倒車雷達主控芯片GM3101的功能特性分析

隨著汽車普及率的逐年增加，消費者在將汽車作為交通運輸工具的同時，對汽車配置有了更多的要求，尤其是對安全性提出了更高的要求。對于很多司機尤其是新手來說，倒車無疑是件非常頭痛的事，倒車雷達正好可以幫司機解決這個難題，因此越來越多的商家看好這個市場。

從目前市場情況看，國內倒車雷達生產廠家都是使用單片機控制方案，缺乏單芯片方案，如果能用單芯片實現(xiàn)整個系統(tǒng)功能，對倒車雷達生產商來說，不僅能降低開發(fā)和生產成本，對整機的可靠性也會有很大提高。目前成都國騰微電子有限公司推出了一款倒車雷達主控芯片——GM3101，與傳統(tǒng)方案相比，它將信號處理電路和單片機軟件設計都集成在芯片內，用戶幾乎無需調試就可以推出整機方案，大大縮短了用戶的開發(fā)周期和人力成本，也降低了倒車雷達的技術門檻。

主控芯片GM3101的功能特性

倒車雷達主控芯片GM3101的主要性能參數(shù)為：工作溫度為-40℃~+85℃；電源電壓為5V；檢測范圍為0.3~3.95米，檢測精度為0.05米；報警輸出周期為150.4ms。4個探頭輪流采樣一次輸出一次報警數(shù)據，它采用雙線差分方式輸出報警信號。報警信號包括：各探頭檢測到的障礙物距離危險等級信號、最近障礙物方位信號、最近障礙物距離信號及附加消息。與傳統(tǒng)的單片機方案相比較，其優(yōu)勢還在于：防聲波衍射誤報處理，提高報警信號的準確性；環(huán)境適應功能，提高報警功能的實用性；智能識別功能，可以忽略小物體，防止誤報警。GM3101的內部框圖如圖1所示。

從圖1可以看出，該芯片集成了信號處理部分和測距運算部分。當芯片接通電源后，探頭驅動引腳向超聲波探頭發(fā)送驅動信號，驅動超聲波探頭發(fā)出超聲波信號，驅動信號發(fā)送完畢后，芯片等待信號返回。探頭接收到超聲波信號后，將信號送入芯片，進行信號放大、濾波、模數(shù)轉換處理，記錄信號發(fā)送和接收的時間差，根據此時間差計算障礙物距離，并輸出報警信號。超聲波探頭驅動采用分時順序的驅動方式，即依次對4個探頭輪流進行驅動，一個探頭的工作周期內要包括發(fā)送和接收兩種操作。4個探頭檢測完成構成一個檢測周期。若前一探頭在本工作周期內沒有接收到返回的超聲波信號，則芯片也轉入控制下一個探頭的工作。

余振處理及增益控制

1. 余振的處理

倒車雷達的設計過程中，余振的消除是一個讓人頭痛的問題，由于目前倒車雷達采用的探頭都是壓電陶瓷探頭，所以當探頭對外發(fā)出16個超聲波的同時，其自身的反射也會產生一部分余振，余振的信號幅度由大到小變化。由于用戶使用的探頭不一致，余振時間也不相同，一般來說，余振時間為1.5ms~2ms。由于余振出現(xiàn)在信道上，所以在余振時間內所檢測到的信號都會被余振淹沒，在余振時間內就檢測不出有用的信號，當然也就無法測出相應的距離。所以在倒車雷達設計中提出了一個“盲區(qū)”的概念，也就是說由于有探頭余振的存在，就造成了在0.3m以內倒車雷達的“盲區(qū)”。如果在設計中不消除余振，系統(tǒng)就會把余振當作有用信號，輸出錯誤的報警信號。GM3101在以下幾個方面對超聲波探頭的余振進行了有效的處理。

圖1：GM3101內部框圖

輸入端的箝位處理如圖2所示，虛線內為芯片內部電路圖。在IN1端接雙向箝位二極管，就可以將余振幅度箝位到±0.7V。如果不做箝位處理，在后級放大時會使得余振的時間變大。

圖2：輸入端箝位電路圖

第一級放大電路的余振處理如圖3所示，虛線內為芯片內部電路圖。

圖3：第一級放大電路原理圖

芯片內部的兩個運放和電阻構成了一個放大電路，信號在經過放大電路放大后，進入余振處理電路，通過該電路將余振全部消除。圖4為消除余振后的信號波形，從圖中可以看出，在進行了余振處理后，起始時間后的1.8ms內余振全部消除，這樣就使得芯片能夠準確地采集到超聲波發(fā)射回來的有用信號。 [page]

圖4：消除余振后的信號波形(在引腳F3上觀測)

峰值檢測中的余振屏蔽信號在進行放大、濾波后，進入峰值檢測電路，目的是對信號的峰值進行檢測，將檢測出來的峰值信號送到比較器電路里與基準電壓進行比較，完成模數(shù)轉換。

在第一級放大電路中對余振進行了屏蔽，但考慮到用戶使用的探頭類型不一，余振時間差別較大，如果在第一級放大電路中對余振沒有完全消除，可以通過峰值檢測電路中的余振屏蔽電路對尚未消除的余振進行處理。峰值檢測電路信號波形如圖5所示，峰值檢測電路進行了余振屏蔽，起始時間開始后的1.8ms以內將輸出信號拉到低電平，完全屏蔽超聲波余振。芯片所檢測到的最近距離也就是實際物體的距離。

圖5：峰值檢測電路波形圖

2. 增益控制

超聲波回波信號有一個現(xiàn)象，即近距離物體發(fā)射回來的信號較強，遠距離物體發(fā)射回來的信號較弱。如果要檢測遠距離物體，就需要加大放大倍數(shù)，余振也會被相應地放大，為以后屏蔽余振帶來困難。如何設置放大倍數(shù)兼顧遠近距離，這就是電路設計的關鍵，我們采用自動增益選擇器來解決這一問題。對遠距離物體，放大倍數(shù)較大，對近距離物體，放大倍數(shù)較小。在設計第二級放大器時，根據物體距離的不同而采用四種不同的放大倍數(shù)。圖6為第二級放大電路原理圖。

圖6：第二級放大電路原理圖

圖6中，虛線內的部分為芯片內部電路。C18、R8、R9、R10、R11、R12為外接元器件，采用增益控制選擇器是為了設置四個不同的放大倍數(shù)。超聲波探頭工作時，為了保證在不同距離下，F(xiàn)7輸出信號的幅度大體相同，所以根據物體距離的不同而采用四種不同的放大倍數(shù)：在小于0.6m，放大倍數(shù)為R9/R8，典型值為3；在0.6m到1.2m之間，放大倍數(shù)為R10/R8，典型值為8.2；1.2m到1.8m之間，放大倍數(shù)為R11/R8，典型值為10；大于1.8m，放大倍數(shù)為R12/R8，典型值為12。

觀察在引腳F7處的近距離物體和遠距離物體的信號波形圖，通過對比可以看出，由于采用了自動增益選擇器，實現(xiàn)F7信號幅度基本相同，保證距離為3m的物體也能夠檢測到。

本文小結

通過上面的介紹，我們可以看出由于GM3101采用了余振屏蔽和自動增益控制器，使得系統(tǒng)功能超過了傳統(tǒng)方案，其穩(wěn)定性也大大加強，同時避免了軟件控制中存在的不穩(wěn)定因素。對倒車雷達生產商來說，不僅能降低開發(fā)和生產成本，對整機的可靠性也有了很大提高。所以我們有理由相信用于倒車雷達測距的單芯片方案會逐步替代傳統(tǒng)的單片機方案。