超声波电子倒车雷达的研制

　　0 引言

　　超声波电子倒车雷达是超声波测距的一个重要的应用。在汽车泊车时,利用超声波的反射回波来探测汽车尾部与障碍物之间的距离,并通过语音芯片实时报出超声波探头与障碍物间的距离,从而避免了蜂鸣器等其它提示方式的模糊性,使得驾驶员在泊车时能得到清楚明确的提示。超声波倒车雷达的测量精度可达到0.1m,感应时间小于0.5s。

　　1 超声波测距原理

　　超声波测距原理是记录下超声波发生器自发射出超声波到接收到反射回波的这段时间差T,利用公式S=CT/2计算出超声波发射器距障碍物间的距离。其中C是超声波的声速,在标准状态下C=340m/s。因为超声波指向性强,所以超声波对障碍物面的入射角对超声波电子倒车雷达的灵敏度影响较大。理想的情况是让超声波垂直于入射面,可最大限度地接收反射回波以避免可能使超声波电子倒车雷达失灵(进入超声测距盲区)的情况出现。图1是超声波测距的原理图。

　　2 电子倒车雷达的系统组成

　　超声波电子倒车雷达的系统组成如图2所示。

　　在汽车挂上倒车档时,电子倒车雷达才开始工作。因为系统工作的环境恶劣,所以对电源加以必要的调理对于提高系统的稳定性是十分重要的。为提高系统测量的可靠性和准确性,该系统配置了4路超声波探头,测量中取4个通道中探测距离最短的作为实际语音报出的有效距离。超声波探头具有电声转换和声电转换的两种功能,通过单片机控制分时用于发送和接收超声波信号。语音播放电路根据探测的有效距离,将车尾距障碍物的距离以语音的形式播放出来,这样既不影响驾驶员在泊车时的通常习惯,也能给泊车者以明确的提示。

　　3 电子倒车雷达的硬件设计

　　系统采用的主控单片机是Atmel公司AVR系列的AT90S4414单片机。AT90S4414是一种高性能的基于RISC结构的8位微控制器。内部主要的硬件资源有:4K字节Flash Memory; 256字节EEPROM; 256字节SRAM; 32个通用I/O口; 32个通用寄存器(可当累加器使用);具有比较模式的灵活的定时/记数器;内外中断源;可编程的看门狗定时器;可在系统中编程(ISP)和在应用中编程(IAP)。该系统中的单片机任务十分繁重,在连续扫描4个通道的同时还要完成对语音芯片的控制,而AT90S4414内部资源丰富且功能强大,指令效率很高,可简化系统设计并提高系统的可靠性,非常适合用于该系统中。

　　超声探头工作频率为40kHz方波,由软件在单片机的PB0、PB1、PB2、PB3上直接产生方波脉冲串,再通过变压器升压变换后,经超声波探头发射出去。由于超声波探头本身的恢复过程,发射结束后仍会有一些余振,因此在系统的软件设计上采用延迟一段时间再检测超声波返回信号的方式来避免超声换能器余振对测量精度的影响。在PB0上发送40 kHz方波脉冲后,启动定时器,当PB4上接收到反射回波号时停止定时器,此时定时器的记数值T。根据公式S=CT/2可以计算出超声波探头距障碍物的距离。在单片机的控制下,分别扫描4个通道后,将测量的最短距离作为有效距离保存下来,然后查到预先录存在语音芯片中相应的语音起始地址,将有效距离以语音的形式播放出来。其中一个通道的电路图如图3所示,其余3个通道与之相同。其中, PB0引脚发射方波, PB4引脚接收反射回波,返回的超声波信号经调理电路放大和整形后供单片机检测。电路采用了华邦公司的ISD (Information StorageDevice)语音芯片,它采用直接模拟存储技术(DAST),将原始的语音信号以模拟形式直接存入不挥发存储器中,无须A/D和D/A转换。这种突破性的EEPROM存储方法同其它的数字存储方式相比,不仅增加了存储容量,而且提高了语音信号存储与还原的保真度。该芯片内部集成了振荡电路、前置放大器、自动增益控制、抗混叠滤波器、平滑滤波器、输出放大器等物理部件,具有易与微处理器接口、零功率存储、方便的存储与回放模式。ISD25XX系列语音芯片提供32~120s的录放时间,根据该系统实际需要录制内容的时间长度,选用了ISD2540语音芯片。设计中,在超声波探头探测到距障碍物的距离小于2m时,启动语音播报距离。例如,当探测到的距离是1.5m时,系统就会通过语音提示驾驶者距后方障碍物还有1.5m;当探测到的距离进入到0.9~0.5m时,系统在播报探测距离的同时还会同时播放“减速”等提示音,以提醒泊车者注意;当探测到的距离小于0.3m时,系统将不直接报出探测的距离,而是播放“危险、危险”或“停车、停车”等录音,来提示泊车者应该刹车了。