基于PSoC芯片的倒車雷達控制系統(tǒng)設計

PSoC傳感器應用平臺

　　在嵌入式系統(tǒng)中，控制芯片主要處理兩大類型的信號，一種是數(shù)字信號，另一種就是模擬信號。模擬信號通常來自于傳感器。要從這些模擬傳感器中獲得準確的信號并不是一件容易的事情。模擬的輸出信號通常振幅比較小，所以需要一個信號放大器。信號放大后，噪聲會也被放大，又需要一個模擬的低通或帶通濾波進行濾波。如果多種傳感器同時使用，還需要一個模擬的MUX。除此之外，還可能用到比較器和D/A轉換器。

　　傳統(tǒng)設計中，控制器只用來實現(xiàn)處理數(shù)據(jù)、系統(tǒng)間的通訊和控制功能。如果您的設計也用這種傳統(tǒng)的方式，就會面臨一些挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)主要來自于分離的模擬器件和固定功能的MCU。首先從系統(tǒng)設計角度看，隨著市場變化速度的加快和用戶要求的提高，一個設計靈活的軟硬平臺是必須的，而分離的模擬器件和固定功能的MCU遠遠不能滿足不斷更新的設計要求和有限的研發(fā)上市時間。其次，處理傳感器的噪聲需要一個復雜的混合信號解決方案，通常需要放大器、濾波器、ADC、比較器和DAC。對于傳統(tǒng)設計，便需要考慮非常多的獨立的分離器件，這無論從產品成本還是生產成本來看都會成為負擔。

而高集成度且設計靈活的PSoC便有效地應對了這些挑戰(zhàn)。PSoC可以實現(xiàn)哪些功能呢？單芯片的PSoC在信號的輸入端可以實現(xiàn)各種模擬感應信號的輸入和信號處理，同時還可以實現(xiàn)時下流行的電容式觸摸感應的設計。在控制功能方面，PSoC可以實現(xiàn)各種風扇和電機的控制、功率控制，同時還支持多種復雜的通訊接口。PSoC的應用無處不在，消費電子、白電、醫(yī)療、汽車、工控產品中都有PSoC的用武之地，目前PSoC的全球的客戶已超過8100個，出貨量超過4億。

　　PSoC是什么樣的片上系統(tǒng)呢？PSoC是可編程片上系統(tǒng)的字母縮寫，它不是一個單純的MCU，除了8位MCU核、Flash和SRAM以外，還包含了可編程的數(shù)字模塊和模擬模塊，是一個真正的片上系統(tǒng)。

圖1 PSoC產品框圖

圖2 超聲波信號發(fā)送

　　從圖1中可以看到，PSoC的整個系統(tǒng)是由MCU核、Memory、數(shù)字系統(tǒng)、模擬系統(tǒng)和其他系統(tǒng)資源組成。圖中左邊的部分是普通單片機的結構，包含時鐘源、Flash、SRAM和MCU本身。右邊是一些可編程的GPIO。中間部分就是PSoC特色，即可編程數(shù)字模塊和模擬模塊，PSoC的優(yōu)勢也正在這里。這些可編程的數(shù)字模塊和模擬模塊可以配制成不同的功能，例如UART、ADC、濾波器和PWM等等。此外，這些模塊還可以重新配制來實現(xiàn)不同的功能，并且在任何時間都可以進行修改設計。PSoC支持動態(tài)配制的特性，相同的資源在不同的時間可以被配置成不同的用戶模塊，這樣可以大大節(jié)省資源。數(shù)字模塊和模擬模塊可以和外部引腳互聯(lián)，也是可編程的。因此通過PSoC，工程師可以基本完成一個系統(tǒng)的設計。

　　PSoC的模擬功能非常強大，可以實現(xiàn)各種不同的模擬器件，如ADC、DAC、濾波等等， CapSense也是用模擬功能實現(xiàn)的。傳感器各種的應用、控制應用等等都是由這些模擬模塊的功能來實現(xiàn)的。

　　PSoC不同于固定功能的MCU，它集成度高、使用靈活、實時可編程，這些優(yōu)點幫助設計者減少成本，使產品快速進入市場，并且增加市場份額。其中，集成度高是因為PSoC是一個系統(tǒng)級的解決方案，內含可編程的數(shù)字和模擬模塊、8位控制器，以及Flash和SRAM等；使用靈活是指可以使用集可視化嵌入式設計工具為一體PSoC Designer進行設計，設計靈活、節(jié)省時間，并且即使在最后一刻也可以修改設計；實時可編程性是指PSoC提供了一系列模擬和數(shù)字用戶模塊 (例如放大器、濾波器、比較器、定時器、計數(shù)器等等)，用戶可以根據(jù)需要進行配置，或者動態(tài)配置?？傊琍SoC作為靈活的片上系統(tǒng)，有助于增加產品的價值。

超聲波傳感器和倒車雷達系統(tǒng)

　　超聲波傳感器有多種應用，常見的用途包括：流量計、工具零件的清洗、倒車雷達等。超聲傳感器將處于超聲頻率的電信號經(jīng)過超聲波傳感器中的超聲波換能器轉換成超聲聲波，超聲波傳感器按照一定的方向發(fā)射該超聲聲波，當超聲聲波遇到障礙物以后被反彈回來，再被超聲波傳感器所接受，由超聲波換能傳感器轉換為電信號。由于音速是一個已知的常數(shù)，因此通過回彈的時間，就可以計算出距離。

　　超聲波傳感器從封裝的類型上可以分為兩種，分別是開放型和密封型。其中，開放型的傳播面積更廣，探測距離更遠，適合在開放環(huán)境中應用。密封型傳感器傳播面積較小，探測距離一般，適合在液體中應用，并需緊貼固體材料。

超聲波傳感器的使用類似于雷達，它主要完成兩項任務：發(fā)送超聲聲波和接收超聲聲波。發(fā)送超聲波相對簡單，只要對超聲波傳感器發(fā)送的超聲波進行脈沖寬度調制，同時開啟計時器。而接收部分較為復雜，需要對信號進行調配，以便控制器能正確低識別反射回的超聲波、確定接收時間并停止計時器技術，然后根據(jù)“距離 = 時間×音速”計算距離。通過圖2，可以看到信號是如何被發(fā)送出去的。由控制芯片產生的PWM信號通過功率放大器放大，送到超聲波傳感器進行脈沖寬度調制，然后開啟計時器。超聲信號接收和處理的過程相對要復雜一些（圖3）。從超聲傳感器輸入的信號經(jīng)PGA放大，在利用帶通濾波器濾除噪聲以后，將信號與直流偏置進行對比，通過輸出調制信號，然后再將其將發(fā)送至低通濾波器，生成調制信號的包絡線。該包絡線再通過比較器或者AD轉換器來判斷它是否是真正的反彈信號，同時停止計時器，最后通過計數(shù)器的值和音速計算出距離。

圖3 超聲波信號接收

圖4 倒車雷達的發(fā)展趨勢

　　圖4顯示出倒車雷達發(fā)展的趨勢，從圖中可以看到，最初的倒車雷達，只有后方探測，現(xiàn)在的倒車雷達不僅實現(xiàn)了前后方探測，甚至連左右側都可以進行探測。還有一些更先進的技術，已經(jīng)使用在高檔汽車上。