一种智能化倒车雷达主控芯片设计

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1 引言
随着汽车普及率的逐年增加，消费者在将汽车作为交通运输工具的同时，对汽车配置有了更多的要求，尤其是对舒适性和安全性提出了更高的要求。对于很多司机尤其是新手来说，倒车无疑是件非常头痛的事，倒车雷达正好可以帮司机解决这个难题，因此越来越多的商家进入了这个市场。从目前市场情况看，国内倒车雷达生产厂家都是使用单片机配合外围运放、锁相环电路完成超声波测距并提供报警的工作，缺乏单芯片方案，而使用单片机方案要求生产厂家必须具备开发软硬件的能力，而且利用软件控制存在不稳定的因素。如果能用专用芯片实现整个系统功能，对倒车雷达生产商来说，不仅能降低开发和生产成本，对整机的可靠性也有很大提高。
2 系统概述
2.1 系统框图
  

图1 芯片管脚图示
  

图2 系统内部结构框图
2.2 功能概述
系统提供4个超声波探头接口，接收到反射回来的信号后，根据发送和接收的时间差判断障碍物距离的危险等级，输出相应报警信号。报警信号编码后采用双线差分方式输出，输出信号的内容包括：各探头检测到的障碍物距离的危险等级、最近障碍物的方位、最近障碍物的距离值和附加消息。
2.3 接口协议
报警信号采用双线差分串行输出的方式，目的是提高传输信号在长距离和强干扰环境下的传输正确性。双线差分传输具体格式是：ALOUTP输出实际需要的信号，ALOUTN 则输出与ALOUTP相反的电平信号。
2.3.1 倒车模式
报警信号以数据包格式输出，每个数据包包括3个字节，格式和内容如下所述：
第一个字节：第一字节高四位为起始标志，用于说明此报警数据是倒车模式下的数据还是扒车模式下的数据，倒车模式是“0101”，扒车模式是“1010”。倒车模式下数据格式如图3所示，第一字节的低2两位用于输出附加消息，输出数据指示1或4探头是否进入环境适应模式，S1表示探头1是否进入环境适应模式，“1”表示进入环境适应模式，“0”表示正常倒车模式；S4表示探头2是否进入环境适应模式，“1”表示进入环境适应模式，“0”表示正常倒车模式。低4位SX1和低3位SX0表示最近障碍物的方位，00表示是探头1方向，01表示是探头2方向，10表示是探头3方向，11表示是探头4方向。
  

图3 第一字节数据格式
第二个字节：如图4所示，SXA和SXB表示X号探头检测到的障碍物的危险等级，危险等级分为安全、警告、危险、停车4级，分别用00、01、10、11表示。例如第二字节数据为“10010000”，表示第一个探头检测到危险状态，第二个探头检测到警告状态，第三和第四个探头为安全状态。
  

图4 第二字节数据格式
第三字节：第三字节输出最近障碍物的距离值，数据格式如图5所示，DA1DA0表示最近障碍物距离的第一位数据，按BCD编码，最大值为3；DB0~DB3表示最近障碍物距离的第二位数据，按BCD编码，最大值为9；DC0表示第三位数据，0表示0，1表示5。
  

图5 第三字节数据格式
2.3.2 防扒车模式
防扒车模式下，输出的数据包也包括3个字节，但只有第一个字节为有效数据，后两个字节无效，固定为‘0x00’。该数据包第一字节的数据格式如图6所示，高四位为起始标志，用于说明此报警数据是倒车模式下的数据还是防扒车模式下的数据，倒车模式是“0101”，扒车模式是“1010”。低四位指示方位，SX位为1则表示X号探头检测到近距离障碍物，SX为0则表示没有检测到近距离障碍物。
  

图6 防扒车模式报警数据格式
3 智能化原理
3.1 防声波衍射处理
由于声波传输的特性，声波会出现未经实际物体反射就直接回到探头被检测到，造成处理器认为是实际发射接收到的信号，直接导致误报。但声波衍射的干扰强度很难达到实际物体有效反射的超声波强度，所以可通过识别来判断。硬件一旦判定收到的超声波信号是声波衍射返回的信号，则自动忽略该结果，芯片继续等待在固定时间△T内是否有有效反射波，有则进行处理，没有则转入下一探头的驱动。
3.2 智能识别处理
由于地面上的小物体，比如砖块，石块，水果都会造成超声波的反射，并让探头检测到。而这些物体并不影响车辆的倒车操作，所以实际上是一种误报现象。所以硬件要对这种情况进行处理，提高报警的准确性。
智能识别处理可以通过不同大小的物体反射的超声波幅度不同来判断。所以一旦确定多大的物体不会影响倒车的操作，就可以明确地测量该物体在不同距离上的超声波发生的幅度和转换后的电平大小，处理器可根据实验测试出来的结果在模拟或数字部分进行处理，根据要求忽略掉相应的接收信号。与防声波衍射处理一样，硬件忽略掉无效反射波后要继续等待在固定时间△T内是否有有效反射波，有则进行处理，没有则转入下一探头的驱动。
3.3 环境适应处理
车辆在倒车进入一个巷道或两边已经停靠了其它车辆的停车场的车位时都会存在环境影响造成的误报警。因为在这种情况下，绝大部分倒车的过程中，最近的检测距离和方位都在车身的两边（墙面或两边车辆的超声波反射），但驾驶员可以通过两边的反光镜掌握两边的车距，驾驶员关心的是车身后面的障碍物体。所以处理器在这种环境下应该能识别并适应。
解决办法是对车身两边的物体发射的距离做记录和统计，当发现探头一和探头四，或者其中的一个在6个报警周期内检测到的距离都比较恒定，或变化范围很小，则认为处于上述环境中。于是，处理器在送出相应的消息后就不再输出相应探头的探测信息，只对探头二和探头三的检测信息作出响应。但是如果探头一和探头四的检测距离变化范围超过设定值（±△L米），则马上回到正常检测的状态机模式，两侧或某一边的距离再次恒定后又转到环境适应模式下。同时，环境适应模式也有一个极限设定值（0.5米），即恒定距离小于0.5米时，处理器还是回到正常检测模式，对该探头的检测信息输出报警信息。
3.4 防地面固定声波反射处理
由于各种车辆的底盘和后保险杠的高度及斜度不一样，再加上各倒车雷达厂家所采用的探头种类不一样，比如单角度的探头发射范围广，所以很可能存在超声波发射到地面后的固定反射情况，处理器必须适应并识别出是一个固定距离的干扰。
处理方法是：每次开机运行后，检测到四个探头在6个报警周期内收到的障碍物距离值都是一致且恒定的（误差允许在±△L米内），则将此距离当成是地面反射干扰，以后不再响应处理，而是在设定的周期时间内等待其它有效的超声波发射信号。
4 硬件实现
4.1 代码实现
//+FHDR===============================================================
// Copyright 2005,UESTC,All rights reserved.
// File Name : alarm_deal.v
// Author:Yangbing
// Release History
// Version　DateAuthor 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 电路结构
本系统采用0.5u mix signal 工艺，在成都国腾微电子有限公司的工作平台的支持下，已经成功完成综合验证，版图设计工作。综合电路结构如图7：
  

图7 电路结构
  

图8 版图结构
4.3 版图设计
该版图设计采用0.5u mix signal 工艺，版图结构如图8所示。
5 应用系统设计
  

图9 典型应用
此典型应用系统(图9)的核心：就是以倒车雷达主控芯片GM3101为核心的数据处理部分和以单片机为核心的数据显示部分组成。经测试完全达到了市场上高端产品的要求，甚至在显示距离，显示灵敏度，系统工作稳定性等方面都有所提高。相比较市场上其他倒车雷达系统主要有以下优点：
（1）抗干扰性和可靠性
传统的倒车雷达使用的是基于RAM和ROM结构的单片机，所以在抗电磁干扰性和稳定上无法和纯硬件的ASIC芯片相比较，GM系列倒车雷达专用芯片工作可靠稳定，不会出现死机现象。
（2）设计简单，生产简便
传统的倒车雷达设计复杂，器件繁多，出现故障的可能性也更大，且需要编程，生产调试麻烦，分离元件性能差异大，整体指标不容易统一。而GM系列倒车雷达产品设计应用非常简单，只需要外接探头和少量的电阻电容即可工作，减少了开发量，同时显著减少主机的面积和尺寸，可做到传统倒车雷达大小的1/3。
（3）汽车级的工作指标
GM系列倒车雷达产品是全汽车级工作环境指标设计，远远高于民用等级的单片机，完全满足和适应汽车内的工作条件。
（4）数据通讯的可靠性
GM3101与其配套的显示部分之间采用差分通讯方式，具有极强的抗干扰性和可靠性，是单片机无法实现的。
（5）防止声波衍射干扰
传统的倒车雷达由于单片机的处理能力，很难处理声波衍射对检测的干扰，GM系列倒车雷达产品能完全的滤除声波衍射的干扰，让检测更可靠更准确。
（6）智能识别功能
由于任何物体都会对声波进行反射，所以倒车雷达能检测到物体的距离。而在实际倒车应用中，很多过小的物体，如水果、垒球等都会让倒车雷达认为是障碍物而报警，但是这些过小的物体并不影响车辆的正常倒车，所以GM3101芯片能智能的识别物体的物质属性和大小，然后再进行报警处理，避免了上述非必要的报警。
（7）防止固定地面反射干扰
各种车辆的尾部保险杠的高度和尾部垂直面的倾斜度都不一致，有时会出现探头的安装角度过低，声波在不平整的地面形成反射，让倒车雷达误认为是有效障碍物而报警。而GM3101芯片能自动的适应地面造成的反射干扰而避免了误报警。
（8） 环境智能适应
车辆在进入巷道或两边已经停放有车辆的车位倒车时，由于车辆的两边距离在比较长的时间内都小于车后的距离，所以普通的倒车雷达只能响应最近距离的检测，而让驾驶者无法了解车后的真实情况。GM3101能智能的判断停车区域的情况，让倒车雷达集中重点的处理驾驶者更关心的车后情况，而且又不会忽略两边的检测。
6 总结
通过电子倒车雷达系统的详细分析和设计，成功实现了声波衍射的干扰，环境自适应，智能化识别处理，以及对应于不同应用情况的报警输出选择。该系统能有效地防止软件控制存在不稳定的因素，不仅能降低倒车雷达生产的开发和生产成本，对整机的可靠性也有了很大提高。