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基于超声波时差测距法的倒车雷达设计


设计应 用

Design&Applica悄ons

基于超声波时差测距法的倒车雷达设计
Design of Car ReVersing Aid SyStem BaSed on UItrasonlc DiStance Measurement Using Time Di仃erence
●山东省科学院自动化研究所刘学军王知学庄汝科张云

弓l言
倒车雷达是用来探测车身周嘲 的障碍物井显示其距离,以帮助驾 驶员安全倒车或泊车的辅助电了设 施【1】,在中高档汽车上的应用已逐 渐普及,但多为无源探头倒车雷达。 目前高性能的倒车雷达大都采用有 源探头,接收的回波信号在探头内 部放火整理后输出,发射信号也在 探头内部耦合驱动传感器,其抗干 扰性更强,探头的互换性、一致性也 更高。本文给出一种有源倒车雷达 设计方案,使用超声波传感器,利用 时差法来确定传感器和反射物之问 的距离,在驾驶员选择倒车挡时,向 驾驶员提供监视范围内是否存在障 碍物的指示。

离140厘米.是小测量距离40厘本。
(3)测量原理:采用乜行时间测

工作过程中不会进行故障白测。如
果没有探头故障,则自测时间1;超

量原理。激活的探头将创建超声波 区域,在接收到探测区域内对象所 反射的能量后,测量出车辆与该对 象之间的距离。 (4)距离显示:通过段式液晶屏 屁示测量距离。在MCu处理以后, 距离数值应传送到显示屏进行显示 并打开相应的声音报警。如果超过 测量范围,显示继续,声音报警关 闭。一旦进入有救范围,则自动打 开声音报警功能。
(5)警告级别:使用j级警告级

过100毫秒。为保证实时性,探测到 障碍物到传送显示数值的时间不应 超过600毫秒。 (7)系统启动后进行自测,检查 传感器是否故障。 (8)扣到倒车档时,如果倒车速 度不大于O 5米/秒,系统将从静止 模式转变为启动模式,对刷围的障 碍物进行测量。同时有手动开肩开 关,驾驶员町以使用开关打丌和关 闭此系统。

别,通过缓急不同的报警信号进行 表示。 (6)上电以后,系统进}j:自测,

功链框图
系统包括4个超声探头、1个主 机和1个报警显示装置。为了提高

设计要求
倒车雷达常川的超声波传感器 亢径为14毫米,工作频率40KHz,驱 动电压最高为140vp_p,其他的参数, 如声压、阻抗、余震时问等参数请参 看所川产晶的说明书。根据lS0仃386 标准,土要的设计要求有:
(1)额定电压一DC 12 V,工作电

流-500mAMA×工作温度一30~+80℃。 2)测量范围:最大有效测量距 睁圉1系统功能框图

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设计应用
运算放大器采用美国国家半导 休公司的TL074,这是一种很常见的 运放,使用比较简单。为JFET输入, 阻抗极高,不必考虑输入端的阻抗 平衡。另外它的噪声较小,工作带

’'匿2接收放大 电路之一

宽较人[2】。电路采用单电源供电, 第一级前的输入电阻罔中未画出, 在后面的接口电路中可以找到。Cal 跨接到运放的1、2脚两端,町咀部分 地滤除高频信号,放大倍数的太小 可以由Rb动态调节。 信日在经过以上两级放大厉, 在示波器卜已经可以隐约地看出接 收的波形。但还是太小,后续电路 不能使用,必须再次放大。但此刚, 输入干扰信号也已经被放大了很

”r嘲3接收亩宣大
电路之二

多,加上运放的噪声,如果第三级运 放不能有效地滤除它们的话,放大 后的信号效果会非常差,几乎不能 使用。为此,第三级运放采用了带 通放人电路,如图3所示。 第三级是典型的多反馈带通放 大电路。它的Q值、放大倍数A和 中心频率f均口J调。中心频率可以 通过调节Rc进行调整,而且Rc的变

性能,采用有泺探头。接收的信号 在探头内部进行放人后输出;同样, 发射信号也在探头内耦合以驱动传 感器。 作为典型的传感器处理应川设 计,本电路的设计难点还是围绕在 传感器部分:一是接收信号的放人;
二是发射电路的驱动匹配。

果要服务于后续电路,必须要进行 放大。本电路使用了三级放大,前 两级为普通反相放大电路,第三级 为带通放大电路,理论放人倍数约 为2D~30万倍。前两级的放大电路 如图2所示:

化不会影响到0倩和带宽[3]。将中 心频率设定为40kHz,可以有效地滤 除人部分干扰波形,输出清晰的回 波放大信号。从示波器上观察,其 背景噪声信号府该不超过200mv。 绎过三级放大后的回波信号,

撩弹碹躇旋升
接收放大电路 在接收到反射的超声波后,传 感器会产生压电共振,输出振幅微 小的正弦波。超声传感器能对只 有一70分贝的【巳I波产生感应,卢压足 如此之小,所以感应产生的电压也 只有微伏级, 般的测量工具是看 ”圈4比较整形电路 不出来的。这么小的电压信号,如

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上面的电路可以很好地完成对 回波整形加工的任务,并使整个电 路的抗干扰性大大增强。通过Rx_ CON的开关,可咀很容易地控制回 波信号的进入。这对收发同体的超 声传感电路来说是十分必要的,它 可以有效地滤除发射信号和余振信 号对整体电路的干扰。通过调整 RL3的大小,可以隔离那些不能被 滤除的背景噪声信号。第一缴比较 之后的输出信号还是一簇40kHz、幅 值较小的脉冲波,它们通过二极管 对CL2进行充电,利用CL2电平引
?}图5接收选通电路

发第二级比较器输出。个数字脉冲 信号。l面电路的另一个优点是, 如果进入比较器的是问或的一两个 干扰脉冲,如果它没有充足的电量 使CL2的电压升高到足够值,第二 级比较电路便不会有输出,在硬件 上提高了抗十扰能力。

¨图6发射驱动电路 根据距离的不同幅值也相应变化。 如果想通过级联第四级运来增加测 量距离的想法是不太现实的,因为 级数太多,运放很容易处于自激状 态而变成一个振荡电路。不可限制 地增大其中某一级的放大倍数也是 不可取的,在增益带宽积限定的情 况下,必须折衷取舍增益和带宽的 大小。况目放大倍数太大,失调电 压和噪声、温漂等都将变得不可控. 严重影响电路的正常工作。如果想 使运放较为理想的工作,采用负反 馈放大的时候,其放大倍数尽量不 要太大。

整形电路 放大后回波信号幅值不定,要 被单片机读取使用,需要通过比较 器整形为数字信号。如果单片机本 身带有比较器功能,信号可以直接 接入,如果没有这项功能,则必须步} 接模拟比较器。由于PlCl8F2480本 身不带有比较器,本设计选用了 LM2903对放大信号进行整形。 模拟整形电路的主要工作是将 幅值不定的一簇正弦波整理为一个 有明确上升沿的脉冲信号,以供单 片机中断使用。利用LM2903的整 形电路如图4所示:
,}圈7主程序1市程囤

L…一…。。。。。.
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设计应用
置位标志位。发射时的驱动脉冲通

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10 0 2

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2—22
3—23


25

过单片机引脚输出产生,为了防止
。;

干扰,使发射频率准确无误,发射时 应关闭中断。也可以使用硬件产生 发射脉冲。l 如果需要利用P JC单片机的CAN 通讯功能,将倒车雷达连入车身CAN 网络中,硬件上只需要联入CAN收 发器,软件上则需要补允大量的设 计工作。为了使软件的工作流程更 加直观清晰,下面以时间轴方式列 出在Debugger模式F各函数运行情 犹。这里使用了8M的晶振.T0设 为16位定时方式,4分频,初值为O, 用丁控制工作循环:T1设为16位定 时方式,未分频,初值为O×60,用于 定时测量时间。 图8是测试程序在Debugger模 式下备任务占Hj时问的明细,目的 是直观地,解在哪个阶段时间比 较宽裕,町以安排别的工作,比如通 讯(这里假设通讯是异步的,位于从 属地位;如果通讯是周期性的,周期 时间又比较短的话,就应该充分考 虑各任务的优先级并合理安排时 间)。由于前后台编程模式的局限 性,每个任务发生的时刻并不能严 格确定,这里只大约计算到了毫秒。 其中一10到O的区间是初始化时间 (这是没有故障的正常初始化时间,

¨图8测试程序各任务占用时间 通道选择电路 因为系统使用了网路探头,所 咀无论接收或发射,都将有4路信 号进出。为了将它们分开,本电路 选用了通道开父芯片CD4051。接收 刮分的电路如剧5所示。 发射驱动电路 发射驱动电路的主要功能是产 生足够的功率来利用40kHz的脉冲 波驱动超声传感器发射超卢信号。 如果想要测量的距离足够远,除了 探头的性能外,发射功率是否足够 至关鼋要。本电路中采用中周变压 器耦合放大来驱动超声传感器,设 计电路如图6所示。 其中,01和Q2组成达林顿管用 来为中周变压器提供驱动电流,通 过TX进行控制。c丁1在发射时为中 周的初级线圈提供所需的瞬间大电 流。在发射的时候,中周变压器的 次级线圈提供的电压峰峰值可以达 到100V咀上。因为超声传感器是收 发同体的,所以在发射的时候,发射 信号也会毫无阻碍地到达第一级运 放进行放大。为了保护运放,有必 要设置过渡电路,过渡电路的主要 功能是在发射时,限制运放端的信 号幅值在安全范围以内,同时又不 能影响接收信号的传输。通过D11 和D12,可以将运放端的信号控制在
700mV左右。

软件设计
倒车雷达的功能较为单一.任 务不多,所以使用前后台上作方式, 主程序流挫如图7所示。 系统初始化过程中要仔细设置
P JCl8F2480

J/o几的输人输出控制

位,以及A L_】的模数复用脚控制位, 否烈不能精确工作。存功能实现方 面,要注意的主要问题有: (1)发射后,超声传感器会有 2mS左右的余震时间,这段时间要 关闭接收。 (2)如果4个探头同时工作,要 选择测量距离最短的数值进行显示。 在技术实现上,充分利用了T0 和T1两个定时器。TO设置为16位 定时方式,以它的溢出为标志开始 一个发射测量循环。T1定时器用于 确定发射和接收之间的时间差,如 果T1溢出,则表示没有检测到障碍 物,置相应标志位。如果车后有障 碍物,则接收到的信号会引发lNTo 中断。lNTO中断会停止T1计时,并

制图9工作时的
放大回波

及中断波


在力¨上电源处理、温度检测电 路和显示报警电路后,倒车雷达硬 件电路设计基本完成了。要强调的 是.模拟部分的电源一定要足够平 滑稳定,以免影响电路正常工作。

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如果有探头故障,因为要提供声音 提不,所以占用的时间将根据故障 探头的数目多少达到几秒或是十几 秒),O到131mS的区间是循环程序 时间。在每个循环的,f:始,都要发 射一组脉冲,并在循环时间内结束 测量。发射时间约为100uS,这期问 各中断是关闭的;接下来的2mS是 余震时间,外部中断要关闭,别的中
断,如有需要,可以开启。2mS以后

数组。最后的距离显示并不是每个 循环都有的,而是4个循环发生一 次(这里是假设4个探头均上作存 自发自收状态,如果需要使探头相 互收发进行交叉测量,那么循环数 根据实际次数重新确定)。

电压比例常数为2V;通道2测量单
片机的INT引脚,电压比例常数为 5v:时基为2mS。

,{、芷
由网9可以看出,传感器发射 时的余震信号超过了2mS,这样在 自收发测距的情况F,最小的测距 范围限制在了40cm左右(小于40cm 的距离测量可以通过发射和接收使 用不同探头的方法来进行,通过三 角换算得出距离,以减小余震的影 响,只是精度会差些)。这是由 于中周性能不良造成的,有荷于进 一步完善。另外,一些超卢波探测 的传统处理难点仍不尽如人意,如 扫地渡的滤除仍然要部分地借助外 壳或安装;斜坡或石子路面的回波

漉试
设计完成的电路系统可以很好 地完成所要求的测距功能,加上液 品显示和蜂鸣报警后,便可以作为 后装产品安装到汽车上。如果再力¨ 上CAN驱动器芯片,并设计好通讯 部分的软什协议,也可以作为一个 节点联入车身CAN网络中。 图g是利用一个探头工作在自 发自收时的测距情形,障碍物为距 离150cm左右的A4纸张。不波器 通道1用于测量运放输出的波形,

开启接收中断,根据障碍物距离的 远近,接收占用的州间也不同,如果 没有障碍物反射回波引发中断,那
么T1最终会溢出,耗时约为2DmS。

如果接收到了回波并引发中断的 话,中断程序将会停止T1计时并读 取数值,同时置位接收标志位。主 循环检测到接收有效位后,会调用 距离计算函数计算出距离并保存剑

f扰『uj题仍难以辨别等等。圆

罗门哈斯扩展高级化学机械研磨
VISIONPAD系列
罗门哈斯电子材料公司CMP技术事业部近口宣 布其V吲onPad研磨垫系列又增添了两款新品。这两 款产品可提供低生产缺陷率、极高的研磨能力和更 长的使刚寿命。
新推出的Vlslonpad 3200及VlsionPod 3500专

缺陷率水平。此外,它还适用于钨研磨披钢清洗作 业。两款产品的使用寿命与传统硬研磨垫相当,方 便用户在各种研磨机甲台上均衡使刖.减少因研磨 挚更换或条件限制而导致的停工时间。与传统的软 研磨垫不同,两款产品的性能及配置可调。用JJ可 重新配置这两款研磨垫的表面特陛以获得长期稳定 的最佳研磨效果。 “这些新产品代表若我们在研磨垫制造领域主要 而及时的发展动向,”岁门哈斯电子材料公司CMP技 术事业部副总裁CothleM口rkhom表示。“目前,我们 的客户正在向更高的制造T岂和节点迁移。相应地, 我们也在开发和推出特别设计的新品,以满足客户 Fj益变化的研磨需求。” 罗门哈斯在VIslonPad产品的生产过程中应用了 SPc/SOC系统,以确保该系列产品的高质量和稳定性

为需要使用高级金属加工工艺的半导体制造商设 计。这两款研磨鹅应用独特的化学研磨技术,可最 大程度地减!扭品圆上的划痕、振纹及其他缺陷,从 而提高晶粒产量。罗门哈斯在制造这两种新型研磨 垫时采用了已获专利的聚氨酯配方,使其表面比传 统硬研磨垫更软,可有效降低缺陷率,同时又具有 必要的硬度,以确保一流的研磨性能。
Vls{onPod

3200可大幅降低生产缺蹈率,并具备

Pollte×的标准研磨能力以及更长的铜阻障层研磨寿 命。这些改进设计町增加客户所在企业的产能,提 高产量,减少停工时间。VlsIonPod 3500在铡阻障层 方面同时具备ICl000的研磨效果和Po¨te×的低

能。目前,这两款新品已经血市,供用户试用。嘲

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