倒车雷达系统的研究设计【程序+论文】

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倒车雷达系统的研究与设计44页 17000字数+说明书+设计程序【详情如下】倒车雷达系统的研究与设计程序.rar倒车雷达系统的研究与设计论文.doc倒车雷达系统的研究与设计目录摘要2Abstract5第一章绪论11.1 研究背景11.2 发展概况和当前存在的问题21.2.1 发展概况21.2.2 当前存在的问题41.3 本设计的主要内容和目的6第二章系统相关理论与结构62.1 超声波测距基本原理62.2 XY-CN BUS总线介绍82.2.1 概述82.2.2 系统由来82.2.3 XY-CN BUS型总线特点10第三章硬件设计及调试113.1 系统总体方案设计113.2 GM3101芯片123.2.1 概述123.2.2 工作特征133.2.3 封装及引脚功能说明143.2.4 芯片具体功能及应用143.3 XY-CN BUS专用数字通讯芯片163.3.1 CMT001芯片163.3.2 CMT001芯片应用参考电路（供电1mA）173.3.3 CMT100芯片183.3.4 CMT100芯片应用参考电路183.4 系统电路解析及工作原理193.4.1 上位机电路解析193.4.2 下位机电路解析233.4.3 工作原理253.5 实验安装及调试253.5.1 焊接263.5.2 调试过程及方法26第四章软件设计及调试294.1 系统软件设计整体介绍294.2 上位机软件设计304.2.1 上位机程序主流程图304.2.2 雷达模块程序设计314.2.3 上位机接收数据程序设计324.2.4 上位机发送数据程序设计344.3 下位机软件设计354.3.1 下位机程序主流程图354.3.2 下位机接收数据程序设计354.3.3 LCD液晶显示程序设计364.4 软件调试简介37第五章系统方案扩展补充38结束语39摘要汽车倒车雷达是针对当前公路、街道、停车场、车库等越来越拥挤，加上存在视觉盲区，无法看见车后的障碍物，司机在倒车时很容易刮伤汽车，甚至发生事故的情况而出现的一种旨在倒车防护的汽车防撞系统。该系统能够在汽车以较低的速度进行倒车的过程中，识别出车后部的障碍物，并能够测量车与障碍物之间的距离，在车辆与障碍物发生碰撞前，发出声光报警，提醒司机刹车。本设计从实验研究分析的角度，分析了超声波测距原理以及国内外此类汽车倒车雷达存在的问题，提出了目前最简单、实用的一种倒车雷达实现方案，即基于成都国腾微电子公司GM3101倒车雷达芯片为核心的超声波测距倒车雷达,该芯片功能集成度高，外围只需接上超声波传感器和功率器件就可以实现整个系统功能，也不需要软件编程。同时设计中围绕目前呼声很高的汽车电器网络化实现，提出倒车雷达数据基于新型总线XY-CN BUS的传递方案。系统设计中采用了模块设计思想，简化了调试工作量，最终很好完成了超声波测距倒车雷达系统的硬件设计、软件设计及系统调试。关键词：汽车倒车雷达超声波 GM3101芯片 XY-CNBUS 汽车电器网络化AbstractAutomobile Reversing Radar (ARR) is a protection system which appeared in the condition of that the cars are scratched easily, even some of the accidents happen when drivers reverse, for the reason of that the current highway, street, parking lots and garages are getting more crowded, and the drivers are unable to see obstacles behind the vehicle because of the existence of visual blind spots, aimed at prevent a car crash when reversing. The reversing radar system, which can recognize the barrier at the back of car when the vehicles reverse at a low speed, and is capable of measuring the distance between the vehicle and obstacles, warned the drivers to brake at the way of sound and light, before the collision occurred. The design analyzes how the ultrasonic measure distance and what the problem of the other automobile reversing radars which have appeared at home and abroad are, from the perspective of research and analysis. Then introducing the most simple and practical way at present to make the ARR, that is, the ARR based in the GM8101 chip which produced in ChengDuGuoTeng Microelectronics Company. The chip is integrated highly, can function as a whole system by only connecting to external ultrasonic sensor and power device, and does not require software programming. Meanwhile, as the research about realizing the vehicle electrical network is becoming more and more popular today, a program that the data of the ARR is transferred in a new kind of bus called as XY-CN. A modular design concept was used at the process of designing the system, it simplifies the debugging workload. Ultimately, hardware design, software design and system debugging about the ARR was completed very well.Keywords：Automobile Reversing Radar ultrasonic GM3101 XY-CN BUS realization of the vehicle electrical network（8）由于485自身的电性能决定了其在实际工程应用中稳定性较差，并且多节点、长距离的调试需要对线路进行阻抗匹配等调试工作，大量安装时调试工作复杂。美国TI公司的MBUS和中国曦阳公司的XY-CN BUS总线通讯方式解决了以上所有缺点，同时具有的总线供电模式，其中断报警并自动上传的功能又很适用于实时性要求高的应用，如家庭智能化控制、消防报警系统总线等，而XY-CN BUS总线又比M-BUS具有更高的结点容量，更远的通讯距离，更低的功耗，同时XY-CN BUS具有通过总线可为节点设备提供更大的可变供电电流的明显技术优势。目前曦阳公司已经将该系统应用与智能家居的系统控制，为发展自己的家庭智能化控制系统，推出XY?CN BUS总线通讯系统及其专用芯片XY001、XY100，该芯片经多年的应用实践证明，其成本低、稳定性好、应用技术层面低，它不仅具备了485及MBUS总线所有的优点，又有其独特性能，十分适于在实时总线控制系统以及需要二线制、总线供电的通讯系统中应用推广。应用该公司的XY-CN BUS总线规约该系统在256个节点的通讯系统上，任意节点上报事件时间小于100mS。国内诸多大型水、电、气、热表以及楼宇自动化等企业已采用或拟采用XY-CN BUS总线通讯技术。2.2.3 XY-CN BUS型总线特点（1）高速稳定的通讯速率，在4.8kb/s 的通讯速率时可达到2.0Km的可靠通讯距离；（2）在4.8kb/s、2.0Km的可靠通讯距离时，可有多达400个节点的容量；（3）通过XY·CN BUS总线可向末端设备提供4mA工作电流；（4）允许串型、星型等任意接线分支的布线方式；（5）极低的静态功耗，低于150uA,典型值为120uA；（6）通过总线可向单个从设备提供500mA短时持续电流；（7）备电系统的设计只需要在控制器上完成，主机备电整个系统；（8）使用普通双绞线，无极性二线制安装接线；（9）通过隔离设备可保证在遭雷击时可靠工作；（10）恒流的电流环通讯方式，抗干扰性强；（11）具有设备自动登录功能，可容纳多种设备，预留多种通讯协议，扩展方便；（12）同时提供配套的主站专用集中控制芯片CMT100，可与计算机232、485等接口连接，系统兼容性及扩展性好。 4.4 软件调试简介在单片机软件设计调试中一般会用到编程器和仿真器，前者用于烧录程序，后者用于仿真程序，但两者价格都在几百元以上，比较昂贵。根据实际情况在系统软件调试中采用了ISP下载程序调试（具体ISP下载见第三章所述），改正程序后直接烧录进单片机看运行结果，不正确继续修改再烧录程序。这种调试方法虽然比较麻烦，对单片机影响也比较打大，但对于学生来说是个实惠又科学的方法了。第五章系统方案扩展补充本设计不是成本最低，性价比最好的倒车雷达系统方案，例如所引用的新型总线是为了更多汽车设备的扩展而引入的，本系统还可进行很多扩展，现列举部分如下：（1）可将报警器加以改进发展，可通过加入语音芯片，向司机发出人声警告危险级别，并报告距离，同时可以在倒车时能重复发出“倒车，请注意”的语言警告声提醒行人注意11。（2）在本系统中所用的XYCN BUS 最突出特点之一就是能连接多达400个从路节点，并能够给从机通信接口提供电压，并可输出5V、20V和4.4V的电源电压供给从机设备使用，可节省为从机单独提供电源的麻烦，经济又方便。使用该总线可为以后实现汽车电器网络化做好准备。（3）本系统使用的是总线传输，但只是用在倒车雷达测距报警系统中，为了节省成本，也可考虑上位机与下位机采用无线通信，安装在车尾的上位机接收到数据，然后通过无线发送模块发送数据，安装在驾驶室的下位机通过无线接收模块接收到数据并显示出来，这一方案我们也已着手研究设计，其中用到的是CC1100无线发送接收芯片。结束语课题主要完成对基于超声波测距的倒车雷达系统的硬件电路设计、软件设计和系统调试。本系统利用超声波测距的原理检测系统与障碍物之间的距离，并通过蜂鸣器报警和数码管显示距离信息。该超声波倒车雷达系统在自成系统的基础上具备总线接口可实现整车数据共享, 顺应了汽车电器发展趋势, 是倒车雷达设计的新概念。本课题概括地说，完成以下几项工作:（1）了解超声波的概念、性质和超声波传感器的工作原理，研究了超声波测距的基本原理。（2）理解基于GM3101芯片的超声波测距倒车雷达模块的工作原理。（3）选用菲利普公司的P89C669单片机作为雷达倒车系统通信的主控芯片，并能为以后的汽车电子设备扩充而使用。选用Atmel公司的AT89S51单片机为从机的控制芯片，进行接收、报警和显示控制。学习、研究了芯片各模块的功能及使用。（4）引用了新型总线XY-CN BUS，通过硬件搭建和软件调试，学习到了该总线的新型功能，它市场前景广阔。（5）绘制系统的上位机、中心通讯接口、设备端通讯接口、下位机、下载单元的电路原理图，并制作PCB板，完成手工焊接工作。（6）编写各模块子程序，并用KeilC51软件和Proteus软件进行软件调试和硬件仿真。（7）将各子程序综合，完成系统的主程序流程设计，并调试成功。（8）利用系统进行实验，得出进一步改善系统功能的想法。主要参考文献1 王欢. 基于CAN总线的倒车雷达研究. 哈尔滨工业大学，2005.62 Wargui M，Rachid A. Application of controller area network to mobile robots. 8th Mediterranean Electrotechnical Conference， 1996: 205一2073 杨明发. 高性价比倒车雷达的研究.机电技术季刊,福建省机械科学研究院,2004年01期, pp30-314 何希才. 集成电路及其应用实例. 科学出版社,1998.25 丁镇生. 传感器及遥测技术. 电子工业出版社, 1998.56 GM3101数据手册V3.4. 成都国腾微电子有限公司,2006.47 曦阳CMT001数据手册. 曦阳家居智能化科技发展有限公司,2006.10.288 曦阳CMT100数据手册. 曦阳家居智能化科技发展有限公司,2006.10.289 图像点阵液晶显示模块使用手册. 广州捷胜吉电子科技有限公司,2004.510刘东. 循环冗余校验 CRC 的算法分析和程序实现. 西南交通大学计算机与通信工程学院,200111 刘衡. 实用现代汽车电器. 电子工业出版社,1999.9

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倒车雷达系统的研究与设计

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倒车雷达系统的研究与设计

摘要2

Abstract5

第一章绪论1

1.1 研究背景1

1.2 发展概况和当前存在的问题2

1.2.1 发展概况2

1.2.2 当前存在的问题4

1.3 本设计的主要内容和目的6

第二章系统相关理论与结构6

2.1 超声波测距基本原理6

2.2 XY-CN BUS总线介绍8

2.2.1 概述8

2.2.2 系统由来8

2.2.3 XY-CN BUS型总线特点10

第三章硬件设计及调试11

3.1 系统总体方案设计11

3.2 GM3101芯片12

3.2.1 概述12

3.2.2 工作特征13

3.2.3 封装及引脚功能说明14

3.2.4 芯片具体功能及应用14

3.3 XY-CN BUS专用数字通讯芯片16

3.3.1 CMT001芯片16

3.3.2 CMT001芯片应用参考电路（供电1mA）17

3.3.3 CMT100芯片18

3.3.4 CMT100芯片应用参考电路18

3.4 系统电路解析及工作原理19

3.4.1 上位机电路解析19

3.4.2 下位机电路解析23

3.4.3 工作原理25

3.5 实验安装及调试25

3.5.1 焊接26

3.5.2 调试过程及方法26

第四章软件设计及调试29

4.1 系统软件设计整体介绍29

4.2 上位机软件设计30

4.2.1 上位机程序主流程图30

4.2.2 雷达模块程序设计31

4.2.3 上位机接收数据程序设计32

4.2.4 上位机发送数据程序设计34

4.3 下位机软件设计35

4.3.1 下位机程序主流程图35

4.3.2 下位机接收数据程序设计35

4.3.3 LCD液晶显示程序设计36

4.4 软件调试简介37

第五章系统方案扩展补充38

结束语39

摘要

汽车倒车雷达是针对当前公路、街道、停车场、车库等越来越拥挤，加上存在视觉盲区，无法看见车后的障碍物，司机在倒车时很容易刮伤汽车，甚至发生事故的情况而出现的一种旨在倒车防护的汽车防撞系统。该系统能够在汽车以较低的速度进行倒车的过程中，识别出车后部的障碍物，并能够测量车与障碍物之间的距离，在车辆与障碍物发生碰撞前，发出声光报警，提醒司机刹车。本设计从实验研究分析的角度，分析了超声波测距原理以及国内外此类汽车倒车雷达存在的问题，提出了目前最简单、实用的一种倒车雷达实现方案，即基于成都国腾微电子公司GM3101倒车雷达芯片为核心的超声波测距倒车雷达,该芯片功能集成度高，外围只需接上超声波传感器和功率器件就可以实现整个系统功能，也不需要软件编程。同时设计中围绕目前呼声很高的汽车电器网络化实现，提出倒车雷达数据基于新型总线XY-CN BUS的传递方案。系统设计中采用了模块设计思想，简化了调试工作量，最终很好完成了超声波测距倒车雷达系统的硬件设计、软件设计及系统调试。

关键词：汽车倒车雷达超声波 GM3101芯片 XY-CNBUS 汽车电器网络化

Abstract

Automobile Reversing Radar (‘ARR’) is a protection system which appeared in the condition of that the cars are scratched easily, even some of the accidents happen when drivers reverse, for the reason of that the current highway, street, parking lots and garages are getting more crowded, and the drivers are unable to see obstacles behind the vehicle because of the existence of visual blind spots, aimed at prevent a car crash when reversing. The reversing radar system, which can recognize the barrier at the back of car when the vehicles reverse at a low speed, and is capable of measuring the distance between the vehicle and obstacles, warned the drivers to brake at the way of sound and light, before the collision occurred. The design analyzes how the ultrasonic measure distance and what the problem of the other automobile reversing radars which have appeared at home and abroad are, from the perspective of research and analysis. Then introducing the most simple and practical way at present to make the ARR, that is, the ARR based in the GM8101 chip which produced in ChengDuGuoTeng Microelectronics Company. The chip is integrated highly, can function as a whole system by only connecting to external ultrasonic sensor and power device, and does not require software programming. Meanwhile, as the research about realizing the vehicle electrical network is becoming more and more popular today, a program that the data of the ARR is transferred in a new kind of bus called as XY-CN. A modular design concept was used at the process of designing the system, it simplifies the debugging workload. Ultimately, hardware design, software design and system debugging about the ARR was completed very well.

Keywords：Automobile Reversing Radar ultrasonic GM3101 XY-CN BUS realization of the vehicle electrical network

（8）由于485自身的电性能决定了其在实际工程应用中稳定性较差，并且多节点、长距离的调试需要对线路进行阻抗匹配等调试工作，大量安装时调试工作复杂。

美国TI公司的MBUS和中国曦阳公司的XY-CN BUS总线通讯方式解决了以上所有缺点，同时具有的总线供电模式，其中断报警并自动上传的功能又很适用于实时性要求高的应用，如家庭智能化控制、消防报警系统总线等，而XY-CN BUS总线又比M-BUS具有更高的结点容量，更远的通讯距离，更低的功耗，同时XY-CN BUS具有通过总线可为节点设备提供更大的可变供电电流的明显技术优势。

目前曦阳公司已经将该系统应用与智能家居的系统控制，为发展自己的家庭智能化控制系统，推出XY?CN BUS总线通讯系统及其专用芯片XY001、XY100，该芯片经多年的应用实践证明，其成本低、稳定性好、应用技术层面低，它不仅具备了485及MBUS总线所有的优点，又有其独特性能，十分适于在实时总线控制系统以及需要二线制、总线供电的通讯系统中应用推广。应用该公司的《XY-CN BUS总线规约》该系统在256个节点的通讯系统上，任意节点上报事件时间小于100mS。国内诸多大型水、电、气、热表以及楼宇自动化等企业已采用或拟采用XY-CN BUS总线通讯技术。

2.2.3 XY-CN BUS型总线特点

（1）高速稳定的通讯速率，在4.8kb/s 的通讯速率时可达到2.0Km的可靠通讯距离；

（2）在4.8kb/s、2.0Km的可靠通讯距离时，可有多达400个节点的容量；

（3）通过XY·CN BUS总线可向末端设备提供4mA工作电流；

（4）允许串型、星型等任意接线分支的布线方式；

（5）极低的静态功耗，低于150uA,典型值为120uA；

（6）通过总线可向单个从设备提供500mA短时持续电流；

（7）备电系统的设计只需要在控制器上完成，主机备电整个系统；

（8）使用普通双绞线，无极性二线制安装接线；

（9）通过隔离设备可保证在遭雷击时可靠工作；

（10）恒流的电流环通讯方式，抗干扰性强；

（11）具有设备自动登录功能，可容纳多种设备，预留多种通讯协议，扩展方便；

（12）同时提供配套的主站专用集中控制芯片CMT100，可与计算机232、485等接口连接，系统兼容性及扩展性好。

4.4 软件调试简介

在单片机软件设计调试中一般会用到编程器和仿真器，前者用于烧录程序，后者用于仿真程序，但两者价格都在几百元以上，比较昂贵。根据实际情况在系统软件调试中采用了ISP下载程序调试（具体ISP下载见第三章所述），改正程序后直接烧录进单片机看运行结果，不正确继续修改再烧录程序。这种调试方法虽然比较麻烦，对单片机影响也比较打大，但对于学生来说是个实惠又科学的方法了。

第五章系统方案扩展补充

本设计不是成本最低，性价比最好的倒车雷达系统方案，例如所引用的新型总线是为了更多汽车设备的扩展而引入的，本系统还可进行很多扩展，现列举部分如下：

（1）可将报警器加以改进发展，可通过加入语音芯片，向司机发出人声警告危险级别，并报告距离，同时可以在倒车时能重复发出“倒车，请注意”的语言警告声提醒行人注意[11]。

（2）在本系统中所用的XY－CN BUS 最突出特点之一就是能连接多达400个从路节点，并能够给从机通信接口提供电压，并可输出＋5V、＋20V和＋4.4V的电源电压供给从机设备使用，可节省为从机单独提供电源的麻烦，经济又方便。使用该总线可为以后实现汽车电器网络化做好准备。

（3）本系统使用的是总线传输，但只是用在倒车雷达测距报警系统中，为了节省成本，也可考虑上位机与下位机采用无线通信，安装在车尾的上位机接收到数据，然后通过无线发送模块发送数据，安装在驾驶室的下位机通过无线接收模块接收到数据并显示出来，这一方案我们也已着手研究设计，其中用到的是CC1100无线发送接收芯片。

结束语

课题主要完成对基于超声波测距的倒车雷达系统的硬件电路设计、软件

设计和系统调试。本系统利用超声波测距的原理检测系统与障碍物之间的距离，并通过蜂鸣器报警和数码管显示距离信息。该超声波倒车雷达系统在自成系统的基础上具备总线接口可实现整车数据共享, 顺应了汽车电器发展趋势, 是倒车雷达设计的新概念。

本课题概括地说，完成以下几项工作:

（1）了解超声波的概念、性质和超声波传感器的工作原理，研究了超声波测距的基本原理。

（2）理解基于GM3101芯片的超声波测距倒车雷达模块的工作原理。

（3）选用菲利普公司的P89C669单片机作为雷达倒车系统通信的主控芯片，并能为以后的汽车电子设备扩充而使用。选用Atmel公司的AT89S51单片机为从机的控制芯片，进行接收、报警和显示控制。学习、研究了芯片各模块的功能及使用。

（4）引用了新型总线XY-CN BUS，通过硬件搭建和软件调试，学习到了该总线的新型功能，它市场前景广阔。

（5）绘制系统的上位机、中心通讯接口、设备端通讯接口、下位机、下载单元的电路原理图，并制作PCB板，完成手工焊接工作。

（6）编写各模块子程序，并用KeilC51软件和Proteus软件进行软件调试和硬件仿真。

（7）将各子程序综合，完成系统的主程序流程设计，并调试成功。

（8）利用系统进行实验，得出进一步改善系统功能的想法。

主要参考文献

[1] 王欢. 基于CAN总线的倒车雷达研究. 哈尔滨工业大学，2005.6

[2] Wargui M，Rachid A. Application of controller area network to mobile robots. 8th Mediterranean Electrotechnical Conference， 1996: 205一207

[3] 杨明发. 高性价比倒车雷达的研究.《机电技术》季刊,福建省机械科学研究院,2004年01期, pp30-31

[4] 何希才. 集成电路及其应用实例. 科学出版社,1998.2

[5] 丁镇生. 传感器及遥测技术. 电子工业出版社, 1998.5

[6] GM3101数据手册V3.4. 成都国腾微电子有限公司,2006.4

[7] 曦阳CMT001数据手册. 曦阳家居智能化科技发展有限公司,2006.10.28

[8] 曦阳CMT100数据手册. 曦阳家居智能化科技发展有限公司,2006.10.28

[9] 图像点阵液晶显示模块使用手册. 广州捷胜吉电子科技有限公司,2004.5

[10]刘东. 循环冗余校验 CRC 的算法分析和程序实现. 西南交通大学计算机与通信工程学院,2001

[11] 刘衡. 实用现代汽车电器. 电子工业出版社,1999.9

内容简介：: 摘要倒车雷达系统的研究与设计目录摘要2Abstract5第一章绪论11.1 研究背景11.2 发展概况和当前存在的问题21.2.1 发展概况21.2.2 当前存在的问题41.3 本设计的主要内容和目的6第二章系统相关理论与结构62.1 超声波测距基本原理62.2 XY-CN BUS总线介绍82.2.1 概述82.2.2 系统由来82.2.3 XY-CN BUS型总线特点10第三章硬件设计及调试113.1 系统总体方案设计113.2 GM3101芯片123.2.1 概述123.2.2 工作特征133.2.3 封装及引脚功能说明143.2.4 芯片具体功能及应用143.3 XY-CN BUS专用数字通讯芯片163.3.1 CMT001芯片163.3.2 CMT001芯片应用参考电路（供电1mA）173.3.3 CMT100芯片183.3.4 CMT100芯片应用参考电路183.4 系统电路解析及工作原理193.4.1 上位机电路解析193.4.2 下位机电路解析233.4.3 工作原理253.5 实验安装及调试253.5.1 焊接263.5.2 调试过程及方法26第四章软件设计及调试294.1 系统软件设计整体介绍294.2 上位机软件设计304.2.1 上位机程序主流程图304.2.2 雷达模块程序设计314.2.3 上位机接收数据程序设计324.2.4 上位机发送数据程序设计344.3 下位机软件设计354.3.1 下位机程序主流程图354.3.2 下位机接收数据程序设计354.3.3 LCD液晶显示程序设计364.4 软件调试简介37第五章系统方案扩展补充38结束语39摘要汽车倒车雷达是针对当前公路、街道、停车场、车库等越来越拥挤，加上存在视觉盲区，无法看见车后的障碍物，司机在倒车时很容易刮伤汽车，甚至发生事故的情况而出现的一种旨在倒车防护的汽车防撞系统。该系统能够在汽车以较低的速度进行倒车的过程中，识别出车后部的障碍物，并能够测量车与障碍物之间的距离，在车辆与障碍物发生碰撞前，发出声光报警，提醒司机刹车。本设计从实验研究分析的角度，分析了超声波测距原理以及国内外此类汽车倒车雷达存在的问题，提出了目前最简单、实用的一种倒车雷达实现方案，即基于成都国腾微电子公司GM3101倒车雷达芯片为核心的超声波测距倒车雷达,该芯片功能集成度高，外围只需接上超声波传感器和功率器件就可以实现整个系统功能，也不需要软件编程。同时设计中围绕目前呼声很高的汽车电器网络化实现，提出倒车雷达数据基于新型总线XY-CN BUS的传递方案。系统设计中采用了模块设计思想，简化了调试工作量，最终很好完成了超声波测距倒车雷达系统的硬件设计、软件设计及系统调试。关键词：汽车倒车雷达超声波 GM3101芯片 XY-CNBUS 汽车电器网络化AbstractAbstractAutomobile Reversing Radar (ARR) is a protection system which appeared in the condition of that the cars are scratched easily, even some of the accidents happen when drivers reverse, for the reason of that the current highway, street, parking lots and garages are getting more crowded, and the drivers are unable to see obstacles behind the vehicle because of the existence of visual blind spots, aimed at prevent a car crash when reversing. The reversing radar system, which can recognize the barrier at the back of car when the vehicles reverse at a low speed, and is capable of measuring the distance between the vehicle and obstacles, warned the drivers to brake at the way of sound and light, before the collision occurred. The design analyzes how the ultrasonic measure distance and what the problem of the other automobile reversing radars which have appeared at home and abroad are, from the perspective of research and analysis. Then introducing the most simple and practical way at present to make the ARR, that is, the ARR based in the GM8101 chip which produced in ChengDuGuoTeng Microelectronics Company. The chip is integrated highly, can function as a whole system by only connecting to external ultrasonic sensor and power device, and does not require software programming. Meanwhile, as the research about realizing the vehicle electrical network is becoming more and more popular today, a program that the data of the ARR is transferred in a new kind of bus called as XY-CN. A modular design concept was used at the process of designing the system, it simplifies the debugging workload. Ultimately, hardware design, software design and system debugging about the ARR was completed very well.Keywords：Automobile Reversing Radar ultrasonic GM3101 XY-CN BUS realization of the vehicle electrical network 第一章绪论第一章绪论1.1 研究背景随着汽车工业的发展，城市汽车数量迅速增加。尤其是近几年来，我国开始进入私家车时代，汽车的数量更是逐年增加，造成公路、街道、停车场、车库等越来越拥挤。汽车驾驶员越来越担心车的安全了，其中倒车就是一个典型问题。由于存在视觉盲区，无法看见车后的障碍物，司机在倒车时很容易刮伤汽车，甚至发生事故。为了减少因此带来的损失，需要有一种专门的辅助装置帮助司机安全倒车。目前用于辅助司机倒车的装置主要有：语音告警装置、后视系统以及倒车雷达等。语音告警装置用于播放提示语以提醒车后的行人注意避让正在倒车的汽车。这种装置价格便宜，使用方便，其缺点是只能对车后的行人起告警作用，对于其他障碍物则不起作用，所以其应用范围有限。后视系统是由视频捕捉装置和视频播放装置组成，通过后视系统司机可以直观地看到车后的障碍物，消除视觉盲区。由于这类装置的价位较高，目前还没有普遍推广使用。本文设计分析的基于新型总线和IC的汽车倒车雷达系统即是根据这一实际情况而应运而生的，具有非常高的性价比。系统运用微计算机技术与超声波的测距技术、传感器技术等的交叉融合，进行优化设计，通过液晶显示障碍物与汽车的距离，并根据其距离远近实时发出报警等级。但其主流产品仅仅是独立的控制单元, 无法与汽车数字化信息平台接轨。围绕汽车电器网络化实现倒车雷达数据总线传递信息共享, 具有良好的发展前景。本文应用的新型总线结构XY-CN总线即能很好完成网络化的重要任务。1.2 发展概况和当前存在的问题1.2.1 发展概况经济的发展和科学技术的进步，推动着交通运输业朝行驶高速化，车流密集化和驾驶非职业化的方向发展。同时，汽车的生产量和保有量都在急剧增加。但相应的公路管理，交通管理系统却相对比较落后，由此造成的事故频繁发生，在一些大城市尤为突出。智能交通系统ITS（Intelligent Transportation System）是当前国际各个国家共同关注的交通管理的前沿技术，它在充分发挥现有的交通基础设施潜能，提高工作效率，增强交通安全性，改善环境方面已取得卓越成效，很多国家都很重视相关项目的开发。中国也已开始进入相关技术的研究开发，倒车雷达技术是ITS中的一项重要研究，它的成功与否与ITS有着相当紧密的关系。（1）雷达分类目前，很多科研机构已对汽车雷达技术进行深入开发，国内外也已有相应的产品。经过总结分析，按照工作方式分主要有激光、超声波、红外、毫米波等一些测量方法1，它们的工作原理虽然不完全一样，但最终作用都是通过不同的探测方法判断车后方障碍物与本车的相对距离，并根据程序中定义好的危险等级做出相应的预防措施。下面简要分析一下几种方式的特点：激光方式：激光具有高定向性，能以定向的光束无发散地直线向前传播；单色性好，它可以达到的亮度比太阳光还高几百亿倍；相干性好，激光的频率、振动方向、相位高度一致。因此激光波束近似直线性，很少扩散，波束能量集中，传输距离较远。但它在对气候的适应能力方面具有局限性，因为激光测距方式受恶劣天气、汽车激烈震动、发射镜表面磨损、污染等因素影响，则探测距离减少二分之一至三分之一,降低了实用精度，所以在汽车倒车雷达领域激光测距方式没有得到很好发展。红外线方式：红外线可以人为制造,自然界中也广泛存在,一般的生物都会辐射出红外线,体现出来的宏观效应就是热度。红外线透视和夜视是分别利用了红外线的不同性质。红外线测距系统成本低廉，但是容易受到天气和路边等物体干扰的影响，在恶劣的天气与环境下探测距离仍然不能满足要求。毫米波方式：毫米波是微波的一个波段，频率在30300G,相应波长为110mm。毫米波电子系统具有如下特性: 小天线孔径具有较高的天线增益; 高跟踪精度和制导精度; 不易受电子干扰; 低角跟踪时多径效应和地杂波干扰小; 多目标鉴别性能好; 雷达分辨率高; 大气衰减“谐振点”可作保密传输。但其价格昂贵，结构复杂。超声波方式：超声波是频率大于20 kHz 的声波, 具有方向性强、能量衰减缓慢、在介质中转播距离远等特点,用于测距计算方法简单, 常用于非接触式距离测量, 其传感器种类较多,由于超声波指向性强，在传输过程中能量损耗缓慢，反射能力强，经常被用于距离的测量。由于超声波测距的探测距离较短，主要用于倒车雷达等近距离测距。汽车雷达按照其测距的方向可分为倒车雷达和前置雷达。倒车雷达主要针对当前在拥挤的街道、停车场以及人群当中倒车时时有发生的倒车碰撞事故而设计的。它是在汽车以较低速度倒车行驶时，周期内不停检测车后障碍物到车的距离，当达到一定危险距离时即时给予司机以声与光的形式的警告。由于倒车雷达检测距离比较短，可选择红外线和超声波，而本文就是对超声波倒车雷达的具体分析研究。目前，很高汽车生产商已经开始在生产的汽车当中加入超声波倒车雷达，一些汽车维护部门已引进了这方的修理维护技术。例如德国宝马公司所配置的倒车雷达如下图1-1所示：图1-1.宝马汽车上的超声波传感器（2）汽车电器网络化发展随着汽车电子技术的发展及汽车性能的不断提高, 汽车上的电子装置越来越多。传统的电器系统大多采用点对点的单一通信方式, 相互之间很少有联系, 这样必然造成庞大的布线系统。目前, 国外许多整车制造厂和汽车电器制造厂家在整车管理系统中采用了网络技术, 如CAN、VAN 和SA EJ 1850 等,其中CAN 的使用较为广泛。CAN 总线是德国Bosch 公司于20 世纪80 年代初提出的, 它将汽车上各种信号的接线只用2 根简洁的电缆线取代, 汽车上的各种电子装置通过CAN 控制器挂到这2 根电缆上, 设备之间利用电缆进行数据通讯和数据共享, 从而大大减少了汽车上的线束2。而本文引用到的XYCN BUS是一种低成本的、一点对多点的总线通讯系统，具有通讯设备容量大（硬件400点）、通讯速率高（9600bps）、成本低、设计简单、布线简便（无极性可任意分支，普通双绞线）、抗干扰能力强、通过总线可提供高达800mA电源的特点。系统具有自动登录功能，此功能可完成设备的自动登录、结点中断报警等双向可中断的先进的通讯功能。总线隔离设备具有总线故障隔离性能，保证部分总线发生故障时，其它部分仍然正常通讯。以该芯片为核心构成的总线通讯系统可广泛应用于智能家庭控制网络、工业现场控制、消防报警及联动网络、小区智能化控制网络、三表集抄、中央空调控制系统等。 1.2.2 当前存在的问题超声波倒车雷达运用超声波测距原理结合单片机或IC的智能技术作为一种汽车倒车安全辅助装置具有结构简单、智能判断不受可见光限制等特点应用到了轿车当中，但现有的倒车雷达还仍然存在如下一些问题3：（1）最大有效探测距离的问题偏小，等到报警后再减速就很紧张，感到预警时间不充足；（2）多数成品倒车雷达的显示速度因为考虑到抗干扰等因素，显示更新的速度约0.20 4 s，算上从倒车雷达发现目标到发出警报将需要1-2s，这时车已经行使了一段距离，这显然存在反应迟钝；（3）多数倒车雷达的超声波传感器23个，单个传感器的水平探测角度约6070度，这样势必造成23个盲区，如图1-2所示，而增加传感器的个数不但增加成本，而且提高故障率；（4）以往关于倒车雷达的研究都采用的是部容易购买到的专用元件作为附加电路，使其难以推广；（5）主流产品仅仅是独立的控制单元, 无法与汽车数字化信息平台接轨，同时由于客观条件的限制, 目前我国的整车制造厂和汽车电子电器厂几乎没有涉及到汽车电器网络化设计的领域，选择一个合理的总线实现汽车电器的网络化非常必要4 。图1-2. 三只雷达两只雷达1.3 本设计的主要内容和目的课题的主要研究内容就是根据雷达测距的原理，选择一块集成度高的IC来完成超声波脉冲测距的倒车雷达。使它能够在汽车以较低的速度进行倒车的过程中，识别出车后部的障碍物，测量车与障碍物之间的距离并显示出来，在发生碰撞前，对驾驶员发出报警。同时引入一种新型总线XY-CN BUS来实现雷达的网络通信。本设计可望成为驾驶员特别是货车以及公共汽车驾驶员的好帮手，可有效的减少和避免那些视野不良的大型汽车的如冷藏车、集装箱车、垃圾车、食品车、载货车、公共汽车等倒车交通事故，另外还特别适用于夜间辅助倒车、倒车入库以及进入停车场停车到位，本设计性能优良，对提高我国汽车工业实际水平，具有较大的意义。5第二章系统相关理论与结构第二章系统相关理论与结构2.1 超声波测距基本原理在物理世界中，人类能感应到的波谱是声波，即波源所激起的纵波的频率在20Hz到20KHz之间，就能引起人的听觉，在这一频率范围内的振动被称为声振动。而频率低于20Hz的机械波叫做次声波。超声波是频率大于20 kHz 的波段, 具有方向性强、能量衰减缓慢、在介质中转播距离远等特点,用于测距计算方法简单, 常用于非接触式距离测量, 其传感器种类较多。汽车上常用的是压电式超声波传感器工作频率40 kHz 且收发一体、结构紧凑5。一般超身波发生器内部结构有两个压电晶片和一个共振板。当它的两级外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。超声波测距的基本原理其实很简单，同声纳回声定位法的原理是基本相同的，说得高级一些就是多普勒效应，说得简单就是回声效应，当我们在山谷里，朝对面得山坡喊叫“我爱你”，一段很短时间后你会听到从山谷里也传来声音“我爱你”。超声波测距也时基于这种回音效应，发生器不断发射出40Hz超声波，其总宽度为发射超声波与接收超声波的时间间隔，被测物距越远，脉冲宽度越大，输出脉冲个数与被测距离成正比。超声波测距的方法有多种，如相位检测法、声波幅值检测法和往返时间检测法等。相位检测法虽然精度高，但检测范围有限；声波幅值检测法易受反射波的影响。本文选择的成都国腾微电子公司生产的GM3101倒车雷达专用控制芯片，它的设计采用的是超声波往返时间检测法，其测量原理图如图2-1所示：其原理为：每个超声波传感器收发一体，在发射时刻，在超声波发射器端输入40KHZ冲串，同时开始计时，脉冲信号经过超声波内部的振子，振荡产生机械波，并通过空气介质传播到被测面脉的，超声波在介质中传播，途中碰到障碍物后反射回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波经气体介质的传播到返回到传感器的时间，即为往返时间。往返时间与气体介质中的声速相乘，就是声波传输的距离。而所测距离为声波传输距离的一半，障碍物传感器 GM3103 IC 图2-1. 超声波测距模块原理图其关系式可由公式（2-1）表示: S=1/2（ct）（2-1）（2-1）式中，S为待测距离，c为超波的声速，t为往返时间。采用微处理器脉冲计数的方法，可以精确地测出t的值。假设微处理器的周期为T，则t=N*T，则探测距离可由公式（2-2）表示: S=1/2(ct)=1/2(cNT) （2-2）2.2 XY-CN BUS总线介绍2.2.1 概述XY-CN BUS是一种低成本的、一点对多点的总线通讯系统，具有通讯设备容量大（硬件400点）、通讯速率高（9600bps）、成本低、设计简单、布线简便（无极性可任意分支，普通双绞线）、抗干扰能力强、通过总线可提供高达800mA电源的特点。系统具有自动登录功能，此功能可完成设备的自动登录、结点中断报警等双向可中断的先进的通讯功能。总线隔离设备具有总线故障隔离性能，保证部分总线发生故障时，其它部分仍能正常通讯。以该芯片为核心构成的总线通讯系统可广泛应用于智能家庭控制网络、工业现场控制、消防报警及联动网络、小区智能化控制网络、三表集抄、中央空调控制系统和汽车电器化网络等。2.2.2 系统由来近年来，随着各种电子设备的发展，越来越需要进行对低端电子设备的低成本联网管理，这些设备的数量多信息少但要求较快的反应速度。虽然各种高速通讯网络迅速发展并得以应用，但对于低端设备，其接口显然复杂而昂贵，功耗大、备电功能使用复杂更使其不能使用于现场设备的控制。过去多年来，485技术仍然主导着这一技术领域，但其显然已经不能满足目前的低功耗、高可靠、非规则布线、大容量等网络要求。 RS485在应用过程中存在以下问题：（1） RS485的通讯设备容量少，理论上最多容许接入量不超过128个设备，这显然不适用以楼宇等为结点的多用户容量要求。（2）RS485的通讯速率低，并且其速率与通讯距离有直接关系，当达到数百米以上通讯距离时，其可靠通讯速率1200bps，这使得大量结点的通讯速度非常低。 33（3）RS485只能提供非隔离的通讯方式，而该方式不能应用与长距离户外通讯，如设计为隔离方式则需要隔离电源，这使得系统成本较高。（4）485方式不能给下接的设备供电，设备需要单独解决供电问题。（5）485芯片功耗较大，静态功耗达到2-3mA（最先进的芯片），工作电流（发送）达到20mA，这增加了线路电压降，不利于备电系统的使用及远程布线。（6）长距离通讯时485芯片容易损坏。（7）以485构成的网络只能以串行布线，不能构成星形等任意分支，而串行布线对于实际布线设计及施工造成很大难度，不遵循串行布线规则又将大大降低通讯的稳定性。（8）由于485自身的电性能决定了其在实际工程应用中稳定性较差，并且多节点、长距离的调试需要对线路进行阻抗匹配等调试工作，大量安装时调试工作复杂。美国TI公司的MBUS和中国曦阳公司的XY-CN BUS总线通讯方式解决了以上所有缺点，同时具有的总线供电模式，其中断报警并自动上传的功能又很适用于实时性要求高的应用，如家庭智能化控制、消防报警系统总线等，而XY-CN BUS总线又比M-BUS具有更高的结点容量，更远的通讯距离，更低的功耗，同时XY-CN BUS具有通过总线可为节点设备提供更大的可变供电电流的明显技术优势。目前曦阳公司已经将该系统应用与智能家居的系统控制，为发展自己的家庭智能化控制系统，推出XYCN BUS总线通讯系统及其专用芯片XY001、XY100，该芯片经多年的应用实践证明，其成本低、稳定性好、应用技术层面低，它不仅具备了485及MBUS总线所有的优点，又有其独特性能，十分适于在实时总线控制系统以及需要二线制、总线供电的通讯系统中应用推广。应用该公司的XY-CN BUS总线规约该系统在256个节点的通讯系统上，任意节点上报事件时间小于100mS。国内诸多大型水、电、气、热表以及楼宇自动化等企业已采用或拟采用XY-CN BUS总线通讯技术。2.2.3 XY-CN BUS型总线特点（1）高速稳定的通讯速率，在4.8kb/s 的通讯速率时可达到2.0Km的可靠通讯距离；（2）在4.8kb/s、2.0Km的可靠通讯距离时，可有多达400个节点的容量；（3）通过XYCN BUS总线可向末端设备提供4mA工作电流；（4）允许串型、星型等任意接线分支的布线方式；（5）极低的静态功耗，低于150uA,典型值为120uA；（6）通过总线可向单个从设备提供500mA短时持续电流；（7）备电系统的设计只需要在控制器上完成，主机备电整个系统；（8）使用普通双绞线，无极性二线制安装接线；（9）通过隔离设备可保证在遭雷击时可靠工作；（10）恒流的电流环通讯方式，抗干扰性强；（11）具有设备自动登录功能，可容纳多种设备，预留多种通讯协议，扩展方便；（12）同时提供配套的主站专用集中控制芯片CMT100，可与计算机232、485等接口连接，系统兼容性及扩展性好。第三章硬件设计及调试3.1 系统总体方案设计本系统基于超声波反射原理利用成都国腾微电子公司生产的GM3101倒车雷达专用控制芯片控制超声波传感器进行超声波发射接收实现障碍物探测。传感器布置为车后四个或多个传感器方式,尾部的传感器探测倒车时汽车后方障碍物, 通过总线形成网络进行信息通信, 再由主控制器适时显示障碍物距离、位置并进行声音报警, 司机根据这些重要提示可大大减小汽车碰撞的可能。系统总体架构框图如图3-1所示：雷达模块1雷达模块2CPU-1通信接口通信接口CPU-2上位机下位机其它汽车电子设备2其它汽车电子设备1XY-CN总线蜂鸣器语音模块LCD模块图3-1. 系统总体框图其中，雷达模块指的是图2-1中所示的以GM3101芯片为核心的组合电路，可根据实际情况决定是否采用两个或多个雷达模块，在本次设计中用到了两个雷达模块。总线上所连的其它汽车电子设备是总线设备扩展，本设计中实际没有扩展连接其它汽车电子设备，该总线有可接多达400个设备节点的容量，通信速率也非常高。下位机中CPU所连接的模块，也是根据实际情况，可以有所增减。由于时间问题，该设计中没有做到语音模块。3.2 GM3101芯片63.2.1 概述GM3101倒车雷达专用控制芯片，用纯硬件ASIC方式实现倒车雷达主机功能，将倒车雷达需要的主要元件(控制器、运放电路、滤波电路等)都集成在了单一芯片中，外围只需接上超声波传感器和功率器件就可以实现整个系统功能，提高了系统集成度，也不需要软件编程，是目前最简单的一种倒车雷达实现方案。该芯片提供4 路超声波探头的驱动，并根据超声波特性和倒车雷达的使用环境进行了一系列智能化处理，在保证超声波测距精确性的基础上，更加强了报警功能的准确性和实用性。测试结果编码后采用双线差分方式输出，提高了信号传输的抗干扰性。GM3101 可为倒车雷达系统提供最简单的单芯片控制方案，替代现有的单片机控制方案。该芯片的优势在于尽可能地为倒车雷达系统提高集成度，减少外围元件。同时该芯片的功能满足高端和通用性的要求，用户利用该组芯片既可以生产高性能的整机产品，还可以灵活设置其产品的报警方式。全硬件方式实现系统功能，既降低了用户的开发难度，更对系统性能有了显著的提高。3.2.2 工作特征（1）电源电压：5V；（2）四路超声波探头接口，探头发送驱动信号为5V，2mA；（3）报警信号编码输出，报警信号包括：各探头检测到的障碍物距离危险等级信号、最近障碍物方位信号、最近障碍物距离信号及附加消息，信号电平5V；（4）检测结果输出周期80ms；（5）具备自动增益控制，实现分级放大；（6）具有防声波衍射误报处理，提高报警信号的准确性；（7）具有智能识别功能，可以忽略小物体，防止误报警；（8）报警信号输出采用双线差分方式，提高抗干扰性；（9）具有防扒车报警功能；（10）工作环境温度：-40+85。3.2.3 封装及引脚功能说明图3-2. GM3101的QFP44实物图及封装图3.2.4 芯片具体功能及应用GM3101 提供4 路超声波探头接口，芯片通过探头发送和接收超声波信号，根据发送和接收的时间差计算障碍物的距离，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。最大输出距离为3.15米，输出精度为0.05米。（1）信号发送和接收芯片接通电源后，探头驱动引脚向超声波探头发送驱动信号，驱动超声波探头发送超声波信号，驱动信号发送完毕后芯片等待信号返回；探头接收到超声波信号后，将信号送入芯片，进行信号放大处理，记录信号发送和接收的时间差，根据此时间差计算障碍物距离，控制报警信号输出。超声波探头驱动采用分时顺序的驱动方式，即依次对4个探头轮流进行驱动，一个探头的工作周期内要包括发送和接收两种操作。4个探头检测完成构成一个检测周期。若前一探头在本工作周期内没有接收到返回的超声波信号，则芯片也转入控制下一个探头的工作。发送与接收的时序图如图3-3所示：四探头工作周期80ms单探头周期20ms单探头周期20ms单探头周期20ms比较器输出信号有效回波信号16个40KHz方波COUTF5OUT4OUT3OUT2OUT1图3-3. 发送与接收的时序图（2）多种智能处理一种是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并被检测到的情况，使处理器误认为是实际反射接收到的信号，导致误报。根据声波衍射的特性，GM3101 可以对衍射声波进行识别，消除了声波衍射误报警情况。芯片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，芯片继续等待在该探头工作周期内是否存在有效反射波，有则进行处理，没有则转入下一探头的驱动。另一种是智能识别处理地面上的小物体，比如小砖块，小石块，小水果，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。GM3101 针对这种情况进行了处理，提高报警的准确性。与防声波衍射处理一样，芯片忽略掉无效反射波后会继续等待在本工作周期内是否存在有效反射波，有则进行处理，没有则转入下一探头的驱动小信号的忽略门限是通过检测小物体反射回来的超声波信号强度来判断。也可以称之为灵敏度分析，灵敏度与小信号忽略门限成反比，小信号的忽略门限低，说明所忽略的小物体反射回来的信号强度很弱，对于较大的物体则不忽略。这样灵敏度就高。反之，当忽略门限达到最高时，对于一些较大的物体也会忽略，灵敏度也变得最低。用户可根据实际需要及超声波探头的灵敏度来调节这两个信号。（3）报警信号输出GM3101 接收到有效反射信号后，进行计算并输出相应的报警信号。报警信号的输出周期为80ms。如果整个检测周期内都没有检测到物体，则不输出任何报警信号。报警信号包含的内容有：各探头检测到的障碍物危险等级、最近障碍物的方位、最近障碍物的距离值及附加消息，其中附加消息是专门用于输出环境适应处理的结果。障碍物危险级别和障碍物距离的对应关系如表3-1所示：表3-1. 障碍物距离与危险级别对应关系分段障碍物距离障碍物危险级别1 1.23.15米安全20.61.2米警世30.30.6米危险4 0.3米停车3.3 XY-CN BUS专用数字通讯芯片3.3.1 CMT001芯片 CMT001芯片是XY-CN BUS设备端通讯专用集成电路，完成数字通讯的调制解调功能。总线信号直接输入芯片IN，芯片RXD、TXD信号可直接输入单片机或通过光耦与单片机连接，输出1235V、100mA电源及5V5、10mA电源。CMT001是一种带供电功能的低成本仪表总线从机芯片,芯片特征如下所示：（1）自身功耗低，最大功耗200uA，总线电压30V；（2）无极性双向电路接线方式，抗干扰能力强；（3）使用普通1.5mm双绞线，应用简单，布线方便；（4）通讯速率高达19200bps的半双工通讯；（5）同时挂接256个设备，通讯距离可达1800m ；（6）小体积SO-8封装；（7）可隔离设计又可非隔离设计，保证电磁兼容特性；（8）可以远程提供5V/10mA稳压电源及1020V/100mA的直流电源；（9）从机电源供给方式：通过+5V从XY-CN BUS 供电；通过+5V从XY-CN BUS或后备电池双供电；通过电池供电，XY-CN BUS仅在通讯时工作；（10）工作温度：4085。3.3.2 CMT001芯片应用参考电路（供电1mA）7图3-4. CMT001芯片应用参考电路图为增加主机抗干扰能力，控制器应将总线驱动与单片机系统隔离，TXD、RXD经光耦隔离后再输出到单片机，具体电图如图3-5所示：图3-5. 隔离通讯接口3.3.3 CMT100芯片 CMT100芯片是XY-CN BUS中心通讯专用集成电路，完成数字通讯的调制解调功能。考虑到主机电路复杂，为增加主机抗干扰能力，控制器应将总线驱动与单片机系统隔离，TXD、RXD、收发控制经光耦直接输入芯片，系统使用12V30V电源（根据通讯距离，设备用电状况决定）。 CMT100是一种带供电功能的低成本仪表总线主机芯片，芯片特征如下：(1) 无极性接线方式，抗干扰能力强；(2) 应用简单，布线方便；(3) 小体积SO-14封装；(4) 通讯速率高达19200bps的半双工通讯；(5) 同时挂接256个设备，通讯距离可达1800m；(6) 可以远程提供电源，最大电流达500mA；(7) 总线故障信号输出；(8) 功率器件外置，芯片不易损坏，便于更换。3.3.4 CMT100芯片应用参考电路8由于总线与外部设备直接连接，CMT100芯片需要与MCU隔离。 TXD接MCU异步通讯发送口，RXD接MCU异步通讯接收口，T/R为收发控制，F0为总线故障输入，具体电路如图3-6所示：图3-6. CMT100芯片应用电路图3.4 系统电路解析及工作原理如图3-1系统总体框图所示，在本次设计研究中的倒车雷达系统主要由上位机和下位机两部分组成，通过总线完成上位机与下位机的通信，在总线上没有扩展到其它汽车电子设备，下面就分别针对上、下位机的电路框图做具体分析：3.4.1 上位机电路解析雷达模块1雷达模块2上位机控制中心CMT100通信接口XY-CN总线串口扩展电路图3-7.上位机电路框图（1）雷达模块雷达模块是以成都国腾微电子公司生产的GM3101倒车雷达专用控制芯片为核心的超声波测距组合电路，其包括四个超声波探头，其电路框图如图2-1所示，具体电路图如图3-8所示。该模块以80ms为周期不断输出三字节的报警信号，具体的报警信号格式将在第四章中介绍。图3-8. 雷达模块电路图（2）串口扩展电路串口扩展电路是以GM8123芯片为核心的电路，GM8123芯片也是成都国腾微电子公司具有自主知识产权的产品，可以将一个全双工的标准串口扩展成3个标准串口，并能通过外部引脚控制串口扩展模式：单通道工作模式和多通道工作模式，即可以指定1个子串口和母串口以相同的波特率单一的工作，也可以让所有子串口在母串口波特率基础上分频同时工作。该芯片工作在多通道模式下时，子串口能主动响应从机发送的数据，并由母串口发送给主机，同时返回子串口地址。该模式使每个从机的发送要求都能被及时地响应，即使所有从机同时有发送要求，数据也不会丢失，基本实现了主控单元和外设通讯的实时性。该芯片母串口和子串口的工作波特率可由软件调节，而不需要修改外部电路和晶振频率。在本系统中的应用电路如图3-9所示：图3-9. 串口扩展电路图（3）上位机控制中心上位机控制中心是以PHILIPS公司的P89C669单片机为核心的数据处理中心，选择P89C669主要是因为它有两个UART口，这样一个串口负责接收雷达模块传送过来的数据并与GM8123通信，另一个则把数据帧通过通信接口向下位机发送，数据帧共七字节，除了雷达模块发送过来的三字节，还包括帧校验等部分，具体介绍见后面软件设计部分说明。这部分电路图如图3-10所示：图3-10. 上位机控制中心电路图其中单片机用到看门狗电路，具体电路图如图3-11所示：图3-11. 看门狗电路图（4） CMT100通信接口CMT100通信接口芯片的信息资料在上面已有介绍，CMT100通信接口电路图如图3-6所示。3.4.2 下位机电路解析蜂鸣器LCD模块CMT001通信接口下位机控制中心XY-CN总线图3-12. 下位机电路框图（1）蜂鸣器系统中用蜂鸣器作报警器（原先打算用语音模块发出人声进行报警，时间问题没有完成），利用蜂鸣器的“嘀”声的不同频率来提示车尾与障碍物远近的危险程度。当障碍物距离汽车尾部2.5m时，开始有报警信号，但信号间隔时间长，“嘀”的声音舒缓，随着距离的缩短，信号间隔的时间也缩短，在0.61.2m处，“嘀”的声音由舒缓逐渐为急促；在0.30.6m处，“嘀”的声音变得短而急促，指示灯亮红灯；当液晶屏上显示小于0.3m时，屏幕上的数据不再变化，“嘀”的声音变成长鸣，再次警告驾驶者避免距离过小而来不及采取措施。（2）LCD模块9LCD模块负责显示最近障碍物距离，并动态显示一辆小车和超声波模拟波形。本设计选用了广州捷胜吉电子科技公司的图形点阵液晶显示模块TG12864E，它主要由行驱动器/列驱动器及12864 全点阵液晶显示器组成。可完成图形显示,也可以显示84个（1616 点阵）汉字。主要技术参数和性能如下：- 电源：VDD：+2.7+5V; 模块内自带-10V负压，用于LCD的驱动电压；- 显示内容：128（列）64（行）点；- 全屏幕点阵；- 七种指令；- 与CPU接口采用8位数据总线并行输入输出和8条控制线；- 占空比六十四分之一；- 工作温度：-10+60，储存温度：-20+70，可选择宽温：-20+70。（3）下位机控制中心下位机控制中心是以ATMEL公司的AT89S51单片机为核心的数据处理中心，AT89S51为MCS-51系列单片机，与该公司的前以版本芯片的区别是它能进行ISP程序下载。下位机接收来自CMT001通信模块的数据，根据拟定的通信协议接收七字节的数据帧，然后对该数据帧进行帧校验，正确则对它进行数据处理，把相关数据输出显示，根据警报级别让蜂鸣器发出警报以单片机为中心的整个下位机具体电路图如图3-13所示：图3-13. 下位机电路图（4） CMT001通信接口CMT001通信接口芯片的信息资料在上面已有介绍，CMT001通信接口电路图如图3-4和图3-5所示。3.4.3 工作原理接通电源，以GM3101为核心的雷达模块向四个超声波传感器收发输入40KHZ冲串，同时开始计时，脉冲信号经过超声波内部的振子，振荡产生超声波，超声波经气体介质的传播到返回到传感器的时间，即为往返时间。雷达模块对四个超声波传感器所检测到的距离进行比较，最后模块输出数据最小的距离，输出的数据格式在第四章中有详细分析。两个雷达模块输出的数据通过以GM8123为核心的串口扩展电路分别传送到上位机，上位机对这两组数据再次尽心比较，决定传输含有最小距离的那组数据，在发送之前上位机要根据通信协议对数据进行数据帧包装，制定的通信协议见第4.4节所示。包装后的数据帧通过XY-CN BUS总线传送到达下位机，下位机检查帧头正确，开始接收数据，判断地址是否与自己吻合，不一致则放弃接收，继续等待下一次数据到来。每接收完八个字节长度的数据帧，还要对数据帧进行CRC校验，不正确则放弃该次数据，正确则对数据帧进行处理，提取出三字节的报警信号，根据信号的危险级别让蜂鸣器进行不同频率的工作，并送距离值到液晶显示器上显示，同时显示危险级别，在液晶显示器上还同时显示一辆动态的小车和障碍物。至此，本设计的各功能均是为驾驶员了解车后情况设置的，同时引用的新型总线等是为以后对实现汽车电器网络化而抛砖引玉。3.5 实验安装及调试由于电路复杂，为调试方便，把上位机和两个总线通信接口电路制作成电路版，采用腐蚀制作电路版，其余电路采用万用板进行制作，印制电路板的制作主要采用的是腐蚀法，即把耐腐蚀的透明胶布粘在已经画好电路的铜箔板上，注意不能有气泡出现，然后浸泡在腐蚀液中，将无用的铜箔面腐蚀掉，最后进行孔加工，制作步骤如下：选板，描绘电路，贴膜，腐蚀（三氯化铁35%，水65%）；清洗，休整，钻孔。3.5.1 焊接焊接就是利用电烙铁等工具在预先制作好的印制电路板或万用板上，将电路原器件连接在一起的过程。为了提高效率，对大规模的电子产品的生产过程中，一般采用自动化流水线波峰焊接技术；而对于小规模的小型电子电路或产品的生产，则多数采用手工焊接。我们实验进行的就是手工焊接，其质量的好坏取决于四个方面的条件：焊接工具，焊料，焊剂和焊接技术。良好的焊接应具备以下特点：可靠的电气连接；足够的机械强度；光洁整齐的外观，即金属表面焊锡适量，外表具有金属光泽，没有拉尖、裂纹现象，表面平滑有半弓下凹。焊接步骤：把焊接烙铁推向引脚；将少量的焊锡放在烙铁尖上，可以使热度从烙铁传到金属铂上，焊锡从电烙铁对面送到焊件上，在另一面焊锡，元件和烙铁的热度就可以熔化焊锡；焊完后切断多余的引脚。焊接中CMT100和CMT001是贴片芯片，对焊接技术有较高要求。3.5.2 调试过程及方法实验焊接完毕后根据设计线路图进行调试，以便检测其实际的性能。调试过程经过以下三个过程：不通电检查电路安装：认真检查接线是否正确，如多线，少线或错线，尤其是电源线不能接错或接反。使用外用表，按照设计电路接线图检查安装电路，在安装好的电路中按电路图一一对照检查连线，并在检查中要对已经检查过的连线做标记。直观检查电源：地线，信号线，元器件接线端之间有无短路，联线处有无接触不良，有极性元器件引线短有无接错，反接等，集成块是否插对。通电观察：把经过准确测量的电源电压加入电路，但暂不接入信号源信号。电源接通后，首先观察有无异常现象，包括有无冒烟，异常气味。触摸元件是否发烫，电源是否短路等。硬件电路的电气特性检查无误后，可利用仿真器进行仿真，仿真通过则可由编程器向单片机内烧录程序，检查运行情况。但由于仿真器和编程器价格昂贵，在本系统调试过程中我采用了在线编程ISP下载程序进行调试。ISP-In System Programming,在系统编程，通过单片机的专用串行编程接口或并口对单片机内部的FLASH存储器进行编程，ISP的实现一般需要很少的外部电路辅助实现。ISP为单片机的实验和开发带来了很大的方便和灵活性。该系统中有三块主控芯片，即GM3101雷达模块芯片，P89C669上位机MCU和AT89S51下位机MCU,而GM3101是不用编程的，可直接使用成都国腾微电子公司提供的模块电路。对PHILIPS的P89C669芯片，我们采用了串口ISP下载，通过简单的外部电路加上该公司提供的ISP下载软件FlashMagic软件即可轻松的烧录调试程序了；而ATMEL公司的AT89S51芯片我们采用的是并口下载ISP，两者的具体电路实现分别如图3-14和图3-15所示：图3-14. P89C669 ISP串口下载电路图3-15. AT89S51 ISP并口下载电路第四章软件设计及调试第四章软件设计及调试4.1 系统软件设计整体介绍由系统电路框图知，系统主要由上位机和下位机两部分组成。系统上电后，上位机中雷达模块检测距离并对数据进行比较，最后模块输出最小距离。系统采用了两个雷达模块，两个模块输出的数据通过串口扩展电路分别传送到上位机控制中心，控制中心对接收到的数据再次进行比较，决定传输两个距离中最小的那组数据，并对要发送到下位机的数据先根据通信协议进行数据帧包装，然后通过XY-CN BUS总线传送到下位机；下位机根据通信协议接收信息，对信息进行检查与校验后，根据数据级别让蜂鸣器进行不同频率的工作，并送距离值到液晶显示器上显示。通过对系统电路框图的分析知，系统软件设计可分为上位机和下位机两部分软件设计，下面分别就这两部分的软件设计进行分析，在介绍之前先对上、下位机之间的通信协议进行介绍：如上所述，上位机的两个雷达模块输出的数据通过串口扩展电路传送到上位机控制中心，控制中心对这两组数据再次进行比较，决定传输距离最小的那组数据，在发送之前要根据通信协议对数据进行数据帧包装，数据帧长度为八字节，制定的通信协议规定数据格式如下：第一字节：帧头 10101010;第二字节：地址为下位机拟定的地址，为以后实现汽车电器网络化而预留的，长度可扩展为多个字节；第三字节：帧长度指的是雷达模块发送过来的数据长度，该系统中为三字节；第四至六字节：报警信号数据这三个字节的数据是由雷达模块发送出来的；第七至八字节：帧校验码通信的目的是要把信息及时可靠地传送给对方，因此要求一个通信系统传输消息必须可靠与快速，在数字通信系统中可靠与快速往往是一对矛盾。为了解决可靠性，通信系统都采用了差错控制。本系统设计中就采用了循环冗余校验CRC（Cyclic Redundancy Check），选用的是CCITT-16循环冗余校验码。循环冗余校验码的生成采用查表法生成【10】，其程序流程图如图4-1所示：Reg清0数据后添加16位0生成校验数据Reg左移四位，校验数据左移四位到Reg低四位Reg Reg XOR 生成参数表【Reg移出值】数据处理完毕？CRC校验码 RegYESNO 图4-1.生成校验码子程序流程图其中流程图中Reg指代一个16位的寄存器，生成参数表是查表生成法中所要依据的参数表，参数表中的每个参数为16位的数据，参数表的生成方法是用0到16的二进制数分别与CCITT-16循环冗余校验码相异或而得，具体原理请查阅参考文献。4.2 上位机软件设计4.2.1 上位机程序主流程图上位机主要完成的任务是：利用雷达模块测距，控制中心（单片机）接收雷达模块发送出来的数据并对数据进行比较后根据通信协议通过总线发送到下位机。软件设计主要包括雷达模块程序设计，上位机接收数据程序设计和发送数据程序设计三大部分。上位机模块初始化后，接收数据子程序利用P89C669单片机串口0中断负责接收雷达模块传送过来的数据，并处理数据，判断数据是否满足发送条件，满足则置发送就绪标志位。发送数据子程序发现发送就绪标志位置位，则根据通信协议把数据包装成数据包，然后通过P89C669单片机串口1发送到下位机。上位机程序的主流程图如图4-2所示：初始化P89C669调用发送数据子程序满足发送条件？开始初始化GM8123YESNO调用接收数据子程序雷达模块有数据输出？YESNO图4-2. 上位机程序主流程图 4.2.2 雷达模块程序设计雷达模块是以成都国腾微电子公司生产的GM3101倒车雷达专用控制芯片为核心的电路，GM3101芯片是用纯硬件方式实现倒车雷达主机功能，将倒车雷达需要的主要元件都集成在了单一芯片中，提高了集成度，并且不需要软件编程，从而降低了设计难度。在实际应用中可把该模块设置为受汽车倒车挡控制上电，使得系统更具自动化。当汽车置于倒车挡时，倒车雷达发射超声波进行测距；置于其它挡，倒车雷达不工作。该模块以80ms为周期检测车后障碍物到汽车的最小距离并输出报警信号，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”。第一字节的低两位用于输出附加消息，第四位SX1 和第三位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。第二个字节：见表4-1，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。表4-1. 第二字节数据格式S1AS1BS2AS2BS3AS3BS4AS4B第三个字节：输出最近障碍物的距离值，数据格式如表4-2所示，DA1和DA0表示最近障碍物距离的第一位数据，按BCD 编码，最大值为3；DB0DB3 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。其中最高位默认为1。表4-2. 第三字节数据格式S1AS1BS2AS2BS3AS3BS4AS4B4.2.3 上位机接收数据程序设计上位机接收数据子程序利用P89C669单片机串口0中断接收雷达模块传送过来的数据，并把数据与上一次发送的数据进行比较，如果数据中的距离值小于上一次或两个数据都来自同一个雷达模块，就判断此次数据满足发送条件，置发送就绪标志位，通知发送数据子程序可以发送数据。其中利用定时计数器0的中断来计算串口0的接收超时，因为雷达模块发送数据的周期为80ms，发送数据大小为三个字节，波特率为4800bps，三个字节是连续发送，计算下来相邻字节之间接收相差20ms，可判定没有接收完整三字节数据，定义为超时，清空接收数据缓冲区，等待接收下一次数据。定时计数器0的接收超时中断相对比较简单，这里不作介绍。接收数据子程序流程图如图4-3所示：开始接收数据接收数据完整？小于前一次发送数据？NOYES 接收地址与前一次发送地址相同？YES NO置发送就绪标志NOYES 地址正确？NOYES 帧头正确？YES NO清接收缓冲区有接收中断？NOYES 图4-3.上位机接收数据子程序流程图4.2.4 上位机发送数据程序设计发送数据子程序利用P89C669单片机的串口1向下位机发送数据，采用查询中断发送。由于系统采用两个雷达模块，对应每个模块会用一个发送就绪标志位，轮流查询。下面的子程序流程图没有分别针对两个发送就绪标志位而作图，作了一个通用的流程图。上位机发送数据子程序流程图如图4-4所示，根据通信协议包装数据发送数据包清发送就绪标志位发送就绪标志位置位？YESNO上一次发送结束？YESNO图4-4.上位机发送数据子程序流程图4.3 下位机软件设计4.3.1 下位机程序主流程图下位机负责接收上位机传送过来的数据，进行校验处理后，用液晶显示器显示距离，蜂鸣器发出警报。下位机主程序流程图如图4-5所示：初始化单片机开始初始化液晶模块上位机有数据发送进来？数据正确？报警调用液晶显示程序调用下位机接收数据程序YESYESNONO 图4-5.下位机程序主流程图4.3.2 下位机接收数

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