倒車(chē)雷達障礙檢測系統的案例分析

　　這樣，在狹窄的地方不管是泊車(chē)還是開(kāi)車(chē)，借助倒車(chē)障礙報警檢測系統，駕駛員心理壓力就會(huì )減少，并可以游刃有余地采取必要的動(dòng)作。而這種PIC l8F8490微控制器與超聲波傳感器很便宜，并且可以用在眾多車(chē)型上。那末什么是基于超聲波傳感器的倒車(chē)障礙檢測系統呢？為此應先了解超聲波傳感器的有關(guān)技術(shù)問(wèn)題。

　　超聲波傳感器系統構成與工作程式（見(jiàn)圖1所示）

　　由發(fā)送傳感器（或稱(chēng)超聲波發(fā)送器）、接收傳感器（或稱(chēng)超聲波接收器）、控制部分與電源部分組成。發(fā)送器傳感器由發(fā)送器與使用直徑為15mm左右的陶瓷振子換能器組成，換能器作用是將陶瓷振子的電振動(dòng)能量轉換成超聲波能量并向空中幅射；而接收傳感器由陶瓷振子換能器與放大電路組成， 換能器接收超聲波產(chǎn)生機械振動(dòng)，將其變換成電能量，作為傳感器接收器的輸出，從而對發(fā)送的超聲波進(jìn)行檢測。而實(shí)際使用中，用發(fā)送傳感器的陶瓷振子的也可以用做接收器傳感器社的陶瓷振子?？刂撇糠种饕獙Πl(fā)送器發(fā)出的脈沖鏈頻率、占空比及稀疏調制和計數及探測距離等進(jìn)行控制。超聲波傳感器的電源（或稱(chēng)信號源）可用DC12V±10%或 24V±10%.

　　若對發(fā)送傳感器內諧振頻率為40KHz的壓電陶瓷片（雙晶振子）施加40KHz高頻電壓，則壓電陶瓷片就根據所加高頻電壓極性伸長(cháng)與縮短，于是發(fā)送 40KHz頻率的超聲波，其超聲波以疏密形式傳播（疏密程度可由控制電路調制），其超聲波波形見(jiàn)圖1所示，并傳給超聲波接收器。接收器是利用壓電效應的原理，即在壓電元件上施加壓力，使壓電元件發(fā)生應變，則產(chǎn)生一面為”+”極，另一面為”-“極的40KHz正弦電壓。因該高頻電壓幅值較小，故必須進(jìn)行放大。

　　根據超聲波傳感器等效電路與阻抗特性可知，對發(fā)送傳感器而言，工作于串聯(lián)諧振，即諧振頻率fr處阻抗Zr最低，故能供給最大功率，能用較大振動(dòng)傳感器；而對接收傳感器而言，工作于并聯(lián)諧振，即諧振頻率fα處阻抗Zα最高，難供大功率，但阻抗Zα高就能得到較大振幅信號，所以fα 處用作傳感器其靈敏度高。

　　倒車(chē)撿測障礙糸統超聲換能器的工作方式為反射式，，即發(fā)送傳感器換能器發(fā)射40KHz頻率的超聲波，迂到障礙后反射被接收傳感器的換能器接收并轉換成電信號，見(jiàn)圖2所示。

　　其傳播介質(zhì)為空氣。

　　基于超聲波微控制器技術(shù)的倒車(chē)障礙檢測系統設計方案

　　圖3為汽車(chē)倒車(chē)障礙檢測系統設計方案框圖，設計方案包括：IC1主控器-為用Microchip的 PIC l8F8490微控制器作為汽車(chē)倒車(chē)障礙檢測系統的主控器；發(fā)送部份（即發(fā)送超聲波傳感器）與接收部份（即接收超聲波傳感器）；溫度傳感器（TC1047A）、通信接口RS-232驅動(dòng)器以及與LCD或LED顯示器等外圍電路組成。

　　用微控制器作為檢測系統的主控器

　　微控制器是倒車(chē)檢測系統的核心。而Microchip的PIC l8F8490微控制器它非常適合于汽車(chē)車(chē)身控制這類(lèi)應用。因它是一種有片上LCD驅動(dòng)控制模塊功能的閃存、電源管理的單片機，即運行速率為10MIPS-10百萬(wàn)指令每秒（MIPS），16KB閃存存儲器、768字節RAM，具有一個(gè)LCD控制器、兩個(gè)PWM、兩個(gè)比較器和四個(gè)定時(shí)器，見(jiàn)圖3中間IC1所示。因此它是倒車(chē)檢測超聲波傳感器應用的高集成解決方案的主控部分。該微控制器采用納瓦技術(shù)，實(shí)現電源管理功能，可以顯著(zhù)提高功效和系統可靠性，可滿(mǎn)足包括在休眠模式下驅動(dòng)LCD顯示在內的低功耗設計要求。其系列產(chǎn)品可針對不同的嵌入式控制應用提供高達192段LCD的驅動(dòng)，備有各種封裝尺寸和集成特性。

　　發(fā)送器部分的控制

　　發(fā)送器是以每秒4-5次比率，在1mS期間發(fā)送40KHz脈沖方波，為了產(chǎn)生發(fā)射脈沖鏈，可以采用一個(gè)驅動(dòng)器，以驅動(dòng)超聲換能器，其驅動(dòng)器是 Microchip的TCl428 MOSFET驅動(dòng)器見(jiàn)圖3左側所示。因實(shí)際超聲波傳感器特性的標準頻率均為40KHz，這樣發(fā)送器發(fā)送的40KHz脈沖方波鏈盡管是一個(gè)通用發(fā)送頻率，但并非超聲頻率固定不變，可以根據盲區范圍及障礙物遠近作出選擇， 標準頻率（或稱(chēng)中心頻率）愈高測距越短，而分辯率越高，常見(jiàn)超波傳感器標準頻率有30KHz、4KHz、75KHz等。

　　當發(fā)送器發(fā)送第一個(gè)脈沖的上升沿時(shí)刻定時(shí)器1開(kāi)始計數。由于要求脈沖鏈的電壓振幅比系統電壓（+5V）高（這是由換能器所需信號源決定的），所以這個(gè)發(fā)送器部分應含有一個(gè)升壓電路。這兒采用一種簡(jiǎn)單的有效升高電壓的方式，即使用Microchip的MCPl650升壓 DC/DC控制器，它只需要一個(gè)電容、一個(gè)電感和兩個(gè)電阻就可以輕松選擇需要的輸出電壓。主控器 IC1中PWM1（脈寬調制器）的作用是調節升壓電路的輸出電壓為一恒定值。

　　接收器部分的控制

　　接收器部分包括一個(gè)超聲波接收換能器、放大器、濾波器和一個(gè)比較器見(jiàn)圖3左側下所示。接收換能器的輸出是一個(gè)低振幅正弦波，其頻率與發(fā)射脈沖鏈頻率相同。為了對換能器輸出的信號進(jìn)行放大，可采用Microchip的MCP6293運算放大器。這個(gè)運算放大器的特點(diǎn)是，雖然封裝較小，但卻擁有10MHz的帶寬和引腳可選的低功耗模式?？蓪⑤敵鲂盘杺魉蚅C帶通濾波器電路（又稱(chēng)振幅探測電路），該帶通濾波器的中心頻率（標準頻率）與接收器的標準頻率40KHz相同。這個(gè)振幅探測電路的作用是將接收到的脈沖轉換為一個(gè)平滑、完整的波形，其高頻噪聲被過(guò)濾掉，這樣一個(gè)被探測到的信號就形成了。然后這個(gè)信號被傳送到比較器與衰減電壓進(jìn)行比較。需要說(shuō)明的是，該比較器的參考電壓是一個(gè)衰減電壓（由RC阻容電路產(chǎn)生），這樣該衰減參考就會(huì )隨時(shí)間不斷衰減接收到的信號。直至小于一個(gè)預先設定的距離值時(shí)，則定時(shí)器1仃止計數。

　　超聲波傳感器的選擇與參數

　　可選用國產(chǎn)TC40-167R系列或MA40S2S（發(fā)送傳感器）、MA40S2R（接收傳感器）超聲波傳感器。其主要參數為（以TC40-167R為例）：標準頻率40±0.1KHz；靈敏度（dB）≥-68；聲壓（dB）≥114；方向角（度）60；靜電容量/pf-2500；工作溫度（℃）- 20℃--+70℃；有效距離≥15M，反射接收有效距離為4M-7M.

　　關(guān)于對倒車(chē)障礙物的探測距離計算顯示

　　撿測系統在探測到障礙物時(shí)向駕駛員發(fā)出警告，而新型汽車(chē)倒車(chē)障礙檢測系統可以根據實(shí)際使用環(huán)境采用多套發(fā)送與接收超聲波傳感器來(lái)擴大探測范圍，從而提高對障礙物的正確度，即將距離最近的障礙物探測到并作出顯示，故該倒車(chē)障礙物撿測系統的LCD或LED顯示器顯示出的數字是最近障礙物的距離。

　　超聲波測量距離的計算方法

　　超聲波是以脈沖串的形式向外發(fā)送的，脈沖頻率即中心頻率（或稱(chēng)標準頻率）。PIC l8F8490主控器的定時(shí)器1（見(jiàn)圖3的 IC1內所示）從發(fā)射第一個(gè)脈沖的上升沿時(shí)刻開(kāi)始計數，直到主控器收到不斷衰減的接收信號小于設定值（即當距離小于一個(gè)預先設定值）時(shí)定時(shí)器1停止計數。因此，所測量出的時(shí)間間隔 （發(fā)射信號和接收到的反射信號之間的時(shí)間差） △t 乘以聲速就等于被測距離L的兩倍（2△L）。若超聲波在溫度T時(shí)的傳播速度為V，則微控制器就可以計算出汽車(chē)和障礙物之間的距離，其計算被測距離的公式為：L=V△t/2

　　為此，只要當距離小于一個(gè)預先設定值時(shí)，非但有顯示而且就會(huì )發(fā)出聲光報警信號。

　　有關(guān)提高倒車(chē)檢測系統性能與精度的解決

　　換能器選擇與安裝

　　根據所需要的精度、距離和系統成本，有幾種不同的實(shí)施方案可供選擇。換能器的頻率和功率越大，精度就越高。換能器頻率越高，其體積越小，也就使得系統可以更簡(jiǎn)便地安裝到汽車(chē)上。頻率低的換能器也有好處，其探測范圍更大，更容易探測到換能器周?chē)奈矬w。一種可降低干擾的廉價(jià)技術(shù)是，在接收換能器周?chē)右桓?厘米的管子，這樣就可以集中接收有效信號，并增加方向性。

　　影響系統性能下降的一個(gè)重要因素是，在發(fā)射器和揚聲器之間的串擾。只有發(fā)射脈沖在接收換能器中的作用徹底消失，接收信號才能被探測到。在這兩個(gè)組件之間盡可能減少機械耦合很重要?？刹捎玫募夹g(shù)是，將每個(gè)換能器安裝在不同的PCB上。如果它們共用一個(gè)基板，可以在換能器后面放一塊薄的泡沫塑料。如果發(fā)射-接收運用單換能器解決方案，那么應該通過(guò)軟件在發(fā)射之后和啟用接收部分之前設置一個(gè)足夠長(cháng)的延遲。應該避免給換能器增加任何保護涂層。所有這些技術(shù)都能改進(jìn)超聲系統的性能

　　關(guān)于系統精度的提高

　　溫度傳感器消除該項誤差

　　由于當環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)超聲波的傳播速度也隨之改變，這將會(huì )引起測距誤差。利用溫度傳感器TCl047A測量空氣溫度再送主控器中的A/D轉換器進(jìn)行溫度補償，即可消除該項誤差。

　　改善接收器LC帶通濾波器效果，可以增加信號保真度和系統精度。反射信號的額外增益級對增加探測范圍和提高精度也有幫助。

　　結束語(yǔ)

　　上述類(lèi)型的汽車(chē)倒車(chē)障礙檢測系統設計方案是微控制器和超聲波傳感器相結合的應用技術(shù)，是提高駕駛安全與體驗的一個(gè)解決方案。由于系統可以識別駕駛盲區內的障礙物，司機駕駛起來(lái)會(huì )更加得心應手。

　　通過(guò)方案比較，該基于微控制器技術(shù)倒車(chē)障礙物撿測系統比單純用硬件電路系統（例內置有發(fā)送接收電路的LM1812芯片及外圍電路組成的撿測系統）要方便靈活得多，因為可用充分發(fā)揮軟件技術(shù)的優(yōu)勢，既可根據運行與泊車(chē)環(huán)境需要增加功能又替代很多硬件電路，使倒車(chē)障礙物撿測系統更可靠準確。