基于PSoC芯片的倒車(chē)雷達控制系統設計

PSoC傳感器應用平臺

　　在嵌入式系統中，控制芯片主要處理兩大類(lèi)型的信號，一種是數字信號，另一種就是模擬信號。模擬信號通常來(lái)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(gè)信號放大器。信號放大后，噪聲會(huì )也被放大，又需要一個(gè)模擬的低通或帶通濾波進(jìn)行濾波。如果多種傳感器同時(shí)使用，還需要一個(gè)模擬的MUX。除此之外，還可能用到比較器和D/A轉換器。

　　傳統設計中，控制器只用來(lái)實(shí)現處理數據、系統間的通訊和控制功能。如果您的設計也用這種傳統的方式，就會(huì )面臨一些挑戰。這些挑戰主要來(lái)自于分離的模擬器件和固定功能的MCU。首先從系統設計角度看，隨著(zhù)市場(chǎng)變化速度的加快和用戶(hù)要求的提高，一個(gè)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(mǎn)足不斷更新的設計要求和有限的研發(fā)上市時(shí)間。其次，處理傳感器的噪聲需要一個(gè)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。對于傳統設計，便需要考慮非常多的獨立的分離器件，這無(wú)論從產(chǎn)品成本還是生產(chǎn)成本來(lái)看都會(huì )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。PSoC可以實(shí)現哪些功能呢？單芯片的PSoC在信號的輸入端可以實(shí)現各種模擬感應信號的輸入和信號處理，同時(shí)還可以實(shí)現時(shí)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(shí)現各種風(fēng)扇和電機的控制、功率控制，同時(shí)還支持多種復雜的通訊接口。PSoC的應用無(wú)處不在，消費電子、白電、醫療、汽車(chē)、工控產(chǎn)品中都有PSoC的用武之地，目前PSoC的全球的客戶(hù)已超過(guò)8100個(gè)，出貨量超過(guò)4億。

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

圖1 PSoC產(chǎn)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(gè)系統是由MCU核、Memory、數字系統、模擬系統和其他系統資源組成。圖中左邊的部分是普通單片機的結構，包含時(shí)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(lái)實(shí)現不同的功能，并且在任何時(shí)間都可以進(jìn)行修改設計。PSoC支持動(dòng)態(tài)配制的特性，相同的資源在不同的時(shí)間可以被配置成不同的用戶(hù)模塊，這樣可以大大節省資源。數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(guò)PSoC，工程師可以基本完成一個(gè)系統的設計。

　　PSoC的模擬功能非常強大，可以實(shí)現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(shí)現的。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(lái)實(shí)現的。

　　PSoC不同于固定功能的MCU，它集成度高、使用靈活、實(shí)時(shí)可編程，這些優(yōu)點(diǎn)幫助設計者減少成本，使產(chǎn)品快速進(jìn)入市場(chǎng)，并且增加市場(chǎng)份額。其中，集成度高是因為PSoC是一個(gè)系統級的解決方案，內含可編程的數字和模擬模塊、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(jìn)行設計，設計靈活、節省時(shí)間，并且即使在最后一刻也可以修改設計；實(shí)時(shí)可編程性是指PSoC提供了一系列模擬和數字用戶(hù)模塊 (例如放大器、濾波器、比較器、定時(shí)器、計數器等等)，用戶(hù)可以根據需要進(jìn)行配置，或者動(dòng)態(tài)配置?？傊?，PSoC作為靈活的片上系統，有助于增加產(chǎn)品的價(jià)值。

超聲波傳感器和倒車(chē)雷達系統

　　超聲波傳感器有多種應用，常見(jiàn)的用途包括：流量計、工具零件的清洗、倒車(chē)雷達等。超聲傳感器將處于超聲頻率的電信號經(jīng)過(guò)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(lái)，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(gè)已知的常數，因此通過(guò)回彈的時(shí)間，就可以計算出距離。

　　超聲波傳感器從封裝的類(lèi)型上可以分為兩種，分別是開(kāi)放型和密封型。其中，開(kāi)放型的傳播面積更廣，探測距離更遠，適合在開(kāi)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(lèi)似于雷達，它主要完成兩項任務(wù)：發(fā)送超聲聲波和接收超聲聲波。發(fā)送超聲波相對簡(jiǎn)單，只要對超聲波傳感器發(fā)送的超聲波進(jìn)行脈沖寬度調制，同時(shí)開(kāi)啟計時(shí)器。而接收部分較為復雜，需要對信號進(jìn)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(shí)間并停止計時(shí)器技術(shù)，然后根據“距離 = 時(shí)間×音速”計算距離。通過(guò)圖2，可以看到信號是如何被發(fā)送出去的。由控制芯片產(chǎn)生的PWM信號通過(guò)功率放大器放大，送到超聲波傳感器進(jìn)行脈沖寬度調制，然后開(kāi)啟計時(shí)器。超聲信號接收和處理的過(guò)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(jìn)行對比，通過(guò)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(luò )線(xiàn)。該包絡(luò )線(xiàn)再通過(guò)比較器或者AD轉換器來(lái)判斷它是否是真正的反彈信號，同時(shí)停止計時(shí)器，最后通過(guò)計數器的值和音速計算出距離。

圖3 超聲波信號接收

圖4 倒車(chē)雷達的發(fā)展趨勢

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