新型智能化倒車?yán)走_(dá)主控芯片設(shè)計
關(guān)鍵詞 雷達(dá)、智能化、超聲波、警報、專用集成電路
1 引言
隨著汽車普及率的逐年增加，消費者在將汽車作為交通運輸工具的同時，對汽車配置有了更多的要求，尤其是對舒適性和安全性提出了更高的要求。對于很多司機尤其是新手來說，倒車無疑是件非常頭痛的事，倒車?yán)走_(dá)正好可以幫司機解決這個難題，因此越來越多的商家進(jìn)入了這個市場。從目前市場情況看，國內(nèi)倒車?yán)走_(dá)生產(chǎn)廠家都是使用單片機配合外圍運放、鎖相環(huán)電路完成超聲波測距并提供報警的工作，缺乏單芯片方案，而使用單片機方案要求生產(chǎn)廠家必須具備開發(fā)軟硬件的能力，而且利用軟件控制存在不穩(wěn)定的因素。如果能用專用芯片實現(xiàn)整個系統(tǒng)功能，對倒車?yán)走_(dá)生產(chǎn)商來說，不僅能降低開發(fā)和生產(chǎn)成本，對整機的可靠性也有很大提高。
目前，成都國騰微電子有限公司已率先推出芯片級倒車?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個超聲波探頭接口，接收到反射回來的信號后，根據(jù)發(fā)送和接收的時間差判斷障礙物距離的危險等級，輸出相應(yīng)報警信號。報警信號編碼后采用雙線差分方式輸出，輸出信號的內(nèi)容包括：各探頭檢測到的障礙物距離的危險等級、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
報警信號采用雙線差分串行輸出的方式，目的是提高傳輸信號在長距離和強干擾環(huán)境下的傳輸正確性。雙線差分傳輸具體格式是：ALOUTP輸出實際需要的信號，ALOUTN 則輸出與ALOUTP相反的電平信號。
2.3.1 倒車模式
報警信號以數(shù)據(jù)包格式輸出，每個數(shù)據(jù)包包括3個字節(jié)，格式和內(nèi)容如下所述：
第一個字節(jié)：第一字節(jié)高四位為起始標(biāo)志，用于說明此報警數(shù)據(jù)是倒車模式下的數(shù)據(jù)還是扒車模式下的數(shù)據(jù)，倒車模式是“0101”，扒車模式是“1010”。倒車模式下數(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
第二個字節(jié)：如圖4所示，SXA和SXB表示X號探頭檢測到的障礙物的危險等級，危險等級分為安全、警告、危險、停車4級，分別用00、01、10、11表示。例如第二字節(jié)數(shù)據(jù)為“10010000”，表示第一個探頭檢測到危險狀態(tài)，第二個探頭檢測到警告狀態(tài)，第三和第四個探頭為安全狀態(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 防扒車模式
防扒車模式下，輸出的數(shù)據(jù)包也包括3個字節(jié)，但只有第一個字節(jié)為有效數(shù)據(jù)，后兩個字節(jié)無效，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，用于說明此報警數(shù)據(jù)是倒車模式下的數(shù)據(jù)還是防扒車模式下的數(shù)據(jù)，倒車模式是“0101”，扒車模式是“1010”。低四位指示方位，SX位為1則表示X號探頭檢測到近距離障礙物，SX為0則表示沒有檢測到近距離障礙物。
圖6 防扒車模式報警數(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?，聲波會出現(xiàn)未經(jīng)實際物體反射就直接回到探頭被檢測到，造成處理器認(rèn)為是實際發(fā)射接收到的信號，直接導(dǎo)致誤報。但聲波衍射的干擾強度很難達(dá)到實際物體有效反射的超聲波強度，所以可通過識別來判斷。硬件一旦判定收到的超聲波信號是聲波衍射返回的信號，則自動忽略該結(jié)果，芯片繼續(xù)等待在固定時間△T內(nèi)是否有有效反射波，有則進(jìn)行處理，沒有則轉(zhuǎn)入下一探頭的驅(qū)動。
3.2 智能識別處理
由于地面上的小物體，比如磚塊，石塊，水果都會造成超聲波的反射，并讓探頭檢測到。而這些物體并不影響車輛的倒車操作，所以實際上是一種誤報現(xiàn)象。所以硬件要對這種情況進(jìn)行處理，提高報警的準(zhǔn)確性。
智能識別處理可以通過不同大小的物體反射的超聲波幅度不同來判斷。所以一旦確定多大的物體不會影響倒車的操作，就可以明確地測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)實驗測試出來的結(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。與防聲波衍射處理一樣，硬件忽略掉無效反射波后要繼續(xù)等待在固定時間△T內(nèi)是否有有效反射波，有則進(jìn)行處理，沒有則轉(zhuǎn)入下一探頭的驅(qū)動。
3.3 環(huán)境適應(yīng)處理
車輛在倒車進(jìn)入一個巷道或兩邊已經(jīng)?？苛似渌囕v的停車場的車位時都會存在環(huán)境影響造成的誤報警。因為在這種情況下，絕大部分倒車的過程中，最近的檢測距離和方位都在車身的兩邊（墻面或兩邊車輛的超聲波反射），但駕駛員可以通過兩邊的反光鏡掌握兩邊的車距，駕駛員關(guān)心的是車身后面的障礙物體。所以處理器在這種環(huán)境下應(yīng)該能識別并適應(yīng)。
解決辦法是對車身兩邊的物體發(fā)射的距離做記錄和統(tǒng)計，當(dāng)發(fā)現(xiàn)探頭一和探頭四，或者其中的一個在6個報警周期內(nèi)檢測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)探頭的探測信息，只對探頭二和探頭三的檢測信息作出響應(yīng)。但是如果探頭一和探頭四的檢測距離變化范圍超過設(shè)定值（±△L米），則馬上回到正常檢測的狀態(tài)機模式，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，環(huán)境適應(yīng)模式也有一個極限設(shè)定值（0.5米），即恒定距離小于0.5米時，處理器還是回到正常檢測模式，對該探頭的檢測信息輸出報警信息。
3.4 防地面固定聲波反射處理
由于各種車輛的底盤和后保險杠的高度及斜度不一樣，再加上各倒車?yán)走_(dá)廠家所采用的探頭種類不一樣，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)并識別出是一個固定距離的干擾。
處理方法是：每次開機運行后，檢測到四個探頭在6個報警周期內(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)定的周期時間內(nèi)等待其它有效的超聲波發(fā)射信號。
4 硬件實現(xiàn)
4.1 代碼實現(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，在成都國騰微電子有限公司的工作平臺的支持下，已經(jīng)成功完成綜合驗證，版圖設(shè)計工作。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
該版圖設(shè)計采用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
圖9 典型應(yīng)用
此典型應(yīng)用系統(tǒng)(圖9)的核心：就是以成都國騰微電子有限公司獨立開發(fā)的倒車?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為核心的數(shù)據(jù)顯示部分組成。經(jīng)測試完
全達(dá)到了市場上高端產(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。相比較市場上其他倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)主要有以下優(yōu)點：
（1） 抗干擾性和可靠性
傳統(tǒng)的倒車?yán)走_(dá)使用的是基于RAM和ROM結(jié)構(gòu)的單片機，所以在抗電磁干擾性和穩(wěn)定上無法和純硬件的ASIC芯片相比較，GM系列倒車?yán)走_(dá)專用芯片工作可靠穩(wěn)定，不會出現(xiàn)死機現(xiàn)象。
（2） 設(shè)計簡單，生產(chǎn)簡便
傳統(tǒng)的倒車?yán)走_(dá)設(shè)計復(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?yán)走_(dá)產(chǎn)品設(shè)計應(yīng)用非常簡單，只需要外接探頭和少量的電阻電容即可工作，減少了開發(fā)量，同時顯著減少主機的面積和尺寸，可做到傳統(tǒng)倒車?yán)走_(dá)大小的1/3。
（3） 汽車級的工作指標(biāo)
GM系列倒車?yán)走_(dá)產(chǎn)品是全汽車級工作環(huán)境指標(biāo)設(shè)計，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于民用等級的單片機，完全滿足和適應(yīng)汽車內(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，具有極強的抗干擾性和可靠性，是單片機無法實現(xiàn)的。
（5） 防止聲波衍射干擾
傳統(tǒng)的倒車?yán)走_(dá)由于單片機的處理能力，很難處理聲波衍射對檢測的干擾，GM系列倒車?yán)走_(dá)產(chǎn)品能完全的濾除聲波衍射的干擾，讓檢測更可靠更準(zhǔn)確。
（6） 智能識別功能
由于任何物體都會對聲波進(jìn)行反射，所以倒車?yán)走_(dá)能檢測到物體的距離。而在實際倒車應(yīng)用中，很多過小的物體，如水果、壘球等都會讓倒車?yán)走_(dá)認(rèn)為是障礙物而報警，但是這些過小的物體并不影響車輛的正常倒車，所以GM3101芯片能智能的識別物體的物質(zhì)屬性和大小，然后再進(jìn)行報警處理，避免了上述非必要的報警。
（7） 防止固定地面反射干擾
各種車輛的尾部保險杠的高度和尾部垂直面的傾斜度都不一致，有時會出現(xiàn)探頭的安裝角度過低，聲波在不平整的地面形成反射，讓倒車?yán)走_(dá)誤認(rèn)為是有效障礙物而報警。而GM3101芯片能自動的適應(yīng)地面造成的反射干擾而避免了誤報警。
（8） 環(huán)境智能適應(yīng)
車輛在進(jìn)入巷道或兩邊已經(jīng)停放有車輛的車位倒車時，由于車輛的兩邊距離在比較長的時間內(nèi)都小于車后的距離，所以普通的倒車?yán)走_(dá)只能響應(yīng)最近距離的檢測，而讓駕駛者無法了解車后的真實情況。GM3101能智能的判斷停車區(qū)域的情況，讓倒車?yán)走_(dá)集中重點的處理駕駛者更關(guān)心的車后情況，而且又不會忽略兩邊的檢測。
6 總結(jié)
通過對成都國騰微電子倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的詳細(xì)分析和設(shè)計，成功實現(xiàn)了聲波衍射的干擾，環(huán)境自適應(yīng)，智能化識別處理，以及對應(yīng)于不同應(yīng)用情況的報警輸出選擇。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?yán)走_(dá)生產(chǎn)的開發(fā)和生產(chǎn)成本，對整機的可靠性也有了很大提高，目前該芯片GM3101已投入市場。
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