扰能力，MC9S12C32 TXCAN 和RXCAN 并不是直接和82C250 TXD 和RXD 相连，而是经过高速光耦6N137 后和82C250 相连，这么就很好实现了总线上各CAN 节点间电气隔离。
6N137光耦合器是一款用于单通道高速光耦合器，其内部有一个850 nm波长AlGaAs LED和一个集成检测器组成，其检测器由一个光敏二极管、高增益线性运放及一个肖特基钳位集电极开路三极管组成。含有温度、电流和电压赔偿功效，高输入输出隔离，LSTTL/TTL兼容，高速(经典为10MBd)，5mA极小输入电流。
6N137含有以下特征：
1、转换速率高达10MBit/s;
2、摆率高达10kV/us;
3、扇出系数为8;
4、逻辑电平输出;
5、集电极开路输出;
工作参数：
最大输入电流，低电平：250uA 最大输入电流，高电平：15mA 最大许可低电平电压(输出高)：0.8v 最大许可高电平电压：Vcc 最大电源电压、输出：5.5V 扇出(TTL负载)：8个(最多) 工作温度范围：-40°C to +85°C 经典应用：高速数字开关，马达控制系统和A/D转换等 。高速光耦引脚图以下：

引脚
名称
1
IN
2
N.C
3
VDD
4
N.C
5
GND
6
OUT
7
EN
8
VCC

第四章 硬件电路设计
4.1 电源模块
电源是整个系统能量起源，它直接关系到系统能否运行。通常中型和小型汽车车内供电是12V，而单片机工作电压要求为5V，所以需要一个电源转换模块，从而使单片机能够正常工作。

4.2 单片机复位电路
在上电或复位过程中，控制CPU复位状态：这段时间内让CPU保持复位状态，而不是一上电或刚复位完成就工作，预防CPU发犯错误指令、实施错误操作，也能够提升电磁兼容性能。
不管使用哪种类型单片机,总要包含到单片机复位电路设计。而单片机复位电路设计好坏,直接影响到整个系统工作可靠性。很多用户在设计完单片机系统,并在试验室调试成功后,在现场却出现了“死机”、“程序走飞”等现象,这关键是单片机复位电路设计不可靠引发。

单片机上电时，但因为电容C两端电压VC不能突变，所以VC保持低电平。但伴随电容C充电，VC不停上升。只要选择适宜R和C，VC就能够在单片机复位电压以下连续足够时间使单片机复位。复位以后，VC上升至电源电压，单片机开始正常工作。相当于在单片机上电时，自动产生了一个一定宽度低电平脉冲信号，使单片机复位。图中，X1端口和单片机低电平复位端口RESET相连。
4.3 单片机晶振电路
晶振是单片机内部电路产生单片机所需时钟频率部件，单片机晶振提供时钟频率越高，那么单片机运行速度就越快，单片接一切指令实施全部是建立在单片机晶振提供时钟频率。晶振作用是为系统提供基础时钟信号。简单地说，没有晶振，就没有时钟周期，没有时钟周期，就无法实施程序代码，单片机就无法工作。通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同时。有些通讯系统基频和射频使用不一样晶振，而经过电子调整频率方法保持同时。

4.4 激光雷达传感器和单片机之间通信模块MAX232
MAX232含有以下特点:
1、符合全部RS-232C技术标准 ；
2、只需要单一 +5V电源供电 ；
3、片载电荷泵含有升压、电压极性反转能力，能够产生+10V和-10V电压V+、V- ；
4、功耗低，经典供电电流5mA ；
5、内部集成2个RS-232C驱动器 ；
6、内部集成两个RS-232C接收器 ；
7、高集成度，片外最低只需4个电容即可工作。
激光传感器信号线接口为RS232，经过模块信号转换，将R2 OUT 和R2 IN引脚分别和单片机RXD 和TXD 引脚相连，实现单片机和激光传感器之间信息交换和控制。

4.5 声音报警电路
因为自激蜂鸣器是直流电压驱动，不需要利用交流信号进行驱动，只需对驱动口输出驱动电平并经过三极管放大驱动电流就能使蜂鸣器发出声音，很简单，这里就不对自激蜂鸣器进行研究了。PWM 输出口直接驱动是利用PWM 输出口本身能够输出一定方波来直接驱动蜂鸣器。在单片机软件设置中有多个系统寄存器是用来设置PWM 口输出，能够设置占空比、周期等等，经过设置这些寄存器产生符合蜂鸣器要求频率波形以后，只要打开PWM 输出，PWM 输出口就能输出该频率方波，这个时候利用这个波形就能够驱动蜂鸣器了。比如频率为Hz 蜂鸣器驱动，能够知道周期为500μs，这么只需要把PWM 周期设置为500μs，占空比电平设置为250μs，就能产生一个频率为Hz 方波，经过这个方波再利用三极管就能够去驱动这个蜂鸣器了。

声音报警系统经过和单片机PW输出端口相接，单片机在输出端口输出一PWM波，经过控制输出端口信号占空比来控制PNP闭合和断开，从而控制发声器工作频率，让扬声器发出不一样频率声音，情况越紧急，蜂鸣器发出声音频率越高，以此来达成提醒驾驶员目标。
4.6 CAN收发模块82C250接口电路
82C250CANH和CANL引脚各自经过一个5Ω电阻和CAN总线相连，起到一定限流作用，保护82C250免受过流冲击。CANH和CANL和地之间并联了两个30pF小电容，能够起到滤除总线上高频干扰和一定防电磁辐射能力。另外，在两根CAN总线输入端和地之间分别接一个防雷击二极管，当两输入端和地之间出现瞬间干扰时，经过防雷击管放电能够起到一定保护作用。需要注意是在CAN 总线两端接有一个120Ω电阻，其作用是匹配总线阻抗，提升数据通信抗干扰性及可靠行。但实际上只需确保CAN网络中“CAN_H”和“CAN_L”之间跨接电阻为60Ω即可。

第五章 软件部分设计
5.1 系统需要实现功效
首先，单片机经过处理激光传感器信息，做出决议，依据不一样情况做出不一样动作，在本系统中，分为三种不一样动作：一是一般声音报警，二是紧急声音报警，三是紧急刹车，其中，第三个动作又依据相对车速不一样，发出不一样程度刹车控制信号，距离越近，相对速度越高，汽车ABS刹车程度越高。
为了实现以上功效，能够经过编程对单片机进行设置，给单片机设定两个判定时间：
1、报警临界时间Ts，即单片机在对激光雷达传感器采集到数据进行处理后得到预料撞车时间T小于Ts时，则单片机经过向蜂鸣器引脚发送出电平信号，使蜂鸣器发出报警声音；
2、安全极限时间Tl，即一旦预料撞车时间T小于Tl时，驾驶员经过本身生理反应已经来不及采取认为制动方法，此时，系统自动对ABS发出刹车控制信号，以预防因驾驶员来不及刹车而造成发生事故可能性。
当T大于Ts时，说明汽车处于安全行驶状态，系统仍然处于不停向传感器采集数据状态，当T小于Ts且大于Tl时候，蜂鸣器开始报警，而且，当T越靠近Tl(即T-Tl越趋近于0)，向蜂鸣器所在引脚输出电压脉冲波占空比越小，此时，蜂鸣器报警声音频率越来越高。当T小于等于Tl时候，蜂鸣器维持最高报警频率，而且单片机经过CAN收发模块向ABS发出刹车信号，若Tl-T值越大，刹车程度越高。
5.2 系统对数据处理
激光传感器向汽车正前方0-180°方向不停发送激光探测波，经过激光接收器获取回波信息，具体信息包含和目标物之间距离s，二者之间相对速度v和以本车身为原点中心坐标中，目标物所在位置角度θ。不过，怎样才能被认为是对本车组成安全威胁呢？还需要具体研究，以下示意图：

图中，4辆小车车身宽度全部假设为x，在小车0上装有激光雷达传感器，以小车0为坐标中心，假设小车1和小车0之间纵向距离为y1，横向距离为x1，小车2和小车0之间纵向距离为y2，横向距离为x2，小车3和小车0之间纵向距离为y3，横向距离为x3，小车4和小车0之间纵向距离为y4，横向距离为x4（横向距离只计算绝对值）。假设小车0，小车1，小车2，小车3，小车4车速分别为v0，v1，v2，v3和v4。
由图中能够看出，y4>y3=y2>y1，x2>x4>x0/2>x3=x1，很显著，即便和小车2和小车4相对速度再大（假设Vx靠近无穷大），她们也不会对小车x0组成安全威胁，此时得出第一个结论，激光雷达所采集到障碍物横向坐标需要小于本身车辆宽度二分之一，才会视为数据采集对象。
假设一：小车1和小车3全部相对于小车0行驶，由图可知，小车1和小车3对小车0组成安全威胁，她们坐标信息被单片机视为有效信息，尽管小车3和小车0纵向距离y3小于小车1和小车0纵向距离y1，即y3 < y1，不过，假如y3/(v0+v3) > y1/（v0+v1）,也就是说，小车1会比小车3先和小车0相撞，则单片机会优先考虑小车1坐标信息，假如坐标信息达成报警条件，报警系统会报警，假如坐标信息达成刹车条件，单片机会向CAN总线发出刹车信号，进行紧急制动。
假设二：小车1和小车0相对行驶，而小车3和小车0同向行驶，若y3/(v0-v3) > y1/（v0-v1），则应该优先考虑小车1坐标信息，若y3/(v0-v3) < y1/（v0+v1），则应优先考虑小车3坐标信息。

由此分析可得出，在软件实现方面，首先应该考虑是小车和目标障碍物之间横向距离x，在横向距离考虑范围之内障碍物，不只是考虑纵向距离y，而应该考虑二者之间所处相对速度v下预想相撞时间t=y/v，即预想相撞时间t越小，越优先考虑。或说，时间最短对应某个坐标信息优先级最高，只要有任何一个信息组成报警条件，单片机全部会采取应对方法。
5.3 系统结构图
5.4 基于CAN总线单片机和汽车ABS之间通信
CAN总线接口管理逻辑解释来自CPU命令，控制CAN寄存器寻址，向主控制器提供中止信息和状态信息。发送缓冲器是CPU和BSP位流处理器之间接口，能够存放发送到CAN网络上完整信息。缓冲器长13个字节，由CPU写入，BSP读出。接收缓冲器是验收滤波器和和CPU之间接口，用柬存放从CAN总线上接收信息。接收缓冲器(RXB长13个字节)作为接收FIFO(RXFIFO长64个字节)一个窗口，能够被CPU访问。CPU在此FIFO支持下能够在处理信息时候接收其它信息。验收滤波器(AcF)把它其中数据和接收识别码内容相比较，以决定是否接收信息。在纯粹接收测试中全部信息全部保留在RXFIFO中。位流处理器(BSP)是一个在发送缓冲器RXFIFO和CAN总线之间控制数据流程序装置。它还在CAN总线上实施错误检测，仲裁填充和错误处理。位时序逻辑(BTL)监视串口CAN总线和处理和总线相关位时序。它在信息开头‘弱势一支配’总线传输时同时CAN总线位流(硬同时)，接收信息时再次同时下一次同时(软同时)。BTL还提供了刻编程时阳J段来赔偿传
播延时时间对应位转换(如因为振荡飘溢)和定义采样点和一位时间内采样次数。错误管理逻辑(EML)负责传送层模块错误管制，它接收BSP犯错汇报，通知BSP和IML统计错误。
以此为基础，CAN总线在收到单片机对制动装置ABS控制信号以后，对ABS进行控制，实现紧急刹车目标。
在需要对ABS传送刹车信号时候，单片机:经过CAN收发模块向CAN总线某一位ID发送一帧数据，现在对数据进行定义。假设在紧急情况下，设置ABS刹车最大程度为80%，而单片机所发送一帧数据最多能够有8位数据，每一位数据分别有8个字节，图：
Bit0：
A
B
C
D
E
F
G
H
在此假设A为有效位，当A为1时，表明Bit0位数据有效，剩下7位，能够表示0-167共168位数字，则能够和汽车刹车装置ABS约定，当Bit0数据值分别为0-159时候，ABS刹车程度分别为0,0.5%，1%，...80%。当然，具体刹车程度能够依据科学研究后，确定一个适合标准以后再对系统进行设置。剩下数据（即160-167能够视为无效）。
另外，为了预防数据犯错，单片机还能够同时多发两位数据，对Bit0位数据进行实时校验，采取方法是发送一位数据Bit1，随即对Bit1上数据求补，将求补后数据放在Bit2位上，再将Bit2位数据发送，最终将Bit1和Bit2两位上面数据相加，若相加后值等于0FFFH，则说明单片机处于正常工作状态，Bit0位数据有效，不然，即便Bit0位数据中A值为1，Bit0为数据一样无效。比如：
Bit1：
1
0
1
0
0
1
0
0
Bit2：
1
1
0
1
1
1
0
0
总结
本论文所研究设计基于激光雷达车载防撞预警系统，是从车安全角度研究开发一个能有效预防汽车碰撞交通事故车载设备。针对中国公路交通安全需要，和中国外智能交通系统及汽车电子技术应用现实状况和发展趋势，综合了汽车电子技术、通信技术和控制技术等多学科理论。应用到激光雷达单色性好、方向性强，正确度高等特点，利用是激光雷达测距原理，因为激光雷达测距显著优势，确保了传感器所采集到信息立即性和正确性，这是确保车载防撞系统性能前提。能够实现对不一样情况实施不一样等级报警状态和应对方法，不仅如此，本文所研究系统还考虑到了极端危险情况下所采取方法，即自动刹车，于此同时，还考虑到了刹车程度大小问题，因为ABS装置广泛应用而得以实现，而且经过CAN总线很好得到了处理。
这个系统很好实现了汽车主