1 引言

　　隨著汽車普及率的逐年增加對(duì)于很多司機(jī)尤其是新手來說，倒車無疑是件非常頭痛的事，倒車?yán)走_(dá)正好可以幫司機(jī)解決這個(gè)難題，從目前市場(chǎng)情況看，國(guó)內(nèi)倒車?yán)走_(dá)生產(chǎn)廠家都是使用單片機(jī)配合外圍運(yùn)放、鎖相環(huán)電路完成超聲波測(cè)距并提供報(bào)警的工作，缺乏單芯片方案，而使用單片機(jī)方案要求生產(chǎn)廠家必須具備開發(fā)軟硬件的能力，而且利用軟件控制存在不穩(wěn)定的因素。

　　系統(tǒng)單芯片是將電腦的一部分，或是加上部份的電路， 放入一顆芯片內(nèi)。 這顆芯片會(huì)包含數(shù)位電路，類比電路， 混合訊號(hào) 及射頻電路在內(nèi)。包含在其中的應(yīng)用程式通常會(huì)稱為嵌入式系統(tǒng)。是由一個(gè)或是多個(gè)微控制器， 微處理器或是DSP 內(nèi)存部份會(huì)包含只讀內(nèi)存， 隨機(jī)存取內(nèi)存， EEPROM和快閃存儲(chǔ)器 振蕩器及phase-locked loop提供系統(tǒng)所需時(shí)脈來源。 其他周邊還有計(jì)數(shù)器counter-timer, RTC或是Watchdog Timer 額外的界面包含了許多工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，像是USB, FireWire, Ethernet, USART等等。 類比界面包含了類比-數(shù)位轉(zhuǎn)換器及數(shù)位-類比轉(zhuǎn)換器 電壓調(diào)整電路及電源管理 這些設(shè)備會(huì)用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線， 像是ARM公司的AMBA/AHB. DMA控制器，讓資料直接從設(shè)備直接傳送到動(dòng)態(tài)內(nèi)存，而不需要經(jīng)過處理器， 這樣一來，可以增加SoC處理資料的速度。

　　2 系統(tǒng)概述

　　2.1 系統(tǒng)框圖

　　圖1 芯片管腳圖示

　　圖2 系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

　　2.2 功能概述

　　系統(tǒng)提供4個(gè)超聲波探頭接口，接收到反射回來的信號(hào)后，根據(jù)發(fā)送和接收的時(shí)間差判斷障礙物距離的危險(xiǎn)等級(jí)，輸出相應(yīng)報(bào)警信號(hào)。它提示用戶系統(tǒng)發(fā)生了錯(cuò)誤，或出現(xiàn)了影響程序正常執(zhí)行的緊急情況。報(bào)警信號(hào)編碼后采用雙線差分方式輸出，輸出信號(hào)的內(nèi)容包括：各探頭檢測(cè)到的障礙物距離的危險(xiǎn)等級(jí)、近障礙物的方位、近障礙物的距離值和附加消息。

　　2.3 接口協(xié)議

　　報(bào)警信號(hào)是由計(jì)算機(jī)顯示裝置、音響裝置或指示燈等發(fā)出的信號(hào)。 采用雙線差分串行輸出的方式，目的是提高傳輸信號(hào)在長(zhǎng)距離和強(qiáng)干擾環(huán)境下的傳輸正確性。雙線差分傳輸具體格式是：ALOUTP輸出實(shí)際需要的信號(hào)，ALOUTN 則輸出與ALOUTP相反的電平信號(hào)。

　　2.3.1 倒車模式

　　報(bào)警信號(hào)以數(shù)據(jù)包格式輸出，每個(gè)數(shù)據(jù)包包括3個(gè)字節(jié)，格式和內(nèi)容如下所述：

　　個(gè)字節(jié)：字節(jié)高四位為起始標(biāo)志，用于說明此報(bào)警數(shù)據(jù)是倒車模式下的數(shù)據(jù)還是扒車模式下的數(shù)據(jù)，倒車模式是“0101”，扒車模式是“1010”。倒車模式下數(shù)據(jù)格式如圖3所示，字節(jié)的低2兩位用于輸出附加消息，輸出數(shù)據(jù)指示1或4探頭是否進(jìn)入環(huán)境適應(yīng)模式，S1表示探頭1是否進(jìn)入環(huán)境適應(yīng)模式，“1”表示進(jìn)入環(huán)境適應(yīng)模式，“0”表示正常倒車模式；S4表示探頭2是否進(jìn)入環(huán)境適應(yīng)模式，“1”表示進(jìn)入環(huán)境適應(yīng)模式，“0”表示正常倒車模式。00表示是探頭1方向，01表示是探頭2方向，10表示是探頭3方向，11表示是探頭4方向。

　　圖3 字節(jié)數(shù)據(jù)格式

　　第二個(gè)字節(jié)：如圖4所示，危險(xiǎn)等級(jí)分為安全、警告、危險(xiǎn)、停車4級(jí)，分別用00、01、10、11表示。

　　圖4 第二字節(jié)數(shù)據(jù)格式

　　第三字節(jié)：第三字節(jié)輸出近障礙物的距離值，數(shù)據(jù)格式如圖5所示，按BCD編碼，值為3；DB0~DB3表示近障礙物距離的第二位數(shù)據(jù)，按BCD編碼，值為9；DC0表示第三位數(shù)據(jù)，0表示0，1表示5。

　　圖5 第三字節(jié)數(shù)據(jù)格式

　　2.3.2 防扒車模式

　　防扒車模式下，輸出的數(shù)據(jù)包也包括3個(gè)字節(jié)，后兩個(gè)字節(jié)無效，固定為‘0x00’。該數(shù)據(jù)包字節(jié)的數(shù)據(jù)格式如圖6所示，高四位為起始標(biāo)志，低四位指示方位，SX位為1則表示X號(hào)探頭檢測(cè)到近距離障礙物，SX為0則表示沒有檢測(cè)到近距離障礙物。

　　圖6 防扒車模式報(bào)警數(shù)據(jù)格式

　　3 智能化原理

　　3.1 防聲波衍射處理

　　由于聲波傳輸?shù)奶匦?，聲波?huì)出現(xiàn)未經(jīng)實(shí)際物體反射就直接回到探頭被檢測(cè)到，造成處理器認(rèn)為是實(shí)際發(fā)射接收到的信號(hào)，但聲波衍射的干擾強(qiáng)度很難達(dá)到實(shí)際物體有效反射的超聲波強(qiáng)度，硬件一旦判定收到的超聲波信號(hào)是聲波衍射返回的信號(hào)，芯片繼續(xù)等待在固定時(shí)間△T內(nèi)是否有有效反射波。

　　3.2 智能識(shí)別處理

　　由于地面上的小物體都會(huì)造成超聲波的反射，并讓探頭檢測(cè)到。而這些物體并不影響車輛的倒車操作，所以硬件要對(duì)這種情況進(jìn)行處理，提高報(bào)警的準(zhǔn)確性。

　　確定多大的物體不會(huì)影響倒車的操作，就可以明確地測(cè)量該物體在不同距離上的超聲波發(fā)生的幅度和轉(zhuǎn)換后的電平大小，處理器可根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試出來的結(jié)果在模擬或數(shù)字部分進(jìn)行處理，與防聲波衍射處理一樣，硬件忽略掉無效反射波后要繼續(xù)等待在固定時(shí)間△T內(nèi)是否有有效反射波。

　　3.3 環(huán)境適應(yīng)處理

　　車輛在倒車進(jìn)入一個(gè)巷道或兩邊已經(jīng)停靠了其它車輛的停車場(chǎng)的車位時(shí)都會(huì)存在環(huán)境影響造成的誤報(bào)警。因?yàn)樵谶@種情況下，絕大部分倒車的過程中，近的檢測(cè)距離和方位都在車身的兩邊，駕駛員可以通過兩邊的反光鏡掌握兩邊的車距，所以處理器在這種環(huán)境下應(yīng)該能識(shí)別并適應(yīng)。

　　解決辦法是對(duì)車身兩邊的物體發(fā)射的距離做記錄和統(tǒng)計(jì)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)探頭一和探頭四，或者其中的一個(gè)在6個(gè)報(bào)警周期內(nèi)檢測(cè)到的距離都比較恒定，或變化范圍很小，則認(rèn)為處于上述環(huán)境中。于是，處理器在送出相應(yīng)的消息后就不再輸出相應(yīng)探頭的探測(cè)信息，如果探頭一和探頭四的檢測(cè)距離變化范圍超過設(shè)定值，則馬上回到正常檢測(cè)的狀態(tài)機(jī)模式，兩側(cè)或某一邊的距離再次恒定后又轉(zhuǎn)到環(huán)境適應(yīng)模式下。同時(shí)，環(huán)境適應(yīng)模式也有一個(gè)極限設(shè)定值。

　　3.4 防地面固定聲波反射處理

　　由于各種車輛的底盤和后保險(xiǎn)杠的高度及斜度不一樣，再加上各倒車?yán)走_(dá)廠家所采用的探頭種類不一樣，存在超聲波發(fā)射到地面后的固定反射情況，處理器必須適應(yīng)并識(shí)別出是一個(gè)固定距離的干擾。

　　處理方法是：每次開機(jī)運(yùn)行后，檢測(cè)到四個(gè)探頭在6個(gè)報(bào)警周期內(nèi)收到的障礙物距離值都是一致且恒定的，則將此距離當(dāng)成是地面反射干擾，以后不再響應(yīng)處理，而是在設(shè)定的周期時(shí)間內(nèi)等待其它有效的超聲波發(fā)射信號(hào)。

　　4 硬件實(shí)現(xiàn)

　　4.1 代碼實(shí)現(xiàn)

　　//+FHDR===============================================================

　　// Copyright 2005,UESTC,All rights reserved.

　　// File Name : alarm_deal.v

　　// Author　　:Yangbing

　　// Release History

　　// Version　　　Date　　　　　　Author 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 電路結(jié)構(gòu)

　　本系統(tǒng)采用0.5u mix signal 工藝，成功完成綜合驗(yàn)證，版圖設(shè)計(jì)工作。綜合電路結(jié)構(gòu)如圖7：

　　圖7 電路結(jié)構(gòu)

　　圖8 版圖結(jié)構(gòu)

　　4.3 版圖設(shè)計(jì)

　　版圖設(shè)計(jì)采用0.5u mix signal 工藝，版圖結(jié)構(gòu)如圖8所示。

　　5 應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　圖9 典型應(yīng)用

　　GM3101 是專用于倒車?yán)走_(dá)的超聲波測(cè)距芯片，該芯片提供4 路超聲波探頭的驅(qū)動(dòng)，并根據(jù)超聲波特性和倒車?yán)走_(dá)的使用環(huán)境進(jìn)行了一系列智能化處理，在保證超聲波測(cè)距性的基礎(chǔ)上，更加強(qiáng)了報(bào)警功能的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。測(cè)試結(jié)果編碼后采用雙線差分方式輸出，提高了信號(hào)傳輸?shù)目垢蓴_性。

　　此典型應(yīng)用系統(tǒng)（圖9）的：就是以倒車?yán)走_(dá)主控芯片GM3101為的數(shù)據(jù)處理部分和以單片機(jī)為的數(shù)據(jù)顯示部分組成。經(jīng)測(cè)試完全達(dá)到了市場(chǎng)上高端產(chǎn)品的要求，相比較市場(chǎng)上其他倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

　?。?）抗干擾性和可靠性

　　ASIC（Application Specific Integrated Circuits，專用集成電路），是指應(yīng)特定用戶要求或特定電子系統(tǒng)的需要而設(shè)計(jì)、制造的集成電路。 ASIC作為集成電路（IC）技術(shù)與特定用戶的整機(jī)或系統(tǒng)技術(shù)緊密結(jié)合的產(chǎn)物。

　　傳統(tǒng)的倒車?yán)走_(dá)使用的是基于RAM和ROM結(jié)構(gòu)的單片機(jī)，所以在抗電磁干擾性和穩(wěn)定上無法和純硬件的ASIC芯片相比較，GM系列倒車?yán)走_(dá)專用芯片工作可靠穩(wěn)定。

　?。?）設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)簡(jiǎn)便

　　傳統(tǒng)的倒車?yán)走_(dá)設(shè)計(jì)復(fù)雜，器件繁多，出現(xiàn)故障的可能性也更大，且需要編程，分離元件性能差異大，整體指標(biāo)不容易統(tǒng)一。而GM系列倒車?yán)走_(dá)產(chǎn)品設(shè)計(jì)應(yīng)用非常簡(jiǎn)單，只需要外接探頭和少量的電阻電容即可工作，同時(shí)顯著減少主機(jī)的面積和尺寸。

　?。?）汽車級(jí)的工作指標(biāo)

　　GM系列倒車?yán)走_(dá)產(chǎn)品是全汽車級(jí)工作環(huán)境指標(biāo)設(shè)計(jì)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于民用等級(jí)的單片機(jī)，完全滿足和適應(yīng)汽車內(nèi)的工作條件。

　?。?）數(shù)據(jù)通訊的可靠性

　　GM3101與其配套的顯示部分之間采用差分通訊方式，具有極強(qiáng)的抗干擾性和可靠性，是單片機(jī)無法實(shí)現(xiàn)的。倒車?yán)走_(dá)主控芯片GM3101的主要性能參數(shù)為：工作溫度為-40℃~+85℃；電源電壓為5V；檢測(cè)范圍為0.3~3.95米，檢測(cè)為0.05米；報(bào)警輸出周期為150.4ms。4個(gè)探頭輪流采樣輸出報(bào)警數(shù)據(jù)，它采用雙線差分方式輸出報(bào)警信號(hào)。報(bào)警信號(hào)包括：各探頭檢測(cè)到的障礙物距離危險(xiǎn)等級(jí)信號(hào)、近障礙物方位信號(hào)、近障礙物距離信號(hào)及附加消息。

　?。?）防止聲波衍射干擾

　　傳統(tǒng)的倒車?yán)走_(dá)由于單片機(jī)的處理能力，很難處理聲波衍射對(duì)檢測(cè)的干擾，GM系列倒車?yán)走_(dá)產(chǎn)品能完全的濾除聲波衍射的干擾。

　　（6）智能識(shí)別功能

　　由于任何物體都會(huì)對(duì)聲波進(jìn)行反射，所以倒車?yán)走_(dá)能檢測(cè)到物體的距離。很多過小的物體都會(huì)讓倒車?yán)走_(dá)認(rèn)為是障礙物而報(bào)警，所以GM3101芯片能智能的識(shí)別物體的物質(zhì)屬性和大小，然后再進(jìn)行報(bào)警處理。

　　（7）防止固定地面反射干擾

　　GM3101是專門用于倒車?yán)走_(dá)的超聲波測(cè)距芯片，該芯片提供4路超聲波探頭的驅(qū)動(dòng)，并根據(jù)超聲波特性和倒車?yán)走_(dá)的使用環(huán)境進(jìn)行了一系列智能化處理，在保證超聲波測(cè)距性的基礎(chǔ)上，更加強(qiáng)了報(bào)警功能的準(zhǔn)確性和實(shí)用性，測(cè)試結(jié)果編碼后采用雙線差方式輸出，提高了信號(hào)傳輸?shù)目垢蓴_性。

　?。?） 環(huán)境智能適應(yīng)

　　由于車輛的兩邊距離在比較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)都小于車后的距離，所以普通的倒車?yán)走_(dá)只能響應(yīng)近距離的檢測(cè)，GM3101能智能的判斷停車區(qū)域的情況，讓倒車?yán)走_(dá)集中重點(diǎn)的處理駕駛者更關(guān)心的車后情況，而且又不會(huì)忽略兩邊的檢測(cè)。

　　6 總結(jié)

　　通過電子倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的詳細(xì)分析和設(shè)計(jì)，成功實(shí)現(xiàn)了聲波衍射的干擾，環(huán)境自適應(yīng)，智能化識(shí)別處理，以及對(duì)應(yīng)于不同應(yīng)用情況的報(bào)警輸出選擇。該系統(tǒng)能有效地防止軟件控制存在不穩(wěn)定的因素，不僅能降低倒車?yán)走_(dá)生產(chǎn)的開發(fā)和生產(chǎn)成本，對(duì)整機(jī)的可靠性也有了很大提高。