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电气电子毕业设计论文
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毕业设计40倒车雷达系统的研究与设计,电气电子毕业设计论文
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摘要 倒车雷达 系统 的 研究与 设计 专业 :电子信息科学与技术 本科生 :骆世刚 指导教师 :吴筠 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 ntsAbstract 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 nts目录 目 录 中文摘要 Abstract 目 录 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 1 1. 2. 1 发展 概况 1 1. 2. 2 当前 存在的问题 4 1. 3 本设计 的 主要 内容和目的 5 第二章 系统相关理论与结构 6 2. 1 超声波的测距 基本 原理 6 2. 2 XY-CN 总线介绍 7 2. 2. 1 概述 7 2. 2. 2 系统由来 8 2. 2. 3 XY-CN BUS 型总线 特点 9 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 12 3. 2. 3 封装及引脚功能说明 13 3. 2. 4 芯片具体功能及应 用 13 3. 3 XY-CN BUS 专用数字通讯芯片 15 3. 3. 1 CMT001 芯片 15 3. 3. 2 CMT001 芯片应用参考电路 16 3. 3. 3 CMT100 芯片 17 3. 3. 4 CMT100 芯片应用参考电路 17 3. 4 系统电路解析 及工作原理 18 3. 4. 1 上位机电路解析 18 3. 4. 2 下位机电路解析 22 3. 4. 3 工作原理 24 3. 5 实验安装 及调试 24 nts目录 3. 5. 1 焊接 24 3. 5. 2 调试过程及方法 25 第四章 软件设计及调试 27 4. 1 系统软件设计整体介绍 27 4. 2 上位机 软件设计 28 4. 2. 1 上位机程序主流程图 28 4. 2. 2 雷达模块程序设计 29 4. 2. 3 上位机接收数据程序设计 30 4. 2. 4 上位机发送数据程序设计 30 4. 3 下 位机软件设计 32 4. 3. 1 下位机程序主流程图 33 4. 3. 2 下 位机接收数据程序设计 34 4. 3. 3 LCD 液晶显示程序 设计 35 4. 4 软件调试简介 35 第五章 系统可扩展部分 37 结束语 38 主要参考文献 39 致谢词 40 nts第一章 绪论 1 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nts第一章 绪论 2 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 30 300G,相应波长为 1 10mm。 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 ; nts第一章 绪论 3 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nts第一章 绪论 4 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 0.2 0 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 2 3个，单个传感器的水平探测角度约 60 70度，这样势必造成 2 3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； nts第一章 绪论 5 （ 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 。 nts第二章 系统相关理论与结构 6 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nts第二章 系统相关理论与结构 7 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， 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 （ c t） （ 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 (c t)=1/2 (c NT) （ 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障 碍 物 传感器 GM3103 IC nts第二章 系统相关理论与结构 8 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。 （ 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nts第二章 系统相关理论与结构 9 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 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； nts第二章 系统相关理论与结构 10 （ 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。 nts第三章 硬件设计及调试 11 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： 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。 雷达模块 1 雷达模块 2 CPU-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 1 XY-CN 总线 蜂鸣器 语音模块 LCD 模块 nts第三章 硬件设计及调试 12 3.2 GM3101芯片 6 3.2.1 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 。 nts第三章 硬件设计及调试 13 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： nts第三章 硬件设计及调试 14 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OUT1 OUT2 OUT3 OUT4 F5 COUT 单探头周期 20ms 四探头工作周期 80ms 16 个 40KHz 方波 单探头周 期单探头周期有效回波信号 比较器输出信号 nts第三章 硬件设计及调试 15 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 1.2 3.15米 安全 2 0.6 1.2米 警世 3 0.3 0.6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nts第三章 硬件设计及调试 16 单片机或通过光耦与单片机连接，输出 12 35V、 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 10 20V/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： 40 85。 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、nts第三章 硬件设计及调试 17 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 12V 30V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nts第三章 硬件设计及调试 18 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 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，其电路框图雷达模块 1
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