倒車(chē)?yán)走_(dá)主控芯片GM3101的功能特性分析

隨著汽車(chē)普及率的逐年增加，消費(fèi)者在將汽車(chē)作為交通運(yùn)輸工具的同時(shí)，對(duì)汽車(chē)配置有了更多的要求，尤其是對(duì)安全性提出了更高的要求。對(duì)于很多司機(jī)尤其是新手來(lái)說(shuō)，倒車(chē)無(wú)疑是件非常頭痛的事，倒車(chē)?yán)走_(dá)正好可以幫司機(jī)解決這個(gè)難題，因此越來(lái)越多的商家看好這個(gè)市場(chǎng)。

從目前市場(chǎng)情況看，國(guó)內(nèi)倒車(chē)?yán)走_(dá)生產(chǎn)廠家都是使用單片機(jī)控制方案，缺乏單芯片方案，如果能用單芯片實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)功能，對(duì)倒車(chē)?yán)走_(dá)生產(chǎn)商來(lái)說(shuō)，不僅能降低開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)成本，對(duì)整機(jī)的可靠性也會(huì)有很大提高。目前成都國(guó)騰微電子有限公司推出了一款倒車(chē)?yán)走_(dá)主控芯片——GM3101，與傳統(tǒng)方案相比，它將信號(hào)處理電路和單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)都集成在芯片內(nèi)，用戶幾乎無(wú)需調(diào)試就可以推出整機(jī)方案，大大縮短了用戶的開(kāi)發(fā)周期和人力成本，也降低了倒車(chē)?yán)走_(dá)的技術(shù)門(mén)檻。

主控芯片GM3101的功能特性

倒車(chē)?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)精度為0.05米；報(bào)警輸出周期為150.4ms。4個(gè)探頭輪流采樣一次輸出一次報(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)、最近障礙物方位信號(hào)、最近障礙物距離信號(hào)及附加消息。與傳統(tǒng)的單片機(jī)方案相比較，其優(yōu)勢(shì)還在于：防聲波衍射誤報(bào)處理，提高報(bào)警信號(hào)的準(zhǔn)確性；環(huán)境適應(yīng)功能，提高報(bào)警功能的實(shí)用性；智能識(shí)別功能，可以忽略小物體，防止誤報(bào)警。GM3101的內(nèi)部框圖如圖1所示。

從圖1可以看出，該芯片集成了信號(hào)處理部分和測(cè)距運(yùn)算部分。當(dāng)芯片接通電源后，探頭驅(qū)動(dòng)引腳向超聲波探頭發(fā)送驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)超聲波探頭發(fā)出超聲波信號(hào)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)送完畢后，芯片等待信號(hào)返回。探頭接收到超聲波信號(hào)后，將信號(hào)送入芯片，進(jìn)行信號(hào)放大、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換處理，記錄信號(hào)發(fā)送和接收的時(shí)間差，根據(jù)此時(shí)間差計(jì)算障礙物距離，并輸出報(bào)警信號(hào)。超聲波探頭驅(qū)動(dòng)采用分時(shí)順序的驅(qū)動(dòng)方式，即依次對(duì)4個(gè)探頭輪流進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，一個(gè)探頭的工作周期內(nèi)要包括發(fā)送和接收兩種操作。4個(gè)探頭檢測(cè)完成構(gòu)成一個(gè)檢測(cè)周期。若前一探頭在本工作周期內(nèi)沒(méi)有接收到返回的超聲波信號(hào)，則芯片也轉(zhuǎn)入控制下一個(gè)探頭的工作。

余振處理及增益控制

1. 余振的處理

倒車(chē)?yán)走_(dá)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，余振的消除是一個(gè)讓人頭痛的問(wèn)題，由于目前倒車(chē)?yán)走_(dá)采用的探頭都是壓電陶瓷探頭，所以當(dāng)探頭對(duì)外發(fā)出16個(gè)超聲波的同時(shí)，其自身的反射也會(huì)產(chǎn)生一部分余振，余振的信號(hào)幅度由大到小變化。由于用戶使用的探頭不一致，余振時(shí)間也不相同，一般來(lái)說(shuō)，余振時(shí)間為1.5ms~2ms。由于余振出現(xiàn)在信道上，所以在余振時(shí)間內(nèi)所檢測(cè)到的信號(hào)都會(huì)被余振淹沒(méi)，在余振時(shí)間內(nèi)就檢測(cè)不出有用的信號(hào)，當(dāng)然也就無(wú)法測(cè)出相應(yīng)的距離。所以在倒車(chē)?yán)走_(dá)設(shè)計(jì)中提出了一個(gè)“盲區(qū)”的概念，也就是說(shuō)由于有探頭余振的存在，就造成了在0.3m以內(nèi)倒車(chē)?yán)走_(dá)的“盲區(qū)”。如果在設(shè)計(jì)中不消除余振，系統(tǒng)就會(huì)把余振當(dāng)作有用信號(hào)，輸出錯(cuò)誤的報(bào)警信號(hào)。GM3101在以下幾個(gè)方面對(duì)超聲波探頭的余振進(jìn)行了有效的處理。

圖1：GM3101內(nèi)部框圖

輸入端的箝位處理如圖2所示，虛線內(nèi)為芯片內(nèi)部電路圖。在IN1端接雙向箝位二極管，就可以將余振幅度箝位到±0.7V。如果不做箝位處理，在后級(jí)放大時(shí)會(huì)使得余振的時(shí)間變大。

圖2：輸入端箝位電路圖

第一級(jí)放大電路的余振處理如圖3所示，虛線內(nèi)為芯片內(nèi)部電路圖。

圖3：第一級(jí)放大電路原理圖

芯片內(nèi)部的兩個(gè)運(yùn)放和電阻構(gòu)成了一個(gè)放大電路，信號(hào)在經(jīng)過(guò)放大電路放大后，進(jìn)入余振處理電路，通過(guò)該電路將余振全部消除。圖4為消除余振后的信號(hào)波形，從圖中可以看出，在進(jìn)行了余振處理后，起始時(shí)間后的1.8ms內(nèi)余振全部消除，這樣就使得芯片能夠準(zhǔn)確地采集到超聲波發(fā)射回來(lái)的有用信號(hào)。 [page]

圖4：消除余振后的信號(hào)波形(在引腳F3上觀測(cè))

峰值檢測(cè)中的余振屏蔽信號(hào)在進(jìn)行放大、濾波后，進(jìn)入峰值檢測(cè)電路，目的是對(duì)信號(hào)的峰值進(jìn)行檢測(cè)，將檢測(cè)出來(lái)的峰值信號(hào)送到比較器電路里與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，完成模數(shù)轉(zhuǎn)換。

在第一級(jí)放大電路中對(duì)余振進(jìn)行了屏蔽，但考慮到用戶使用的探頭類型不一，余振時(shí)間差別較大，如果在第一級(jí)放大電路中對(duì)余振沒(méi)有完全消除，可以通過(guò)峰值檢測(cè)電路中的余振屏蔽電路對(duì)尚未消除的余振進(jìn)行處理。峰值檢測(cè)電路信號(hào)波形如圖5所示，峰值檢測(cè)電路進(jìn)行了余振屏蔽，起始時(shí)間開(kāi)始后的1.8ms以內(nèi)將輸出信號(hào)拉到低電平，完全屏蔽超聲波余振。芯片所檢測(cè)到的最近距離也就是實(shí)際物體的距離。

圖5：峰值檢測(cè)電路波形圖

2. 增益控制

超聲波回波信號(hào)有一個(gè)現(xiàn)象，即近距離物體發(fā)射回來(lái)的信號(hào)較強(qiáng)，遠(yuǎn)距離物體發(fā)射回來(lái)的信號(hào)較弱。如果要檢測(cè)遠(yuǎn)距離物體，就需要加大放大倍數(shù)，余振也會(huì)被相應(yīng)地放大，為以后屏蔽余振帶來(lái)困難。如何設(shè)置放大倍數(shù)兼顧遠(yuǎn)近距離，這就是電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，我們采用自動(dòng)增益選擇器來(lái)解決這一問(wèn)題。對(duì)遠(yuǎn)距離物體，放大倍數(shù)較大，對(duì)近距離物體，放大倍數(shù)較小。在設(shè)計(jì)第二級(jí)放大器時(shí)，根據(jù)物體距離的不同而采用四種不同的放大倍數(shù)。圖6為第二級(jí)放大電路原理圖。

圖6：第二級(jí)放大電路原理圖

圖6中，虛線內(nèi)的部分為芯片內(nèi)部電路。C18、R8、R9、R10、R11、R12為外接元器件，采用增益控制選擇器是為了設(shè)置四個(gè)不同的放大倍數(shù)。超聲波探頭工作時(shí)，為了保證在不同距離下，F(xiàn)7輸出信號(hào)的幅度大體相同，所以根據(jù)物體距離的不同而采用四種不同的放大倍數(shù)：在小于0.6m，放大倍數(shù)為R9/R8，典型值為3；在0.6m到1.2m之間，放大倍數(shù)為R10/R8，典型值為8.2；1.2m到1.8m之間，放大倍數(shù)為R11/R8，典型值為10；大于1.8m，放大倍數(shù)為R12/R8，典型值為12。

觀察在引腳F7處的近距離物體和遠(yuǎn)距離物體的信號(hào)波形圖，通過(guò)對(duì)比可以看出，由于采用了自動(dòng)增益選擇器，實(shí)現(xiàn)F7信號(hào)幅度基本相同，保證距離為3m的物體也能夠檢測(cè)到。

本文小結(jié)

通過(guò)上面的介紹，我們可以看出由于GM3101采用了余振屏蔽和自動(dòng)增益控制器，使得系統(tǒng)功能超過(guò)了傳統(tǒng)方案，其穩(wěn)定性也大大加強(qiáng)，同時(shí)避免了軟件控制中存在的不穩(wěn)定因素。對(duì)倒車(chē)?yán)走_(dá)生產(chǎn)商來(lái)說(shuō)，不僅能降低開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)成本，對(duì)整機(jī)的可靠性也有了很大提高。所以我們有理由相信用于倒車(chē)?yán)走_(dá)測(cè)距的單芯片方案會(huì)逐步替代傳統(tǒng)的單片機(jī)方案。