基于時(shí)差測(cè)距法的高精度倒車?yán)走_(dá)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：根據(jù)時(shí)差測(cè)距法的原理，采用STM32作為主控芯片，利用其定時(shí)器的PWM功能產(chǎn)生指定個(gè)數(shù)的脈沖信號(hào)作為超聲波發(fā)射的信號(hào)源，通過(guò)觸發(fā)其外部中斷來(lái)測(cè)量時(shí)差。為實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量，在此基礎(chǔ)上借助DS18B20測(cè)出環(huán)境溫度實(shí)現(xiàn)聲速的補(bǔ)償，在接收信號(hào)的處理上利用濾波、檢波、二值化等原理，實(shí)現(xiàn)了接收信號(hào)的零誤判。

關(guān)鍵詞：時(shí)差測(cè)距；STM32；包絡(luò)檢波

中圖分類號(hào)：U463.67 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-7712 （2014） 04-0000-01

倒車依賴于駕駛者的駕車經(jīng)驗(yàn)、駕車技巧及反應(yīng)靈敏度，在汽車倒車過(guò)程中，極易發(fā)生車輛之間、車輛與人、車輛與墻壁等障礙物之間的碰撞，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失和人身安全問(wèn)題。

為了更方便的讓駕駛員輕易完成倒車，倒車?yán)走_(dá)應(yīng)運(yùn)而生。隨著時(shí)代的發(fā)展倒車?yán)走_(dá)逐漸成為汽車中，電子設(shè)備的主流配置，以倒車?yán)走_(dá)為基礎(chǔ)和載體衍生出多種倒車輔助產(chǎn)品，如：自動(dòng)泊車?yán)走_(dá)、可視化倒車?yán)走_(dá)等。

一、系統(tǒng)工作原理

（一）系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)采用STM32作為主控芯片，由其產(chǎn)生一路16個(gè)40KHZ的PWM波，經(jīng)過(guò)模擬開(kāi)關(guān)CD4052分配到四路，實(shí)現(xiàn)時(shí)分復(fù)用，來(lái)回循環(huán)把四路信號(hào)送到四個(gè)雷達(dá)探頭，由雷達(dá)探頭完成超聲波的發(fā)射和接收。接收到的超聲波信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、濾波、包絡(luò)檢波、整形后送到主控芯片，主控芯片根據(jù)超聲波信號(hào)的發(fā)射和接收的時(shí)間差，再根據(jù)DS18B20的補(bǔ)償確定的聲速，利用時(shí)差測(cè)距的原理計(jì)算出障礙物距汽車的距離，并將測(cè)得的距離實(shí)時(shí)顯示，當(dāng)測(cè)得距離小于設(shè)定的安全距離時(shí)，聲音報(bào)警系統(tǒng)和光電報(bào)警系統(tǒng)啟動(dòng)，系統(tǒng)根據(jù)距離發(fā)出不同的警報(bào)信號(hào)來(lái)提醒駕駛員。

二、硬件電路設(shè)計(jì)

（一）收發(fā)控制電路

因要同時(shí)對(duì)4路雷達(dá)探頭進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)時(shí)分復(fù)用，來(lái)回循環(huán)把四路信號(hào)送到四個(gè)雷達(dá)探頭，以及對(duì)四個(gè)探頭返回信號(hào)的接收，故必須引入模擬開(kāi)關(guān)CD4052。

（二）信號(hào)收發(fā)時(shí)序關(guān)系

主控通過(guò)控制模擬開(kāi)關(guān)選擇一個(gè)探頭處于工作狀態(tài)，同時(shí)發(fā)送超聲波信號(hào)，并等待返回信號(hào)的到來(lái)。返回信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后送到主控芯片，主控依據(jù)時(shí)差測(cè)距法計(jì)算出距離。如果等待超時(shí)，則放棄當(dāng)前的探頭，選擇驅(qū)動(dòng)下一個(gè)探頭，直到四個(gè)探頭都工作了一遍，完成一個(gè)周期的檢測(cè)，在一個(gè)周期中根據(jù)最短距離進(jìn)行預(yù)警。

（三）超聲波發(fā)射電路

倒車?yán)走_(dá)專用中周是一個(gè)小型的變壓器，用于驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷探頭。主控發(fā)送脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)三極管放大電流，進(jìn)入中周使脈沖信號(hào)達(dá)到探頭的工作電壓。因采用一體化探頭，故有余震干擾，在中周的發(fā)射側(cè)并連一個(gè)電阻用以減小余震影響和消耗中周存貯的能量， 在回路中串聯(lián)一電阻用以保護(hù)返回信號(hào)的處理電路，防止發(fā)射脈沖串入返回信號(hào)燒壞后續(xù)電路。

（四）返回信號(hào)處理電路

1.超聲波接收前置放大電路設(shè)計(jì)

因返回信號(hào)強(qiáng)弱與障礙物距離成比例，距離越遠(yuǎn)信號(hào)越弱，反之則越強(qiáng)。因要適應(yīng)顯示環(huán)境，故加載前置放大電路，電路是一級(jí)保護(hù)電路，同時(shí)負(fù)責(zé)對(duì)返回信號(hào)進(jìn)行第一級(jí)的100倍放大。

前置放大器電路采用一級(jí)三極管放大和一級(jí)運(yùn)算放大器放大。

2.帶通濾波電路設(shè)計(jì)

當(dāng)距離較遠(yuǎn)時(shí)，返回信號(hào)較弱，且含有較多的雜波，要實(shí)現(xiàn)對(duì)返回信號(hào)的零誤判識(shí)別，在超聲波接收前置放大電路后面加一級(jí)帶通濾波電路，用以保留40KHz的返回信號(hào)，去除其他的雜波，同時(shí)還可以作為放大器用，其增益約為36，進(jìn)一步提高信號(hào)強(qiáng)度。

3.包絡(luò)檢波和二值化電路設(shè)計(jì)

因帶通濾波后的信號(hào)不能直接觸發(fā)主控的外部中斷，需對(duì)其進(jìn)行包絡(luò)檢波和二值化才行。包絡(luò)檢波使返回信號(hào)在硬件上被完全消除外界的干擾信號(hào)，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，同時(shí)大大減少了軟件的工作量。

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

（一）聲速補(bǔ)償部分

系統(tǒng)初始化后由外部溫度傳感器DS18B20測(cè)出環(huán)境溫度，環(huán)境中溫度對(duì)聲速影響最大，利用聲速與溫度的關(guān)系式得到不同溫度環(huán)境下的聲速，提高測(cè)距的精度。

聲速補(bǔ)償公式：u=331.3+（0.606*c）m/s

其中u為聲速；c為攝氏溫度。

（二）Δt測(cè)量部分

此系統(tǒng)初始化后配置外部中斷為下降沿觸發(fā)，在啟動(dòng)PWM后同時(shí)開(kāi)啟STM32的定時(shí)器，并開(kāi)始等待返回信號(hào)的到來(lái)，在等待0.5ms后開(kāi)啟STM32的外部中斷，實(shí)際此時(shí)中斷端口輸入的是余震的信號(hào)，但是外部中斷設(shè)置為下降沿觸發(fā)，此時(shí)不會(huì)影響返回信號(hào)的判斷。如果等待的時(shí)間超過(guò)25ms，則認(rèn)為離障礙物的距離不在預(yù)警范圍內(nèi)，啟動(dòng)下一個(gè)探頭的超聲波發(fā)射，如果有返回信號(hào)，通過(guò)下降沿觸發(fā)STM32外部中斷，同時(shí)讀取定時(shí)器的值得到精確的Δt。利用STM32的下降沿觸發(fā)功可以避免了傳統(tǒng)的利用延時(shí)來(lái)等待余震結(jié)束時(shí)間的不確定性。

（三）顯示報(bào)警部分

由測(cè)得的Δt和實(shí)際的聲速，再利用經(jīng)過(guò)多次實(shí)際測(cè)試得到的距離計(jì)算擬合公式計(jì)算出每個(gè)探頭測(cè)得的障礙物的距離，利用軟件濾波減小偶然誤差。如果完成了一個(gè)周期的工作則將測(cè)得的最短距離進(jìn)行顯示，當(dāng)距離超過(guò)設(shè)定的需要報(bào)警提醒距離時(shí)，則會(huì)根據(jù)距離的遠(yuǎn)近提示出不同的報(bào)警信號(hào)，若沒(méi)有完成一個(gè)周期的工作則返回繼續(xù)，整個(gè)工作周期完成后繼續(xù)開(kāi)始下一周期的測(cè)試。

四、結(jié)束語(yǔ)

超聲波測(cè)距是現(xiàn)在主流倒車?yán)走_(dá)方案，該系統(tǒng)能比較出色的完成倒車?yán)走_(dá)的傳統(tǒng)部分。硬件上利用包絡(luò)檢波加比較器，軟件上利用STM32的下降沿觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)了較高的穩(wěn)定性和高精度測(cè)距，使其更人性化，并使其能夠在更苛刻的環(huán)境中也能幫助駕駛員出色完成倒車任務(wù)。系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果表明預(yù)警距離為25cm-400cm，在0-1.5m時(shí)預(yù)警誤差小于3cm，滿足實(shí)際需求。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃麗萍.車載可視倒車?yán)走_(dá)預(yù)警系統(tǒng)的研制[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)文，2009.

[2]吳妍.超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].FLCFA，2006（06）.

[3]羅忠輝，黃世慶.提高超聲波測(cè)距精度的方法[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2005（01）.

[4]劉軍.例說(shuō)STM32[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

[5]蒙博宇.STM32學(xué)習(xí)筆記[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2012.