裝配圖倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)
裝配圖倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì),裝配,倒車,雷達(dá),系統(tǒng),研究,鉆研,設(shè)計(jì)
摘要
倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)
專業(yè):電子信息科學(xué)與技術(shù)
本科生:駱世剛
指導(dǎo)教師:吳筠
摘 要
汽車倒車?yán)走_(dá)是針對(duì)當(dāng)前公路、街道、停車場(chǎng)、車庫(kù)等越來(lái)越擁擠，加上存在視覺盲區(qū)，無(wú)法看見車后的障礙物，司機(jī)在倒車時(shí)很容易刮傷汽車，甚至發(fā)生事故的情況而出現(xiàn)的一種旨在倒車防護(hù)的汽車防撞系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠在汽車以較低的速度進(jìn)行倒車的過程中，識(shí)別出車后部的障礙物，并能夠測(cè)量車與障礙物之間的距離，在車輛與障礙物發(fā)生碰撞前，發(fā)出聲光報(bào)警，提醒司機(jī)剎車。本設(shè)計(jì)從實(shí)驗(yàn)研究分析的角度，分析了超聲波測(cè)距原理以及國(guó)內(nèi)外此類汽車倒車?yán)走_(dá)存在的問題，提出了目前最簡(jiǎn)單、實(shí)用的一種倒車?yán)走_(dá)實(shí)現(xiàn)方案，即基于成都國(guó)騰微電子公司GM3101倒車?yán)走_(dá)芯片為核心的超聲波測(cè)距倒車?yán)走_(dá),該芯片功能集成度高，外圍只需接上超聲波傳感器和功率器件就可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)功能，也不需要軟件編程。同時(shí)設(shè)計(jì)中圍繞目前呼聲很高的汽車電器網(wǎng)絡(luò)化實(shí)現(xiàn)，提出倒車?yán)走_(dá)數(shù)據(jù)基于新型總線XY-CN BUS的傳遞方案。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用了模塊設(shè)計(jì)思想，簡(jiǎn)化了調(diào)試工作量，最終很好完成了超聲波測(cè)距倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)及系統(tǒng)調(diào)試。
關(guān)鍵詞：汽車倒車?yán)走_(dá) 超聲波 GM3101芯片 XY-CNBUS 汽車電器網(wǎng)絡(luò)化
Ⅰ
Abstract
Abstract
Automobile Reversing Radar (‘ARR’) is a protection system which appeared in the condition of that the cars are scratched easily, even some of the accidents happen when drivers reverse, for the reason of that the current highway, street, parking lots and garages are getting more crowded, and the drivers are unable to see obstacles behind the vehicle because of the existence of visual blind spots, aimed at prevent a car crash when reversing. The reversing radar system, which can recognize the barrier at the back of car when the vehicles reverse at a low speed, and is capable of measuring the distance between the vehicle and obstacles, warned the drivers to brake at the way of sound and light, before the collision occurred. The design analyzes how the ultrasonic measure distance and what the problem of the other automobile reversing radars which have appeared at home and abroad are, from the perspective of research and analysis. Then introducing the most simple and practical way at present to make the ARR, that is, the ARR based in the GM8101 chip which produced in ChengDuGuoTeng Microelectronics Company. The chip is integrated highly, can function as a whole system by only connecting to external ultrasonic sensor and power device, and does not require software programming. Meanwhile, as the research about realizing the vehicle electrical network is becoming more and more popular today, a program that the data of the ARR is transferred in a new kind of bus called as XY-CN. A modular design concept was used at the process of designing the system, it simplifies the debugging workload. Ultimately, hardware design, software design and system debugging about the ARR was completed very well.
Keywords：Automobile Reversing Radar ultrasonic GM3101 XY-CN BUS realization of the vehicle electrical network
Ⅱ
目錄
目 錄
中文摘要 Ⅰ
Abstract Ⅱ
目 錄 Ⅲ
第一章 緒論 1
1. 1 研究背景 1
1. 2 發(fā)展概況和當(dāng)前存在的問題 1
1. 2. 1 發(fā)展概況 1
1. 2. 2 當(dāng)前存在的問題 4
1. 3 本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容和目的 5
第二章 系統(tǒng)相關(guān)理論與結(jié)構(gòu) 6
2. 1 超聲波的測(cè)距基本原理 6
2. 2 XY-CN總線介紹 7
2. 2. 1 概述 7
2. 2. 2 系統(tǒng)由來(lái) 8
2. 2. 3 XY-CN BUS型總線特點(diǎn) 9
第三章 硬件設(shè)計(jì)及調(diào)試 11
3. 1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 11
3. 2 GM3101芯片 12
3. 2. 1 概述 12
3. 2. 2 工作特征 12
3. 2. 3 封裝及引腳功能說明 13
3. 2. 4 芯片具體功能及應(yīng)用 13
3. 3 XY-CN BUS專用數(shù)字通訊芯片 15
3. 3. 1 CMT001芯片 15
3. 3. 2 CMT001芯片應(yīng)用參考電路 16
3. 3. 3 CMT100芯片 17
3. 3. 4 CMT100 芯片應(yīng)用參考電路 17
3. 4 系統(tǒng)電路解析及工作原理 18
3. 4. 1 上位機(jī)電路解析 18
3. 4. 2 下位機(jī)電路解析 22
3. 4. 3 工作原理 24
3. 5 實(shí)驗(yàn)安裝及調(diào)試 24
Ⅲ
目錄
3. 5. 1 焊接 24
3. 5. 2 調(diào)試過程及方法 25
第四章 軟件設(shè)計(jì)及調(diào)試 27
4. 1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)整體介紹 27
4. 2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì) 28
4. 2. 1 上位機(jī)程序主流程圖 28
4. 2. 2 雷達(dá)模塊程序設(shè)計(jì) 29
4. 2. 3 上位機(jī)接收數(shù)據(jù)程序設(shè)計(jì) 30
4. 2. 4 上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)程序設(shè)計(jì) 30
4. 3 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì) 32
4. 3. 1 下位機(jī)程序主流程圖 33
4. 3. 2 下位機(jī)接收數(shù)據(jù)程序設(shè)計(jì) 34
4. 3. 3 LCD液晶顯示程序設(shè)計(jì) 35
4. 4 軟件調(diào)試簡(jiǎn)介 35
第五章 系統(tǒng)可擴(kuò)展部分 37
結(jié)束語(yǔ) 38
主要參考文獻(xiàn) 39
致謝詞 40
Ⅳ
第一章 緒論
第一章 緒論
1.1 研究背景
隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，城市汽車數(shù)量迅速增加。尤其是近幾年來(lái)，我國(guó)開始進(jìn)入私家車時(shí)代，汽車的數(shù)量更是逐年增加，造成公路、街道、停車場(chǎng)、車庫(kù)等越來(lái)越擁擠。汽車駕駛員越來(lái)越擔(dān)心車的安全了，其中倒車就是一個(gè)典型問題。由于存在視覺盲區(qū)，無(wú)法看見車后的障礙物，司機(jī)在倒車時(shí)很容易刮傷汽車，甚至發(fā)生事故。為了減少因此帶來(lái)的損失，需要有一種專門的輔助裝置幫助司機(jī)安全倒車。目前用于輔助司機(jī)倒車的裝置主要有：語(yǔ)音告警裝置、后視系統(tǒng)以及倒車?yán)走_(dá)等。語(yǔ)音告警裝置用于播放提示語(yǔ)以提醒車后的行人注意避讓正在倒車的汽車。這種裝置價(jià)格便宜，使用方便，其缺點(diǎn)是只能對(duì)車后的行人起告警作用，對(duì)于其他障礙物則不起作用，所以其應(yīng)用范圍有限。后視系統(tǒng)是由視頻捕捉裝置和視頻播放裝置組成，通過后視系統(tǒng)司機(jī)可以直觀地看到車后的障礙物，消除視覺盲區(qū)。由于這類裝置的價(jià)位較高，目前還沒有普遍推廣使用。本文設(shè)計(jì)分析的基于新型總線和IC的汽車倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)即是根據(jù)這一實(shí)際情況而應(yīng)運(yùn)而生的，具有非常高的性價(jià)比。系統(tǒng)運(yùn)用微計(jì)算機(jī)技術(shù)與超聲波的測(cè)距技術(shù)、傳感器技術(shù)等的交叉融合，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過液晶顯示障礙物與汽車的距離，并根據(jù)其距離遠(yuǎn)近實(shí)時(shí)發(fā)出報(bào)警等級(jí)。但其主流產(chǎn)品僅僅是獨(dú)立的控制單元, 無(wú)法與汽車數(shù)字化信息平臺(tái)接軌。圍繞汽車電器網(wǎng)絡(luò)化實(shí)現(xiàn)倒車?yán)走_(dá)數(shù)據(jù)總線傳遞信息共享, 具有良好的發(fā)展前景。本文應(yīng)用的新型總線結(jié)構(gòu)XY-CN總線即能很好完成網(wǎng)絡(luò)化的重要任務(wù)。
1.2 發(fā)展概況和當(dāng)前存在的問題
1.2.1 發(fā)展概況
經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，推動(dòng)著交通運(yùn)輸業(yè)朝行駛高速化，車流密集化和駕駛非職業(yè)化的方向發(fā)展。同時(shí)，汽車的生產(chǎn)量和保有量都在急劇增加。但相應(yīng)的公路管理，交通管理系統(tǒng)卻相對(duì)比較落后，由此造成的事故頻繁發(fā)生，在一些大城市尤為突出。智能交通系統(tǒng)ITS（Intelligent Transportation System）是當(dāng)前國(guó)際各個(gè)國(guó)家共同關(guān)注的交通管理的前沿技術(shù)，它在充分發(fā)揮現(xiàn)有的交通基礎(chǔ)設(shè)施潛能，提高工作效率，增強(qiáng)交通安全性，改善環(huán)境方面已取得卓越成效，很多國(guó)家都很重視相關(guān)項(xiàng)目的開發(fā)。中國(guó)也已開始進(jìn)入相關(guān)技術(shù)的研究開發(fā)，倒車?yán)走_(dá)技術(shù)是ITS中的一項(xiàng)重要研究，它的成功與否與ITS有著相當(dāng)緊密的關(guān)系。
（1） 雷達(dá)分類
目前，很多科研機(jī)構(gòu)已對(duì)汽車?yán)走_(dá)技術(shù)進(jìn)行深入開發(fā)，國(guó)內(nèi)外也已有相應(yīng)的產(chǎn)品。經(jīng)過總結(jié)分析，按照工作方式分主要有激光、超聲波、紅外、毫米波等一些測(cè)量方法[1]，它們的工作原理雖然不完全一樣，但最終作用都是通過不同的探測(cè)方法判斷車后方障礙物與本車的相對(duì)距離，并根據(jù)程序中定義好的危險(xiǎn)等級(jí)做出相應(yīng)的預(yù)防措施。下面簡(jiǎn)要分析一下幾種方式的特點(diǎn)：
激光方式：激光具有高定向性，能以定向的光束無(wú)發(fā)散地直線向前傳播；單色性好，它可以達(dá)到的亮度比太陽(yáng)光還高幾百億倍；相干性好，激光的頻率、振動(dòng)方向、相位高度一致。因此激光波束近似直線性，很少擴(kuò)散，波束能量集中，傳輸距離較遠(yuǎn)。但它在對(duì)氣候的適應(yīng)能力方面具有局限性，因?yàn)榧す鉁y(cè)距方式受惡劣天氣、汽車激烈震動(dòng)、發(fā)射鏡表面磨損、污染等因素影響，則探測(cè)距離減少二分之一至三分之一,降低了實(shí)用精度，所以在汽車倒車?yán)走_(dá)領(lǐng)域激光測(cè)距方式?jīng)]有得到很好發(fā)展。
紅外線方式：紅外線可以人為制造,自然界中也廣泛存在,一般的生物都會(huì)輻射出紅外線,體現(xiàn)出來(lái)的宏觀效應(yīng)就是熱度。 紅外線透視和夜視是分別利用了紅外線的不同性質(zhì)。紅外線測(cè)距系統(tǒng)成本低廉，但是容易受到天氣和路邊等物體干擾的影響，在惡劣的天氣與環(huán)境下探測(cè)距離仍然不能滿足要求。
毫米波方式：毫米波是微波的一個(gè)波段，頻率在30－300G,相應(yīng)波長(zhǎng)為1－10mm。毫米波電子系統(tǒng)具有如下特性: 小天線孔徑具有較高的天線增益; 高跟蹤精度和制導(dǎo)精度; 不易受電子干擾; 低角跟蹤時(shí)多徑效應(yīng)和地雜波干擾小; 多目標(biāo)鑒別性能好; 雷達(dá)分辨率高; 大氣衰減“諧振點(diǎn)”可作保密傳輸。但其價(jià)格昂貴，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。
超聲波方式：超聲波是頻率大于20 kHz 的聲波, 具有方向性強(qiáng)、能量衰減緩慢、在介質(zhì)中轉(zhuǎn)播距離遠(yuǎn)等特點(diǎn),用于測(cè)距計(jì)算方法簡(jiǎn)單, 常用于非接觸式距離測(cè)量, 其傳感器種類較多,由于超聲波指向性強(qiáng)，在傳輸過程中能量損耗緩慢，反射能力強(qiáng)，經(jīng)常被用于距離的測(cè)量。由于超聲波測(cè)距的探測(cè)距離較短，主要用于倒車?yán)走_(dá)等近距離測(cè)距。
汽車?yán)走_(dá)按照其測(cè)距的方向可分為倒車?yán)走_(dá)和前置雷達(dá)。倒車?yán)走_(dá)主要針對(duì)當(dāng)前在擁擠的街道、停車場(chǎng)以及人群當(dāng)中倒車時(shí)時(shí)有發(fā)生的倒車碰撞事故而設(shè)計(jì)的。它是在汽車以較低速度倒車行駛時(shí)，周期內(nèi)不停檢測(cè)車后障礙物到車的距離，當(dāng)達(dá)到一定危險(xiǎn)距離時(shí)即時(shí)給予司機(jī)以聲與光的形式的警告。由于倒車?yán)走_(dá)檢測(cè)距離比較短，可選擇紅外線和超聲波，而本文就是對(duì)超聲波倒車?yán)走_(dá)的具體分析研究。
目前，很高汽車生產(chǎn)商已經(jīng)開始在生產(chǎn)的汽車當(dāng)中加入超聲波倒車?yán)走_(dá)，一些汽車維護(hù)部門已引進(jìn)了這方的修理維護(hù)技術(shù)。例如德國(guó)寶馬公司所配置的倒車?yán)走_(dá)如下圖1-1所示：
圖1-1.寶馬汽車上的超聲波傳感器
（2） 汽車電器網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展
隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展及汽車性能的不斷提高, 汽車上的電子裝置越來(lái)越多。傳統(tǒng)的電器系統(tǒng)大多采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的單一通信方式, 相互之間很少有聯(lián)系, 這樣必然造成龐大的布線系統(tǒng)。目前, 國(guó)外許多整車制造廠和汽車電器制造廠家在整車管理系統(tǒng)中采用了網(wǎng)絡(luò)技術(shù), 如CAN、VAN 和SA EJ 1850 等,其中CAN 的使用較為廣泛。CAN 總線是德國(guó)Bosch 公司于20 世紀(jì)80 年代初提出的, 它將汽車上各種信號(hào)的接線只用2 根簡(jiǎn)潔的電纜線取代, 汽車上的各種電子裝置通過CAN 控制器掛到這2 根電纜上, 設(shè)備之間利用電纜進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊和數(shù)據(jù)共享, 從而大大減少了汽車上的線束[2]。而本文引用到的XY－CN BUS是一種低成本的、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的總線通訊系統(tǒng)，具有通訊設(shè)備容量大（硬件400點(diǎn)）、通訊速率高（9600bps）、成本低、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、布線簡(jiǎn)便（無(wú)極性可任意分支，普通雙絞線）、抗干擾能力強(qiáng)、通過總線可提供高達(dá)800mA電源的特點(diǎn)。系統(tǒng)具有自動(dòng)登錄功能，此功能可完成設(shè)備的自動(dòng)登錄、結(jié)點(diǎn)中斷報(bào)警等雙向可中斷的先進(jìn)的通訊功能?？偩€隔離設(shè)備具有總線故障隔離性能，保證部分總線發(fā)生故障時(shí)，其它部分仍然正常通訊。以該芯片為核心構(gòu)成的總線通訊系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于智能家庭控制網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制、消防報(bào)警及聯(lián)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、小區(qū)智能化控制網(wǎng)絡(luò)、三表集抄、中央空調(diào)控制系統(tǒng)等。
1.2.2 當(dāng)前存在的問題
超聲波倒車?yán)走_(dá)運(yùn)用超聲波測(cè)距原理結(jié)合單片機(jī)或IC的智能技術(shù)作為一種汽車倒車安全輔助裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、智能判斷不受可見光限制等特點(diǎn)應(yīng)用到了轎車當(dāng)中，但現(xiàn)有的倒車?yán)走_(dá)還仍然存在如下一些問題[3]：
（1）最大有效探測(cè)距離的問題偏小，等到報(bào)警后再減速就很緊張，感到預(yù)警時(shí)間不充足；
（2）多數(shù)成品倒車?yán)走_(dá)的顯示速度因?yàn)榭紤]到抗干擾等因素，顯示更新的速度約0.2－0 4 s，算上從倒車?yán)走_(dá)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)到發(fā)出警報(bào)將需要1-2s，這時(shí)車已經(jīng)行使了一段距離，這顯然存在反應(yīng)遲鈍；
（3）多數(shù)倒車?yán)走_(dá)的超聲波傳感器2－3個(gè)，單個(gè)傳感器的水平探測(cè)角度約60－70度，這樣勢(shì)必造成2－3個(gè)盲區(qū)，如圖1-2所示，而增加傳感器的個(gè)數(shù)不但增加成本，而且提高故障率；
（4）以往關(guān)于倒車?yán)走_(dá)的研究都采用的是部容易購(gòu)買到的專用元件作為附加電路，使其難以推廣；
（5）主流產(chǎn)品僅僅是獨(dú)立的控制單元, 無(wú)法與汽車數(shù)字化信息平臺(tái)接軌，同時(shí)由于客觀條件的限制, 目前我國(guó)的整車制造廠和汽車電子電器廠幾乎沒有涉及到汽車電器網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計(jì)的領(lǐng)域，選擇一個(gè)合理的總線實(shí)現(xiàn)汽車電器的網(wǎng)絡(luò)化非常必要[4] 。
圖1-2. 三只雷達(dá) 兩只雷達(dá)
1.3 本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容和目的
課題的主要研究?jī)?nèi)容就是根據(jù)雷達(dá)測(cè)距的原理，選擇一塊集成度高的IC來(lái)完成超聲波脈沖測(cè)距的倒車?yán)走_(dá)。使它能夠在汽車以較低的速度進(jìn)行倒車的過程中，識(shí)別出車后部的障礙物，測(cè)量車與障礙物之間的距離并顯示出來(lái)，在發(fā)生碰撞前，對(duì)駕駛員發(fā)出報(bào)警。同時(shí)引入一種新型總線XY-CN BUS來(lái)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)的網(wǎng)絡(luò)通信。
本設(shè)計(jì)可望成為駕駛員特別是貨車以及公共汽車駕駛員的好幫手，可有效的減少和避免那些視野不良的大型汽車的如冷藏車、集裝箱車、垃圾車、食品車、載貨車、公共汽車等倒車交通事故，另外還特別適用于夜間輔助倒車、倒車入庫(kù)以及進(jìn)入停車場(chǎng)停車到位，本設(shè)計(jì)性能優(yōu)良，對(duì)提高我國(guó)汽車工業(yè)實(shí)際水平，具有較大的意義。
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第二章 系統(tǒng)相關(guān)理論與結(jié)構(gòu)
第二章 系統(tǒng)相關(guān)理論與結(jié)構(gòu)
2.1 超聲波測(cè)距基本原理
在物理世界中，人類能感應(yīng)到的波譜是聲波，即波源所激起的縱波的頻率在20Hz到20KHz之間，就能引起人的聽覺，在這一頻率范圍內(nèi)的振動(dòng)被稱為聲振動(dòng)。而頻率低于20Hz的機(jī)械波叫做次聲波。超聲波是頻率大于20 kHz 的波段, 具有方向性強(qiáng)、能量衰減緩慢、在介質(zhì)中轉(zhuǎn)播距離遠(yuǎn)等特點(diǎn),用于測(cè)距計(jì)算方法簡(jiǎn)單, 常用于非接觸式距離測(cè)量, 其傳感器種類較多。汽車上常用的是壓電式超聲波傳感器工作頻率40 kHz 且收發(fā)一體、結(jié)構(gòu)緊湊[5]。
一般超身波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)它的兩級(jí)外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波。超聲波測(cè)距的基本原理其實(shí)很簡(jiǎn)單，同聲納回聲定位法的原理是基本相同的，說得高級(jí)一些就是多普勒效應(yīng)，說得簡(jiǎn)單就是回聲效應(yīng)，當(dāng)我們?cè)谏焦壤?，朝?duì)面得山坡喊叫“我愛你”，一段很短時(shí)間后你會(huì)聽到從山谷里也傳來(lái)聲音“我愛你”。超聲波測(cè)距也時(shí)基于這種回音效應(yīng)，發(fā)生器不斷發(fā)射出40Hz超聲波，其總寬度為發(fā)射超聲波與接收超聲波的時(shí)間間隔，被測(cè)物距越遠(yuǎn)，脈沖寬度越大，輸出脈沖個(gè)數(shù)與被測(cè)距離成正比。超聲波測(cè)距的方法有多種，如相位檢測(cè)法、聲波幅值檢測(cè)法和往返時(shí)間檢測(cè)法等。相位檢測(cè)法雖然精度高，但檢測(cè)范圍有限；聲波幅值檢測(cè)法易受反射波的影響。本文選擇的成都國(guó)騰微電子公司生產(chǎn)的GM3101倒車?yán)走_(dá)專用控制芯片，它的設(shè)計(jì)采用的是超聲波往返時(shí)間檢測(cè)法，其測(cè)量原理圖如圖2-1所示：
其原理為：每個(gè)超聲波傳感器收發(fā)一體，在發(fā)射時(shí)刻，在超聲波發(fā)射器端輸入40KHZ沖串，同時(shí)開始計(jì)時(shí)，脈沖信號(hào)經(jīng)過超聲波內(nèi)部的振子，振蕩產(chǎn)生機(jī)械波，并通過空氣介質(zhì)傳播到被測(cè)面脈的，超聲波在介質(zhì)中傳播，途中碰到障礙物后反射回來(lái)，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波經(jīng)氣體介質(zhì)的傳播到返回到傳感器的時(shí)間，即為往返時(shí)間。往返時(shí)間與氣體介質(zhì)中的聲速相乘，就是聲波傳輸?shù)木嚯x。而所測(cè)距離為聲波傳輸距離的一半，
障
礙
物
傳感器
GM3103
IC
圖2-1. 超聲波測(cè)距模塊原理圖
其關(guān)系式可由公式（2-1）表示:
S=1/2×（c×t） （2-1）
（2-1）式中，S為待測(cè)距離，c為超波的聲速，t為往返時(shí)間。采用微處理器脈沖計(jì)數(shù)的方法，可以精確地測(cè)出t的值。假設(shè)微處理器的周期為T，則t=N*T，則探測(cè)距離可由公式（2-2）表示:
S=1/2×(c×t)=1/2×(c×NT) （2-2）
2.2 XY-CN BUS總線介紹
2.2.1 概述
XY-CN BUS是一種低成本的、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的總線通訊系統(tǒng)，具有通訊設(shè)備容量大（硬件400點(diǎn)）、通訊速率高（9600bps）、成本低、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、布線簡(jiǎn)便（無(wú)極性可任意分支，普通雙絞線）、抗干擾能力強(qiáng)、通過總線可提供高達(dá)800mA電源的特點(diǎn)。系統(tǒng)具有自動(dòng)登錄功能，此功能可完成設(shè)備的自動(dòng)登錄、結(jié)點(diǎn)中斷報(bào)警等雙向可中斷的先進(jìn)的通訊功能?？偩€隔離設(shè)備具有總線故障隔離性能，保證部分總線發(fā)生故障時(shí)，其它部分仍能正常通訊。以該芯片為核心構(gòu)成的總線通訊系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于智能家庭控制網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制、消防報(bào)警及聯(lián)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、小區(qū)智能化控制網(wǎng)絡(luò)、三表集抄、中央空調(diào)控制系統(tǒng)和汽車電器化網(wǎng)絡(luò)等。
2.2.2 系統(tǒng)由來(lái)
近年來(lái)，隨著各種電子設(shè)備的發(fā)展，越來(lái)越需要進(jìn)行對(duì)低端電子設(shè)備的低成本聯(lián)網(wǎng)管理，這些設(shè)備的數(shù)量多信息少但要求較快的反應(yīng)速度。雖然各種高速通訊網(wǎng)絡(luò)迅速發(fā)展并得以應(yīng)用，但對(duì)于低端設(shè)備，其接口顯然復(fù)雜而昂貴，功耗大、備電功能使用復(fù)雜更使其不能使用于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制。過去多年來(lái)，485技術(shù)仍然主導(dǎo)著這一技術(shù)領(lǐng)域，但其顯然已經(jīng)不能滿足目前的低功耗、高可靠、非規(guī)則布線、大容量等網(wǎng)絡(luò)要求。
RS485在應(yīng)用過程中存在以下問題：
（1） RS485的通訊設(shè)備容量少，理論上最多容許接入量不超過128個(gè)設(shè)備，這顯然不適用以樓宇等為結(jié)點(diǎn)的多用戶容量要求。
（2）RS485的通訊速率低，并且其速率與通訊距離有直接關(guān)系，當(dāng)達(dá)到數(shù)百米以上通訊距離時(shí)，其可靠通訊速率<1200bps，這使得大量結(jié)點(diǎn)的通訊速度非常低。
43
（3）RS485只能提供非隔離的通訊方式，而該方式不能應(yīng)用與長(zhǎng)距離戶外通訊，如設(shè)計(jì)為隔離方式則需要隔離電源，這使得系統(tǒng)成本較高。
（4）485方式不能給下接的設(shè)備供電，設(shè)備需要單獨(dú)解決供電問題。
（5）485芯片功耗較大，靜態(tài)功耗達(dá)到2-3mA（最先進(jìn)的芯片），工作電流（發(fā)送）達(dá)到20mA，這增加了線路電壓降，不利于備電系統(tǒng)的使用及遠(yuǎn)程布線。
（6）長(zhǎng)距離通訊時(shí)485芯片容易損壞。
（7） 以485構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)只能以串行布線，不能構(gòu)成星形等任意分支，而串行布線對(duì)于實(shí)際布線設(shè)計(jì)及施工造成很大難度，不遵循串行布線規(guī)則又將大大降低通訊的穩(wěn)定性。
（8）由于485自身的電性能決定了其在實(shí)際工程應(yīng)用中穩(wěn)定性較差，并且多節(jié)點(diǎn)、長(zhǎng)距離的調(diào)試需要對(duì)線路進(jìn)行阻抗匹配等調(diào)試工作，大量安裝時(shí)調(diào)試工作復(fù)雜。
美國(guó)TI公司的MBUS和中國(guó)曦陽(yáng)公司的XY-CN BUS總線通訊方式解決了以上所有缺點(diǎn)，同時(shí)具有的總線供電模式，其中斷報(bào)警并自動(dòng)上傳的功能又很適用于實(shí)時(shí)性要求高的應(yīng)用，如家庭智能化控制、消防報(bào)警系統(tǒng)總線等，而XY-CN BUS總線又比M-BUS具有更高的結(jié)點(diǎn)容量，更遠(yuǎn)的通訊距離，更低的功耗， 同時(shí)XY-CN BUS具有通過總線可為節(jié)點(diǎn)設(shè)備提供更大的可變供電電流的明顯技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
目前曦陽(yáng)公司已經(jīng)將該系統(tǒng)應(yīng)用與智能家居的系統(tǒng)控制，為發(fā)展自己的家庭智能化控制系統(tǒng)，推出XY?CN BUS總線通訊系統(tǒng)及其專用芯片XY001、XY100，該芯片經(jīng)多年的應(yīng)用實(shí)踐證明，其成本低、穩(wěn)定性好、應(yīng)用技術(shù)層面低，它不僅具備了485及MBUS總線所有的優(yōu)點(diǎn)，又有其獨(dú)特性能，十分適于在實(shí)時(shí)總線控制系統(tǒng)以及需要二線制、總線供電的通訊系統(tǒng)中應(yīng)用推廣。應(yīng)用該公司的《XY-CN BUS總線規(guī)約》該系統(tǒng)在256個(gè)節(jié)點(diǎn)的通訊系統(tǒng)上，任意節(jié)點(diǎn)上報(bào)事件時(shí)間小于100mS。國(guó)內(nèi)諸多大型水、電、氣、熱表以及樓宇自動(dòng)化等企業(yè)已采用或擬采用XY-CN BUS總線通訊技術(shù)。
2.2.3 XY-CN BUS型總線特點(diǎn)
（1）高速穩(wěn)定的通訊速率，在4.8kb/s 的通訊速率時(shí)可達(dá)到2.0Km的可靠通訊距離；
（2）在4.8kb/s、2.0Km的可靠通訊距離時(shí)，可有多達(dá)400個(gè)節(jié)點(diǎn)的容量；
（3）通過XY·CN BUS總線可向末端設(shè)備提供4mA工作電流；
（4）允許串型、星型等任意接線分支的布線方式；
（5）極低的靜態(tài)功耗，低于150uA,典型值為120uA；
（6）通過總線可向單個(gè)從設(shè)備提供500mA短時(shí)持續(xù)電流；
（7）備電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)只需要在控制器上完成，主機(jī)備電整個(gè)系統(tǒng)；
（8）使用普通雙絞線，無(wú)極性二線制安裝接線；
（9）通過隔離設(shè)備可保證在遭雷擊時(shí)可靠工作；
（10）恒流的電流環(huán)通訊方式，抗干擾性強(qiáng)；
（11）具有設(shè)備自動(dòng)登錄功能，可容納多種設(shè)備，預(yù)留多種通訊協(xié)議，擴(kuò)展方便；
（12）同時(shí)提供配套的主站專用集中控制芯片CMT100，可與計(jì)算機(jī)232、485等接口連接，系統(tǒng)兼容性及擴(kuò)展性好。
第三章 硬件設(shè)計(jì)及調(diào)試
第三章 硬件設(shè)計(jì)及調(diào)試
3.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)基于超聲波反射原理利用成都國(guó)騰微電子公司生產(chǎn)的GM3101倒車?yán)走_(dá)專用控制芯片控制超聲波傳感器進(jìn)行超聲波發(fā)射接收實(shí)現(xiàn)障礙物探測(cè)。傳感器布置為車后四個(gè)或多個(gè)傳感器方式,尾部的傳感器探測(cè)倒車時(shí)汽車后方障礙物, 通過總線形成網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息通信, 再由主控制器適時(shí)顯示障礙物距離、位置并進(jìn)行聲音報(bào)警, 司機(jī)根據(jù)這些重要提示可大大減小汽車碰撞的可能。系統(tǒng)總體架構(gòu)框圖如圖3-1所示：
雷達(dá)模塊1
雷達(dá)模塊2
CPU-1
通
信
接口
通
信
接口
CPU-2
上位機(jī)
下位機(jī)
其它汽車電子設(shè)備2
其它汽車電子設(shè)備1
XY-CN
總線
蜂鳴器
語(yǔ)音模塊
LCD模塊
圖3-1. 系統(tǒng)總體框圖
其中，雷達(dá)模塊指的是圖2-1中所示的以GM3101芯片為核心的組合電路，可根據(jù)實(shí)際情況決定是否采用兩個(gè)或多個(gè)雷達(dá)模塊，在本次設(shè)計(jì)中用到了兩個(gè)雷達(dá)模塊?？偩€上所連的其它汽車電子設(shè)備是總線設(shè)備擴(kuò)展，本設(shè)計(jì)中實(shí)際沒有擴(kuò)展連接其它汽車電子設(shè)備，該總線有可接多達(dá)400個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)的容量，通信速率也非常高。下位機(jī)中CPU所連接的模塊，也是根據(jù)實(shí)際情況，可以有所增減。由于時(shí)間問題，該設(shè)計(jì)中沒有做到語(yǔ)音模塊。
3.2 GM3101芯片[6]
3.2.1 概述
GM3101倒車?yán)走_(dá)專用控制芯片，用純硬件ASIC方式實(shí)現(xiàn)倒車?yán)走_(dá)主機(jī)功能，將倒車?yán)走_(dá)需要的主要元件(控制器、運(yùn)放電路、濾波電路等)都集成在了單一芯片中，外圍只需接上超聲波傳感器和功率器件就可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)功能，提高了系統(tǒng)集成度，也不需要軟件編程，是目前最簡(jiǎn)單的一種倒車?yán)走_(dá)實(shí)現(xiàn)方案。該芯片提供4 路超聲波探頭的驅(qū)動(dòng)，并根據(jù)超聲波特性和倒車?yán)走_(dá)的使用環(huán)境進(jìn)行了一系列智能化處理，在保證超聲波測(cè)距精確性的基礎(chǔ)上，更加強(qiáng)了報(bào)警功能的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。測(cè)試結(jié)果編碼后采用雙線差分方式輸出，提高了信號(hào)傳輸?shù)目垢蓴_性。GM3101 可為倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)提供最簡(jiǎn)單的單芯片控制方案，替代現(xiàn)有的單片機(jī)控制方案。該芯片的優(yōu)勢(shì)在于盡可能地為倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)提高集成度，減少外圍元件。同時(shí)該芯片的功能滿足高端和通用性的要求，用戶利用該組芯片既可以生產(chǎn)高性能的整機(jī)產(chǎn)品，還可以靈活設(shè)置其產(chǎn)品的報(bào)警方式。全硬件方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，既降低了用戶的開發(fā)難度，更對(duì)系統(tǒng)性能有了顯著的提高。
3.2.2 工作特征
（1）電源電壓：5V；
（2）四路超聲波探頭接口，探頭發(fā)送驅(qū)動(dòng)信號(hào)為5V，2mA；
（3）報(bào)警信號(hào)編碼輸出，報(bào)警信號(hào)包括：各探頭檢測(cè)到的障礙物距離危險(xiǎn)等級(jí)信號(hào)、最近障礙物方位信號(hào)、最近障礙物距離信號(hào)及附加消息，信號(hào)電平5V；
（4）檢測(cè)結(jié)果輸出周期80ms；
（5）具備自動(dòng)增益控制，實(shí)現(xiàn)分級(jí)放大；
（6）具有防聲波衍射誤報(bào)處理，提高報(bào)警信號(hào)的準(zhǔn)確性；
（7）具有智能識(shí)別功能，可以忽略小物體，防止誤報(bào)警；
（8）報(bào)警信號(hào)輸出采用雙線差分方式，提高抗干擾性；
（9）具有防扒車報(bào)警功能；
（10）工作環(huán)境溫度：-40℃~+85℃。
3.2.3 封裝及引腳功能說明
圖3-2. GM3101的QFP44實(shí)物圖及封裝圖
3.2.4 芯片具體功能及應(yīng)用
GM3101 提供4 路超聲波探頭接口，芯片通過探頭發(fā)送和接收超聲波信號(hào)，根據(jù)發(fā)送和接收的時(shí)間差計(jì)算障礙物的距離，輸出相應(yīng)報(bào)警信號(hào)。報(bào)警信號(hào)編碼后采用雙線差分方式輸出，輸出信號(hào)的內(nèi)容包括：各探頭檢測(cè)到的障礙物距離的危險(xiǎn)等級(jí)、最近障礙物的方位、最近障礙物的距離值和附加消息。最大輸出距離為3.15米，輸出精度為0.05米。
（1）信號(hào)發(fā)送和接收
芯片接通電源后，探頭驅(qū)動(dòng)引腳向超聲波探頭發(fā)送驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)超聲波探頭發(fā)送超聲波信號(hào)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)送完畢后芯片等待信號(hào)返回；探頭接收到超聲波信號(hào)后，將信號(hào)送入芯片，進(jìn)行信號(hào)放大處理，記錄信號(hào)發(fā)送和接收的時(shí)間差，根據(jù)此時(shí)間差計(jì)算障礙物距離，控制報(bào)警信號(hào)輸出。超聲波探頭驅(qū)動(dòng)采用分時(shí)順序的驅(qū)動(dòng)方式，即依次對(duì)4個(gè)探頭輪流進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，一個(gè)探頭的工作周期內(nèi)要包括發(fā)送和接收兩種操作。4個(gè)探頭檢測(cè)完成構(gòu)成一個(gè)檢測(cè)周期。若前一探頭在本工作周期內(nèi)沒有接收到返回的超聲波信號(hào)，則芯片也轉(zhuǎn)入控制下一個(gè)探頭的工作。發(fā)送與接收的時(shí)序圖如圖3-3所示：
四探頭工作周期80ms
單探頭周期20ms
單探頭周期20ms
單探頭周期20ms
比較器輸出信號(hào)
有效回波信號(hào)
16個(gè)40KHz方波
COUT
F5
OUT4
OUT3
OUT2
OUT1
圖3-3. 發(fā)送與接收的時(shí)序圖
（2） 多種智能處理
一種是防聲波衍射處理由于聲波傳輸?shù)奶匦?，聲波?huì)出現(xiàn)未經(jīng)實(shí)際物體反射就直接回到探頭并被檢測(cè)到的情況，使處理器誤認(rèn)為是實(shí)際反射接收到的信號(hào)，導(dǎo)致誤報(bào)。根據(jù)聲波衍射的特性，GM3101 可以對(duì)衍射聲波進(jìn)行識(shí)別，消除了聲波衍射誤報(bào)警情況。芯片一旦判定收到的超聲波信號(hào)是聲波衍射返回的信號(hào)，則自動(dòng)忽略該結(jié)果，芯片繼續(xù)等待在該探頭工作周期內(nèi)是否存在有效反射波，有則進(jìn)行處理，沒有則轉(zhuǎn)入下一探頭的驅(qū)動(dòng)。
另一種是智能識(shí)別處理地面上的小物體，比如小磚塊，小石塊，小水果，都會(huì)造成超聲波的反射，并讓探頭檢測(cè)到，而這些物體并不影響車輛的倒車操作。GM3101 針對(duì)這種情況進(jìn)行了處理，提高報(bào)警的準(zhǔn)確性。與防聲波衍射處理一樣，芯片忽略掉無(wú)效反射波后會(huì)繼續(xù)等待在本工作周期內(nèi)是否存在有效反射波，有則進(jìn)行處理，沒有則轉(zhuǎn)入下一探頭的驅(qū)動(dòng)小信號(hào)的忽略門限是通過檢測(cè)小物體反射回來(lái)的超聲波信號(hào)強(qiáng)度來(lái)判斷。也可以稱之為靈敏度分析，靈敏度與小信號(hào)忽略門限成反比，小信號(hào)的忽略門限低，說明所忽略的小物體反射回來(lái)的信號(hào)強(qiáng)度很弱，對(duì)于較大的物體則不忽略。這樣靈敏度就高。反之，當(dāng)忽略門限達(dá)到最高時(shí)，對(duì)于一些較大的物體也會(huì)忽略，靈敏度也變得最低。用戶可根據(jù)實(shí)際需要及超聲波探頭的靈敏度來(lái)調(diào)節(jié)這兩個(gè)信號(hào)。
（3） 報(bào)警信號(hào)輸出
GM3101 接收到有效反射信號(hào)后，進(jìn)行計(jì)算并輸出相應(yīng)的報(bào)警信號(hào)。報(bào)警信號(hào)的輸出周期為80ms。如果整個(gè)檢測(cè)周期內(nèi)都沒有檢測(cè)到物體，則不輸出任何報(bào)警信號(hào)。報(bào)警信號(hào)包含的內(nèi)容有：各探頭檢測(cè)到的障礙物危險(xiǎn)等級(jí)、最近障礙物的方位、最近障礙物的距離值及附加消息，其中附加消息是專門用于輸出環(huán)境適應(yīng)處理的結(jié)果。障礙物危險(xiǎn)級(jí)別和障礙物距離的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表3-1所示：
表3-1. 障礙物距離與危險(xiǎn)級(jí)別對(duì)應(yīng)關(guān)系
分段
障礙物距離
障礙物危險(xiǎn)級(jí)別
1
1.2—3.15米
安全
2
0.6—1.2米
警世
3
0.3—0.6米
危險(xiǎn)
4
< 0.3米
停車
3.3 XY-CN BUS專用數(shù)字通訊芯片
3.3.1 CMT001芯片
CMT001芯片是XY-CN BUS設(shè)備端通訊專用集成電路，完成數(shù)字通訊的調(diào)制解調(diào)功能?？偩€信號(hào)直接輸入芯片IN，芯片RXD、TXD信號(hào)可直接輸入單片機(jī)或通過光耦與單片機(jī)連接，輸出12～35V、100mA電源及5V±5％、10mA電源。CMT001是一種帶供電功能的低成本儀表總線從機(jī)芯片,芯片特征如下所示：
（1）自身功耗低，最大功耗<200uA，總線電壓<30V；
（2）無(wú)極性雙向電路接線方式，抗干擾能力強(qiáng)；
（3）使用普通1.5mm雙絞線，應(yīng)用簡(jiǎn)單，布線方便 ；
（4）通訊速率高達(dá)19200bps的半雙工通訊；
（5） 同時(shí)掛接256個(gè)設(shè)備，通訊距離可達(dá)1800m ；
（6） 小體積SO-8封裝；
（7） 可隔離設(shè)計(jì)又可非隔離設(shè)計(jì)，保證電磁兼容特性；
（8） 可以遠(yuǎn)程提供5V/10mA穩(wěn)壓電源及10～20V/100mA的直流電源 ；
（9） 從機(jī)電源供給方式：
－通過+5V從XY-CN BUS 供電；
－通過+5V從XY-CN BUS或后備電池雙供電；
－通過電池供電，XY-CN BUS僅在通訊時(shí)工作；
（10）工作溫度：－40～＋85℃。
3.3.2 CMT001芯片應(yīng)用參考電路（供電1mA）[7]
圖3-4. CMT001芯片應(yīng)用參考電路圖
為增加主機(jī)抗干擾能力，控制器應(yīng)將總線驅(qū)動(dòng)與單片機(jī)系統(tǒng)隔離，TXD、RXD經(jīng)光耦隔離后再輸出到單片機(jī)，具體電圖如圖3-5所示：
圖3-5. 隔離通訊接口
3.3.3 CMT100芯片
CMT100芯片是XY-CN BUS中心通訊專用集成電路，完成數(shù)字通訊的調(diào)制解調(diào)功能?？紤]到主機(jī)電路復(fù)雜，為增加主機(jī)抗干擾能力，控制器應(yīng)將總線驅(qū)動(dòng)與單片機(jī)系統(tǒng)隔離，TXD、RXD、收發(fā)控制經(jīng)光耦直接輸入芯片，系統(tǒng)使用12V～30V電源（根據(jù)通訊距離，設(shè)備用電狀況決定）。 CMT100是一種帶供電功能的低成本儀表總線主機(jī)芯片，芯片特征如下：
(1) 無(wú)極性接線方式，抗干擾能力強(qiáng)；
(2) 應(yīng)用簡(jiǎn)單，布線方便；
(3) 小體積SO-14封裝；
(4) 通訊速率高達(dá)19200bps的半雙工通訊；
(5) 同時(shí)掛接256個(gè)設(shè)備，通訊距離可達(dá)1800m；
(6) 可以遠(yuǎn)程提供電源，最大電流達(dá)500mA；
(7) 總線故障信號(hào)輸出；
(8) 功率器件外置，芯片不易損壞，便于更換。
3.3.4 CMT100芯片應(yīng)用參考電路[8]
由于總線與外部設(shè)備直接連接，CMT100芯片需要與MCU隔離。 TXD接MCU異步通訊發(fā)送口，RXD接MCU異步通訊接收口，T/R為收發(fā)控制，F(xiàn)0為總線故障輸入，具體電路如圖3-6所示：
圖3-6. CMT100芯片應(yīng)用電路圖
3.4 系統(tǒng)電路解析及工作原理
如圖3-1系統(tǒng)總體框圖所示，在本次設(shè)計(jì)研究中的倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)主要由上位機(jī)和下位機(jī)兩部分組成，通過總線完成上位機(jī)與下位機(jī)的通信，在總線上沒有擴(kuò)展到其它汽車電子設(shè)備，下面就分別針對(duì)上、下位機(jī)的電路框圖做具體分析：
3.4.1 上位機(jī)電路解析
雷達(dá)模塊1
雷達(dá)模塊2
上位機(jī)
控制中心
CMT100
通信接口
XY-CN總線
串口擴(kuò)展電路
圖3-7.上位機(jī)電路框圖
（1） 雷達(dá)模塊
雷達(dá)模塊是以成都國(guó)騰微電子公司生產(chǎn)的GM3101倒車?yán)走_(dá)專用控制芯片為核心的超聲波測(cè)距組合電路，其包括四個(gè)超聲波探頭，其電路框圖如圖2-1所示，具體電路圖如圖3-8所示。該模塊以80ms為周期不斷輸出三字節(jié)的報(bào)警信號(hào)，具體的報(bào)警信號(hào)格式將在第四章中介紹。
圖3-8. 雷達(dá)模塊電路圖
（2）串口擴(kuò)展電路
串口擴(kuò)展電路是以GM8123芯片為核心的電路，GM8123芯片也是成都國(guó)騰微電子公司具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品，可以將一個(gè)全雙工的標(biāo)準(zhǔn)串口擴(kuò)展成3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)串口，并能通過外部引腳控制串口擴(kuò)展模式：?jiǎn)瓮ǖ拦ぷ髂Ｊ胶投嗤ǖ拦ぷ髂Ｊ剑纯梢灾付?個(gè)子串口 和母串口以相同的波特率單一的工作，也可以讓所有子串口在母串口波特率基礎(chǔ)上分頻同時(shí)工作。該芯片工作在多通道模式下時(shí)，子串口能主動(dòng)響應(yīng)從機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，并由母串口發(fā)送給主機(jī)，同時(shí)返回子串口地址。該模式使每個(gè)從機(jī)的發(fā)送要求都能被及時(shí)地響應(yīng)，即使所有從機(jī)同時(shí)有發(fā)送要求，數(shù)據(jù)也不會(huì)丟失，基本實(shí)現(xiàn)了主控單元和外設(shè)通訊的實(shí)時(shí)性。該芯片母串口和子串口的工作波特率可由軟件調(diào)節(jié)，而不需要修改外部電路和晶振頻率。在本系統(tǒng)中的應(yīng)用電路如圖3-9所示：
圖3-9. 串口擴(kuò)展電路圖
（3） 上位機(jī)控制中心
上位機(jī)控制中心是以PHILIPS公司的P89C669單片機(jī)為核心的數(shù)據(jù)處理中心，選擇P89C669主要是因?yàn)樗袃蓚€(gè)UART口，這樣一個(gè)串口負(fù)責(zé)接收雷達(dá)模塊傳送過來(lái)的數(shù)據(jù)并與GM8123通信，另一個(gè)則把數(shù)據(jù)幀通過通信接口向下位機(jī)發(fā)送，數(shù)據(jù)幀共七字節(jié)，除了雷達(dá)模塊發(fā)送過來(lái)的三字節(jié)，還包括幀校驗(yàn)等部分，具體介紹見后面軟件設(shè)計(jì)部分說明。這部分電路圖如圖3-10所示：
圖3-10. 上位機(jī)控制中心電路圖
其中單片機(jī)用到看門狗電路，具體電路圖如圖3-11所示：
圖3-11. 看門狗電路圖
（4） CMT100通信接口
CMT100通信接口芯片的信息資料在上面已有介紹，CMT100通信接口
電路圖如圖3-6所示。
3.4.2 下位機(jī)電路解析
蜂鳴器
LCD模塊
CMT001
通信接口
下位機(jī)
控制中心
XY-CN總線
圖3-12. 下位機(jī)電路框圖
（1）蜂鳴器
系統(tǒng)中用蜂鳴器作報(bào)警器（原先打算用語(yǔ)音模塊發(fā)出人聲進(jìn)行報(bào)警，時(shí)間問題沒有完成），利用蜂鳴器的“嘀”聲的不同頻率來(lái)提示車尾與障礙物遠(yuǎn)近的危險(xiǎn)程度。當(dāng)障礙物距離汽車尾部2.5m時(shí)，開始有報(bào)警信號(hào)，但信號(hào)間隔時(shí)間長(zhǎng)，“嘀”的聲音舒緩，隨著距離的縮短，信號(hào)間隔的時(shí)間也縮短，在0.6～1.2m處，“嘀”的聲音由舒緩逐漸為急促；在0.3～0.6m處，“嘀”的聲音變得短而急促，指示燈亮紅燈；當(dāng)液晶屏上顯示小于0.3m時(shí)，屏幕上的數(shù)據(jù)不再變化，“嘀”的聲音變成長(zhǎng)鳴，再次警告駕駛者避免距離過小而來(lái)不及采取措施。
（2）LCD模塊[9]
LCD模塊負(fù)責(zé)顯示最近障礙物距離，并動(dòng)態(tài)顯示一輛小車和超聲波模擬波形。本設(shè)計(jì)選用了廣州捷勝吉電子科技公司的圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊TG12864E，它主要由行驅(qū)動(dòng)器/列驅(qū)動(dòng)器及128×64 全點(diǎn)陣液晶顯示器組成?？赏瓿蓤D形顯示,也可以顯示8×4個(gè)（16×16 點(diǎn)陣）漢字。
主要技術(shù)參數(shù)和性能如下：
-- 電源：VDD：+2.7～+5V; 模塊內(nèi)自帶-10V負(fù)壓，用于LCD的驅(qū)動(dòng)電壓；
-- 顯示內(nèi)容：128（列）×64（行）點(diǎn)；
-- 全屏幕點(diǎn)陣；
-- 七種指令；
-- 與CPU接口采用8位數(shù)據(jù)總線并行輸入輸出和8條控制線；
-- 占空比六十四分之一；
-- 工作溫度：-10℃～+60℃，儲(chǔ)存溫度：-20℃～+70℃，可選擇寬溫：-20℃～+70℃。
（3） 下位機(jī)控制中心
下位機(jī)控制中心是以ATMEL公司的AT89S51單片機(jī)為核心的數(shù)據(jù)處理中心，AT89S51為MCS-51系列單片機(jī)，與該公司的前以版本芯片的區(qū)別是它能進(jìn)行ISP程序下載。下位機(jī)接收來(lái)自CMT001通信模塊的數(shù)據(jù)，根據(jù)擬定的通信協(xié)議接收七字節(jié)的數(shù)據(jù)幀，然后對(duì)該數(shù)據(jù)幀進(jìn)行幀校驗(yàn)，正確則對(duì)它進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，把相關(guān)數(shù)據(jù)輸出顯示，根據(jù)警報(bào)級(jí)別讓蜂鳴器發(fā)出警報(bào)以單片機(jī)為中心的整個(gè)下位機(jī)具體電路圖如圖3-13所示：
圖3-13. 下位機(jī)電路圖
（4） CMT001通信接口
CMT001通信接口芯片的信息資料在上面已有介紹，CMT001通信接口
電路圖如圖3-4和圖3-5所示。
3.4.3 工作原理
接通電源，以GM3101為核心的雷達(dá)模塊向四個(gè)超聲波傳感器收發(fā)輸入40KHZ沖串，同時(shí)開始計(jì)時(shí)，脈沖信號(hào)經(jīng)過超聲波內(nèi)部的振子，振蕩產(chǎn)生超聲波，超聲波經(jīng)氣體介質(zhì)的傳播到返回到傳感器的時(shí)間，即為往返時(shí)間。雷達(dá)模塊對(duì)四個(gè)超聲波傳感器所檢測(cè)到的距離進(jìn)行比較，最后模塊輸出數(shù)據(jù)最小的距離，輸出的數(shù)據(jù)格式在第四章中有詳細(xì)分析。
兩個(gè)雷達(dá)模塊輸出的數(shù)據(jù)通過以GM8123為核心的串口擴(kuò)展電路分別傳送到上位機(jī)，上位機(jī)對(duì)這兩組數(shù)據(jù)再次盡心比較，決定傳輸含有最小距離的那組數(shù)據(jù)，在發(fā)送之前上位機(jī)要根據(jù)通信協(xié)議對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)幀包裝，制定的通信協(xié)議見第4.4節(jié)所示。包裝后的數(shù)據(jù)幀通過XY-CN BUS總線傳送到達(dá)下位機(jī)，下位機(jī)檢查幀頭正確，開始接收數(shù)據(jù)，判斷地址是否與自己吻合，不一致則放棄接收，繼續(xù)等待下一次數(shù)據(jù)到來(lái)。每接收完八個(gè)字節(jié)長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)幀，還要對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行CRC校驗(yàn)，不正確則放棄該次數(shù)據(jù)，正確則對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行處理，提取出三字節(jié)的報(bào)警信號(hào)，根據(jù)信號(hào)的危險(xiǎn)級(jí)別讓蜂鳴器進(jìn)行不同頻率的工作，并送距離值到液晶顯示器上顯示，同時(shí)顯示危險(xiǎn)級(jí)別，在液晶顯示器上還同時(shí)顯示一輛動(dòng)態(tài)的小車和障礙物。
至此，本設(shè)計(jì)的各功能均是為駕駛員了解車后情況設(shè)置的，同時(shí)引用的新型總線等是為以后對(duì)實(shí)現(xiàn)汽車電器網(wǎng)絡(luò)化而拋磚引玉。
3.5 實(shí)驗(yàn)安裝及調(diào)試
由于電路復(fù)雜，為調(diào)試方便，把上位機(jī)和兩個(gè)總線通信接口電路制作成電路版，采用腐蝕制作電路版，其余電路采用萬(wàn)用板進(jìn)行制作，印制電路板的制作主要采用的是腐蝕法，即把耐腐蝕的透明膠布粘在已經(jīng)畫好電路的銅箔板上，注意不能有氣泡出現(xiàn)，然后浸泡在腐蝕液中，將無(wú)用的銅箔面腐蝕掉，最后進(jìn)行孔加工，制作步驟如下：選板，描繪電路，貼膜，腐蝕（三氯化鐵35%，水65%）；清洗，休整，鉆孔。
3.5.1 焊接
焊接就是利用電烙鐵等工具在預(yù)先制作好的印制電路板或萬(wàn)用板上，將電路原器件連接在一起的過程。為了提高效率，對(duì)大規(guī)模的電子產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中，一般采用自動(dòng)化流水線波峰焊接技術(shù)；而對(duì)于小規(guī)模的小型電子電路或產(chǎn)品的生產(chǎn)，則多數(shù)采用手工焊接。我們實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的就是手工焊接，其質(zhì)量的好壞取決于四個(gè)方面的條件：焊接工具，焊料，焊劑和焊接技術(shù)。
良好的焊接應(yīng)具備以下特點(diǎn)：可靠的電氣連接；足夠的機(jī)械強(qiáng)度；光潔整齊的外觀，即金屬表面焊錫適量，外表具有金屬光澤，沒有拉尖、裂紋現(xiàn)象，表面平滑有半弓下凹。
焊接步驟：把焊接烙鐵推向引腳；將少量的焊錫放在烙鐵尖上，可以使熱度從烙鐵傳到金屬鉑上，焊錫從電烙鐵對(duì)面送到焊件上，在另一面焊錫，元件和烙鐵的熱度就可以熔化焊錫；焊完后切斷多余的引腳。
焊接中CMT100和CMT001是貼片芯片，對(duì)焊接技術(shù)有較高要求。
3.5.2 調(diào)試過程及方法
實(shí)驗(yàn)焊接完畢后根據(jù)設(shè)計(jì)線路圖進(jìn)行調(diào)試，以便檢測(cè)其實(shí)際的性能。調(diào)試過程經(jīng)過以下三個(gè)過程：
不通電檢查電路安裝：認(rèn)真檢查接線是否正確，如多線，少線或錯(cuò)線，尤其是電源線不能接錯(cuò)或接反。使用外用表，按照設(shè)計(jì)電路接線圖檢查安裝電路，在安裝好的電路中按電路圖一一對(duì)照檢查連線，并在檢查中要對(duì)已經(jīng)檢查過的連線做標(biāo)記。
直觀檢查電源：地線，信號(hào)線，元器件接線端之間有無(wú)短路，聯(lián)線處有無(wú)接觸不良，有極性元器件引線短有無(wú)接錯(cuò)，反接等，集成塊是否插對(duì)。
通電觀察：把經(jīng)過準(zhǔn)確測(cè)量的電源電壓加入電路，但暫不接入信號(hào)源信號(hào)。電源接通后，首先觀察有無(wú)異?，F(xiàn)象，包括有無(wú)冒煙，異常氣味。觸摸元件是否發(fā)燙，電源是否短路等。
硬件電路的電氣特性檢查無(wú)誤后，可利用仿真器進(jìn)行仿真，仿真通過則可由編程器向單片機(jī)內(nèi)燒錄程序，檢查運(yùn)行情況。但由于仿真器和編程器價(jià)格昂貴，在本系統(tǒng)調(diào)試過程中我采用了在線編程ISP下載程序進(jìn)行調(diào)試。
ISP-In System Programming,在系統(tǒng)編程，通過單片機(jī)的專用串行編程接口或并口對(duì)單片機(jī)內(nèi)部的FLASH存儲(chǔ)器進(jìn)行編程，ISP的實(shí)現(xiàn)一般需要很少的外部電路輔助實(shí)現(xiàn)。ISP為單片機(jī)的實(shí)驗(yàn)和開發(fā)帶來(lái)了很大的方便和靈活性。
該系統(tǒng)中有三塊主控芯片，即GM3101雷達(dá)模塊芯片，P89C669上位機(jī)MCU和AT89S51下位機(jī)MCU,而GM3101是不用編程的，可直接使用成都國(guó)騰微電子公司提供的模塊電路。對(duì)PHILIPS的P89C669芯片，我們采用了串口ISP下載，通過簡(jiǎn)單的外部電路加上該公司提供的ISP下載軟件FlashMagic軟件即可輕松的燒錄調(diào)試程序了；而ATMEL公司的AT89S51芯片我們采用的是并口下載ISP，兩者的具體電路實(shí)現(xiàn)分別如圖3-14和圖3-15所示：
圖3-14. P89C669 ISP串口下載電路
圖3-15. AT89S51 ISP并口下載電路
第四章 軟件設(shè)計(jì)及調(diào)試
第四章 軟件設(shè)計(jì)及調(diào)試
4.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)整體介紹
由系統(tǒng)電路框圖知，系統(tǒng)主要由上位機(jī)和下位機(jī)兩部分組成。系統(tǒng)上電后，上位機(jī)中雷達(dá)模塊檢測(cè)距離并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，最后模塊輸出最小距離。系統(tǒng)采用了兩個(gè)雷達(dá)模塊，兩個(gè)模塊輸出的數(shù)據(jù)通過串口擴(kuò)展電路分別傳送到上位機(jī)控制中心，控制中心對(duì)接收到的數(shù)據(jù)再次進(jìn)行比較，決定傳輸兩個(gè)距離中最小的那組數(shù)據(jù)，并對(duì)要發(fā)送到下位機(jī)的數(shù)據(jù)先根據(jù)通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)幀包裝，然后通過XY-CN BUS總線傳送到下位機(jī)；下位機(jī)根據(jù)通信協(xié)議接收信息，對(duì)信息進(jìn)行檢查與校驗(yàn)后，根據(jù)數(shù)據(jù)級(jí)別讓蜂鳴器進(jìn)行不同頻率的工作，并送距離值到液晶顯示器上顯示。通過對(duì)系統(tǒng)電路框圖的分析知，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)可分為上位機(jī)和下位機(jī)兩部分軟件設(shè)計(jì)，下面分別就這兩部分的軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，在介紹之前先對(duì)上、下位機(jī)之間的通信協(xié)議進(jìn)行介紹：
如上所述，上位機(jī)的兩個(gè)雷達(dá)模塊輸出的數(shù)據(jù)通過串口擴(kuò)展電路傳送到上位機(jī)控制中心，控制中心對(duì)這兩組數(shù)據(jù)再次進(jìn)行比較，決定傳輸距離最小的那組數(shù)據(jù)，在發(fā)送之前要根據(jù)通信協(xié)議對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)幀包裝，數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度為八字節(jié)，制定的通信協(xié)議規(guī)定數(shù)據(jù)格式如下：
第一字節(jié)： 幀頭 10101010;
第二字節(jié)： 地址 為下位機(jī)擬定的地址，為以后實(shí)現(xiàn)汽車電器網(wǎng)絡(luò)化而預(yù)留的，長(zhǎng)度可擴(kuò)展為多個(gè)字節(jié)；
第三字節(jié)： 幀長(zhǎng)度 指的是雷達(dá)模塊發(fā)送過來(lái)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，該系統(tǒng)中為三字節(jié)；
第四至六字節(jié)：報(bào)警信號(hào)數(shù)據(jù) 這三個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)是由雷達(dá)模塊發(fā)送出來(lái)的；
第七至八字節(jié)： 幀校驗(yàn)碼 通信的目的是要把信息及時(shí)可靠地傳送給對(duì)方，因此要求一個(gè)通信系統(tǒng)傳輸消息必須可靠與快速，在數(shù)字通信系統(tǒng)中可靠與快速往往是一對(duì)矛盾。為了解決可靠性，通信系統(tǒng)都采用了差錯(cuò)控制。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中就采用了循環(huán)冗余校驗(yàn)CRC（Cyclic Redundancy Check），選用的是CCITT-16循環(huán)冗余校驗(yàn)碼。循環(huán)冗余校驗(yàn)碼的生成采用查表法生成【10】，其程序流程圖如圖4-1所示：
Reg清0
數(shù)據(jù)后添加16位0生成校驗(yàn)數(shù)據(jù)
Reg左移四位，校驗(yàn)數(shù)據(jù)左移四位到Reg低四位
Reg＝ Reg XOR 生成參數(shù)表【Reg移出值】
數(shù)據(jù)處理完畢？
CRC校驗(yàn)碼 ＝ Reg
YES
NO
圖4-1.生成校驗(yàn)碼子程序流程圖
其中流程圖中Reg指代一個(gè)16位的寄存器，生成參數(shù)表是查表生成法中所要依據(jù)的參數(shù)表，參數(shù)表中的每個(gè)參數(shù)為16位的數(shù)據(jù)，參數(shù)表的生成方法是用0到16的二進(jìn)制數(shù)分別與CCITT-16循環(huán)冗余校驗(yàn)碼相異或而得，具體原理請(qǐng)查閱參考文獻(xiàn)。
4.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)
4.2.1 上位機(jī)程序主流程圖
上位機(jī)主要完成的任務(wù)是：利用雷達(dá)模塊測(cè)距，控制中心（單片機(jī)）接收雷達(dá)模塊發(fā)送出來(lái)的數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較后根據(jù)通信協(xié)議通過總線發(fā)送到下位機(jī)。軟件設(shè)計(jì)主要包括雷達(dá)模塊程序設(shè)計(jì)，上位機(jī)接收數(shù)據(jù)程序設(shè)計(jì)和發(fā)送數(shù)據(jù)程序設(shè)計(jì)三大部分。上位機(jī)模塊初始化后，接收數(shù)據(jù)子程序利用P89C669單片機(jī)串口0中斷負(fù)責(zé)接收雷達(dá)模塊傳送過來(lái)的數(shù)據(jù)，并處理數(shù)據(jù)，判斷數(shù)據(jù)是否滿足發(fā)送條件，滿足則置發(fā)送就緒標(biāo)志位。發(fā)送數(shù)據(jù)子程序發(fā)現(xiàn)發(fā)送就緒標(biāo)志位置位，則根據(jù)通信協(xié)議把數(shù)據(jù)包裝成數(shù)據(jù)包，然后通過P89C669單片機(jī)串口1發(fā)送到下位機(jī)。上位機(jī)程序的主流程圖如圖4-2所示：
初始化P89C669
調(diào)用發(fā)送數(shù)據(jù)子程序
滿足發(fā)送條件
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