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[摘 要]前照灯自适应系统（AFS）是通过对方向盘转角、汽车速度的数据采集，从而对汽车前照灯做调整以增强行车安全的系统。在本文中，通过角度传感器，速度传感器的设计，数据传送到微控制器MSP430F149，来驱动步进电机，从而完成了自适应系统控制汽车前照灯的配光形象，和照射角度的变化。
[关键词]自适应前照灯系统；主控单元；数据采集
中图分类号：U463.651 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）20-0282-02
1.引言
中国的汽车产业在飞速的发展，同时带来的也有交通事故的频繁发生，而由于驾驶员视线问题造成的事故比重占了一大半。前照灯是为驾驶员在夜间或者特殊环境下提供照明的，照明的好坏直接影响了驾驶员的安全。我国现有的传统照明系统存在诸多问题。在弯道和特殊环境下不能提供充足的照明，而AFS系统可以实现。现如今很多高档车如奥迪A4，宝马5系等已经安装此系统。所以，AFS系统的研发是汽车工业的发展方向。
2. 总体方案设计及分析
本汽车前照灯自适应系统是由车速传感器、转角传感器、LIN总线、主控单元（MSP430F149）、步进电机和前照灯所组成的。在汽车行驶过程当中，通过转角传感器进行方向盘转角的数据采集，和车速传感器进行汽车速度的数据采集，将所得数据通过多输入输出通道传递到主控单元（MSP430F149）中，在其内部进行控制策略的精确计算，控制步进电机左右方向转动，从而完成对汽车前照灯左右方向的控制[1]。AFS系统原理框图如图1所示。
3.灯水平转角与方向盘转角量、车速关系
汽车的安全制动距离是汽车转弯时前照灯转动角度的重要依据，因此在汽车转弯时，应先计算出制动距离，而车灯转动多少角度是由车速和转角弧度所决定的。车速传感器可提供车速，弧度既是弯道的半径，通过转角传感器和前后轮的转动角度，依据阿克曼原理可计算出其实际的转弯半径。本文以此建立的汽车转弯时的模型[2]。
a）阿克曼原理：
阿克曼汽车转动原理是指汽车前后轮的轴心垂直延长线必交于一点（Z点），如图2所示，图中线段ZX为转弯半径，其值为弯道的半径R，车辆的前后轴间距为D，外侧前轮转向的角度为B[2]。
通过以上弯道半径、汽车速度和车灯转角的几何关系，可以表明汽车在行驶的过程中，方向盘的转角与车灯转角是成正比关系。车速在方向盘转角为定值时，车速和车灯转角也成正比的关系。将以上关系带入AFS系统的设计当中，使理论和实践更好的结合，更精确地确定的转动的状态，从而确定车辆转向模式，更加安全、智能化。
4.硬件电路设计
4.1 单片机最小系统设计
整个系统的核心控制部分为单片机电路，通过单片进控制来实现电机驱动从而带动前照灯调节。本文的主要控制单元选用的是MSP430F149型的单片机，体积很小且结构简单，性价比较高，生产和调试都较为方便，具有16位RISC结构，有低速和高速两种振荡器，其正常工作电压，可以在1.8V-3.6V间工作，如图4所示。由于电源的输入的不定向纹波会影响到单片机，所以我们设计进行滤波。而且我们应考虑到抗干扰等问题。因此，本系统中受到的干扰会比较小，在单片机的模拟电源输入端增加一个滤波电容用来减小干扰。所以，我们让模拟地和数字地接到一起共地。
4.2 转角传感器
转角传感器有很多种，基于不同原理有光电式，电阻式，电磁式等，各有其优点及缺点。在本系统中，转角传感器选用的是基于光电式的编码器（EPC-755A），而其中鉴相电路则是由与非门与触发器所构成的，同时应用了3片74LS193相连接而构成了计数电路[1]，在光电编码器工作过程当中，通过输出通道波形的前后判断其工作在顺时针还是逆时针，如通道A波形信号超前，则其在顺时针转动，如通道A波形信号滞后，则其在逆时针转动，同时触发器的输出信号出现两种不同的高低电平，计数脉冲将通过上、下的与非门输送数据到计数电路当中。最后传送到处理电路中，其电路原理图如图5所示[3]。
4.3 车速信号处理电路
从汽车的里程表里引出汽车的电压信号，该设计的电压为12V。由于单片机可以处理在5V信号电平，所以速度信号电路主要完成信号的电平匹配设计，信号转换成数字信号的5V，12V，利用光电藕合器将输出信号送入控制单元并进行计数。本系统的车速信号处理电路原理如图6所示[7]。
4.4 驱动电路的设计
LIN总线将传感器采集的数据信号传入到控制单元当中，通过内部的精确计算，从而实现控制步进电机转动，它会通过定位指令，正确启动或停止步进马达，将其设定在最短的时间点。也会将出现的问题反馈给管理和内部行动和决定的报告到LIN接口。此AMIS-30623包括以下内容：为LIN协议处理程序，内部振荡器，以及控制逻辑和控制所需的PWM。内部参考电压进行精确修剪源，一个保护块具有热关机电路。5V稳压器（从电池供电）提供的内部逻辑电路。本系统的步进电机驱动电路如图7所示[1]。
5.系统主程序设计
硬件电路的正常运行必须有软件的配合，在软件程序设计开发工作中，主要是搭建硬件电路板，使其结构合理、减小面积，硬件结构搭建完成后，需要软件程序去支撑完成功能，所以软件程序，软件功能的完善关系到硬件系统的可靠稳定性。通过系统初始化、编程、中断定时进行判断，如不符合条件，将初始化系统，再次进行判断，直至判断符合条件为止等一系列的运作，来控制步进电机的转动，主程序流程如图9所示[1]。
6.结束语
本文通过总体方案的设计、控制策略建模、硬件电路设计、软件电路流程设计、实现了汽车前照灯自适应系统的设计，通过信号的采集、传送、处理，完成汽车前照灯的智能转动。但仍有很多地方如传感器的增加，总线的选择，单片机的工作效率，光线的变换等需要改进。能够在不同的行驶环境中做到灯光的自由变换，是我们的研究目标，同时为给驾驶员提供一个更加安全可靠的驾驶环境，也会降低交通事故发生率，所以汽车前照灯自适应系统的研究将是今后汽车电子工业的重要研究课题。
参考文献
[1] 束华明，高明煜，王园园. 基于单片机控制的汽车前照灯自适应系统[J].电子测量与仪器学报，2008（增刊）：318-321.
[2] 朱丽.基于PSoC的汽车前照灯智能控制系统研究[D]：[硕士学位论文].长春理工大学，2013 .
[3] 徐科军.传感器与检测技术[M].北京；电子工业出版社，2008.2.
[4] 崔涛，刘刚.故障树分析法在汽车故障诊断中的应用[J].长春工业大学学报，2009：661-664.
[5] 侯天伟， 盛立峰， 史国计， 杨玉春.基于虚拟仪器的汽车电子设备测试系统[J].长春工业大学学报，2008，32（5）：546-549.
[6] 勒伟，廖延彪，导波光学传感器原理与技术[M].北京：科学出版社，1998
[7] 杨财，周艳霞.方向盘转角传感器研究进展[J].传感器与微系统，2007，26（11）：1-4.
作者简介
冷帅（1989-），男，汉族，吉林省长春市人，长春工业大学硕士生，主要从事汽车电子方向研究。
[关键词]自适应前照灯系统；主控单元；数据采集
中图分类号：U463.651 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）20-0282-02
1.引言
中国的汽车产业在飞速的发展，同时带来的也有交通事故的频繁发生，而由于驾驶员视线问题造成的事故比重占了一大半。前照灯是为驾驶员在夜间或者特殊环境下提供照明的，照明的好坏直接影响了驾驶员的安全。我国现有的传统照明系统存在诸多问题。在弯道和特殊环境下不能提供充足的照明，而AFS系统可以实现。现如今很多高档车如奥迪A4，宝马5系等已经安装此系统。所以，AFS系统的研发是汽车工业的发展方向。
2. 总体方案设计及分析
本汽车前照灯自适应系统是由车速传感器、转角传感器、LIN总线、主控单元（MSP430F149）、步进电机和前照灯所组成的。在汽车行驶过程当中，通过转角传感器进行方向盘转角的数据采集，和车速传感器进行汽车速度的数据采集，将所得数据通过多输入输出通道传递到主控单元（MSP430F149）中，在其内部进行控制策略的精确计算，控制步进电机左右方向转动，从而完成对汽车前照灯左右方向的控制[1]。AFS系统原理框图如图1所示。
3.灯水平转角与方向盘转角量、车速关系
汽车的安全制动距离是汽车转弯时前照灯转动角度的重要依据，因此在汽车转弯时，应先计算出制动距离，而车灯转动多少角度是由车速和转角弧度所决定的。车速传感器可提供车速，弧度既是弯道的半径，通过转角传感器和前后轮的转动角度，依据阿克曼原理可计算出其实际的转弯半径。本文以此建立的汽车转弯时的模型[2]。
a）阿克曼原理：
阿克曼汽车转动原理是指汽车前后轮的轴心垂直延长线必交于一点（Z点），如图2所示，图中线段ZX为转弯半径，其值为弯道的半径R，车辆的前后轴间距为D，外侧前轮转向的角度为B[2]。
通过以上弯道半径、汽车速度和车灯转角的几何关系，可以表明汽车在行驶的过程中，方向盘的转角与车灯转角是成正比关系。车速在方向盘转角为定值时，车速和车灯转角也成正比的关系。将以上关系带入AFS系统的设计当中，使理论和实践更好的结合，更精确地确定的转动的状态，从而确定车辆转向模式，更加安全、智能化。
4.硬件电路设计
4.1 单片机最小系统设计
整个系统的核心控制部分为单片机电路，通过单片进控制来实现电机驱动从而带动前照灯调节。本文的主要控制单元选用的是MSP430F149型的单片机，体积很小且结构简单，性价比较高，生产和调试都较为方便，具有16位RISC结构，有低速和高速两种振荡器，其正常工作电压，可以在1.8V-3.6V间工作，如图4所示。由于电源的输入的不定向纹波会影响到单片机，所以我们设计进行滤波。而且我们应考虑到抗干扰等问题。因此，本系统中受到的干扰会比较小，在单片机的模拟电源输入端增加一个滤波电容用来减小干扰。所以，我们让模拟地和数字地接到一起共地。
4.2 转角传感器
转角传感器有很多种，基于不同原理有光电式，电阻式，电磁式等，各有其优点及缺点。在本系统中，转角传感器选用的是基于光电式的编码器（EPC-755A），而其中鉴相电路则是由与非门与触发器所构成的，同时应用了3片74LS193相连接而构成了计数电路[1]，在光电编码器工作过程当中，通过输出通道波形的前后判断其工作在顺时针还是逆时针，如通道A波形信号超前，则其在顺时针转动，如通道A波形信号滞后，则其在逆时针转动，同时触发器的输出信号出现两种不同的高低电平，计数脉冲将通过上、下的与非门输送数据到计数电路当中。最后传送到处理电路中，其电路原理图如图5所示[3]。
4.3 车速信号处理电路
从汽车的里程表里引出汽车的电压信号，该设计的电压为12V。由于单片机可以处理在5V信号电平，所以速度信号电路主要完成信号的电平匹配设计，信号转换成数字信号的5V，12V，利用光电藕合器将输出信号送入控制单元并进行计数。本系统的车速信号处理电路原理如图6所示[7]。
4.4 驱动电路的设计
LIN总线将传感器采集的数据信号传入到控制单元当中，通过内部的精确计算，从而实现控制步进电机转动，它会通过定位指令，正确启动或停止步进马达，将其设定在最短的时间点。也会将出现的问题反馈给管理和内部行动和决定的报告到LIN接口。此AMIS-30623包括以下内容：为LIN协议处理程序，内部振荡器，以及控制逻辑和控制所需的PWM。内部参考电压进行精确修剪源，一个保护块具有热关机电路。5V稳压器（从电池供电）提供的内部逻辑电路。本系统的步进电机驱动电路如图7所示[1]。
5.系统主程序设计
硬件电路的正常运行必须有软件的配合，在软件程序设计开发工作中，主要是搭建硬件电路板，使其结构合理、减小面积，硬件结构搭建完成后，需要软件程序去支撑完成功能，所以软件程序，软件功能的完善关系到硬件系统的可靠稳定性。通过系统初始化、编程、中断定时进行判断，如不符合条件，将初始化系统，再次进行判断，直至判断符合条件为止等一系列的运作，来控制步进电机的转动，主程序流程如图9所示[1]。
6.结束语
本文通过总体方案的设计、控制策略建模、硬件电路设计、软件电路流程设计、实现了汽车前照灯自适应系统的设计，通过信号的采集、传送、处理，完成汽车前照灯的智能转动。但仍有很多地方如传感器的增加，总线的选择，单片机的工作效率，光线的变换等需要改进。能够在不同的行驶环境中做到灯光的自由变换，是我们的研究目标，同时为给驾驶员提供一个更加安全可靠的驾驶环境，也会降低交通事故发生率，所以汽车前照灯自适应系统的研究将是今后汽车电子工业的重要研究课题。
参考文献
[1] 束华明，高明煜，王园园. 基于单片机控制的汽车前照灯自适应系统[J].电子测量与仪器学报，2008（增刊）：318-321.
[2] 朱丽.基于PSoC的汽车前照灯智能控制系统研究[D]：[硕士学位论文].长春理工大学，2013 .
[3] 徐科军.传感器与检测技术[M].北京；电子工业出版社，2008.2.
[4] 崔涛，刘刚.故障树分析法在汽车故障诊断中的应用[J].长春工业大学学报，2009：661-664.
[5] 侯天伟， 盛立峰， 史国计， 杨玉春.基于虚拟仪器的汽车电子设备测试系统[J].长春工业大学学报，2008，32（5）：546-549.
[6] 勒伟，廖延彪，导波光学传感器原理与技术[M].北京：科学出版社，1998
[7] 杨财，周艳霞.方向盘转角传感器研究进展[J].传感器与微系统，2007，26（11）：1-4.
作者简介
冷帅（1989-），男，汉族，吉林省长春市人，长春工业大学硕士生，主要从事汽车电子方向研究。