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。
而高集成度且設(shè)計靈活的PSoC便有效地應對了這些挑戰(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的設(shè)計。在控制功能方面，PSoC可以實現(xiàn)各種風扇和電機的控制、功率控制，同時還支持多種復雜的通訊接口。PSoC的應用無處不在，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。傳感器各種的應用、控制應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，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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