STM32的車載雷達預警抬頭顯示器設計

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(重慶交通大學 機電與車輛工程學院，重慶 400074)

引　言

每年新增汽車的數量不斷增多，駕駛員對車輛安全的要求也越來越高。車輛與車輛，車輛與路障設施，車輛與行人等安全問題也越來越突出。目前現有的全方位雷達顯示設計方案，不能直觀顯示到車身周圍障礙物距離情況，也不能預警提示駕駛人員當前車速下的方位距離已經進入了危險值。傳統抬頭顯示系統只能顯示車輛速度，油耗等儀表上面的參數。為此提出一個基于STM32便攜式全方位雷達抬頭顯示器的設計方案，增加了車身方位雷達預警距離，增加了匹配當前車速所對應的預警閾值。

駕駛人員通過平視前擋風玻璃就可以觀察車身距離預警信息，在整個過程中不影響駕駛員正常駕駛[1]。該方案實用性強、安裝便捷、功耗低、制造成本低，可為以后的智能駕駛和智能泊車系統提供相關的數據參考。通過對該系統介紹，重點講述了整個系統搭建與程序設計。

1　整體設計方案

抬頭顯示器將整個車身雷達距離信息點投影在前擋風玻璃上，包括左右兩側車門、前后車頭和車位、安全提示距離。通過嵌入式檢測車身8個位置點的雷達傳感器的距離信息，通過抬頭顯示器呈現出來。設定速度與安全距離公式閾值D。小于該閾值檢測距離，抬頭顯示器對應位置LED才會進入激活狀態。與此同時，預警頻率會隨著距離縮小而增加響應頻率。

該設計方案區別傳統全方位雷達，不僅于此，而且系統具備汽車CAN通信功能，可以在駕駛過程中根據ODB II接口讀取車輛速度信息、制動、油門信息，配合車輛全方位雷達信息，產生一個系統危險系數[2]。同時配合LED顏色(白色漸變紅色)線性與該系數,讓駕駛人員更加醒目地知道車身周圍距離情況。系統整體構架如圖1所示。

圖1　統整體構架

2　車載抬頭顯示技術

車載抬頭顯示器(車載平視顯示器)主要是利用LED顯示器投影前擋風玻璃，然后反射進入人眼成像[3]。通過合理的亮度調節就會在前擋風玻璃上形成一個適中半透明的區域,會產生一個路面圖像和顯示LED重疊區域，當需要顯示車輛信息時可直接投影顯示，而駕駛人員一直保持抬頭駕駛狀態，在駕駛人員觀察信息過程中并不影響駕駛員正常駕駛。車載抬頭顯示示意圖如圖2所示。

避免因低頭查看汽車儀表信息而產生安全隱患,而且巧妙結合STM32提示休眠式模式，只有在車輛相應角度進入警戒范圍過后，才會顯示車輛對應位置距離信息，大大降低了對正常駕駛的影響。

圖2　車載抬頭顯示示意圖

3　硬件電路

3.1　處理器接口

本系統硬件主 要 由STM32、ODB解碼芯片、CAN物理收發器、RGB LED驅動控制單元TM1620(發光二極管陣列組成的顯示器)、全方位雷達檢測模塊組成。整體硬件組成如圖3所示，硬件包括了STM32控制單元，ODB接口通過CAN物理芯片接收到數據傳遞給ODB解碼芯片TDA61，可以提取出車輛的車速、油量大小信息。由于STM32內部集成CAN控制器，這樣可以省掉外掛，CAN控制器就可以實現對汽車ODB總線上數據進行監控，也大大降低了硬件成本。

圖3　整體硬件組成

3.2　系統控制單元

系統控制單元選用的是意法半導體公司生產的基于Cortex-M3內核的STM32F103單片機。該單片機采用精簡指令集，配合高速72 MHz工作主頻，有很高的運行速度，同時功耗又大大降低。STM23系列的單片機有豐富的外設，適用于很多目標設計，是目前運用最為廣泛的單片機之一。

3.3　ODB解碼芯片TDA61解碼芯片

在設計之初ODB有多重協議，協議之間又不能相互兼容。剛開始，ODB只是針對于監控汽車尾氣排放的一種接口。發展到了ODB II后，市場就統一采用ODB II作為實時監控汽車組件，運行各個參數的接口。如有異常則將故障碼保存下來[4]。該數據也能夠精準定位，維修人員便于維護。

為了大大簡化設計成本并易于推廣，采用TDA61的OBD II解碼方案，芯片體積小、功耗低、外設豐富，它能夠通過汽車的OBD II接口直接讀取車輛運行的速度和油門開度。單片機只需要幾條簡短的指令就可以讀取多條數據。TDA61支持12種OBD II,支持市面上絕大多數汽車，有著很好的推廣價值[5]。該硬件系統通過汽車OBD接口取電，在汽車沒有啟動的時候并不工作，不會因此而導致汽車虧電。

3.4　汽車全方位雷達超聲波測距

采用市場比較成熟的方案——超聲波測距模塊[6]。相比于紅外線測距模塊容易受到環境光照和紅外線對影響，鏡頭要交較高，該模塊對于汽車運行環境沒有苛刻的要求，在下雨或者晴天時，室內室外都能及時檢測到距離信號。相比于車用毫米波和激光雷達，容易受到電磁干擾、維護成本高等特點。超聲波測距是最為成熟穩定的測量方式，容易安裝，可以24小時不間斷工作，而被大量應用于車身距離預警系統中。

選擇RT收發一體傳感器探頭，工作頻率為40 kHz[7]。超聲波測距傳感器分為8個測量通道,在汽車的每一個方位安裝一個傳感器，可實時不間斷地對車輛周圍距離進行掃描。通過多個超聲波檢測才能反映出障礙物方位，同時能實時顯示障礙物動態距離并提供給駕駛人員。

3.4.1一體式超聲波傳感器測量電路

采用多個測量通道，STM32通過定時器產生8通道信號PWM周期為40 kHz,占空比為50%方波信號。如果通過STM32直接驅動功率是遠遠不夠的，可通過Q1、Q2增強驅動能力，經過二級升壓變壓器將信號傳遞到傳感器上。采用升壓線圈是為了防止在接收回波信號時對輸入信號產生影響，可起到隔離的作用。超聲波發送電路如圖4所示。

圖4　超聲波發送電路

采用了發送和接收一體的方案，存在較高的發射電壓信號與較低微弱的回波信號混在一起的情況，有必要將發射電壓信號進行濾波處理，保證信號的穩定性。通過傳感器檢測回來的信號比較微弱，達到mV級別，所以要濾波并同時去掉直流成分。通過STM32自帶高速ADC，對輸出信號out_sin采集即可完成。圖5為超聲波接收電路。

圖5　超聲波接收電路

3.4.2距離檢測技術

超聲波測距有多種技術，本文采用超聲波返回時間檢測方案，通過STM32驅動發送8個40 kHz脈沖，同時STM32開啟定時。超聲波經過空氣物體反射,接收到反射回來的信號，定時結束，時間差為T。所測得距離如下：

S=CT/2

(1)

其中，S為超聲探頭距離障礙物的距離(單位為m)，C為超聲波在空氣中的傳播速度(單位為m/s)，T為超聲波一個來回所需要的時間(單位為s)。

超聲波傳輸模型如圖6所示。

圖6　超聲波傳輸模型

傳遞回來的信號通過一個預先設定的閾值作為比較，同時為了保證數據可靠性，采用卡爾曼濾波最終測得數據。STM32的運行速度可達72 MHz，可以提供高精度定時器和高速ADC采集速度，保證系統的測量精度。

測量時間模型如圖7所示。

圖7　測量時間模型

超聲波在空氣中的傳播速度如下：

V=C0+0.607×T

(2)

式中：C0為0 ℃時的聲波速度332 m/s；T為實際溫度(℃)。溫度傳感器直接采用STM32內部集成溫度傳感器進行補償，計算出來的數值是補償過后的數值[8]。

3.5　抬頭顯示器TM1620

TM1620驅動LED陣列，反向投影在前擋風玻璃上，可以直接將車身周圍的距離投影到前擋風玻璃上。當測距模塊檢測距離小于安全距離，顯示車輛的具體方位安全距離。該LED顯示可以自動根據環境光照強度，合理控制LED的占空比，在不影響駕駛人員操作的情況下達到顯示效果。TM1620是發光二極管顯示器，內部帶有數據RAM、LED掃描電路，同時可以設置8級占空比可調電路，支持8×10 LED驅動位數，設計電路簡單時應用成本低，是目前運用較為廣泛的LED驅動器之一。

4　軟件設計

圖8　　　　超聲波測量程序流程圖

在系統開始運行時，通過抬頭顯示器模擬小車形狀，投影到前擋風玻璃上。針對車身雷達距離檢測，首先要注意超聲波傳輸收到的溫度和空氣影響參數，然后作系統補償。初始化完STM32時鐘、定時器TIMER、ADC后選擇12位采樣精度。然后就定時采樣計算得到距離參數，其程序流程圖如8圖所示。

系統軟件部分包含了汽車OBD接口數據讀取部分、車身雷達距離監測部分和抬頭顯示部分。首先要完成對TDA61的初始化過程，通過STM32初始化串口對解碼芯片TDA61進行讀取數據。OBD與顯示程序流程圖如圖9所示。

圖9　OBD與顯示程序流程圖

STM32-UART0設置通信波特率為9 600 bps,TDA61上電默認9 600 bps無符號和驗證位，然后在初始化之前一定要注意TDA61-CAN的物理端必須要加入終端匹配電阻，目前主流PCA82C251的匹配電阻為120 Ω。

對于不同車輛所支持的協議存在差異性TDA61支持目前主流的12種協議方式，其適用多種車型，設計者不必對協議本身花費過多時間，而主要關心設計所獲取的數據。獲取指令命令如表1所列。

表1　OBD指令

5　實驗數據與預警閾值

綜合考慮超聲波本身的固有誤差和測量精度，選擇STM32定時器時間分辨率為100 μs，該傳感器理論最小值為17 cm(在室溫條件下為100 μs×340 m/s×0.5)。因為沒有采用固定坐標時間，所以可以測量很長的距離間隔。但實際測量最大距離受環境和傳感器本身工藝限制，在超聲波距離10 m以外，ADC采集回來的信號非常微弱。

由于本次設計重點不在信號處理本身，而是實現方案。雖然采用了多個方位的傳感器，但在實驗室測試只針對其中一個方向傳感器做數據監測處理。這樣更有利于分析超聲波傳感器在單一變量下的數據測量情況，如表2為單一方位測量的數據。

表2　超聲波雷達測量數據

由數據所得，實際距離S<0.1 m,其誤差為20 cm>17 cm。隨著距離增長，累計誤差也在增加，當超過10 m測量距離時,傳輸回的放大器處理信號微弱，其產生誤差已經達到17.8%以上。本系統是安全距離預警系統，在遠距離的數據精度上滿足要求。

當汽車開始啟動后，分別考慮行駛和泊車這兩種條件。在泊車過程中，車速非常慢所以只需要全方位預警雷達極限檢測距離S。隨著與障礙物距離拉近，預警提示就越頻繁[9]。

在行駛過程中，小車經典模型D=K×S×V，K為設置比較率，取值范圍為0～0.9之間。D(m)最終為預警參數,V/(m/s)為車輛當前速度，同時設置預警強度參數m(30%，50%，90%)，最終建立比較模型閾值D×m。處理汽車防撞安全距離的相關數據和技術都比較成熟，本文只是提供一種設計方案與思路[10]。最終正常行駛抬頭顯示器顯示車輛運行速度，達到預警強度比較閾值時就會產生報警提示。

結　語

本文主要討論一個基于低成本、便攜車身雷達抬頭顯示器的基本組成部分和設計思路。配合汽車CAN總線的OBD II預留接口，監測車身周圍距離信息，提供給駕駛人員實時預警值。可以清楚地將車身每一個方位的安全距離直觀投影到車載抬頭顯示器上，精準定位到車身角度安全距離參數，為駕駛人員提供駕駛或泊車過程預警。

[1] 王興,秦齊．車載平視顯示技術[D]．長春：長春理工大學，2014．

[2] 鐘一鳴．車輛信息采集系統設計[D]．杭州：杭州電子科技大學，2014．

[3] 林昱宏.反射式光學系統之設計與應用: 雙焦系統與汽車抬頭顯示器系統[D]．臺北: 臺灣大學電機資訊學院光電工程學研究所，2011．

[4] 孟磊．基于OBD II的車載遠程故障診斷系統設計[D]．武漢：武漢理工大學，2012．

[5] 徐輝，李英祥，余樂韜．車載診斷系統OBD II的汽車接口數據處理技術[D]．成都：成都信息工程大學，2017．

[6] 黃燦勝，盤世準，黃露. 基于 AT89S52 單片機超聲波測距器的設計與制作[J]. 南寧師范高等專科學校學報，2009，26(1)：141-143.

[7] 李軍,申俊澤.超聲測距模塊HC-SR04的超聲波測距儀設計[J].單片機與嵌入式系統應用,2011(10).

[8] 聶瓊，嚴云煒，秦明明，等．基于溫度補償的超聲波精準測距智能車的設計[D]．蘇州：蘇州農業職業技術學院，2017．

[9] 郭清.基于STC89C52的超聲波測距防撞系統設計[J].儀表技術與傳感器，2011(6).

[10] 韓星.基于毫米波雷達的汽車主動防撞預警目標識別[D].長春：吉林大學，2013.

陳星旭(碩士)，主要研究方向為車輛電子、單片機嵌入式系統。