（微电子学与固体电子学专业论文）基于超声波测距的自动泊车辅助系统.pdf

长春理工大学硕士( 或博士) 学位论文原创性声明( 4 号宋体) ( 以下正文内容用小4 号宋体) 本人郑重声明：所呈交的硕士( 或博士) 学位论文，填写论文题目 是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明 引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 j 作者签名：兰芏盘蛰：2 1 上l 年卫月江r 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定”，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕 士学位论文全文数据库和c n 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印 或扫描等复制手段僳存和汇编学位论文。 作者签名 导师签名 讶僻乱 卫生年三月! 如 兰生年三_ - 月笪日 摘要 自动泊车系统是一种通过探测车辆周围环境信息来找到合适的泊车位从而控制 车辆的转向、速度，使得车辆能够自主驶入泊车位的系统。相比于人工泊车事故率高、 传统倒车雷达智能度低，自动泊车系统提高了车辆的智能化水平和安全性，进一步降 低了新手司机驾驶车辆的难度，也为将来实现车辆的自动驾驶打下基础。 文中设计并实现了一种超声传感器系统主要应用于在自动泊车系统中汽车对泊 车环境的感知。根据超声回波的特点来设计硬件电路以及编制相应的软件程序，增强了 超声传感器检测环境信息的灵敏度和数据的稳定性。该系统可提高汽车自主驾驶系统 对泊车环境的感知能力，是汽车主动安全功能的关键部分，具有很好的应用价值。 关键字：超声波传感嚣系统；倒车雷达；自动泊车；灵敏度；稳定性 a b s t r a c t a u t o m a t i cp a r k i n gs y s t e mi st h es y s t e mw h i c hd e t e c t se n v i r o n m e n t a li n f o r m a t i o nt ol o o k f o rp a r k i n gl o t ，a n dd r i v e sv e h i c l et ot h ep a r k i n gl o ta u t o m a t i c a l l yb yc o n t r o l l i n gt h es t e e r i n g a n g l ea n ds p e e do fv e h i c l ec o m p 删w i t ht h a ta c c i d e n t sh a p p e nf r e q u e n t l yw h e np a r k m g v e h i c l e s a n dt r a d i t i o n a lr a d a rf o rb a c k i n gv e h i c l e si sn o ti n t e l l i g e n te n o u g h , a u t o m a t i c p a r k i n gs y s t e mi m p r o v e st h ei n t e l l i g e n c ea n ds a f e t yo f v e h i c l e s ，d e c r e a s e st h ed i f f i c u l t yo f d r i v i n gc a sf o rf r e s hd r i v e r s a n dd o e sf o u n d a t i o nw o r kf o ra u t o m a t i cd r i v i n gi nt h ef u t u r e a nu l t r a s o n i cs e n s o rs y s t e mh a sb e e nd e s i g n e da n dr e a l i z e di nt h i sp a p e r w h i c hi s m a i n l yu s e dt og e tt h ep a r k i n gi n f o r m a t i o no f t h ee n v i r o n m e n ti na m o m a f i ep a r k i n gs y s t e m b a s e do nt h ec h a r a c t e r so f u l t r a s o n i ce c h o e ds i g n a l s ，t h ec i r c u i ta n ds o f t w a r e h a v eb e e nd e s i g n e d w i t hw h i c h t h es e n s i t i v i t ya n d t h es t a b i l i t yo f l b e 山a s o h i cs e n s o ra m e n h a n c e dt h es y s t e mc a ni m p r o v et h ea b i l i t yo fa u t o - d r i v i n gs y s t e mi ng e t t i n gp a r k i n g i n f o r m a t i o no f t h ee n v i r o n m e n t i sa l li m p o r t a n tp a r to f t h ea u t o a c t i v es e c u r i t ya n dc a nb e w i d e l yu s e d k e yw o r d s ：u l t r a s o n i cs e n s o rs y s t e m ；p a r k i n gs e n s o r ；a u t o m a t i cp a r k i n g ；s e n s i t i v i t y ； s t a b i l i t y 目录 摘要- - b s t r h c t - - 目录- - 第一章概要- 11 研究背景及意义 图1 8 丰田自动泊车辅助系统a p g s 的车位探测 12 本文的主要内容及意义 第二章超声波测距系统 2 1 超声波的测距技术 ， 2 2 超声波测距芯片b w 2 3 3 0 1 2 3 超声波测距组成模块 第三章基于c p l d 的泊车辅助系统软硬件架构与设计流程 3l 电路设计的流程 3 2 控制电路设计 ， 3 3 控制芯片模块 34 超声波钡4 距系统的软件实现 第四章试验结果和分析 4 1 超声波测距结果的分析 42 存在问题及分析 43 超声波测距减小误差的方法 第五章结论和未来展望 致谢 参考文献：，- 一 u u ，0 0 舟0 h盟拍盯盯船；姐拈弘盯 1 1 研究背景及意义 第一章概要 随着世界各国机动车辆的快速成睦，使得道路交通状况变得十分拥挤、混乱与复 杂。道路建设已完全无法负荷汽车成长的速度，汽车充斥街道的情形显示出交通安全 与运输效率上的各项问题，各种复杂的交通环境可能造成交通事故的发生，汽车碰撞 事故也在增加。出现汽车碰撞及泊车时发生的事故很多是因为驾驶员对周围环境障碍 物的不清楚及倒车时汽车的后视能力不良造成的。美国密歇根大学交通研究所的p a u l g r e e n 的研究表明，根据交通事故统计资料泊车导致的事故占到各类事故的4 4 ，如 表1 - 1 、表1 2 和袁1 3 所示i ”。 表1 1 根据乖辆动作统计事故资料 表1 2 泊车过程中事故统计资料 表l 一3 密歇根市泊乍相关事故统计资料 因此，增加汽车的后视能力，研制汽车后部探测障碍物的倒车雷达便成为近些年 来的研究熟点。安全避免障碍物的前提是快速、准确地测量障碍物与汽车之间的距离。 近年来由于在电子、通讯等技术高度发展及应用已经促使人们开始懂得利用这些技 术加强汽车安全系统监控驾驶人的精神状态、加强视野、防止碰撞，增进交通安全， 因此相关先进的车用电子产品也逐渐蓬勃发展。汽车防撞雷达的目的在于辅助人类感 测能力的不足，主要是利用先进的通讯、控制与资讯科技，侦测车辆周围的动态状况， 如其他车辆、行人或路上障碍物的相对位置、速度与加速度等信息，并适时通知驾驶 人采取必要措施( 如加速、减速或操持车道等) ，以防止发生撞击，增进车辆驾驶的 安全性与舒适度。为此设计了以单片机为核心，利用超声波实现无接触测距的倒车雷 达系统。 图丰田汽午防撞系统 随着科技的进一步发展，汽车雷达系统中车辆测距技术的种类必将越来越多其 应用也不仅是单一的测距方式，而是多种测距方式的混合，集几种装曼于一体互相 麓窗 ，1最 取长朴短，进一步提高系统测量的精度和可靠性。老式的源于图像的驾驶系统，无法 检测车辆两侧咀及前方区域，使驾驶者的安全驾驶隐患大大的增加。为了感知汽车四 周3 6 0 。环境，扩大驾驶员的视野范围。自动泊车系统将多个视觉传感器进行整合和调 配。 1 1 _ l 倒车雷达的发展 倒车雷达( c a r r e v e r s i n g a i ds y s t e m s ) 的全称是“倒车防撞雷达”，也称“泊车辅助 装置”，是汽车泊车安全辅助装置，能以声音或者更为直观的显示告知驾驶员周围障碍 物的情况。解除了驾驶者开启汽车和泊车时对周围环境不清楚带来的困扰，可以帮助 驾驶者去除视线模糊和视线死角的缺点，提升了驾驶的安全性”j 。 第一代倒车雷达，人充当倒车辅助工具“再倒点、再倒点，方向盘再向右打一点， 倒、倒、好、停! ”第二代倒车雷达声音警示。“倒车请注意、倒车请注意! ”想 必不少人还记得这种声音。这对司机并没有直接的帮助，只是在提示路人小心。第三 代数码波段显示，可以显示车后障碍物离车体的距离。第四代可视倒车系统出现- 倒 车时可以显示汽车图案以及车辆周围障碍物的距离。可以看清车与障碍物的实际和图 像效果，色彩清晰漂亮，动态显示安装也报方便。但这一代的产品灵敏度不太高， 抗干扰能力不强所以误报也较多。 1 1 2 雷达原理 雷达是现今用来侦测物体晟普遍的方法，举个生活中比较容易让大家了解雷达原 理的例子，当在夜晚停电时，大家常用的手电简在黑暗的夜里照射目标物时手电筒 的光可将物体照亮，有一部份的光线反射到你的眼中，让你可以感受到有物体的存在， 当电筒离开目标物因为没有反射光线，你就将看不见物体。这就跟雷达的原理是相 同，因为光线的行为跟电磁波的行为是相同的，我们雷达借着传送端产生出高功率电 磁波，此电磁波经由天线辐射出去形成所要的雷达波。当发射出去的雷达波在空间中 扫瞄碰到目标后部分反射的电碰波经由雷达的接收天线回到接收端，称为回波，回 波再经过滤波，放大等程序。与发射波相对应比较，据以侦测目标是否存在，进而决 定其距离，方向，高度，速度和其他资讯，井借雷达显示器加以显示出来t 此即为雷 达的基本原理川朋l 。 g 孑刁公今q 分 图l2 雷边侦测原理示意幽 t x r x公公 利用电磁波碰茔物体表面会反射的特性，我们可以得到欲侦测物体的资讯： 1 、距离：脉冲波跟f m c w 雷达的计算方式不同。以脉冲波雷达而言是测量脉 冲波发射与接收到回波的时间差：至于f m c w 雷达则是用固定速率改变发射波频率， 再比较发射与回波的频率差值借以得到电磁波由发射机到目标物经过反射折回的 时间。 2 、目标的相对速度：运用都普勒效应。若雷达与目标在波的行进方向有相速度， 则观测到的频率会随着相对速度的大小产生频率漂移 f d = ( 2 v c ) f o ( 1 ，1 ) 其中v 为雷达与目标物的相对速度在电磁波行径方向上的分量，c 为光速f o 为发 射电磁波频率。f d 为都普勒偏移频率”“。 用于测距方面的雷达可分为：超声波测距雷达、激光测距雷达、红外线测距雷达j 。 超声波指向性强，能在小角度范围内发射，这样，既便于集中能量发射，也有利 于测距准确性；超声波能量衰减比较慢，有利于超声波的有效发射传播和反射；超声 波用起来很安静，人们听不到它。这一点在高强度工作场合尤为重要。可闻声波工作 时所产生的噪声令人难以忍受有时甚至是对人体有害的。 超声波的测距雷达相比较激光及红外线测距雷达拥有以上的优点。 1 1 3 单脉冲技术探讨 单脉冲技术，也就是同时比较回波与a 回波的技术主要是用来侦测物体角度 的方法。更精确地说，当雷达发射信号碰到物体反射后，经过设计的雷达接收器会 产生两种信号，与a 分别经过同样放大之后，比较它们的信号比值，便可得知物 体的角度。因为只要雷达打出一个脉冲波经过一次比较便可得知角度所以此技术 便称为单脉冲技术，也就是m o n o p u l s e 【8 l 。在做比较之前，我们需要有两种的天线场型。 一般的作法是，利用两个一模一样天线，当加入同相位的信号时，我们称为s u l t i s i g n a l ( 暑1 ；当馈入反相位的信号时称为d i f f e r e n c es i g n a l ( ) 。如图1 3 。 1 05 j ； o _ - 05 一l 厂 b e a r i r 叮( 凹l4 与比值示意图 此外，因为与a 相位的关系，假设物体在雷达的右前方，比值为正；物体在雷 达左前方比值为负。之后，我们便可利用所设计出的与场型，建立一张表：不 同角度对应不同比值如图1 4 。当雷达接收到信号，对照此表即可判断出物体角度。 11 4 自动泊车国外发展状况 自动泊车的研究在国外发展的相对较早t a n a k a 基于线性不等式的控制方法。 k o s k o 的模糊控制方法，w i n d r o w 基于神经网络的拉制方法。这三种控制方法是目前 比较具有代表性的泊车控制理论。 1 9 9 0 年，南加州大学的s e o n gg o n 和b a nk o s k o 发表了“卡车倒车控制系统中模 糊控制神经网络的比较”。如图i 5 所示，该文中指出( 如图1 6 、图17 所示) 在解 决小车倒车问题时，模糊控制比神经网络更精确，误差更小。 印仰) “l o ( 。j 1 0 0 幽15 k o s k o 经典小车倒车问题 箍。 豳l6 基于神经网络的小乍路往 圈17 基于模糊控制的小车路径 2 0 0 0 年以后自动泊车不仅仅停留在仿真阶段此时，研究不光停留在控制算法上 同时有的车辆厂商还向前迈进了一步朝着实用的自动泊车系统方向发展。 h l f j h a t $ 嗍m 鼬一* 一_ h _ 忡h k l _ 山柏_ _ 凹1 8 丰田自动泊车辅助系统a p g s 的车位探测 1 2 本文的主要内容及意义 1 2 1 本文的主要内容 本文围绕基于超声波测距的自动泊车辅助系统设计。将完成以下主要工作： 1 第一章介绍自动泊车系统研究背景和应用现状，并说明了本文的主要研究内容 和意义。 2 第二章介绍泊车辅助系统超声波测距模块， 3 第三章介绍基于c p l d 的泊车辅助系统软硬件架构与设计流程。 4 第四章介绍实验结果和分析。 5 第五章结论和未来展望。 1 2 2 本文的主要意义 文中设计并实现了一种超声传感器系统，主要应用于在自动泊车系统中汽车对泊车 环境的感知。根据超声回波的特点来设计硬件电路以及编制相应的软件程序，增强了超 声传感器检测环境信息的灵敏度和数据的稳定性。该系统可提高汽车自主驾驶系统对 泊车环境的感知能力，是汽车主动安全功能的关键部分，具有很好的应用价值。 2 1 超声波的测距技术 第二章超声波测距系统 2 i 1 超声波 频率高于人的听觉上限( 约为2 0 0 0 0 h z ) 雌s 声波，称为超声波。超声波是一种弹性机 械波，它可以在气体、液体和固体中传播。 a = 口( x ) c o s ( 叫+ h ) f = a o e 一 式中a ( x ) 为振幅，a 0 为常数，c o 为圆频率，t 为时间，x 为传播距离 减系数。衰减系数与声波所在介质及频率的关系为 峨，2 式中，a 为介质常数，为振动频率9 | l i n t 。 2 12 超声波测距原理 ( 2 1 ) ( 2 2 ) a 为衰 f 23 1 通过超声波发射装置发出超声波，根据接收器接到超声波时的时间差就可以得到 距离。超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在 空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计 时洲“。如图21 、2 2 所示。( 超声波在空气中的传播速度为3 4 0 m s - 根据计时嚣 记录的时间t ，就可以计算出发射点距障碍物的距离( s ) ，即：s 2 3 4 0 t 2 ) 蹦2l超声波测距框幽 2 1 3 压电式超声波发生器 幽2 2 超声波4 距原理翻 陪碍物 i 压电效应 如果某些晶体受到拉伸或压缩形变，那么在它们的界面上便会出现电荷。这类 现象r 叫做压电效应。压电效应是可逆的，即在f 包场作用下，这类晶体将产生形变 因而在周围介质中激发起超声波。石英晶体、电气石的压电效应最为显著【t 3 1 t 。 压电晶体的特征是有一个或几个极化轴。如果晶体绕垂直于任一轴线旋转1 8 0 度， 晶体新的外形不再与以前的外形相重合。这根轴就叫做极化轴。图23 ( a ) 所示为石英晶 体图2 3 ( a ) 中画出了它的三根极化轴( x i ，x 2 ，x 3 ) 。每一根极化轴都是连接着六面棱柱 体的 每一相对棱角，垂直于这个棱柱体界面的轴，用轴表示，穿过棱枝体顶点z 轴不 是极化轴，因为晶体回转1 8 0 度后晶体的外形与原外形重合这个轴叫做光轴。当 压电晶体形变时极化轴两端产生的电荷最多。用这样的方法来切割压电晶片，即使得 晶片的电极面的法线平行于晶体的极化轴极拉样的压电晶片p ，叫做一切晶片圈 23 ( a ) a 用同样的方法可以得到一切晶片对于一切晶片来说电极面的法线平行于y 轴。这样一切晶片的特征将是产生纵向形变( 纵向振动) ，一切晶片是产生横向形变( 横 向振动) 图2 3 ( b ) 。如果加于晶片上的电场频率等于晶片的固有振动频率晶片的振幅 将是最大。如上所述把正压电效应看成是在形变作用下在压电晶片上出现电荷忙) ，这 种形变是某种拉伸或压缩力( f ) 引起的。分别可用下的式子来表示： b 2 d ， ( 2 4 ) 蓠潍 岁 詹翔 k j 蚓23 石英晶体( a ) x 一切品片( b ) 对于逆压电效应，当沿轴线所加电场( e ，) 使晶体在并和r 轴方向上引起形变( 纵向 和横向振动) 时，将得到下面的关系式中d 。压电模量。 e = j 。e 。( 26 ) p ，= d 。e 。 ( 27 ) e l e ，弹性形变张量的相应分量在上述两等式的两边分别乘以压电晶片相应的尺寸d 和 l 以后，我们可得到压电晶片在x 利y 方向长度变化的绝对值。这时形变用上面的公 式来确定。 从公式可得出，晶体沿x 轴的形变与晶体的尺寸无关，仅由所加的电压来决定。 晶体v 轴方向的长度与x 轴方向的长度的比愈大，由于横向效应引起的沿y 轴方向的 形变就愈大“”“。 石英的电模量等于： 吐12 6 9 x 1 0 1 5 厘米“2 克“2 叱= - 2 0 l o 一厘米“2 克。“ 除了表征加于石英片上的电场与由此所引起的形变之自】的关系以外，石英的压电 性能也可用所加的电场与由此所引起的弹性压力相联系的方程序来描述。在这种情况 下，对于石英来说，相应的压电常数的值等于： 五12 5 2 1 0 “厘米”克1 “ 温度为2 0 0 度以下时，石英的压电效应实际上与温度无关。温度增加，压电效应 就减弱。在居里点温度为5 7 6 度时，正常的a 一石英变成8 一石英，并且失去其压电性 能。 2 压电石英片 石英片可以制成任何形状：圆形、方形等等。圆形片的优点是电强度和机械强度 都较高。此外，由于其支座的结构较简单，故比其它形状的晶片用起来更方便。 如果把交流电加在石英片上，并使其方向与它的极化轴重合，石英片将交变地产 生收缩和伸张，因而使周围介质中激发起纵向的超波。在基频共震时，片厚( l ) 将等于 它辐射声波的半波长。 ，：生：三 22 i ( 2 8 ) 如果忽略由于横向收缩引起的横向震动，即把片看作无穷大，压电石英片的基波 固有振动频率等于： ，= 墅学= 望半赫 眩。， 然而由于横波及石英不均匀性的影响，计算x 一切石英片的固有振动频率，输出 下面的值为： ，= 半赫 ( 2 】0 ) 因为石英片的固有振动频率与它的厚度成反比，故对于高频率来说，片很薄因此 就报脆。所以利用基频工作的石英片的频率不超过l o 1 5 兆赫。当更高频率工作时， 应当使用比较厚的片，井已在低的频率下工作这时，片辐射的功率虽然比基频工作 时小很多，可是片厚度的增加会增加它的电强度利机械强度，因而可能加上较高的电 压，这样在辐射功率方面所受到的减弱也就可以部分地得到补偿“”。 越 图24 压电片辐射时的扩散 刚25 复台式的石英振子 由于压电晶片辐射面的尺寸有限放开始时被辐射面所限制着的超声波，在传播 时，就有一些扩散( 图24 ) 。例如，图形片辐射时，能量差不多完全集中在一个锥体 中锥体的半角由下面的公式 s i 咿1 _ 2 2 ；一 ( 2 衍射现象会使能量散开，并出现第二极大值。然而，它们的强度是很小的。 石英片按其桔构来说是不均匀的，其中会出现各种气泡和杂质。由于晶体的各向 异性产生的晶片体积内压电性能的不均匀分布，使得纵震动的压电片的超声波产生畸 变啪1 。常常采用组合式石英振动子来代替简单式的石英振动子，以获超声波，组合式 振动子由两块金属板( 薄片) 并在其问央以石英片组成( 图25 ) 。这样的振动系统是当 作一个整体振动，与同样共振频率的简单式的石英片比较起来其优点是具有更高的 声强度。这是因为在组合式系统中，石英片的厚度比简单式的辐射器小很多。因此， 在同样的输入电压下组合式的振动子石英片上的电场强度大于单式的片上的电场强 度。适于水声学中所采用的频率范围，从5 0 千赫到1 5 0 千赫的一些石英振动子和组合 辐射器的计算法，对于大于等于1 兆赫或更高的超声源来说，不能使人满意。”。 利用等效电路时可以得到更准确的关系式。 带有钢片的组合式石英振动子，在用胶粘( 松香和黄蜡) 的情况下，给出了下面的 计算固有频率的公式： ，= 半赫 ( 2 1 2 ) 式中l 一用毫米表示。 应当指出，组合式的振动子在泛音激发时比在基波激发时的振动更强烈。 3 压电型超声波发生器 压电型超声波换能器的工作原理：它是借助压电陶瓷片的原理产生超声波。其结 构原理如图26 所示。 4 5 嗤26 超声波传感器 1 、2 为双压电晶片振子，3 、4 为两电极，5 为圆锥共振扳。当两极间加一电压时，两 压电晶片被压缩，撒去电压后，两压电晶片恢复原状。 图27 超声波传感嚣等效电路 分析共振频率附近的超声波换能器的特性：换能器的机械能用q m ；电能用q e 表示。由 图( 图2 7 ) 分析可知，设换能器在空载( z 1 = o ) 和有载( z l = r o ) 时的0 值分别为 超声波换能器的工作效率为 2 1 4 盲区 q f 急m 。2 。古。瓦i g 2 i 磊l ii 妒”f l ro a r , q 。= c o g o 。r 。 q = c o t o o ( r 。+ r p 。：一 凡+ ( 2 1 3 ) ( 2 】4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 在调试过程中出现了发送部分和接收部分的直接串扰问题。由于发送换能器和接 收换能器之间的距离不可能太宽，当发射超声波时，有部分声波不经障碍物就直接绕 射到接收换能器上，使接收部分错误地收到一个虚假的反射波时间计数器只计了很 少的数值就停止计数了结果当然是错误的。由于这个虚假的反射波总是在发射后很 短的时间内出现的。从发射到避开串扰信号( 即虚假反射波) 的这段时间对应的距离称为 超声波测距的“盲区”。显然在盲区内的障碍物是测不到的阻i 。 需要说明一下；换能器有一定的灵敏度。接收器的换能器灵敏度为时间的函数， 在发射触发脉冲期问，灵敏度是比较低的，所以，发送与接收两元件之间的串音不会 影响本机工作。若发射触发脉冲后很快就接收到回波，不论当时接收器灵敏度如何， 接收器不应受理。经过时间较长的回波，它比较弱，但此结果为真实结果。这样获得 的结果，不受假象反射影响，所以测量可靠。 2 1 5 超声波测距优点 ( 1 ) 有较好的指向性。超声波指向性强，能在小角度范围内发射，这样，既便于 集中能量发射也有利于测距准确性。 ( 2 ) 超声波能量衰减比较慢，有利于超声波的有效发射传播和反射。 ( 3 ) 超声波用起来很安静，人们听不到它。这点在高强度工作场合尤为重要。 可闻声波工作对所产生的噪声令人难以忍受，有时甚至是对人体有害的。 超声波测距仪发展与应用前景广桶主要应用于倒车雷达、建筑施工工地以及一 些工业现场，例如：车辆行驶间距安全报警，农阳水利测量，交通事故现场测量以及 行速动态测量，液位、井深、管道长度等等。均是以测量长度确定的。随着科学技术 的发展，超声测距技术会被人们认识。并且会普及应用 2 2 超声波测距芯片b w 2 3 3 0 1 b w 2 3 3 0 1 是专用于倒车雷达的超声波测距芯片，该芯片提供4 路超声波探头的驱动t 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。最大输出距离为3 1 5 米，输出精度为00 5 米。 1 b w 2 3 3 0 1 提供q f p 4 4 的封装形式，引脚排布见图28 所示： 圉28 封装引脚排布图 2b w 2 3 3 0 1 芯片内部框图如图29 所示 22 1 芯片功能详细描述 工作模式选择如表2 1 所示 圈29 芯片内部框图 表2 1 【作模式选择 2 信号发送和接收电路如图2 1 0 所示 图21 0 探头信号接收发送电路 3 探头余振处理如表2 2 所示： 表2 之端口控制信号( c o n t r o l _ s e l l ，c o n t r o ls e l 0 ) 与消除余振处理时间的关系 控制信号 余振屏蔽时间t ( m s ) ( c o n t r o ls e l l c o n t r o ls e l 0 ) 崔送酵 冲开始 ；! ! ! ! ! ! ! ! !； 发送酵 目* 始 皇捱壁垂盟：9 ： ：- 圭堑兰重堕! 旦! + ：l h p 圈21 1 发送信号与余振屏蔽的间芙系 表2 - 3 端口控制信号( d m ) 与停车标志信号所对应的障碍物位置关系 控制信号( d m )位置( r f l ) 根据表2 3 可知，当d m 为低电平时，障碍物位置小于03 0 m 时表示停车。当d m 为高 电平时，障碍物位嚣小于0 3 2 m 时表示停车。 4 防声波衍射处理 由于声波传输的特性声波会出现来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， b w 2 3 3 0 1 可以对衍射声波进行识别，消除了声波衍射误报警情况嗌。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 作周期内是否有有效反射波有则进行处理，没有则转入下一探头的驱动。 5 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。b w 2 3 3 0 1 针对这种情况进行了处理， 提高报警的准确性。 智能识别处理通过不同大小的物体反射的超声波强度不同来判断。设计中通过准 确的实验确定多大的物体不会影响倒车的操作，精确地测量该物体在不同距离上的 超声波反射强度，处理器根据实验测试出来的结果进行处理，根据要求忽略掉相应的 接收信号1 。 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 否有有效反射波，有则进行处理，没有则转入下一探头的驱动。 j 攀删 ；! i | 眦 表2 4 控制信号与小信号忽略门限及灵敏度关系 小信号的忽略门限是通过检n d 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。 6 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，检测到的最近的距 离和方位都是车身的两边( 墙面或两边车辆) 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距离。能够针对这种情况进行识别和 处理。 b w 2 3 3 0 i 当发现探头一平口探头四任何一个探头在2 5 6 0 m s 内检测到的距离部比较恒 定，或变化范围很小( 小于_ + 2 0 c m ) ，则认为处于上述环境中。于是，处理器在送出 相应的捎息后就不再输出该探头的探测信息，只对其他探头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超过芯片设定的允许范围，则马上回到正常检 测的状态机模式，待两侧或某一边的距离再次恒定后又转到环境适应模式下。 环境适应模式也有一个极限值05 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。 该芯片只对一、四探头进行环境适应处理，二、三探头不做此处理。 7 报警信号输出 b w 2 3 3 0 1 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8 0 l i i s 。如果整个检测周期内都没有检测到物体，怀输出任何报警信号。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2 5 所示： 表2 - 5 障甜物危险级别和障磷物距离的对应戈系 8 输出方式 报警信号采用双线差分串行输出的方式，为了增加距离较长及环境干扰很强传输 信号的准确性。双线差分传输具体格式是：d o u t + 输出实际需要的信号d o u t 一则输出 与d o u t + 相反的电平信号，例如d o u t + 输出1 t j d o u t 一则输出0 ，d o u t + 输出0 ， d o u t 一则输出“1 ”，显示部分可以通过判断d o u t + 和d o u t 一信号幅度的差值来恢复出实 际的d o u t + 信号的值用户也可以根据其具体的应用环境只使用d o u t + 信号。报警输出 信号采用标准异步传输格式，数据传输的波特率为4 8 0 0 b p s m 。 9 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 数据还是偷车模式下的数据，倒车模式是“0 1 0 1 ”，偷车模式是“1 0 1 0 ”。倒车模式 下数据格式如表2 - 6 所示：第二个字节：如表2 7 所示，s x a 和s x b 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0 0 、 0 1 、l o 、1 l 表示：第三字节：输出最近障碍物的距离值，数据格式如表2 - 8 所示。 表2 击第一字。1 f 数据格式 表29 传感器作用条什 在防偷车功能状态下，芯片只检测06 米距离内有无物体。防偷车模式下数据输出 周期也是8 0 m s 。 警信号输出与倒车模式下输出的方式一致也采用双线差分方式以标准异步格 式、波特率4 8 0 0 b p s 的方式传输。防偷车模式下，输出的数据包包括1 个字节，数据格 式如表2 一1 0 所示。1 。 表2 - j o 防精车模式报警数据格式 0l o s is 2s 3 s 4 1 i 1 2 芯片极限值 工作电压( v c c ) 贮存温度( ts t g 最大功耗( p a ) 推荐工作条件 表2 - l l 推荐i 作条什 3 电气参数 表2 1 2 主要电气数 4 接口时序 l础。苎型哩 一|皂苎兰! 生旦擎 。 。：芝! 竺：! 一 一 一 ：。 l 一 ”斗+ t h 卜卜 幽21 2 主要接口时序关系 2 3 超声波测距组成模块 超声波测距模块由发送器、接收器、b w 2 3 3 0 1 测距芯片以及l 正d 显示器四个主要部 分组成。超声波测距系统结构如图2 1 3 所示。 超声波发射电路 超$ 城接收电路 圈21 3 超声波测距系统结构圈 超声波振荡器首先发射频率为4 0 k h z 的触发脉冲，每次l o 个。这个频率与两个超 声波换能器的谐振频率一致。由于触发脉冲信号比较弱，所以在超声波发射器中需 要通过驱动电路对信号放大。信号虽终在超声波换能器中发射出去。同时芯片内部定 时器丌始定时。当接收器接收到脉冲信号时，由于超声波在空气中传播t 其能量的衰 减程度与传播距离成正比，所以超声波传感器的接收信号一般为毫伏数量级。为了得 到幅度足够大的信号，要求对信号放大整形，并且需要比较和判别。最后把接收到的 超声波回波传入芯片。当超声波换能器接收到脉冲信号时，首先关闭芯片内部定时器， 超声波从发射到接收的间隔时间的测定，是通过时间计数器来完成的。在超声波发射 前，计数器先清零，然后在发射超声波的同时，记数器对4 0 k h z 的脉冲进行计数当 接收到反射波郢停止计数。最终得出距离。数据传递到l e d 显示器并显示出来。 23 1 超声波发射部分 超声波振荡器首先发射频率为4 0 k h z 的触发脉冲，每次l o 个。这个频率与两个超 声波换能器的谐振频率一致。由于触发脉冲信号比较弱，所以在超声波发射器中，需 要通过驱动电路对信号放大。信号最终在超声波换能器中发射出去。同时芯片内部定 时器开始定时。这就完成了超声波的发射。”。 超声波发射电路部分如图21 4 所示。主要是采用中心频率为4 0 k h z 的t 4 0 1 6 型 换能器。信号放大部分采用的是d 个非门电路构成。主要用来将使能信号进行整流、 放大、去噪，从而驱动超声波换能器工作。 2 32 超声波接收部分 幽21 4 超声波发射电路 当接收器接收到脉冲信号时，由于超声波在空气中传播，其能量的衰减程度与传 播距离成正比，所以超声波传感器的接收信号一般为毫伏数量级。为了得到幅度足够 大的信号，要求对信号放大整形，并且需要比较和判别”“。摄后把接收到的超声波回 波传入芯片。 超声波接收部分如图21 5 所示采用红外接收电路常用的c x 2 0 1 0 6 a 芯片。 2 3 3 显示电路部分 幽21 5 超声波接收电路 当超声波换能器接收到脉冲信号时，首先关闭芯片内部定时器，超声波从发射到 接收的间隔时间的测定，是通过时间计数器来完成的。在超声波发射前，计数器先清 零，然后在发射超声波的同时，记数嚣对4 0 k h z 的脉冲进行计数，当接收到反射波即停 止计数。记录下脉冲数为v 所以间隔时间为： ，= nxt ( 21 8 ) 这里r 间隔时间，时间计数器计数值。 t = 2 5 u s 4 0 k 】 z 时脉冲周期。最终得出距离。数据传递l i j l e d 显示器，并显示出来 显示电路如图21 6 所示。 第三章基于c p l d 的泊车辅助系统软硬件架构与设计流程 本文所用的泊车辅助系统核心控制部分是基于c p l d 的，最先使用超声波系统来 测距和进行角度分析，然后将数据信号传输给c p l d ，由c p l d 对数据作出判断，将 数据再次反馈给超声波系统作出显示与报警，同时将控制信号传输给汽车t 汽车根据 超声波系统给出的信息进行泊车辅助。如图31 所示： 幽3l 泊车辅助系统框盥 本文采用a i t e r a 公司所生产的f l e x1 0 k 系列为发展工具，目前所用的开发板上 的芯片是e p f l 0 k 2 0 ，此芯片是以s r a m 技术制作。可重复烧录或是下载，有1 5 0 0 0 到6 3 0 0 0 个可用的逻辑门，输入，输出引脚( i o ) 1 9 8 个。f l e x1 0 k 系列最大的 特点是内部有存储器( r a m ) ，司供设计着使用。如图32 所示： f l e x1 0 ka r c h i t e c t u r e 幽3 2f l e x1 0 k 元件内部结构示意图 二 3 1 电路设计的流程 本文是以a l t e r a 公司的q u a r i u s72 轼件为电路开旋工具，该软件其中包括电路 设计输入、电路编泽实现，及各种模拟验证。设计步骤分述如下： 3 1 1 设计输入 设计输入主要是将设计观念转换成电脑可接受的方式，例如电路图、硬件描述语 占等。本文使用q u a d u s 7 2 提供的电路设计方法相当多，包括：图形输入、波形输入 和多种的硬件描述语言，其中常用的硬件描述语言有v e f i l o g h d l 、v h d l 和a l t c r a 公 司本身提供的a h d l 语言。由于c p l d 是应用于较复杂的电路设计，使用硬件描述语 言对将来修改或更新电路时较为容易。所以本文所设计的电路大都以v h d l 为主- 除 非在最上层的电路为了方便他人了解才采用图形表示h _ l ”j 。 3 1 2 电路合成 在完成电路设计输入后，即可对所设计的电路进行编译合成。在q u a d u s72 软件 中，会自动针对所选择的芯片型号进行逻辑摆放与绕线等工作并产生该芯片使用资 源情况的文字档和供接下来电路验证、模拟和下载所需的档案。 313 电路功能验证 在q u a r t u s 7 2 软件中提供了以波形圈的方式来验证在电路设计中所设计的电路 功能是否如设计者所预期的。另外还有时序分析，可帮助设计者了解电路的延迟和在 多快的时脉下，电路仍能正常的工作。一旦电路功能或时序不合要求t 则必须回到电 路设计的阶段。 3 1 4 硬件电路测试 最后一个步骤是硬件电路测试。将设计好的电路下载到c p l d 芯片中- 和真j 下的 系统结合进行测试，一旦发现功能不足或想增加系统的功能，就可马上重新设计电路- 帮助设计者提早发现问题。相较于其他a s i c 的设计方法，这正是c p l d 或f p g a 最 大的优点i 矧。 3 2 控制电路设计 由于所使用的开发板是以数字方式来处理信号，故对于所量测得到的模拟信号， 如超声波测距系统所提供的信号等，必须再通过模拟数字转换器或数字模拟转换器对 数据进行处理才能与下一级的硬件沟通。因此在处理的过程中必须把信号放大，并注 意电源的稳压电路。 32 】模拟数字转换器 对于模拟数字转抉器( a d c ) ，所采用的型号为a d c 0 8 0 4 。在程序一开始时便启 动转换器来执行写入的动作，然后在芯片中产生读取的信号，从转换器的输出角来得 到转换值。对于数字模拟转换器采用的是d a c 0 8 0 0 。在使用此转换器必须注意其饱 和值是否符合需求。例如在计算车辆速度时，从超声波振荡器得到的脉冲数用记数器 计算距离再以一个计时器作采样时间，把所转换的脉冲数用寄存器保持住p 嘲。如图 33 所示。 3 2 2 信号放大电路 罂竖主要娈 二二 离 = ；= = = = = i 二= = = 闰3 3 模拟数字转换器( a d c ) 因为反馈回来的信号经超声波换能器转换后的电压较弱，所以必须把电压通过运 算放大器放大。所采用的运算放大器为l f 3 5 6 。为了减低其负载效应本文并使用运 算放大器来制作电压随藕器。 3 3 控制芯片模块 在控制器芯片模块设计方面，根据电路功能大致l 分为脉冲宽度调制模块，滤波 电路，角度控制器及速度控制器等p 刁，【圳。如图3 4 所示。 3 3l 滤波电路 幽3 4 c p l d 控制部分 实验所采用的玩具车的转向电机必须在特定的频率下电机才能稳定工作。经由实 验测得为频率是5 20 8 4 h z ，因为在此频率相关的周边电路工作频率则为了避免速度测 量电路所换算的速度值，超过d a c 的饱和值所以把频率定为2 0h 厶因为开发板的 石英震荡器为2 51 7 5 m h z ，所以必须在芯片上将系统的脉冲时钟信号( 系统时钟) 利 用触发器的方式来进行滤波，得到所