新型智能化倒車(chē)?yán)走_(dá)主控芯片設(shè)計(jì)

摘要  根據(jù)國(guó)內(nèi)倒車(chē)?yán)走_(dá)系統(tǒng)的現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)了穩(wěn)定性更好和智能化程度更高的硬件實(shí)現(xiàn)方式。它能有效的防止聲波衍射，實(shí)現(xiàn)周?chē)h(huán)境的自適應(yīng)，以及通過(guò)不同大小的物體反射的超聲波幅度判斷的智能化處理；它還能實(shí)現(xiàn)適用于不同應(yīng)用的報(bào)警輸出和顯示。
關(guān)鍵詞  雷達(dá)、智能化、超聲波、警報(bào)、專(zhuān)用集成電路

1 引言
    隨著汽車(chē)普及率的逐年增加，消費(fèi)者在將汽車(chē)作為交通運(yùn)輸工具的同時(shí)，對(duì)汽車(chē)配置有了更多的要求，尤其是對(duì)舒適性和安全性提出了更高的要求。對(duì)于很多司機(jī)尤其是新手來(lái)說(shuō)，倒車(chē)無(wú)疑是件非常頭痛的事，倒車(chē)?yán)走_(dá)正好可以幫司機(jī)解決這個(gè)難題，因此越來(lái)越多的商家進(jìn)入了這個(gè)市場(chǎng)。從目前市場(chǎng)情況看，國(guó)內(nèi)倒車(chē)?yán)走_(dá)生產(chǎn)廠(chǎng)家都是使用單片機(jī)配合外圍運(yùn)放、鎖相環(huán)電路完成超聲波測(cè)距并提供報(bào)警的工作，缺乏單芯片方案，而使用單片機(jī)方案要求生產(chǎn)廠(chǎng)家必須具備開(kāi)發(fā)軟硬件的能力，而且利用軟件控制存在不穩(wěn)定的因素。如果能用專(zhuān)用芯片實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)功能，對(duì)倒車(chē)?yán)走_(dá)生產(chǎn)商來(lái)說(shuō)，不僅能降低開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)成本，對(duì)整機(jī)的可靠性也有很大提高。

    目前，成都國(guó)騰微電子有限公司已率先推出芯片級(jí)倒車(chē)?yán)走_(dá)解決方案。

2：系統(tǒng)概述
2.1 系統(tǒng)框圖

 

 

 

 

 

 

 

 

 

              圖1 芯片管腳圖示

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                          圖2 系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖
2.2 功能概述
     系統(tǒng)提供4個(gè)超聲波探頭接口，接收到反射回來(lái)的信號(hào)后，根據(jù)發(fā)送和接收的時(shí)間差判斷障礙物距離的危險(xiǎn)等級(jí)，輸出相應(yīng)報(bào)警信號(hào)。報(bào)警信號(hào)編碼后采用雙線(xiàn)差分方式輸出，輸出信號(hào)的內(nèi)容包括：各探頭檢測(cè)到的障礙物距離的危險(xiǎn)等級(jí)、最近障礙物的方位、最近障礙物的距離值和附加消息。

2.3 接口協(xié)議
    報(bào)警信號(hào)采用雙線(xiàn)差分串行輸出的方式，目的是提高傳輸信號(hào)在長(zhǎng)距離和強(qiáng)干擾環(huán)境下的傳輸正確性。雙線(xiàn)差分傳輸具體格式是：ALOUTP輸出實(shí)際需要的信號(hào)，ALOUTN 則輸出與ALOUTP相反的電平信號(hào)。

2.3.1 倒車(chē)模式
    報(bào)警信號(hào)以數(shù)據(jù)包格式輸出，每個(gè)數(shù)據(jù)包包括3個(gè)字節(jié)，格式和內(nèi)容如下所述：
第一個(gè)字節(jié)：第一字節(jié)高四位為起始標(biāo)志，用于說(shuō)明此報(bào)警數(shù)據(jù)是倒車(chē)模式下的數(shù)據(jù)還是扒車(chē)模式下的數(shù)據(jù)，倒車(chē)模式是“0101”，扒車(chē)模式是“1010”。倒車(chē)模式下數(shù)據(jù)格式如圖3所示，第一字節(jié)的低2兩位用于輸出附加消息，輸出數(shù)據(jù)指示1或4探頭是否進(jìn)入環(huán)境適應(yīng)模式，S1表示探頭1是否進(jìn)入環(huán)境適應(yīng)模式，“1”表示進(jìn)入環(huán)境適應(yīng)模式，“0”表示正常倒車(chē)模式；S4表示探頭2是否進(jìn)入環(huán)境適應(yīng)模式，“1”表示進(jìn)入環(huán)境適應(yīng)模式，“0”表示正常倒車(chē)模式。低4位SX1和低3位SX0表示最近障礙物的方位，00表示是探頭1方向，01表示是探頭2方向，10表示是探頭3方向，11表示是探頭4方向。

          圖3  第一字節(jié)數(shù)據(jù)格式

    第二個(gè)字節(jié)：如圖4所示，SXA和SXB表示X號(hào)探頭檢測(cè)到的障礙物的危險(xiǎn)等級(jí)，危險(xiǎn)等級(jí)分為安全、警告、危險(xiǎn)、停車(chē)4級(jí)，分別用00、01、10、11表示。例如第二字節(jié)數(shù)據(jù)為“10010000”，表示第一個(gè)探頭檢測(cè)到危險(xiǎn)狀態(tài)，第二個(gè)探頭檢測(cè)到警告狀態(tài)，第三和第四個(gè)探頭為安全狀態(tài)。

 

      圖4 第二字節(jié)數(shù)據(jù)格式

     第三字節(jié)：第三字節(jié)輸出最近障礙物的距離值，數(shù)據(jù)格式如圖5所示，DA1DA0表示最近障礙物距離的第一位數(shù)據(jù)，按BCD編碼，最大值為3；DB0~DB3表示最近障礙物距離的第二位數(shù)據(jù)，按BCD編碼，最大值為9；DC0表示第三位數(shù)據(jù)，0表示0，1表示5。

 

            圖5  第三字節(jié)數(shù)據(jù)格式

2.3.2 防扒車(chē)模式
    防扒車(chē)模式下，輸出的數(shù)據(jù)包也包括3個(gè)字節(jié)，但只有第一個(gè)字節(jié)為有效數(shù)據(jù)，后兩個(gè)字節(jié)無(wú)效，固定為‘0x00’。該數(shù)據(jù)包第一字節(jié)的數(shù)據(jù)格式如圖6所示，高四位為起始標(biāo)志，用于說(shuō)明此報(bào)警數(shù)據(jù)是倒車(chē)模式下的數(shù)據(jù)還是防扒車(chē)模式下的數(shù)據(jù)，倒車(chē)模式是“0101”，扒車(chē)模式是“1010”。低四位指示方位，SX位為1則表示X號(hào)探頭檢測(cè)到近距離障礙物，SX為0則表示沒(méi)有檢測(cè)到近距離障礙物。

 

 
            圖6  防扒車(chē)模式報(bào)警數(shù)據(jù)格式

3 智能化原理
3.1 防聲波衍射處理
    由于聲波傳輸?shù)奶匦裕暡〞?huì)出現(xiàn)未經(jīng)實(shí)際物體反射就直接回到探頭被檢測(cè)到，造成處理器認(rèn)為是實(shí)際發(fā)射接收到的信號(hào)，直接導(dǎo)致誤報(bào)。但聲波衍射的干擾強(qiáng)度很難達(dá)到實(shí)際物體有效反射的超聲波強(qiáng)度，所以可通過(guò)識(shí)別來(lái)判斷。硬件一旦判定收到的超聲波信號(hào)是聲波衍射返回的信號(hào)，則自動(dòng)忽略該結(jié)果，芯片繼續(xù)等待在固定時(shí)間△T內(nèi)是否有有效反射波，有則進(jìn)行處理，沒(méi)有則轉(zhuǎn)入下一探頭的驅(qū)動(dòng)。

3.2 智能識(shí)別處理
    由于地面上的小物體，比如磚塊，石塊，水果都會(huì)造成超聲波的反射，并讓探頭檢測(cè)到。而這些物體并不影響車(chē)輛的倒車(chē)操作，所以實(shí)際上是一種誤報(bào)現(xiàn)象。所以硬件要對(duì)這種情況進(jìn)行處理，提高報(bào)警的準(zhǔn)確性。

     智能識(shí)別處理可以通過(guò)不同大小的物體反射的超聲波幅度不同來(lái)判斷。所以一旦確定多大的物體不會(huì)影響倒車(chē)的操作，就可以明確地測(cè)量該物體在不同距離上的超聲波發(fā)生的幅度和轉(zhuǎn)換后的電平大小，處理器可根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試出來(lái)的結(jié)果在模擬或數(shù)字部分進(jìn)行處理，根據(jù)要求忽略掉相應(yīng)的接收信號(hào)。與防聲波衍射處理一樣，硬件忽略掉無(wú)效反射波后要繼續(xù)等待在固定時(shí)間△T內(nèi)是否有有效反射波，有則進(jìn)行處理，沒(méi)有則轉(zhuǎn)入下一探頭的驅(qū)動(dòng)。

3.3 環(huán)境適應(yīng)處理
     車(chē)輛在倒車(chē)進(jìn)入一個(gè)巷道或兩邊已經(jīng)?？苛似渌?chē)輛的停車(chē)場(chǎng)的車(chē)位時(shí)都會(huì)存在環(huán)境影響造成的誤報(bào)警。因?yàn)樵谶@種情況下，絕大部分倒車(chē)的過(guò)程中，最近的檢測(cè)距離和方位都在車(chē)身的兩邊（墻面或兩邊車(chē)輛的超聲波反射），但駕駛員可以通過(guò)兩邊的反光鏡掌握兩邊的車(chē)距，駕駛員關(guān)心的是車(chē)身后面的障礙物體。所以處理器在這種環(huán)境下應(yīng)該能識(shí)別并適應(yīng)。

     解決辦法是對(duì)車(chē)身兩邊的物體發(fā)射的距離做記錄和統(tǒng)計(jì)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)探頭一和探頭四，或者其中的一個(gè)在6個(gè)報(bào)警周期內(nèi)檢測(cè)到的距離都比較恒定，或變化范圍很小，則認(rèn)為處于上述環(huán)境中。于是，處理器在送出相應(yīng)的消息后就不再輸出相應(yīng)探頭的探測(cè)信息，只對(duì)探頭二和探頭三的檢測(cè)信息作出響應(yīng)。但是如果探頭一和探頭四的檢測(cè)距離變化范圍超過(guò)設(shè)定值（±△L米），則馬上回到正常檢測(cè)的狀態(tài)機(jī)模式，兩側(cè)或某一邊的距離再次恒定后又轉(zhuǎn)到環(huán)境適應(yīng)模式下。同時(shí)，環(huán)境適應(yīng)模式也有一個(gè)極限設(shè)定值（0.5米），即恒定距離小于0.5米時(shí)，處理器還是回到正常檢測(cè)模式，對(duì)該探頭的檢測(cè)信息輸出報(bào)警信息。

3.4 防地面固定聲波反射處理
    由于各種車(chē)輛的底盤(pán)和后保險(xiǎn)杠的高度及斜度不一樣，再加上各倒車(chē)?yán)走_(dá)廠(chǎng)家所采用的探頭種類(lèi)不一樣，比如單角度的探頭發(fā)射范圍廣，所以很可能存在超聲波發(fā)射到地面后的固定反射情況，處理器必須適應(yīng)并識(shí)別出是一個(gè)固定距離的干擾。
處理方法是：每次開(kāi)機(jī)運(yùn)行后，檢測(cè)到四個(gè)探頭在6個(gè)報(bào)警周期內(nèi)收到的障礙物距離值都是一致且恒定的（誤差允許在±△L米內(nèi)），則將此距離當(dāng)成是地面反射干擾，以后不再響應(yīng)處理，而是在設(shè)定的周期時(shí)間內(nèi)等待其它有效的超聲波發(fā)射信號(hào)。

4 硬件實(shí)現(xiàn)
4.1 代碼實(shí)現(xiàn)
//+FHDR===============================================================
// Copyright 2005,UESTC,All rights reserved.
// File Name  : alarm_deal.v
// Author     :Yangbing
// Release History
// Version       Date         Author Description
// 1.0          20/05/2005       initial version
//-FHDR==============================================================
`timescale 1ns/10ps
module  alarm_deal  (clk,resetn,mode,dm,pulse_out,pulse_back,ch_sel,mux_enable,
alarm_out,alarm_outn);
//====================================================================
//                 input ports declaration
//====================================================================
……………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………..
//======================end module ====================================     
endmodule
//=================  alarm_deal verilog file end =============================

4.2 電路結(jié)構(gòu)
    本系統(tǒng)采用0.5u mix signal 工藝，在成都國(guó)騰微電子有限公司的工作平臺(tái)的支持下，已經(jīng)成功完成綜合驗(yàn)證，版圖設(shè)計(jì)工作。綜合電路結(jié)構(gòu)如圖7：

 

    

 

 

 

 

 

 

           圖7  電路結(jié)構(gòu)                               圖8  版圖結(jié)構(gòu)
 
4.3 版圖設(shè)計(jì)
    該版圖設(shè)計(jì)采用0.5u mix signal 工藝，版圖結(jié)構(gòu)如圖8所示。

5 應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                    圖9  典型應(yīng)用 

     此典型應(yīng)用系統(tǒng)(圖9)的核心：就是以成都國(guó)騰微電子有限公司獨(dú)立開(kāi)發(fā)的倒車(chē)?yán)走_(dá)主控芯片GM3101為核心的數(shù)據(jù)處理部分和以單片機(jī)為核心的數(shù)據(jù)顯示部分組成。經(jīng)測(cè)試完

     全達(dá)到了市場(chǎng)上高端產(chǎn)品的要求，甚至在顯示距離，顯示靈敏度，系統(tǒng)工作穩(wěn)定性等方面都有所提高。相比較市場(chǎng)上其他倒車(chē)?yán)走_(dá)系統(tǒng)主要有以下優(yōu)點(diǎn)：
（1） 抗干擾性和可靠性
      傳統(tǒng)的倒車(chē)?yán)走_(dá)使用的是基于RAM和ROM結(jié)構(gòu)的單片機(jī)，所以在抗電磁干擾性和穩(wěn)定上無(wú)法和純硬件的ASIC芯片相比較，GM系列倒車(chē)?yán)走_(dá)專(zhuān)用芯片工作可靠穩(wěn)定，不會(huì)出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象。
（2） 設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)簡(jiǎn)便
      傳統(tǒng)的倒車(chē)?yán)走_(dá)設(shè)計(jì)復(fù)雜，器件繁多，出現(xiàn)故障的可能性也更大，且需要編程，生產(chǎn)調(diào)試麻煩，分離元件性能差異大，整體指標(biāo)不容易統(tǒng)一。而GM系列倒車(chē)?yán)走_(dá)產(chǎn)品設(shè)計(jì)應(yīng)用非常簡(jiǎn)單，只需要外接探頭和少量的電阻電容即可工作，減少了開(kāi)發(fā)量，同時(shí)顯著減少主機(jī)的面積和尺寸，可做到傳統(tǒng)倒車(chē)?yán)走_(dá)大小的1/3。
（3） 汽車(chē)級(jí)的工作指標(biāo)
      GM系列倒車(chē)?yán)走_(dá)產(chǎn)品是全汽車(chē)級(jí)工作環(huán)境指標(biāo)設(shè)計(jì)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于民用等級(jí)的單片機(jī)，完全滿(mǎn)足和適應(yīng)汽車(chē)內(nèi)的工作條件。
（4） 數(shù)據(jù)通訊的可靠性
      GM3101與其配套的顯示部分之間采用差分通訊方式，具有極強(qiáng)的抗干擾性和可靠性，是單片機(jī)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。
（5） 防止聲波衍射干擾
      傳統(tǒng)的倒車(chē)?yán)走_(dá)由于單片機(jī)的處理能力，很難處理聲波衍射對(duì)檢測(cè)的干擾，GM系列倒車(chē)?yán)走_(dá)產(chǎn)品能完全的濾除聲波衍射的干擾，讓檢測(cè)更可靠更準(zhǔn)確。
（6） 智能識(shí)別功能
      由于任何物體都會(huì)對(duì)聲波進(jìn)行反射，所以倒車(chē)?yán)走_(dá)能檢測(cè)到物體的距離。而在實(shí)際倒車(chē)應(yīng)用中，很多過(guò)小的物體，如水果、壘球等都會(huì)讓倒車(chē)?yán)走_(dá)認(rèn)為是障礙物而報(bào)警，但是這些過(guò)小的物體并不影響車(chē)輛的正常倒車(chē)，所以GM3101芯片能智能的識(shí)別物體的物質(zhì)屬性和大小，然后再進(jìn)行報(bào)警處理，避免了上述非必要的報(bào)警。
（7） 防止固定地面反射干擾
      各種車(chē)輛的尾部保險(xiǎn)杠的高度和尾部垂直面的傾斜度都不一致，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)探頭的安裝角度過(guò)低，聲波在不平整的地面形成反射，讓倒車(chē)?yán)走_(dá)誤認(rèn)為是有效障礙物而報(bào)警。而GM3101芯片能自動(dòng)的適應(yīng)地面造成的反射干擾而避免了誤報(bào)警。
（8） 環(huán)境智能適應(yīng)
      車(chē)輛在進(jìn)入巷道或兩邊已經(jīng)停放有車(chē)輛的車(chē)位倒車(chē)時(shí)，由于車(chē)輛的兩邊距離在比較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)都小于車(chē)后的距離，所以普通的倒車(chē)?yán)走_(dá)只能響應(yīng)最近距離的檢測(cè)，而讓駕駛者無(wú)法了解車(chē)后的真實(shí)情況。GM3101能智能的判斷停車(chē)區(qū)域的情況，讓倒車(chē)?yán)走_(dá)集中重點(diǎn)的處理駕駛者更關(guān)心的車(chē)后情況，而且又不會(huì)忽略?xún)蛇叺臋z測(cè)。

6 總結(jié)
      通過(guò)對(duì)成都國(guó)騰微電子倒車(chē)?yán)走_(dá)系統(tǒng)的詳細(xì)分析和設(shè)計(jì)，成功實(shí)現(xiàn)了聲波衍射的干擾，環(huán)境自適應(yīng)，智能化識(shí)別處理，以及對(duì)應(yīng)于不同應(yīng)用情況的報(bào)警輸出選擇。該系統(tǒng)能有效地防止軟件控制存在不穩(wěn)定的因素，不僅能降低倒車(chē)?yán)走_(dá)生產(chǎn)的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)成本，對(duì)整機(jī)的可靠性也有了很大提高，目前該芯片GM3101已投入市場(chǎng)。

參考文獻(xiàn)
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