倒車?yán)走_(dá)主控芯片GM3101的功能特性分析

隨著汽車普及率的逐年增加，消費(fèi)者在將汽車作為交通運(yùn)輸工具的同時，對汽車配置有了更多的要求，尤其是對安全性提出了更高的要求。對于很多司機(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)解決這個難題，因此越來越多的商家看好這個市場。

從目前市場情況看，國內(nèi)倒車?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)整個系統(tǒng)功能，對倒車?yán)走_(dá)生產(chǎn)商來說，不僅能降低開發(fā)和生產(chǎn)成本，對整機(jī)的可靠性也會有很大提高。目前成都國騰微電子有限公司推出了一款倒車?yán)走_(dá)主控芯片——GM3101，與傳統(tǒng)方案相比，它將信號處理電路和單片機(jī)軟件設(shè)計都集成在芯片內(nèi)，用戶幾乎無需調(diào)試就可以推出整機(jī)方案，大大縮短了用戶的開發(fā)周期和人力成本，也降低了倒車?yán)走_(dá)的技術(shù)門檻。

主控芯片GM3101的功能特性

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；檢測范圍為0.3~3.95米，檢測精度為0.05米；報警輸出周期為150.4ms。4個探頭輪流采樣一次輸出一次報警數(shù)據(jù)，它采用雙線差分方式輸出報警信號。報警信號包括：各探頭檢測到的障礙物距離危險等級信號、最近障礙物方位信號、最近障礙物距離信號及附加消息。與傳統(tǒng)的單片機(jī)方案相比較，其優(yōu)勢還在于：防聲波衍射誤報處理，提高報警信號的準(zhǔn)確性；環(huán)境適應(yīng)功能，提高報警功能的實(shí)用性；智能識別功能，可以忽略小物體，防止誤報警。GM3101的內(nèi)部框圖如圖1所示。

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

余振處理及增益控制

1. 余振的處理

倒車?yán)走_(dá)的設(shè)計過程中，余振的消除是一個讓人頭痛的問題，由于目前倒車?yán)走_(dá)采用的探頭都是壓電陶瓷探頭，所以當(dāng)探頭對外發(fā)出16個超聲波的同時，其自身的反射也會產(chǎn)生一部分余振，余振的信號幅度由大到小變化。由于用戶使用的探頭不一致，余振時間也不相同，一般來說，余振時間為1.5ms~2ms。由于余振出現(xiàn)在信道上，所以在余振時間內(nèi)所檢測到的信號都會被余振淹沒，在余振時間內(nèi)就檢測不出有用的信號，當(dāng)然也就無法測出相應(yīng)的距離。所以在倒車?yán)走_(dá)設(shè)計中提出了一個“盲區(qū)”的概念，也就是說由于有探頭余振的存在，就造成了在0.3m以內(nèi)倒車?yán)走_(dá)的“盲區(qū)”。如果在設(shè)計中不消除余振，系統(tǒng)就會把余振當(dāng)作有用信號，輸出錯誤的報警信號。GM3101在以下幾個方面對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，在后級放大時會使得余振的時間變大。

圖2：輸入端箝位電路圖

第一級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：第一級放大電路原理圖

芯片內(nèi)部的兩個運(yùn)放和電阻構(gòu)成了一個放大電路，信號在經(jīng)過放大電路放大后，進(jìn)入余振處理電路，通過該電路將余振全部消除。圖4為消除余振后的信號波形，從圖中可以看出，在進(jìn)行了余振處理后，起始時間后的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)射回來的有用信號。 [page]

圖4：消除余振后的信號波形(在引腳F3上觀測)

峰值檢測中的余振屏蔽信號在進(jìn)行放大、濾波后，進(jìn)入峰值檢測電路，目的是對信號的峰值進(jìn)行檢測，將檢測出來的峰值信號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。

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

圖5：峰值檢測電路波形圖

2. 增益控制

超聲波回波信號有一個現(xiàn)象，即近距離物體發(fā)射回來的信號較強(qiáng)，遠(yuǎn)距離物體發(fā)射回來的信號較弱。如果要檢測遠(yuǎn)距離物體，就需要加大放大倍數(shù)，余振也會被相應(yīng)地放大，為以后屏蔽余振帶來困難。如何設(shè)置放大倍數(shù)兼顧遠(yuǎn)近距離，這就是電路設(shè)計的關(guān)鍵，我們采用自動增益選擇器來解決這一問題。對遠(yuǎn)距離物體，放大倍數(shù)較大，對近距離物體，放大倍數(shù)較小。在設(shè)計第二級放大器時，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為第二級放大電路原理圖。

圖6：第二級放大電路原理圖

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)置四個不同的放大倍數(shù)。超聲波探頭工作時，為了保證在不同距離下，F(xiàn)7輸出信號的幅度大體相同，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)距離物體的信號波形圖，通過對比可以看出，由于采用了自動增益選擇器，實(shí)現(xiàn)F7信號幅度基本相同，保證距離為3m的物體也能夠檢測到。

本文小結(jié)

通過上面的介紹，我們可以看出由于GM3101采用了余振屏蔽和自動增益控制器，使得系統(tǒng)功能超過了傳統(tǒng)方案，其穩(wěn)定性也大大加強(qiáng)，同時避免了軟件控制中存在的不穩(wěn)定因素。對倒車?yán)走_(dá)生產(chǎn)商來說，不僅能降低開發(fā)和生產(chǎn)成本，對整機(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?yán)走_(dá)測距的單芯片方案會逐步替代傳統(tǒng)的單片機(jī)方案。