倒車(chē)雷達主控芯片GM3101的功能特性分析

隨著(zhù)汽車(chē)普及率的逐年增加，消費者在將汽車(chē)作為交通運輸工具的同時(shí)，對汽車(chē)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)雷達正好可以幫司機解決這個(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，國內倒車(chē)雷達生產(chǎn)廠(chǎng)家都是使用單片機控制方案，缺乏單芯片方案，如果能用單芯片實(shí)現整個(gè)系統功能，對倒車(chē)雷達生產(chǎn)商來(lái)說(shuō)，不僅能降低開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)成本，對整機的可靠性也會(huì )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(chē)雷達主控芯片——GM3101，與傳統方案相比，它將信號處理電路和單片機軟件設計都集成在芯片內，用戶(hù)幾乎無(wú)需調試就可以推出整機方案，大大縮短了用戶(hù)的開(kāi)發(fā)周期和人力成本，也降低了倒車(chē)雷達的技術(shù)門(mén)檻。

主控芯片GM3101的功能特性

倒車(chē)雷達主控芯片GM3101的主要性能參數為：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(gè)探頭輪流采樣一次輸出一次報警數據，它采用雙線(xiàn)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。與傳統的單片機方案相比較，其優(yōu)勢還在于：防聲波衍射誤報處理，提高報警信號的準確性；環(huán)境適應功能，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算部分。當芯片接通電源后，探頭驅動(dòng)引腳向超聲波探頭發(fā)送驅動(dòng)信號，驅動(dòng)超聲波探頭發(fā)出超聲波信號，驅動(dòng)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、模數轉換處理，記錄信號發(fā)送和接收的時(shí)間差，根據此時(shí)間差計算障礙物距離，并輸出報警信號。超聲波探頭驅動(dòng)采用分時(shí)順序的驅動(dòng)方式，即依次對4個(gè)探頭輪流進(jìn)行驅動(dòng)，一個(gè)探頭的工作周期內要包括發(fā)送和接收兩種操作。4個(gè)探頭檢測完成構成一個(gè)檢測周期。若前一探頭在本工作周期內沒(méi)有接收到返回的超聲波信號，則芯片也轉入控制下一個(gè)探頭的工作。

余振處理及增益控制

1. 余振的處理

倒車(chē)雷達的設計過(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)雷達采用的探頭都是壓電陶瓷探頭，所以當探頭對外發(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，余振的信號幅度由大到小變化。由于用戶(hù)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。由于余振出現在信道上，所以在余振時(shí)間內所檢測到的信號都會(huì )被余振淹沒(méi)，在余振時(shí)間內就檢測不出有用的信號，當然也就無(wú)法測出相應的距離。所以在倒車(chē)雷達設計中提出了一個(gè)“盲區”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?xún)鹊管?chē)雷達的“盲區”。如果在設計中不消除余振，系統就會(huì )把余振當作有用信號，輸出錯誤的報警信號。GM3101在以下幾個(gè)方面對超聲波探頭的余振進(jìn)行了有效的處理。

圖1：GM3101內部框圖

輸入端的箝位處理如圖2所示，虛線(xiàn)內為芯片內部電路圖。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(shí)會(huì )使得余振的時(shí)間變大。

圖2：輸入端箝位電路圖

第一級放大電路的余振處理如圖3所示，虛線(xiàn)內為芯片內部電路圖。

圖3：第一級放大電路原理圖

芯片內部的兩個(gè)運放和電阻構成了一個(gè)放大電路，信號在經(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內余振全部消除，這樣就使得芯片能夠準確地采集到超聲波發(fā)射回來(lái)的有用信號。 [page]

圖4：消除余振后的信號波形(在引腳F3上觀(guān)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(lái)的峰值信號送到比較器電路里與基準電壓進(jìn)行比較，完成模數轉換。

在第一級放大電路中對余振進(jìn)行了屏蔽，但考慮到用戶(hù)使用的探頭類(lèi)型不一，余振時(shí)間差別較大，如果在第一級放大電路中對余振沒(méi)有完全消除，可以通過(guò)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(shí)間開(kāi)始后的1.8ms以?xún)葘⑤敵鲂盘柪降碗娖?，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(gè)現象，即近距離物體發(fā)射回來(lái)的信號較強，遠距離物體發(fā)射回來(lái)的信號較弱。如果要檢測遠距離物體，就需要加大放大倍數，余振也會(huì )被相應地放大，為以后屏蔽余振帶來(lái)困難。如何設置放大倍數兼顧遠近距離，這就是電路設計的關(guān)鍵，我們采用自動(dòng)增益選擇器來(lái)解決這一問(wèn)題。對遠距離物體，放大倍數較大，對近距離物體，放大倍數較小。在設計第二級放大器時(shí)，根據物體距離的不同而采用四種不同的放大倍數。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(xiàn)內的部分為芯片內部電路。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置四個(gè)不同的放大倍數。超聲波探頭工作時(shí)，為了保證在不同距離下，F7輸出信號的幅度大體相同，所以根據物體距離的不同而采用四種不同的放大倍數：在小于0.6m，放大倍數為R9/R8，典型值為3；在0.6m到1.2m之間，放大倍數為R10/R8，典型值為8.2；1.2m到1.8m之間，放大倍數為R11/R8，典型值為10；大于1.8m，放大倍數為R12/R8，典型值為12。

觀(guān)察在引腳F7處的近距離物體和遠距離物體的信號波形圖，通過(guò)對比可以看出，由于采用了自動(dòng)增益選擇器，實(shí)現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

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，使得系統功能超過(guò)了傳統方案，其穩定性也大大加強，同時(shí)避免了軟件控制中存在的不穩定因素。對倒車(chē)雷達生產(chǎn)商來(lái)說(shuō)，不僅能降低開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)成本，對整機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)雷達測距的單芯片方案會(huì )逐步替代傳統的單片機方案。