倒车雷达嵌入式系统设计毕业论文.doc

南华大学电气工程学院毕业设计倒车雷达嵌入式系统设计毕业论文目录1、 绪论11.1 概述11.2 倒车显示雷达的发展状况21.2.1倒车雷达的发展状况21.2.2汽车电器网络化发展41.2.3倒车雷达存在的问题51.3 设计的内容和目的52、 倒车雷达显示系统需求分析52.1 倒车雷达显示系统分析52.1.1超声波测距的基本原理52.1.2系统总线的选取52.2 C-MBUS简介52.2.1概述52.2.2总线的特点53、 系统设计与硬件电路的实现53.1 系统总体方案设计53.1.1系统方案的选择53.1.2系统方案总述53.2 基于GM3101倒车雷达模块53.2.1 GM3101芯片概述53.2.2 GM3101工作特征及封装53.2.3 GM3101芯片功能及应用53.2.4 GM3101主要外围电路53.3 C-MBUS专用通信芯片53.3.1 CMT001总线从机芯片53.3.2 CMT100总线主机芯片53.4 ISD4004-8M语音录放电路53.4.1 ISD4004-8M芯片概述53.4.2 语音报警电路53.5 系统电路解析及工作原理53.5.1上位机电路解析53.5.2下位机电路解析53.5.3工作原理53.6 实验安装及调试53.6.1 PCB图53.6.2 焊接53.6.3 调试过程及方法54、 软件设计及调试54.1 系统软件设计整体介绍54.2 上位机软件设计54.2.1 上位机程序主流程图54.2.2 雷达模块程序设计54.2.3 上位机接收数据程序设计54.2.4 上位机发送数据程序设计54.3 下位机软件设计54.3.1 下位机程序主流程图54.3.2 下位机接收数据程序设计54.3.3 LCD液晶显示程序设计54.3.4 语音报警程序设计54.4 软件调试简介55、 系统方案的扩展56、 总结5参考文献5谢辞5附录一5附录二5附录三5附录四5ii1、 绪论1.1 概述在现代化社会了，汽车是不可或缺的交通运输工具。随着世界经济的发展，汽车工业化的出现，汽车的社会拥有量有着显著的变化。它给我们的生活带来了极大的方便。同时汽车在城市的拥有量达到一个空前的高度。随着近些年来我国国民经济的快速发展，中国人民大学国际学院副院长陈甬军判断，预计我国2009年城市化率能达到47%，2010年将达到50%。根据专家预测，到本世纪的中叶，我国的城市化率将提高到75%左右。这就意味着伴随着这一进程，大都市圈、群、带等城市化形式将相继出现，城市人口会不断地膨胀扩大，加之大城市私家车饱有量的不断提高，这给汽车安全带来了严重的问题。图1.1 20012009年中国汽车销量及增长率图我国开始进入私家车时代。加之我国城市化率的不断提高，城市人口的不断增长，我国的汽车数量正逐年增加，图1.1显示我国汽车的数量增加情况。同时汽车驾驶人员中非职业汽车驾驶人员的比例也逐年增加。在公路、街道、停车场、车库等拥挤、狭窄的地方倒车时，驾驶员既要前瞻，又要后顾，稍微不小心就会发生追尾事故。原来不是问题的倒车也逐渐变成了问题。据相关调查统计，15%的汽车碰撞事故是因倒车时汽车的后视能力不良造成的。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热点。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。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（“倒车请注意！”），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C-MBUS总线即能很好完成网络化的重要任务。1.2 倒车显示雷达的发展状况1.2.1倒车雷达的发展状况倒车雷达是汽车泊车或者倒车时的安全辅助装置，能以声音或者更为直观的视频显示告知驾驶员周围障碍物的情况，解除了驾驶员泊车、倒车和起动车辆时前、后、左、右探视所引起的困扰，并帮助驾驶员扫除了视野死角和视线模糊的缺陷，提高驾驶的安全性，如图1.2所示。图1.2 汽车防撞报警器通常，倒车雷达由超声波传感器（俗称探头）、控制器、和显示器（或蜂鸣器）等部分构成。倒车雷达一般采用超声波测距原理，在控制器的控制下，由传感器发射超声波信号，当遇到障碍物时，产生回波信号，传感器接收到回波信号后经控制器进行数据处理 判断出障碍物的位置，由显示器显示距离并发出其他警示信号，及时示警。从而使驾驶者倒车时做到心中有数，使倒车变得轻松。经过多年的发展，不论从结构外观上，还是从性能价格上，倒车雷达系统都进行了的技术改良，可以说这六代产品都各有特点。现在，车辆上使用较多的是数码显示、荧屏显示和魔幻镜倒车雷达这三种。第一代：倒车喇叭提醒。“倒车请注意！”想必不少人还记得这种声音，这就是倒车雷达的第一代产品 ，现在只有很小一部分商用车还在使用。只要司机挂上倒档，它就会响起，提醒周围的人注意，从某种意义上说，它对司机并没有提供直接的帮助，不是真正的倒车雷达。第二代：轰鸣器提示。这是倒车雷达系统的真正开始。倒车时，如果车后1.8 1.5 m 处有障碍物，轰鸣器就会开始工作。轰鸣声越急，表示车辆离障碍物越近。但它没有语音提示，也没有距离显示，虽然司机知道有障碍物，但不能确定障碍物离车有多远，对驾驶员的帮助有限。第三代：数码波段显示。相比第二代、第三代倒车雷达进步了很多，可以显示车后障碍物车体的距离。如果是物体，在1.8 m开始显示；如果是人，在0.9m左右的距离开始显示。这一代产品有两种显示方式，数码显示产品显示距离数字，而波段显示产品由三种颜色来区别：绿色代表安全距离，表示障碍物离车体距离有0.8 m以上；黄色代表警告距离，表示离障碍物的距离只有0.6 0.8 m；红色代表危险距离，表示离障碍物只有不到 0.6 m的距离，你必须停止倒车。它把数码和波段组合在一起比较实用，但安装在车内不太美观。第四代：液晶荧屏显示。这一代产品有一个质的飞跃，特别是荧屏显示开始出现动态显示系统。不用挂倒档，只要发动汽车，显示器上就会出现汽车图案以及车辆周围障碍物的距离。动态显示，色彩清晰漂亮，外表美观。可以直接粘贴在仪表盘上，安装很方便 不过液晶显示器外观虽精巧，但由于灵敏度较高，抗干扰能力不强，所以发生误报的情况也较多。第五代：魔幻镜倒车雷达。第五代倒车雷达结合了前几代产品的优点，采用了最新仿生超声雷达技术，配以高速电脑控制，可全天候准确地测知 2 m以内的障碍物，并以不同等级的声音提示和直观的显示提醒驾驶员。魔幻镜倒车雷达把后视镜、倒车雷达、免提电话、温度显示和车内空气污染显示等多项功能整合在一起，并设计了语音功能，是目前市面上比较先进的倒车雷达系统。因为其外形就是一块倒车镜，所以可以不占用车内空间，直接安装在车内倒视镜的位置而且颜色款式多样，可以按照个人需求和车内装饰选配。第六代：整合影音系统。第六代倒车雷达在第五代的基础上新增了许多功能，产品功能更加强大，是专门为高档轿车生产的，从外观上来看，这套系统比第五代产品更为精致典雅；从功能上来看，它除了具备第五代产品的所有功能之外，还整合了高档轿车具备的影音系统，可以在显示器上观看DVD，影像等。1.2.2汽车电器网络化发展当今对汽车安全、环保、节能、舒适等方面性能的高要求，使得汽车电子技术得到了飞速的发展，已经从单个部件电子化发展到总成电子化、模块化。车用电控系统的增加，不仅使连接线路迅速膨胀，线束越来越复杂，布线越来越困难，增加了汽车设计、装配、维护的负担，而且线路以及接头的增加也引起了安全问题的巨大隐患。因此，在电子装置不断增加的情况下，减少线束成为一个必须要解决的问题，基于串行信息传输的网络技术成为一种必然的选择。整车模块综合化形成的控制器网络系统的出现使汽车电控技术的发展进入到一个全新的阶段。网络总线技术对汽车电控系统的益处有很多：可以使汽车电子系统具有智能可扩充性；实现汽车电器点对点信息传递方式向数据传递方式的转变；有效实现汽车电器件的故障自我诊断和纠错功能；有效实现汽车电器及电控单元的数据共享；网络节点及功能软件的可扩容性，方便汽车功能提升和改进；实现汽车操纵及传动的电器化控制和传递。网络总线技术的使用还可大大提高汽车电器控制的安全性、可靠性，降低汽车电子电控系统的维护保养成本和故障率。网络总线起源于上世纪80年代，在近20多年的时间里出现了许多种类的网络总线，但经过时间的选择种类数量已经大量减少，现在剩下几种主流的网络总线，包括LIN、CAN、MOST、FlexRay等。按照性能由低到高，目前车用总线网络划分为三级，即A、B和C三级。A级网络主要用于传输速率、实时性、可靠性要求较低，一般通讯速率在1kbps10kbps，代表的有LIN总线网络。B级网络用于对数据传输速度要求较高的系统，代表的有CAN、J1850，通讯速率一般在10kbps250kbps之间，属于中速总线。C级网络用于高速、实时性、可靠性要求较高的系统，代表的有CAN、FlexRay、MOST、IBD-1394，通讯速率一般在500kbps以上，属于高速总线。CAN（Controller Area Network）总线是德国博世公司为解决现代汽车众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议。它可采用双绞线、同轴电缆或光纤作为通信介质，通信速率可达1Mbit/s，通信距离可达10km，通信节点数可达110个，具有很高的可靠性，在汽车测控领域得到了广泛应用。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。而本文引用到的C-MBUS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。1.2.3倒车雷达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。（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，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。1.3 设计的内容和目的设计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C-MBUS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（如冷藏车、集装箱车、垃圾车、食品车、载货车、公共汽车等）的倒车交通事故，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。2、 倒车雷达显示系统需求分析2.1 倒车雷达显示系统分析2.1.1超声波测距的基本原理超声波一般指频率在20KHz以上的机械波，具有穿透性强，衰减小，反射能力强等特点。工作时，超声波发射器不断发射出一系列连续脉冲，给测量逻辑电路提供一个短脉冲。最后由信号处理装置对接收的信号依据时间差进行处理，自动计算出车与障碍物之间的距离。超声波测距原理简单，成本低，制作方便，但其传输速度受天气影响较大，不能精确测距；另外，超声波能量与距离的平方成正比衰减，因此，距离越远，灵敏度越低，从而使超声波测距方式只适用于较短距离。一般超声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。超声波测距也时基于这种回音效应，发生器不断发射出40KHz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，有相位检测法、声波幅值检测法、渡越时间检测法三种。相位检测的精度高，但检测范围有限；声波幅值检测易受反射波的影响；渡越时间检测工作方式简单、直观，在硬件控制和软件设计容易实现。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。图2.1 超声波测量原理图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脉冲串，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，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，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=NT，则探测距离可由公式（2-2）表示： S=1/2(ct)=1/2(cNT) （2-2）由于超声波也是一种声波，其声速v与温度T有关。表2.1列出了几种不同温度下的声速。使用时，若温度变化不大，则可视声速基本不变；若测距精度要求很高，则应通过温度补偿法予以校正。 表2.1 声速与温度的关系温度/-30-20-100102030100声速/m/s313319325331338344349386一般情况下，利用v=331+0.60T进行温度补偿，以适应不同温度下的工作要求。表2.2给出补偿后声速与温度的关系。可以看出，0以下时声速值完全吻合；0以上最大误差不超过5。 表2.2 补偿后声速与温度的关系温度/-30-20-100102030100331+0.60T313319325331338344349386由上述分析可知，温度测量的精度不仅直接影响了速度的测量精度，而且也间接影响距离的测量精度，所以温度的测量很关键。综上所述，超声波测距的公式可用（2-3）表示：S=1/2(331+0.60T)t=1/2(331+0.60T)NT) （2-3）2.1.2系统总线的选取网络总线起源于上世纪80年代，目前主流的网络总线包括LIN、CAN、MOST、FlexRay等。LIN和CAN已经开始进入实际应用，多出现在中低端车型，而MOST和FlexRay主要应用于中高端车型。专家预测，未来5年内CAN总线技术的发展最为稳定，整体发展趋势是向高速率发展。在国外，目前汽车网络总线技术已经成为乘用车和商用车的标准配置。其中CAN网络技术应用相当普及，特别是在欧洲。近几年我国网络总线的研发应用能力迅速提高，但关键总线技术仍依赖国外供应商。在近几年电子领域的不断发展，有出现了较多的串行通信总线，比较常见的有RS485、M-BUS、C-MBUS三种。这三种串行通信总线的性能比较如表2.3。表2.3 RS485、M-BUS、C-MBUS的性能比较比较项目RS485（75LBC184）M-BUS（TI721）C-MBUS（CMT001）优势比较通讯距离(m)12001000不小于2000内部优化的输出控制能力，使芯片具有更远的通讯距离通讯电平差分电压下行12V电压上行电流环下行24V电压上行电流环提高下行电压有利于改善信号特性，提高负载驱动能力。总线最高电压5V24V35V允许接入更高的线路电压有利于更长线路的传输长距通讯速率120048004800实际上C-MBUS也可提供9600的通讯速度。接线方法四线（含电源）二线（可电）二线（可电）与M-BUS一样具备无极性二线通讯功能是否有性极性无极性无极性与M-BUS一样具备无极性供电讯功能布线方式串连任意分支任意分支与M-BUS一样具备任意分支功能，非常有利于现场的施工布线，优势非常明显。线缆要求屏蔽双绞线普通RV1.5双绞线普通RV1.5双绞线与M-BUS一样具备无极性双绞线布线，与485相比节约大量的线材费用，同样在布线中接线方便，无错接可能。结点供电能力否能，但功率小0.65mA能，功率大单个4mAMBUS与C-MBUS同样具备结点供电能力，但C-BUS可以提供更大的驱动能力，这对终端设备的设计提供的更广泛的选择空间，较大的供电能力可为系统提供更多功能。芯片静态电流损耗2.4mA0.8 mA0.15 mA这是一项非常重要的指标，在总线大量挂接终端器时，芯片静态电流越低就可在总线上挂接更多的终端设备，并可保证总线末端压降更小。负载能力128256400C-MBUS具备可驱动更多结点的能力。总线隔离装置无有，复杂有，简单在大量终端结点的应用中，隔离装置的应用对系统的稳定运行及可维护性非常重要。主站集中控制器简单复杂采用专用的CMT100芯片，结构极其简单由于C-MBUS设计了专用的主站控制芯片，使原本需要大量模数电路搭建的主站电路设计显得非常简单，并一致性好。电磁兼性差好好C-MBUS在设计中充分考虑了芯片的EMI、EMC指标，对下接的CPU等电路有较好的电磁保护作用。结点中断上传功能无有过去多年来，RS485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。通过上表可以看出，RS485在应用过程中存在以下问题。 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。 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。 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。 RS485方式不能给下接的设备供电，设备需要单独解决供电问题。 RS485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。 长距离通讯时RS485芯片容易损坏。 以RS485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。 由于RS485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和南京优倍电气有限公司C-MBUS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C-MBUS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C-MBUS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。目前南京优倍电气有限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C-MBUS总线通讯系统及其专用芯片CMT001、CMT100，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RS485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C-MBUS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C-MBUS总线通讯技术。因此本设计采用较为先进实用的C-MBUS总线。2.2 C-MBUS简介C-MBUS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，通讯速率高，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，并总线可提供高达500mA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，保证部分总线故障时其它部分正常通讯。以该芯片为核心构成的总线通讯系统可广泛应用于三表集抄、智能家庭控制网络、消防报警及联动网络、小区智能化控制网络、中央空调控制系统等。2.2.1概述C-MBUS是一种带供电功能的设备端串行双总线通信系统。通讯设备最多可负载400个节点。通讯速率最高可达9600 bps。传输距离可达2.4km。布线简单，可用普通的双绞线。通过光耦隔离使得其具有很好的抗干扰能力。并且可以通过总线可提供电源。CMT001是 C-MBUS总线设备端通讯专用集成电路，完成数字通讯的调制解调、总线极性识别、低功耗线性稳压功能。总线信号通过整流桥直接输入芯片，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。CMT100是C-MBUS总线控制端通讯专用集成电路，完成数字通讯的调制解调、总线控制、总线电源供给、总线故障检测功能。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15V30V电源（根据通讯距离，设备用电状况决定）。2.2.2总线的特点 高速稳定的通讯速率，在4.8kb/s 的通讯速率时可达到2.4Km的可靠通讯距离； 在4.8kb/s、2.4Km的可靠通讯距离时，可有多达400个接点的容量； 通过C-MBUS总线可向末端设备提供4mA工作电流； 允许串型、星型、交叉等任意接线分支的布线方式； 极低的静态功耗，低于180uA,典型值为150uA； 使用普通双绞线，无极性二线制安装接线； 通过隔离设备可保证在遭雷击时可靠工作； 恒流的电流环通讯方式，抗干扰性强； 具有设备自动登录等功能，可容纳多种设备，预留多种通讯协议，扩展方便； 通过总线可向从设备提供500mA电流； 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； 芯片成本低。3、 系统设计与硬件电路的实现3.1 系统总体方案设计3.1.1系统方案的选择倒车雷达系统在这几年有很大的发展，其测距方式主要有激光、超声波、红外、毫米波等一些测量方法。其主控芯片主要有单片机。现在主流方案有以下几种：方案一利用单片机作为主控CPU来产生驱动超声波传感器发射的控制信号、检测回波信号、测量超声波往返时间、计算汽车与障碍物之间的距离、显示测量距离以及产生语音报警信号。但这种方案对于大型车辆不利于信号的传输，而且驱动能力有限。所以在一些小型低价汽车比较常见。方案二是在方案一的基础上进化而来的，其原理同方案一一样。其优点就是对汽车资源进行了整合。将测量数据的显示同汽车本身自带的DVD/GPS LCD显示屏相结合并增加了语音提示。使得更利于驾驶员更容易对车后情况的掌握。但同样存在方案一的不足之处。方案三是利用总线系统。在完成倒车雷达的所有功能的条件下对汽车电气化网络提供了雏形。这一方案很好的将汽车各资源进行了系统化。并对汽车的后期拓展提供了条件。很好的解决了信号传输的问题。而本设计采用的方案是对以上方案的择优整合。本系统采用最新的倒车雷达专用芯片，大大的提高了倒车雷达测距的精确度。同时采用当前用于总线通信的新型总线系统C-MBUS总线。此总线采用光耦隔离有效的减少了系统误差。同时此总线的有效传输距离可达2.4km，可负载400个电子设备节点。并可以对设备进行供电。同时加了语音提示和报警。3.1.2系统方案总述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：C-MBUS总线雷达模块雷达模块蜂鸣器语音模块LCD模块通信接口通信接口串口扩展CPU-1CPU-2其它电子设备1其它电子设备2下位机上位机图3.1系统总体架构框图其中，雷达模块指的是图3.1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。3.2 基于GM3101倒车雷达模块3.2.1 GM3101芯片概述GM3101 是专用于倒车雷达的超声波测距芯片，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 GM3101工作特征及封装（1） 工作特征 电源电压：5V； 四路超声波探头接口，探头发送驱动信号 5V/2mA； 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； 检测结果输出周期 80ms； 具备自动增益控制，实现分级放大； 具有防声波衍射误报处理，提高报警信号的准确性； 具有环境适应功能，提高报警功能的实用性； 具有智能识别功能，可以忽略小物体，防止误报警； 报警信号输出采用双线差分方式，提高抗干扰性； 带防扒车报警功能； 工作环境温度：-40+85。（2） 引脚功能及封装 引脚功能该芯片的各引脚功能描述见表3.1： 表3.1 芯片引脚功能说明引脚号引脚名方向说明1F5Out滤波器的输出；2F4In滤波器的输入；3F3Out第一级放大电路输出；4COM2In第二级放大电路的共模信号；5AVCCIn模拟电源；6F9COMOutF9端的共模输入；7COM3Out余振信号释放端口；8F2In第一级放大电路输入；9COM1In第一级放大电路的共模信号；10AGNDIn模拟地；11F1Out四选一开关输出；12IN4In探头4信号输入引脚；13IN3In探头3信号输入引脚；14IN2In探头2信号输入引脚；15IN1In探头1信号输入引脚；16OUT4Out探头4驱动信号输出引脚；17OUT3Out探头3驱动信号输出引脚；18OUT2Out探头2驱动信号输出引脚；19OUT1Out探头1驱动信号输出引脚；20CONTROL_SEL1In余振屏蔽控制信号高位；内部自带下拉电阻；21CONTROL_SEL0In余振屏蔽控制信号低位；内部自带下拉电阻；22DMIn调节信号包络的屏蔽时间；内部自带上拉电阻；23DOUT+Out检测信号输出正端；24DOUT-Out检测信号输出负端；25MODEIn倒车雷达功能和防扒车功能选择端；当此引脚接电源时，芯片处于防扒车功能状态；当此引脚悬空或接地时，芯片处于倒车雷达功能状态；内部自带下拉电阻；26DVDDIn数字电源；27TM1In小信号忽略控制高位；内部自带下拉电阻；28TM0In小信号忽略控制低位；内部自带下拉电阻；29RESETNIn复位引脚，低电平复位；内部自带上拉电阻；30CLKOut时钟输出1MHz；测试用；31OSCOOut振荡器输出；产生8MHz系统时钟；32OSCIIn振荡器输入；33DGNDIn数字地；34NC悬空；35COUTOut比较器的输出；内部自带上拉电阻；测试用；36F9In比较器正端输入；37F8In比较器负端输入；38VAR4Out增益控制选择器4通道；39VAR3Out增益控制选择器3通道；40VAR2Out增益控制选择器2通道；41VAR1Out增益控制选择器1通道；42VARINIn增益控制选择器输入；43F7Out第二级放大电路输出；44F6In第二级放大电路输入； 封装GM3101 提供QFP44 的封装形式，引脚排布见图3.2所示：图3.2 GM3101的实物和引脚分布图3.2.3 GM3101芯片功能及应用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：图3.3 发送与接收的时序图（2） 探头余振处理因为考虑到使用的探头型号多样，余振时间也会有差别，设置了两个端口控制信号（CONTROL_SEL1，CONTROL_SEL0）来选择消除余振的时间。表3.2 端口控制信号与消除余振处理时间的关系：表3.2 端口控制信号与消除余振处理时间的关系表控制信号余振屏蔽时间T(ms)CONTROL_SEL1CONTROL_SEL0001.7011.8101.9112.0图3.4 发送信号与余振屏蔽时间关系表3.3 端口控制信号（DM）与停车标志信号所对应的障碍物位置关系控制信号（DM）位置（m）00.3010.32根据表3.3 可知，当DM 为低电平时，障碍物位置小于0.30m 时表示停车，当DM 为高电平时，障碍物位置小于0.32m 时表示停车。（3） 多种智能处理 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有有效反射波，有则进行处理，没有则转入下一探头的驱动。 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有有效反射波，有则进行处理，没有则转入下一探头的驱动。表3.4 控制信号（TM1，TM0）与小信号忽略门限及灵敏度关系TM1TM0小信号忽略门限灵敏度00低最高01中高10高中11最高低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。 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。GM3101能够针对这种情况进行识别和处理。 GM3101 当发现探头一和探头四任何一个探头在2560ms 内检测到的距离都比较恒定，或变化范围很小（ 小于20cm），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该探头的探测信息，只对其他探头的检测信息做出响应。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。（4） 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3.5 所示：表3.5 障碍物危险级别和障碍物距离的对应关系分段障碍物距离（米）障碍物危险级别11.23.15安全20.61.2警示30.30.6危险40.3停车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：DOUT+输出实际需要的信号，DOUT- 则输出与DOUT+相反的电平信号，例如DOUT+输出“1”，则DOUT-则输出“0”，DOUT+输出“0”，DOUT-则输出“1”，显示部分可以通过判断DOUT+和DOUT-信号幅度的差值来恢复出实际的DOUT+信号的值，用户也可以根据其具体的应用环境只使用DOUT+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4800bps。3.2.4 GM3101主要外围电路（1） 电源电路倒车雷达系统电源部分包括12VDC和5VDC两种电源。 12VDC电源12VDC电源由汽车上的电源提供，它给中周提供电源。中周电源范围为（815V）， 如果中周的电源过低，探头的灵敏度会下降。探测到障碍物的距离减小。考虑到汽车上电磁 干扰很强，需要对电源部分做特殊的处理。在电源的输入端加上扼流圈（电感量为2mH20mH）以防止汽车电源交流突变带来的干扰。12VDC 电源输入电路如图3.5 所示。图3.5 12VDC 电源输入电路图3.5中，X1接的是汽车上的电源，C32为滤波电容，L2为10mH的扼流圈，它们的作用都是为了抑制交流杂波进入12V电源，保证12V电源的纯净。当中周工作时，会对12V的电源产生干扰，从而影响到芯片的正常工作，为了避免这种干扰，如图3.6所示在每个中周的电源输入端加一个大电容（C9）将交流毛刺滤掉。图3.6 通道4中周和探头的电气连接图 5VDC 电源5VDC为GM3101的工作电压（GM3101可以正常工作在+4.5V +5.5V）。5V 电源由12V 电源经过RC 滤波和一个线性稳压器（如7805 或LM1117）变换产生。GM3101要求5V的模拟电源纹波小于100mV，所以要求在电源部分做适当的处理。可以采用LC -型滤波电路，如图3.7所示图3.7 5VDC电源输入电路图3.7中5V电源包括模拟电源（AVCC）和数字电源（DVDD），此电源供芯片工作，所以要求电源的交流纹波小。芯片内部电源分模拟电源（第5脚AVCC）和数字电源（第26脚DVDD），为了避免数字电源对模拟电源造成干扰，PCB 设计过程中，模拟电源最好远离数字电源。如图3.8所示。图3.8 5VDC电气走线示意图图3.8所示，12V 电源经过LM1117转换成5V电源后进行LC-型滤波，芯片的5脚为模拟电源输入端（AVCC），C3，C4电容尽量靠近5脚端口C3，C4 一个采用大电（10uF），滤低频交流，一个采用小电容（0.1uF），滤高频交流。同理，芯片的26脚为数字电源输入端（DVDD），C5、C6电容尽量靠近26脚端口。（2） 探头和中周探头和中周构成一个LC振荡电路，探头的主要参数为：谐振频率401kHz，工作电压为110V150V，静电容为200010%PF。中周的主要参数为：匝数比n1:n2 =1:12电感量为7.80.2mH。电气连接图参见图3.6中周和探头的连接图。在调试过程中如果在F3 端口发现信号通道噪声满摆，可能是探头和中周不匹配，通过调节中周的电感量可以实现匹配，中周的电感量典型值为7.8mH。中周的电感量和探头的静电容满足公式（3-1）：f=12LC （其中f=40kHz） （3-1）（3） 比较器在比较器电路的前面有一个峰值检测电路，这部分电路主要由外围元器件完成。峰值检测电路是对信号的峰值进行检测，将检测出来的峰值信号送到比较器电路里与基准电压进行比较。峰值检测电路原理图如图3.9所示。图3.9 峰值检测电路图除了余振屏蔽电路为芯片内部电路，其他所有的元器件全部外接。R2和R15提供一个直流偏置