寧志剛 楊 玲 楊保柱 賈振江

(南華大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001)

0 引言

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和汽車數(shù)量的增加，交通安全已成為我國亟待解決的問題之一[1]。相當(dāng)一部分汽車碰撞事故是由于倒車時汽車后視能力不良造成的。目前，用于輔助司機倒車的裝置主要由倒車觀后鏡、后視倒車攝像系統(tǒng)及倒車雷達系統(tǒng)組成[2]。倒車雷達系統(tǒng)具有可全天候工作、成本低和結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，能較好地輔助司機倒車。

由于汽車電子部件數(shù)量的增加，傳統(tǒng)的點對點、長布線、多線束連接和RS-485串行通信方式已不能滿足現(xiàn)代汽車分布式電子系統(tǒng)實時控制的要求，網(wǎng)絡(luò)化控制已經(jīng)成為汽車電氣化的一種發(fā)展趨勢[3－4]。自20世紀80年代起，集成電路和微處理器在汽車制造中得到廣泛應(yīng)用。基于數(shù)據(jù)通信的現(xiàn)場總線技術(shù)，為汽車提高性能和減少線束數(shù)量提供了有效的解決途徑，使汽車網(wǎng)絡(luò)化控制成為可能[5]。本文運用超聲波測距技術(shù)，結(jié)合C-MBUS總線通信協(xié)議標準，設(shè)計了倒車雷達系統(tǒng)。

1 C-MBUS總線倒車雷達系統(tǒng)

C-MBUS總線系統(tǒng)是一種低成本、一點對多點的總線通信系統(tǒng)。它具有以下幾個優(yōu)點。

①總線通信系統(tǒng)具有高速穩(wěn)定的通信速率，在4.8 kB/s的通信速率時可達到2.4 km的可靠通信距離，在可靠通信距離內(nèi)，具有多達400個節(jié)點的容量;

②通過C-MBUS總線可向末端設(shè)備提供4 mA的工作電流，可采用串型、星型、交叉等方式進行布線;具有極低的靜態(tài)功耗，靜態(tài)功耗低于180 μA，典型值為150 μA;

③使用普通雙絞線，采用無極性二線制安裝接線，隔離設(shè)備可保證在遭雷擊時可靠工作;

④具有恒流的電流環(huán)通信方式，抗干擾性強;

⑤具有設(shè)備自動登錄功能，可容納多種設(shè)備，預(yù)留多種通信協(xié)議，擴展方便;

⑥通過總線可向從設(shè)備提供500 mA電流;

⑦同時提供配套的主站專用集中控制芯片CMT100，此芯片可與計算機RS-232、RS-485等接口連接，系統(tǒng)兼容性及擴展性好，芯片成本低。

總線系統(tǒng)包含5個電控單元，分別是倒車雷達模塊、電動門窗控制模塊、燈光照明控制模塊、座椅調(diào)節(jié)控制模塊和空調(diào)控制模塊。車載C-MBUS總線系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 車載C-MBUS總線系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖Fig.1 Network architecture of vehicle-loaded C-MBUS bus system

圖1中，倒車雷達模塊包括雷達數(shù)據(jù)采集模塊和顯示報警模塊。其中，雷達數(shù)據(jù)采集模塊用來實時采集障礙物的距離和方位;顯示報警模塊用來顯示障礙物的距離和方位，并采用聲音和語音進行報警。通過中央處理器，系統(tǒng)實現(xiàn)人機交互。中央處理器通過C-MBUS總線，能夠與總線網(wǎng)絡(luò)中各個模塊進行通信，從而控制各個模塊的工作?？偩€隔離器的作用是當(dāng)其所在支路發(fā)生短路時，自動斷開該支路，而其他支路照常工作。支路采用普通雙絞線。

在倒車雷達系統(tǒng)中，雷達模塊采用成都國騰微電子公司生產(chǎn)的GM3101倒車雷達專用控制芯片。GM3101提供4路超聲波探頭接口，最大輸出距離為3.15 m，輸出精度為0.05 m。超聲波探頭驅(qū)動采用分時順序的驅(qū)動方式，探頭發(fā)送和接收中心頻率為40 kHz的超聲波信號[6]。雷達模塊根據(jù)接收和發(fā)送信號的時間差，利用聲速溫度補償法計算障礙物的距離，輸出相應(yīng)報警信號，報警信號編碼后采用雙線差分串行輸出方式。輸出信號的內(nèi)容包括各探頭檢測到的最近障礙物的距離值、障礙物距離的危險等級和障礙物的方位。報警信號在C-MBUS總線網(wǎng)絡(luò)中進行通信。串口擴展電路是以GM8123芯片為核心的電路，可將1個全雙工的標準串口擴展成3個標準串口，可通過外部引腳控制串口擴展模式(單通道工作模式或多通道工作模式)。

語音提示電路選用ISD4004-08芯片來實現(xiàn)。該芯片采用多電平直接模擬量存儲技術(shù)，每個采樣值可直接存儲在片內(nèi)閃爍存儲器中。這種E2PROM存儲方法可以將模擬數(shù)據(jù)直接寫入單個存儲單元，而不需要進行A/D或D/A轉(zhuǎn)換。這些語音提示信號包括左側(cè)、右側(cè)、左后、右后、后面、倒車安全、倒車小心、倒車危險、緊急制動和扒車等信號，這些語音提示信號對應(yīng)的首地址分別為0020H、0040H、0060H、0080H、00A0H、00C0H、00E0H、0100H、0120H和0140H。當(dāng)系統(tǒng)確定最近障礙物距離值時，可通過軟件查表的方式查找出與最近障礙物距離值相對應(yīng)的語音提示首地址，然后送入ISD4004-08的串行通信SPI接口。ISD4004-08根據(jù)接收到的信號進行語音提示，并采用蜂鳴器進行聲音報警，利用蜂鳴器發(fā)出不同頻率的“嘀”聲，以提示車尾與障礙物距離的危險程度。

2 C-MBUS總線通信接口電路

CMT100是C-MBUS總線控制端通信專用集成電路，具有數(shù)字通信的調(diào)制解調(diào)、總線控制、總線電源供給和總線故障檢測功能。為增加系統(tǒng)的抗干擾能力，控制器應(yīng)將總線驅(qū)動與單片機系統(tǒng)隔離，TXD、RXD收發(fā)控制信號經(jīng)光耦隔離傳送給CMT100芯片。系統(tǒng)采用15～30 V電源，設(shè)備供電電源根據(jù)通信距離進行決定。

CMT001是C-MBUS總線設(shè)備端通信專用集成電路，具有數(shù)字通信的調(diào)制解調(diào)、總線極性識別和低功耗線性穩(wěn)壓等功能，其通信接口電路如圖2所示。

圖2 CMT001通信接口電路Fig.2 CMT001 communication interface circuit

圖2中，總線信號通過整流橋直接輸入CMT001芯片，RXD、TXD信號通過光耦隔離傳送給單片機，無極性雙向電路由4個二極管組成的電路實現(xiàn)，入口處5 Ω電阻用于電路過流保護。C-MBUS總線信號通過隔離二極管D6和R10給CMT001芯片8腳VCC供電，其他串聯(lián)電阻值及濾波電容值由電路的電流大小決定。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

倒車雷達系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括顯示報警模塊和雷達數(shù)據(jù)采集模塊2部分。顯示報警模塊包括語音提示、蜂鳴器報警和LCD顯示這2個模塊。STC12C5A60S2單片機雷達數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計主要包括接收數(shù)據(jù)程序設(shè)計和發(fā)送數(shù)據(jù)程序設(shè)計2部分。圖1所示的雷達數(shù)據(jù)采集模塊中的STC12C5A60S2單片機和串口擴展電路GM8123經(jīng)初始化后，利用STC12C5A60S2單片機串口0接收雷達模塊傳送過來的數(shù)據(jù)。STC12C5A60S2單片機對接收到的數(shù)據(jù)進行比較，決定傳送最小的距離數(shù)據(jù)。STC12C5A60S2單片機判斷接收到的數(shù)據(jù)是否滿足發(fā)送條件，若滿足條件，則置發(fā)送就緒標志位為1。發(fā)送數(shù)據(jù)子程序發(fā)現(xiàn)發(fā)送就緒標志位為1，則根據(jù)通信協(xié)議把數(shù)據(jù)包裝成數(shù)據(jù)幀，然后通過STC12C5A60S2單片機串口1發(fā)送給CMT001通信接口電路。滿足發(fā)送條件的最小距離數(shù)據(jù)，通過C-MBUS總線傳送給顯示報警模塊。STC12C5A60S2單片機的數(shù)據(jù)采集程序流程圖如圖3所示。顯示報警程序流程略。

圖3 數(shù)據(jù)采集程序流程圖Fig.3 Flowchart of data acquisition program

4 LCD液晶顯示

LCD模塊用來顯示最近障礙物距離值、汽車圖形和超聲波發(fā)射波形圖形，形象直觀。通過字模、圖形模的取模工具，字符、汽車與超聲波波形圖像將直接轉(zhuǎn)換為處理器能夠識別的匯編語言或C語言代碼，將需要顯示的代碼集中在一起，即建立了要顯示內(nèi)容的代碼庫[7]。在顯示過程中，只要調(diào)用這些代碼庫中的代碼，就可以顯示最近障礙物距離值、汽車圖形和超聲波發(fā)射波形圖。

5 結(jié)束語

本文介紹的倒車雷達系統(tǒng)通過C-MBUS總線，將倒車雷達系統(tǒng)融入汽車數(shù)字化信息管理平臺，滿足了汽車控制信息化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的要求。系統(tǒng)采用超聲波測距，對障礙物距離和方位進行實時分級語音提示、蜂鳴報警和直觀顯示，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、測量精度高等特點。本系統(tǒng)是C-MBUS總線又一例成功應(yīng)用，采用本系統(tǒng)，能有效減少倒車時汽車碰撞事故。

[1]卞利云.基于CAN總線的汽車超聲蠅眼系統(tǒng)研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2008.

[2]湯一平，周宗恩.基于全方位視覺傳感器倒車輔助裝置的設(shè)計[J].計算機測量與控制，2008，16(5)：701 －704.

[3]盧雷.CAN總線汽車車身控制系統(tǒng)通信的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2009.

[4]吳紅星，柴鳳，程樹康.基于CAN總線的混合動力汽車通訊系統(tǒng)工程應(yīng)用[J].微電機，2007，40(12)：68 －71.

[5]千承輝，蘇建，劉玉梅.現(xiàn)場總線技術(shù)在汽車檢測線上的應(yīng)用[J].公路交通科技，2006，23(2)：151 －153，157.

[6]侯濤，劉金魁.超聲波在破碎機顎腔寬度檢測中的應(yīng)用研究[J].礦山機械，2010，38(7)：72 －74.

[7]李偉，周鳳星.點陣式LCD在電磁閥檢測儀中的應(yīng)用[J].液晶與顯示，2010，25(1)：114－119.