基于PSoC的倒車雷達控制系統(tǒng)設(shè)計
Cypress公司
摘要: 在嵌入式系統(tǒng)中,,控制芯片主要處理兩大類型的信號,一種是數(shù)字信號,,另一種就是模擬信號,。模擬信號通常來自于傳感器,。要從這些模擬傳感器中獲得準(zhǔn)確的信號并不是一件容易的事情,。模擬的輸出信號通常振幅比較小,,所以需要一個信號放大器,。信號放大后,,噪聲會也被放大,,又需要一個模擬的低通或帶通濾波進行濾波。如果多種傳感器同時使用,,還需要一個模擬的MUX,。除此之外,,還可能用到比較器和D/A轉(zhuǎn)換器。
Abstract:
Key words :
PSoC傳感器應(yīng)用平臺
在嵌入式系統(tǒng)中,,控制芯片主要處理兩大類型的信號,,一種是數(shù)字信號,另一種就是模擬信號,。模擬信號通常來自于傳感器,。要從這些模擬傳感器中獲得準(zhǔn)確的信號并不是一件容易的事情。模擬的輸出信號通常振幅比較小,,所以需要一個信號放大器,。信號放大后,噪聲會也被放大,,又需要一個模擬的低通或帶通濾波進行濾波,。如果多種傳感器同時使用,還需要一個模擬的MUX,。除此之外,,還可能用到比較器和D/A轉(zhuǎn)換器。
傳統(tǒng)設(shè)計中,,控制器只用來實現(xiàn)處理數(shù)據(jù),、系統(tǒng)間的通訊和控制功能。如果您的設(shè)計也用這種傳統(tǒng)的方式,,就會面臨一些挑戰(zhàn),。這些挑戰(zhàn)主要來自于分離的模擬器件和固定功能的MCU。首先從系統(tǒng)設(shè)計角度看,,隨著市場變化速度的加快和用戶要求的提高,,一個設(shè)計靈活的軟硬平臺是必須的,而分離的模擬器件和固定功能的MCU遠遠不能滿足不斷更新的設(shè)計要求和有限的研發(fā)上市時間,。其次,,處理傳感器的噪聲需要一個復(fù)雜的混合信號解決方案,通常需要放大器,、濾波器,、ADC、比較器和DAC,。對于傳統(tǒng)設(shè)計,,便需要考慮非常多的獨立的分離器件,,這無論從產(chǎn)品成本還是生產(chǎn)成本來看都會成為負擔(dān),。
而高集成度且設(shè)計靈活的PSoC便有效地應(yīng)對了這些挑戰(zhàn)。PSoC可以實現(xiàn)哪些功能呢,?單芯片的PSoC在信號的輸入端可以實現(xiàn)各種模擬感應(yīng)信號的輸入和信號處理,,同時還可以實現(xiàn)時下流行的電容式觸摸感應(yīng)的設(shè)計,。在控制功能方面,PSoC可以實現(xiàn)各種風(fēng)扇和電機的控制,、功率控制,,同時還支持多種復(fù)雜的通訊接口。PSoC的應(yīng)用無處不在,,消費電子,、白電、醫(yī)療,、汽車,、工控產(chǎn)品中都有PSoC的用武之地,目前PSoC的全球的客戶已超過8100個,,出貨量超過4億,。
PSoC是什么樣的片上系統(tǒng)呢?PSoC是可編程片上系統(tǒng)的字母縮寫,,它不是一個單純的MCU,,除了8位MCU核、Flash和SRAM以外,,還包含了可編程的數(shù)字模塊和模擬模塊,,是一個真正的片上系統(tǒng)。
從圖1中可以看到,,PSoC的整個系統(tǒng)是由MCU核,、Memory、數(shù)字系統(tǒng),、模擬系統(tǒng)和其他系統(tǒng)資源組成,。圖中左邊的部分是普通單片機的結(jié)構(gòu),包含時鐘源,、Flash,、SRAM和MCU本身。右邊是一些可編程的GPIO,。中間部分就是PSoC特色,,即可編程數(shù)字模塊和模擬模塊,PSoC的優(yōu)勢也正在這里,。這些可編程的數(shù)字模塊和模擬模塊可以配制成不同的功能,,例如UART、ADC,、濾波器和PWM等等,。此外,這些模塊還可以重新配制來實現(xiàn)不同的功能,,并且在任何時間都可以進行修改設(shè)計,。PSoC支持動態(tài)配制的特性,,相同的資源在不同的時間可以被配置成不同的用戶模塊,這樣可以大大節(jié)省資源,。數(shù)字模塊和模擬模塊可以和外部引腳互聯(lián),,也是可編程的。因此通過PSoC,,工程師可以基本完成一個系統(tǒng)的設(shè)計,。
PSoC 的模擬功能非常強大,可以實現(xiàn)各種不同的模擬器件,,如ADC,、DAC、濾波等等,, CapSense也是用模擬功能實現(xiàn)的,。傳感器各種的應(yīng)用、控制應(yīng)用等等都是由這些模擬模塊的功能來實現(xiàn)的,。
PSoC不同于固定功能的 MCU,,它集成度高、使用靈活,、實時可編程,,這些優(yōu)點幫助設(shè)計者減少成本,使產(chǎn)品快速進入市場,,并且增加市場份額,。其中,集成度高是因為PSoC是一個系統(tǒng)級的解決方案,,內(nèi)含可編程的數(shù)字和模擬模塊,、8位控制器,以及Flash和SRAM等,;使用靈活是指可以使用集可視化嵌入式設(shè)計工具為一體PSoC Designer進行設(shè)計,,設(shè)計靈活、節(jié)省時間,,并且即使在最后一刻也可以修改設(shè)計,;實時可編程性是指PSoC提供了一系列模擬和數(shù)字用戶模塊 (例如放大器、濾波器,、比較器,、定時器、計數(shù)器等等),,用戶可以根據(jù)需要進行配置,,或者動態(tài)配置。總之,,PSoC作為靈活的片上系統(tǒng),有助于增加產(chǎn)品的價值,。
超聲波傳感器有多種應(yīng)用,,常見的用途包括:流量計、工具零件的清洗,、倒車雷達等,。超聲傳感器將處于超聲頻率的電信號經(jīng)過超聲波傳感器中的超聲波換能器轉(zhuǎn)換成超聲聲波,超聲波傳感器按照一定的方向發(fā)射該超聲聲波,,當(dāng)超聲聲波遇到障礙物以后被反彈回來,,再被超聲波傳感器所接受,由超聲波換能傳感器轉(zhuǎn)換為電信號,。由于音速是一個已知的常數(shù),,因此通過回彈的時間,就可以計算出距離,。
超聲波傳感器從封裝的類型上可以分為兩種,,分別是開放型和密封型。其中,,開放型的傳播面積更廣,,探測距離更遠,適合在開放環(huán)境中應(yīng)用,。密封型傳感器傳播面積較小,,探測距離一般,適合在液體中應(yīng)用,,并需緊貼固體材料,。
超聲波傳感器的使用類似于雷達,它主要完成兩項任務(wù):發(fā)送超聲聲波和接收超聲聲波,。發(fā)送超聲波相對簡單,,只要對超聲波傳感器發(fā)送的超聲波進行脈沖寬度調(diào)制,同時開啟計時器,。而接收部分較為復(fù)雜,,需要對信號進行調(diào)配,以便控制器能正確低識別反射回的超聲波,、確定接收時間并停止計時器技術(shù),,然后根據(jù)“距離 = 時間×音速”計算距離。通過圖2,,可以看到信號是如何被發(fā)送出去的,。由控制芯片產(chǎn)生的PWM信號通過功率放大器放大,送到超聲波傳感器進行脈沖寬度調(diào)制,然后開啟計時器,。超聲信號接收和處理的過程相對要復(fù)雜一些(圖3),。從超聲傳感器輸入的信號經(jīng)PGA放大,在利用帶通濾波器濾除噪聲以后,,將信號與直流偏置進行對比,,通過輸出調(diào)制信號,然后再將其將發(fā)送至低通濾波器,,生成調(diào)制信號的包絡(luò)線,。該包絡(luò)線再通過比較器或者AD轉(zhuǎn)換器來判斷它是否是真正的反彈信號,同時停止計時器,,最后通過計數(shù)器的值和音速計算出距離,。

圖1 PSoC產(chǎn)品框圖

圖2 超聲波信號發(fā)送
圖4顯示出倒車雷達發(fā)展的趨勢,從圖中可以看到,,最初的倒車雷達,,只有后方探測,現(xiàn)在的倒車雷達不僅實現(xiàn)了前后方探測,,甚至連左右側(cè)都可以進行探測,。還有一些更先進的技術(shù),已經(jīng)使用在高檔汽車上,。

圖3 超聲波信號接收

圖4 倒車雷達的發(fā)展趨勢
低端倒車雷達系統(tǒng)
倒車雷達系統(tǒng)一般由兩部分組成,,分別是探頭部分和主控部分。探頭部分一般安裝在汽車的尾部或兩側(cè),,而主控部分則位于汽車的前端,,靠近汽車駕駛員。低端倒車雷達(圖5)的探頭部分,,通常只包含超聲波傳感器,,而主控部分包括CPU和所有的外圍電路。探頭和主控板通過傳導(dǎo)線連接,,傳送發(fā)送和回波信號,,一個主控板帶3到4個探頭。低端的倒車雷達系統(tǒng)成本通常較低,,多采用分立元件,,集成度也較低,因而性能較差,,有效測量距離小于 1.5m,。此外,報警也采用簡單的蜂鳴器,。

圖5 低端倒車雷達系統(tǒng)框圖
中端倒車雷達系統(tǒng)
中端的倒車雷達系統(tǒng)在探頭上除了安裝超聲傳感器以外,,還包括發(fā)射信號的放大和驅(qū)動電路,,以及接收信號的放大和信號調(diào)理電路,這樣可以減小信號在長線傳輸中引入的噪聲的影響,。另外,,在控制板上,使用了兩級放大和帶通濾波器以提高測量的性能,。而測量的距離,,通常通過數(shù)字顯示的方式來顯示,并且伴有聲音的報警和提示,。
高端倒車雷達系統(tǒng)
圖7是一個高端的倒車雷達系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖??梢钥吹?,本來處于主控端的一些功能模塊都被轉(zhuǎn)移到探頭一端,它的特點是在探頭上帶有信號放大電路以及處理器,,測量信號在傳感器上實現(xiàn)處理,,因此沒有長線傳輸存在的信號干擾問題。另外,,它可對每個傳感器進行單獨校準(zhǔn),,通過LIN或其他串行方式與主CPU進行通訊。因為通常探頭部分的體積都比較小,,為了在探頭上實現(xiàn)信號的放大和處理,,就需要較高集成度的器件以方便傳感器和PCB板的集成。
圖8給出了倒車雷達傳感器覆蓋區(qū)域的要求,,它要求在水平方向上70±5cm范圍內(nèi)最小100°,;在100±5cm范圍內(nèi),最小 40°,。垂直方向上,,在50±5cm范圍內(nèi)最小60°;在110±5cm范圍內(nèi),,最小20°,。

圖6 中端倒車雷達系統(tǒng)框圖

圖7 高端倒車雷達系統(tǒng)框圖

圖8 倒車雷達傳感器覆蓋區(qū)域要求
Cypress倒車雷達控制系統(tǒng)參考設(shè)計
Cypress 的倒車雷達控制系統(tǒng)使用PSoC系統(tǒng)的主要原因是:1、它的資源靈活,,PSoC的模塊資源具有可編程性,,針對不同客戶、不同定位的產(chǎn)品需求可重新配置,;2,、集成度高,集成了PWM w/DB,、比較器,、A/D轉(zhuǎn)換器PGA等模擬模塊,,模擬集成度高;3,、它幾乎不需要外部器件,,降低了 BOM 成本, 減小了電路板尺寸;4,、它的IP保護能力強,,很難被復(fù)制。
PSoC倒車雷達控制器采用CY8C24633芯片作為主控芯片,。芯片采用 M8C處理器,,運行速度高達24M,內(nèi)含8×8的乘法器和32位的累加器,。工作電壓范圍為3V~5.25V,,溫度范圍為工業(yè)級:-40℃~85℃。該 PSoC芯片包括4個數(shù)字模塊和4個模擬模塊(2CT/2SC),。另外它還擁有針對電機控制而優(yōu)化的高速8 位 SAR AD轉(zhuǎn)換器,。
圖 9為Cypress倒車雷達系統(tǒng)的硬件框圖,采用CY8C24633用于主控板,。該設(shè)計使用收發(fā)一體的傳感器,,并在傳感器端增加初級放大電路。驅(qū)動信號為 40kHz的脈沖信號,。每個傳感器采用3線連接方式與主控板連接,,最多可接6路傳感器輸入。對交流信號進行電平抬升,,從而更好地處理回波信號,。內(nèi)部的模擬模塊可配置成PGA、比較器及帶通濾波器,,并在器件內(nèi)部實現(xiàn)互連,。主控板與顯示器通過串口連接,顯示器通過數(shù)字方式顯示探測距離,。
圖10 給出了PSoC內(nèi)部模塊的配置和信號的路由,,從圖中可以看到,4個數(shù)字模塊分別被配置成PWM計時器,、定時器和串口發(fā)生器,。而四個模擬模塊分別被配置成兩個PGA放大器和一個帶通濾波器,信號的路由從圖中也可以看得非常清楚,,

圖9 Cypress倒車雷達控制系統(tǒng)硬件框圖

圖10 PSoC內(nèi)部模塊配置
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