引言

倒车雷达是用来探测车身周围的障碍物并显示其距离，以帮助驾驶员安全倒车或泊车的辅助电子设施[1]，在中高档汽车上的应用已逐渐普及，但多为无源探头倒车雷达。目前高性能的倒车雷达大都采用有源探头，接收的回波信号在探头内部放大整理后输出，发射信号也在探头内部耦合驱动传感器，其抗干扰性更强，探头的互换性、一致性也更高。本文给出一种有源倒车雷达设计方案，使用超声波传感器，利用时差法来确定传感器和反射物之间的距离，在驾驶员选择倒车挡时，向驾驶员提供监视范围内是否存在障碍物的指示。

图1 系统功能框图（略）

设计要求

倒车雷达常用的超声波传感器直径为14毫米，工作频率40KHz，驱动电压最高为140Vp-p，其他的参数，如声压、阻抗、余震时间等参数请参看所用产品的说明书。根据ISO17386标准，主要的设计要求有：

（1）额定电压-DC 12 V，工作电流-500mA MAX. 工作温度--30~+80 ℃。

（2）测量范围：最大有效测量距离140厘米，最小测量距离40厘米。

（3）测量原理：采用飞行时间测量原理。激活的探头将创建超声波区域，在接收到探测区域内对象所反射的能量后，测量出车辆与该对象之间的距离。

（4）距离显示：通过段式液晶屏显示测量距离。在MCU处理以后，距离数值应传送到显示屏进行显示并打开相应的声音报警。如果超过测量范围，显示继续，声音报警关闭。一旦进入有效范围，则自动打开声音报警功能。

（5）警告级别：使用三级警告级别，通过缓急不同的报警信号进行表示。

（6）上电以后，系统进行自测，工作过程中不会进行故障自测。如果没有探头故障，则自测时间不超过100毫秒。为保证实时性，探测到障碍物到传送显示数值的时间不应超过600毫秒。

（7）系统启动后进行自测，检查传感器是否故障。

（8）打到倒车档时，如果倒车速度不大于0.5米/秒，系统将从静止模式转变为启动模式，对周围的障碍物进行测量。同时有手动开启开关，驾驶员可以使用开关打开和关闭此系统。

功能框图

系统包括4个超声探头、1个主机和1个报警显示装置。为了提高性能，采用有源探头。接收的信号在探头内部进行放大后输出；同样，发射信号也在探头内耦合以驱动传感器。

作为典型的传感器处理应用设计，本电路的设计难点还是围绕在传感器部分：一是接收信号的放大；二是发射电路的驱动匹配。

硬件电路设计

接收放大电路

在接收到反射的超声波后，传感器会产生压电共振，输出振幅微小的正弦波。超声传感器能对只有-70分贝的回波产生感应，声压是如此之小，所以感应产生的电压也只有微伏级，一般的测量工具是看不出来的。这么小的电压信号，如果要服务于后续电路，必须要进行放大。本电路使用了三级放大，前两级为普通反相放大电路，第三级为带通放大电路，理论放大倍数约为20~30万倍。前两级的放大电路如图2所示：

图2 接收放大电路之一（略）

运算放大器采用美国国家半导体公司的TL074，这是一种很常见的运放，使用比较简单。为JFET输入，阻抗极高，不必考虑输入端的阻抗平衡。另外它的噪声较小，工作带宽较大[2]。电路采用单电源供电，第一级前的输入电阻图中未画出，在后面的接口电路中可以找到。Ca1跨接到运放的1、2脚两端，可以部分地滤除高频信号，放大倍数的大小可以由Rb动态调节。

信号在经过以上两级放大后，在示波器上已经可以隐约地看出接收的波形。但还是太小，后续电路不能使用，必须再次放大。但此时，输入干扰信号也已经被放大了很多，加上运放的噪声，如果第三级运放不能有效地滤除它们的话，放大后的信号效果会非常差，几乎不能使用。为此，第三级运放采用了带通放大电路，如图3所示。

图3 接收放大电路之二（略）

第 三级是典型的多反馈带通放大电路。它的Q值、放大倍数A和中心频率f均可调。中心频率可以通过调节Rc进行调整，而且Rc的变化不会影响到Q值和带宽[3]。将中心频率设定为40kHz，可以有效地滤除大部分干扰波形，输出清晰的回波放大信号。从示波器上观察，其背景噪声信号应该不超过200mV。

经过三级放大后的回波信号，根据距离的不同幅值也相应变化。如果想通过级联第四级运来增加测量距离的想法是不太现实的，因为级数太多，运放很容易处于自激状态而变成一个振荡电路。不可限制地增大其中某一级的放大倍数也是不可取的，在增益带宽积限定的情况下，必须折衷取舍增益和带宽的大小。况且放大倍数太大，失调电压和噪声、温漂等都将变得不可控，严重影响电路的正常工作。如果想使运放较为理想的工作，采用负反馈放大的时候，其放大倍数尽量不要太大。

整形电路

放大后回波信号幅值不定，要被单片机读取使用，需要通过比较器整形为数字信号。如果单片机本身带有比较器功能，信号可以直接接入，如果没有这项功能，则必须外接模拟比较器。由于PIC18F2480本身不带有比较器，本设计选用了LM2903对放大信号进行整形。

模拟整形电路的主要工作是将幅值不定的一簇正弦波整理为一个有明确上升沿的脉冲信号，以供单片机中断使用。利用LM2903的整形电路如图4所示：

图4 比较整形电路（略）

上面的电路可以很好地完成对回波整形加工的任务，并使整个电路的抗干扰性大大增强。通过RX_CON的开关，可以很容易地控制回波信号的进入。这对收发同体的超声传感电路来说是十分必要的，它可以有效地滤除发射信号和余振信号对整体电路的干扰。通过调整RL3的大小，可以隔离那些不能被滤除的背景噪声信号。第一级比较之后的输出信号还是一簇40kHz、幅值较小的脉冲波，它们通过二极管对CL2进行充电，利用CL2电平引发第二级比较器输出一个数字脉冲信号。上面电路的另一个优点是，如果进入比较器的是间或的一两个干扰脉冲，如果它没有充足的电量使CL2的电压升高到足够值，第二级比较电路便不会有输出，在硬件上提高了抗干扰能力。

通道选择电路

因为系统使用了四路探头，所以无论接收或发射，都将有4路信号进出。为了将它们分开，本电路选用了通道开关芯片CD4051。接收部分的电路如图5所示。

图5 接收选通电路（略）

发射驱动电路

发射驱动电路的主要功能是产生足够的功率来利用40kHz的脉冲波驱动超声传感器发射超声信号。如果想要测量的距离足够远，除了探头的性能外，发射功率是否足够至关重要。本电路中采用中周变压器耦合放大来驱动超声传感器，设计电路如图6所示。

图6 发射驱动电路（略）

其中，Q1和Q2组成达林顿管用来为中周变压器提供驱动电流，通过TX进行控制。CT1在发射时为中周的初级线圈提供所需的瞬间大电流。在发射的时候，中周变压器的次级线圈提供的电压峰峰值可以达到100V以上。因为超声传感器是收发同体的，所以在发射的时候，发射信号也会毫无阻碍地到达第一级运放进行放大。为了保护运放，有必要设置过渡电路。过渡电路的主要功能是在发射时，限制运放端的信号幅值在安全范围以内，同时又不能影响接收信号的传输。通过D11和D12，可以将运放端的信号控制在700mV左右。

在加上电源处理、温度检测电路和显示报警电路后，倒车雷达硬件电路设计基本完成了。要强调的是，模拟部分的电源一定要足够平滑稳定，以免影响电路正常工作。

软件设计

倒车雷达的功能较为单一，任务不多，所以使用前后台工作方式，主程序流程如图7所示。

系统初始化过程中要仔细设置PIC18F2480 I/O口的输入输出控制位，以及A口的模数复用脚控制位，否则不能精确工作。在功能实现方面，要注意的主要问题有：

（1）发射后，超声传感器会有2mS左右的余震时间，这段时间要关闭接收。

（2）如果4个探头同时工作，要选择测量距离最短的数值进行显示。

在技术实现上，充分利用了T0和T1两个定时器。T0设置为16位定时方式，以它的溢出为标志开始一个发射测量循环。T1定时器用于确定发射和接收之间的时间差，如果T1溢出，则表示没有检测到障碍物，置相应标志位。如果车后有障碍物，则接收到的信号会引发INT0中断。INT0中断会停止T1计时，并置位标志位。发射时的驱动脉冲通过单片机引脚输出产生，为了防止干扰，使发射频率准确无误，发射时应关闭中断。也可以使用硬件产生发射脉冲。

图7 主程序流程图（略）

如果需要利用PIC单片机的CAN通讯功能，将倒车雷达连入车身CAN网络中，硬件上只需要联入CAN收发器，软件上则需要补充大量的设计工作。为了使软件的工作流程更加直观清晰，下面以时间轴方式列出在Debugger模式下各函数运行情况。这里使用了8M的晶振，T0设为16位定时方式，4分频，初值为0，用于控制工作循环；T1设为16位定时方式，未分频，初值为0x60，用于定时测量时间。

图8是测试程序在Debugger模式下各任务占用时间的明细，目的是直观地了解在哪一个阶段时间比较宽裕，可以安排别的工作，比如通讯（这里假设通讯是异步的，位于从属地位；如果通讯是周期性的，周期时间又比较短的话，就应该充分考虑各任务的优先级并合理安排时间）。由于前后台编程模式的局限性，每个任务发生的时刻并不能严格确定，这里只大约计算到了毫秒。其中-10到0的区间是初始化时间（这是没有故障的正常初始化时间，如果有探头故障，因为要提供声音提示，所以占用的时间将根据故障探头的数目多少达到几秒或是十几秒），0到131mS的区间是循环程序时间。在每个循环的开始，都要发射一组脉冲，并在循环时间内结束测量。发射时间约为100μS，这期间各中断是关闭的；接下来的2mS是余震时间，外部中断要关闭，别的中断，如有需要，可以开启。2mS以后开启接收中断，根据障碍物距离的远近，接收占用的时间也不同，如果没有障碍物反射回波引发中断，那么T1最终会溢出，耗时约为20mS。如果接收到了回波并引发中断的话，中断程序将会停止T1计时并读取数值，同时置位接收标志位。主循环检测到接收有效位后，会调用距离计算函数计算出距离并保存到数组。最后的距离显示并不是每个循环都有的，而是4个循环发生一次（这里是假设4个探头均工作在自发自收状态，如果需要使探头相互收发进行交叉测量，那么循环数根据实际次数重新确定）。

图8 测试程序各任务占用时间（略）


测试

设计完成的电路系统可以很好地完成所要求的测距功能，加上液晶显示和蜂鸣报警后，便可以作为后装产品安装到汽车上。如果再加上CAN驱动器芯片，并设计好通讯部分的软件协议，也可以作为一个节点联入车身CAN网络中。

图9是利用一个探头工作在自发自收时的测距情形，障碍物为距离150cm左右的A4纸张。示波器通道1用于测量运放输出的波形，电压比例常数为2V；通道2测量单片机的INT引脚，电压比例常数为5V；时基为2mS。

图9 工作时的放大回波及中断波形（略）

不足

由图9可以看出，传感器发射时的余震信号超过了2mS，这样在自收发测距的情况下，最小的测距范围限制在了40cm左右（小于40cm的距离测量可以通过发射和接收使用不同探头的方法来进行，通过三角换算得出距离，以减小余震的影响，只是精度会差一些）。这是由于中周性能不良造成的，有待于进一步完善。另外，一些超声波探测的传统处理难点仍不尽如人意，如扫地波的滤除仍然要部分地借助外壳或安装；斜坡或石子路面的回波干扰问题仍难以辨别等等。