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高级驾驶辅助系统ADAS核心设计攻略

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    高级驾驶辅助系统是利用安装在车上的各式各样传感器,在

    汽车行驶过程中随时来感应周围的环境,收集数据,进行静态、

    动态物体的辨识、侦测与追踪,并结合导航仪地图数据,进行系

    统的运算与分析,从而预先让驾驶者察觉到可能发生的危险,有

    效增加汽车驾驶的舒适性和安全性。

    近年来 ADAS 市场增长迅速,原来这类系统局限于高端市场,

    而现在正在进入中端市场,与此同时,许多低技术应用在入门级

    乘用车领域更加常见,经过改进的新型传感器技术也在为系统布

    署创造新的机会与策略。

    为帮助到更多从事汽车 ADAS 领域的工程师朋友,电子发烧

    友网特别策划一周回顾系列白皮书之《高级驾驶辅助系统 ADAS

    核心设计攻略》,以期在工程师设计开发中提供高效的参考价值。

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    Everything For Engineers 1 一周回顾系列白皮书之 <高级驾驶辅助系统 ADAS 核心设计攻略> http://www.elecfans.com 前言 Everything For Engineers 高级驾驶辅助系统是利用安装在车上的各式各样传感器,在 汽车行驶过程中随时来感应周围的环境,收集数据,进行静态、 动态物体的辨识、侦测与追踪,并结合导航仪地图数据,进行系 统的运算与分析,从而预先让驾驶者察觉到可能发生的危险,有 效增加汽车驾驶的舒适性和安全性。 近年来 ADAS 市场增长迅速,原来这类系统局限于高端市场, 而现在正在进入中端市场,与此同时,许多低技术应用在入门级 乘用车领域更加常见,经过改进的新型传感器技术也在为系统布 署创造新的机会与策略。 为帮助到更多从事汽车 ADAS 领域的工程师朋友,电子发烧 友网特别策划一周回顾系列白皮书之《高级驾驶辅助系统 ADAS 核心设计攻略》,以期在工程师设计开发中提供高效的参考价值。 2 一周回顾系列白皮书之 <高级驾驶辅助系统 ADAS 核心设计攻略> http://www.elecfans.com 参考设计 TI 飞思卡尔 ADI 世强 瑞萨 电路图精华 目录 4 高级驾驶员辅助系统(ADAS)设计 Everything For Engineers 6 TIDA-00151 用于停车辅助或盲点检测系统的汽车类超声波传感器接口 9 TIDA-00162 用于汽车应用的环视解决方案 10 高级驾驶员辅助系统(ADAS)解决方案 14 77 GHz 雷达系统参考设计 15 MPC567xK 面向 ADAS 应用的 Qorivva 32 位 MCU 16 MPC5561 面向高级驾驶员辅助应用的 Qorivva 32 位 MCU 17 MC33905 带高速 CAN 和 LIN 的第二代系统基础芯片 18 MR2001 多通道 77 GHz 雷达收发器芯片组 19 高级驾驶员辅助系统(ADAS)视觉解决方案 20 ADSP-BF606 BLACKFIN 双核处理器,适合高性能数字信号处理应用 21 ADV7280 10 位、4 倍过采样 SDTV 视频解码器 22 ADV7125: 330MHz、三通道、8 位高速视频 DAC 23 AD725 RGB 转 NTSCPAL 编码器 24 ADA4851-1 低成本、高速、轨到轨输出运算放大器 24 ADT7311 汽车应用高精度数字 SPI 温度传感器 26 高级汽车环视辅助驾驶系统(ADAS)方案 30 三大 ADAS 检测系统解决方案简述 35 高级驾驶监测车载系统电路设计 38 采用 ADAS3023 同步数据采集系统电路设计 42 汽车油量监测报警器电路设计 46 汽车智能驾驶辅助系统数据发送与接收电路设计 49 汽车传感器之信号处理电路设计 52 汽车辅助系统 CAN 总线接口电路设计 38 采用 ADAS3023 同步数据采集系统电路设计 42 汽车油量监测报警器电路设计 46 汽车智能驾驶辅助系统数据发送与接收电路设计 49 汽车传感器之信号处理电路设计 52 汽车辅助系统 CAN 总线接口电路设计 56 电源电路设计 58 无线接收接口电路设计 64 基于 ADAS 嵌入式导航仪电路设计 68 USB 接口电路 3 一周回顾系列白皮书之 <高级驾驶辅助系统 ADAS 核心设计攻略> http://www.elecfans.com Everything For Engineers TI 高级驾驶员辅助系统(ADAS)设计 简介 车用视觉控制系统处理来自数码摄像机、激光器、雷达和其它感应器等来源的数据信息,以便执行诸如 路线起程提示、瞌睡感应或停车辅助之类的任务。处理过的信息会显示在显示屏上或通过声音警告信号广播 出来。 设计框图: 电源管理:电源与 12V 或 24V 的网板相连接,上/下调节电压以适用于 DSP、uC、存储器和 IC 及其它 功能, 例如步进电机、通信接口、显示偏差和背景。当尝试小型、低成本且高效的设计时,由于需要多个不 同的电源轨,因此电源设计就成了一项关键任务。具有低静态电 流的线性稳压器有助于在待机操作模式(关 闭点火)过程中减少电池漏电流,是与电池直连的器件的负载突降电压容限,需要低压降并追踪低电池曲轴 操作。 除了提供增强的转换效率,开关电源还为 EMI 改进提供了开关 FET 的转换率控制、跳频、用于衰减峰值 光谱能量的扩频或三角测量法、低 Iq、用于电源定 序和浪涌电流限制的软启动、用于多个 SMPS 稳压器以 减少输入纹波电流并降低输入电容的相控开关、用于较小组件的较高开关频率(L 和 C 的)和用于欠压指示 的 SVS 功能 4 一周回顾系列白皮书之 <高级驾驶辅助系统 ADAS 核心设计攻略> http://www.elecfans.com Everything For Engineers 通信接口允许汽车独立电子模块、信息娱乐系统的远程子模块以及 USB 存储器或视频源等外部器件相互 间的数据交换。高速 CAN(速率高达 1Mbps,ISO119898)是一款双线容错差动总线。它具有宽输入共模 范围和差动信号技术,充当互连车内各个电子模块的主要汽车总线类型。LIN 支 持低速(高达 20kbps)单 总线有线网络,主要用于与信息娱乐系统的远程子功能进行通信。LVDS 接口用于通过高速串行连接将大量 数据传输至视频屏幕或 视频源(数码摄像机芯片)。 显示:某些车用视觉系统具有显示支持功能,例如停车辅助。根据显示类型的不同,用于显示偏差的电 源解决方案需要放置在 LED 或 CCVF 驱动器顶部以进行背光控制。视频信息可以直接从 uC 中或通过 LVDS 接口发送,具体取决于显示内容的大小。 微处理器:通用 uC 处理系统控制功能以及与其它车内模块的通信。核心数字功能是 DSP,它负责处理 来自数字输入 源(例如 CCD 摄象机)的数据。可能需要简单的屏幕驱动到复杂的数字算法(例如模式识别), 具体取决于所需的性能。MCU 还需要足够高的性能速度才能实时 地为步进电机提供服务。 5 一周回顾系列白皮书之 <高级驾驶辅助系统 ADAS 核心设计攻略> http://www.elecfans.com Everything For Engineers TIDA-00151 用于停车辅助或盲点检测系统的汽车类超声波传感器接口 6 一周回顾系列白皮书之 <高级驾驶辅助系统 ADAS 核心设计攻略> http://www.elecfans.com Everything For Engineers 7 一周回顾系列白皮书之 <高级驾驶辅助系统 ADAS 核心设计攻略> http://www.elecfans.com Everything For Engineers 8 一周回顾系列白皮书之 <高级驾驶辅助系统 ADAS 核心设计攻略> http://www.elecfans.com Everything For Engineers 9 一周回顾系列白皮书之 <高级驾驶辅助系统 ADAS 核心设计攻略> http://www.elecfans.com TIDA-00162 用于汽车应用的环视解决方案 Everything For Engineers 10 一周回顾系列白皮书之 <高级驾驶辅助系统 ADAS 核心设计攻略> http://www.elecfans.com Everything For Engineers 飞思卡尔 高级驾驶员辅助系统(ADAS)解决方案 高级驾驶员辅助系统(ADAS)能够在复杂的车辆操控过程中为驾驶员提供辅助和补充,并在未来最终实现无人驾驶。 ADAS 提供的功能包括自适应巡 航控制、盲点监测、车道偏离警告、夜视、车道保持辅助和碰撞警告系统,具有自动转向和 制动干预功能。预测式 ADAS 可部分控制车辆的移动,预防事故发生。 这些自动安全功能为今后的自主驾驶汽车铺平了道 路。从当今的安全辅助车辆,到未来的自主驾驶汽车,飞思卡尔凭借在汽车、MCU、模拟和传感器,以及数字网 络产品组 合等领域的专业技术,推动全球最具创新性的 ADAS 解决方案的发展。 高级驾驶员辅助系统应用组成 高级驾驶员辅助系统(ADAS)之基础型后视摄像头 后视摄像头系统可以帮助驾驶员发现车后的物体或人员,以便在确保安全的情况下倒车并顺利停车入位。高级系统中部 署 100 万像素的高动态范围(HDR) 摄像头,并通过非屏蔽双绞线实现高性价比的高速以太网连接和视频压缩。其他系统 要求包括适当的物理层接口和电源。高度集成的 Qorivva MPC5604E 32 位 MCU 采用 Power Architecture®技术,能够处理 视频流化和摄像头控制,将所需的通信带宽降低至 100 Mbps 以下。MPC5604E MCU 采用低延迟视频压缩和智能带宽管理 来提高图像质量。MPC5604E MCU 支持与以太网 AVB 兼容的 IEEE® 802.1AS 精确时间协议(PTP),可实现摄像头曝光 的精确同步。 11 一周回顾系列白皮书之 <高级驾驶辅助系统 ADAS 核心设计攻略> http://www.elecfans.com 基础型后视摄像头结构框图 Everything For Engineers 目标应用:带有紧急刹车的倒车保护、盲点侦测、十字路口管理、行人侦测、环视泊车辅助系统 高级驾驶员辅助系统(ADAS)之智能后视摄像头 智能后视摄像头可在本地对视频内容进行分析,以实现物体与行人侦测。此外,它们还支持全面的本地图像处理及图形 叠加创建。它们能够测量物体距离,并触 发制动干预。这种功能可以帮助驾驶员安全倒车,方便他们停入车位。飞思卡尔 解决方案具有高集成度和低功耗的特点,支持开发极小规格的摄像头模块。智能后视 摄像头与简易型模拟摄像头使用相同 的接口,提供了一种极具吸引力的升级换代途径。 智能后视摄像头结构框图 目标应用:碰撞警告、行人侦测、智能后视摄像头系统 12 一周回顾系列白皮书之 <高级驾驶辅助系统 ADAS 核心设计攻略> http://www.elecfans.com Everything For Engineers 高级驾驶员辅助系统(ADAS)之前视摄像头 高级驾驶员辅助系统中的摄像头系统可以分析视频内容,以便提供车道偏离警告(LDW)、自动车道保持辅助(LKA)、 远光灯/近光灯控制和交通标志识 别(TSR)。在前视黑白摄像头中,图像传感器会向配备 DSP 扩展的双核 MCU 提供传入 视频帧,以进行图像处理。其他系统要求包括提供适当的物理通信接 口、电源、可选的 DRAM 以及可降低系统成本的嵌入 式闪存。 前视摄像头结构框图 目标应用:前视摄像头模块、大灯辅助(HLA)、车道偏离警告(LDW)、车道保持辅助(LKA)、交通标志识别(TSR) 高级驾驶员辅助系统(ADAS)之环视泊车辅助系统 多摄像头环视泊车辅助系统可以采集车辆四周的图像,并以虚拟俯视图的形式在屏幕上显示。视角会根据行车轨迹而动 态移动,提供车辆四周 360 度的画面。 高级系统通常采用 LVDS 或快速以太网等经济高效型链路,部署 4 到 5 个高动态范围(HDR) 100 万像素摄像头。可 以使用视频压缩来减少所需的通信带宽并降低布线要求(例如,可以使用非屏蔽双绞线或同轴电缆)。 13 一周回顾系列白皮书之 <高级驾驶辅助系统 ADAS 核心设计攻略> http://www.elecfans.com 环视泊车辅助系统框图 Everything For Engineers 目标应用:盲点侦测、十字路口管理、泊车辅助、环视泊车辅助系统 高级驾驶员辅助系统(ADAS)77 GHz 雷达系统 77 GHz 雷达系统支持带有或不带自动转向与制动干预功能的自适应巡航控制、防撞保护和碰撞警告系统。在碰撞警告 系统中,雷达芯片组可以检测和跟踪目标,根据 前方交通状况自动调整车辆的速度并控制与前车的距离,在即将发生碰撞 时向驾驶员发出警告并启动紧急制动干预。 77 GHz 雷达系统框图 目标应用:自适应巡航控制(ACC)、盲点侦测(BSD)、紧急制动、前方碰撞警告(FCW)、间距警报、事故减轻与 制动辅助、防撞侦测、后方碰撞保护(RCP)、停止和行驶. 14 一周回顾系列白皮书之 <高级驾驶辅助系统 ADAS 核心设计攻略> http://www.elecfans.com 77 GHz 雷达系统参考设计 Everything For Engineers 概述 77 GHz 雷达系统支持带有或不带自动转向与制动干预功能的自适应巡航控制、防撞保护和碰撞警告系统。在碰撞警告 系统中,雷达芯片组可以检测和跟踪目标,根据 前方交通状况自动调整车辆的速度并控制与前车的距离,在即将发生碰撞 时向驾驶员发出警告并启动紧急制动干预。 飞思卡尔的高性能多核 Qorivva 32 位 MCU 整合了飞思卡尔 77 GHz 雷达收发器芯片组,支持长、中、短距离应用,具 备领先的性能和集成功能。这种可扩展雷达解决方案支持生成和处理复杂的信号,适合多种安全应用。 77 GHz 雷达系统框图 参考器件 15 一周回顾系列白皮书之 <高级驾驶辅助系统 ADAS 核心设计攻略> http://www.elecfans.com Everything For Engineers 1.微控制器(MCU): Qorivva MPC567xK 系列基于 Power Architecture®的 32 位 MCU 为高级驾驶员辅助系统(ADAS)应用提供极具吸引 力的低成本解决方案。该系列增加了芯片的存储器,提升了运行 速度和性能,能够支持自适应巡航控制、智能大灯控制、 车道偏离警告和盲点探测等应用。Qorivva MPC567xK 微控制器是 SafeAssure 功能安全解决方案。 Qorivva MPC567xK 结构框图 详细资料:MPC567xK 面向 ADAS 应用的 Qorivva 32 位 MCU Qorivva MPC5561 MCU 基于 Power Architecture®技术,专为高级驾驶员辅助应用而设计,完美地实现了高性能计算 和信号处理能力的结合。它采用 FlexRayTM 网络控制器和飞 思卡尔的高能效 e200 内核,专门针对高级汽车安全应用而增 强了性能 Qorivva MPC5561 既能帮助您控制成本,又能设计日益复杂的应用。软件和引脚兼容性允许重复使用原有的软件 和硬件架构,从而保护对应用代码和开发工具的投资。 16 一周回顾系列白皮书之 <高级驾驶辅助系统 ADAS 核心设计攻略> http://www.elecfans.com Qorivva MPC5561 结构框图 Everything For Engineers 详细资料:MPC5561 面向高级驾驶员辅助应用的 Qorivva 32 位 MCU 2.电源与 CAN 接口: MC33905 是第二代系统基础芯片系列中的一款器件。它 集成了多种功能和增强型模块设计。作为一个高级电源管理单 元,此器件适用于 MCU 和附加集成电路,例如传感器和 CAN 收发器。它有一个内设增强型高速 CAN 接口(ISO11898-2 和-5),具有局部和总线故障诊断、保护功能以及故障安全操作模式。SBC 可包含 0、1 或 2 个 LIN2.1 接口与 LIN 输出引 脚开关连接。它包含两个或者 3 个唤醒输入引脚,可配置为输出驱动器以实现灵活性。 17 一周回顾系列白皮书之 <高级驾驶辅助系统 ADAS 核心设计攻略> http://www.elecfans.com MC33905 结构框图 Everything For Engineers 详细资料:MC33905 带高速 CAN 和 LIN 的第二代系统基础芯片 3.RADAR 前端: MR2001 是飞思卡尔的一款高性能 77 GHz 雷达收发器芯片组,可扩展为多通道运行,使单个雷达平台具有电子波束操 控功能和更宽的探测区域,可实现汽车安全系统、通信基础设施和工业控制系统的长距离、中距离和短距离雷达应用。 MR2001 雷达芯片组可支持多个并行有效 Tx 通道的快速调制,在较宽的探测区域内实现卓越的空间分辨率和检测精度。 它在开环 VCO 雷达系统架构内支持各种线性调频,并且功耗极低。集成式 BB 滤波器和 VGA 可节省总体物料成本。 MPC577xK MCU 系列采用 MR2001 77 GHz 封装雷达前端芯片组,为如自适应巡航控制、紧急制动系统、车道偏离警 告和盲点检测等 ADAS 应用提供了一个完整的系统级雷达解决方案。 MR2001 采用高级封装技术,可确保用户 PCB 具有最高性能和极小的信号衰减。 18 一周回顾系列白皮书之 <高级驾驶辅助系统 ADAS 核心设计攻略> http://www.elecfans.com MR2001 简化应用简化图 Everything For Engineers 详细资料:MR2001 多通道 77 GHz 雷达收发器芯片组 19 一周回顾系列白皮书之 <高级驾驶辅助系统 ADAS 核心设计攻略> http://www.elecfans.com Everything For Engineers ADI 高级驾驶员辅助系统(ADAS)视觉解决方案 应用概述 高级驾驶员辅助系统(ADAS)在未来几年将出现大幅增长。主要原因之一是安全意识的增强,以及客户对驾乘舒适度 要求的提高。但是, 最重要的原因是,欧洲新车安全评鉴协会(NCAP)加强了安全要求,这将促使明年 ADAS 设备安装 率从个位数上升到几乎 100%。因此,可商 业化运行的解决方案无疑已是当务之急。 基于视觉的 ADAS 可以从多方面大大提高行车安全性。通过安装后视/前视/侧视摄像头和视觉处理 ECU,可以实现多种 功能来帮助驾驶员 提前防范风险。受欢迎的应用包括路线偏差告警(LDW)、远光近光调整(HB/LB)、交通信号识别(TSR)、 停车辅助、后视/环视、防撞等。 方案特点 为了实现这一功耗,ADI 公司采用了直接又特别的概念。这一概念基于两个 Blackfin 内核,因为已量产的 ADAS 系统正 采用这一架构。然而,那些 无法经济高效通过软件模型化的算法已经被用硬件引擎实现,由此产生了高度可配置的视觉处 理单元工具箱。ADI 公司将其称作“流水线视觉处理器” (PVP),如今已成为全新 ADSP-BF60x 处理器的一部分。虽然采 用了低功耗处理技术,但还需要进一步创新,以解决现代设计中最重要的功耗问题,这 种方法是外部存储器(DDR2)接口。 通过适当分配处理能力,合理利用适量存储器带宽,可以实现最低功耗。此外,一些硬件模块也增强了 Blackfin 架构,使其 能够满足功能安全要求。 系统要求和设计挑战 • 支持 ISO26262 要求的功能安全 • 能够在面向应用的开发环境中使用 • 优化了视觉处理库 • 有助于设计出一套上市时间短、风险低的总体系统 主信号链 1.ADAS 摄像头—智能摄像头 ECU 20 一周回顾系列白皮书之 <高级驾驶辅助系统 ADAS 核心设计攻略> http://www.elecfans.com 2.ADAS ECU—摄像头+ 中央处理 ECU Everything For Engineers 相关参考器件 1.DSP 双核 ADSP-BF606 Blackfin 处理器针对各种工业、仪器仪表、医疗及消费电子应用进行了优化,这些应用需要完成复杂 的控制和信号处理任务,同时保持极高的数据吞吐量。 具体特性包括高性能增强型基础设施、大型片内存储器和功能丰富 的外设集,具有扩展连接选项,包括 USB 2.0 HS OTG、2 个 10/100 以太网 MAC,以及移动存储器接口(RSI)。此外, ADSP-BF606 处理器还具有适合安全至关重要应用的特性,包括内部存 储器块中用于存储器保护、奇偶校验和 ECC 保护的 CRC,以及故障管理单元。 ADSP-BF606 Blackfin 处理器功能框图 21 一周回顾系列白皮书之 <高级驾驶辅助系统 ADAS 核心设计攻略> http://www.elecfans.com Everything For Engineers 详细资料:ADSP-BF606 BLACKFIN 双核处理器,适合高性能数字信号处理应用 2. 视频解码器 ADV7280/ADV7280-M 是功能丰富的单芯片、多格式视频解码器。ADV7280/ADV7280-M 可自动检测标准模拟基带视 频信号,兼 容复合、S 视频和分量视频形式的 NTSC、PAL 和 SECAM 全球标准信号。ADV7280 可将模拟视频信号转换为 4:2:2 分量视频数据流,其与 8 位 ITU-R BT.656 接口标准兼容。ADV7280-M 可将模拟视频信号转换为兼容移动工业处理 器接口(MIPI®) CSI-2(8 位 YUV)的输出视频流。ADV7280/ADV7280-M 的模拟视频输入端支持单端信号。ADV7280 提供 4 个模拟输入,而 ADV7280-M 提供 8 个模拟输入。ADV7280 和 ADV7280-M 支持 I2P 转换。ADV7280/ADV7280-M 通过双线式串行双向端口 (I2C 兼容型)进行编程,并且采用 1.8 V CMOS 工艺制造。该解码器提供 LFCSP 封装选项,非 常适合空间受限的便携式应用。 ADV7280 功能框图 22 一周回顾系列白皮书之 <高级驾驶辅助系统 ADAS 核心设计攻略> http://www.elecfans.com Everything For Engineers 详细资料:ADV7280 10 位、4 倍过采样 SDTV 视频解码器 3.视频编码器/DAC ADV7125 (ADV®)是一款单芯片、三通道、高速数模转换器,内置三个高速、8 位、带互补输出的视频 DAC、一个 标准 TTL 输入接口以及一个高阻抗、模拟输出电流 源。它具有三个独立的 8 位宽输入端口。只需一个+5 V/+3.3 V 单电源和 时钟便能工作。ADV7125 还具有其它视频控制信号:复合 SYNC 和 BLANK,以及省电模式。 ADV7125 功能框图 23 一周回顾系列白皮书之 <高级驾驶辅助系统 ADAS 核心设计攻略> http://www.elecfans.com Everything For Engineers 详细资料:ADV7125: 330MHz、三通道、8 位高速视频 DAC 4.RGB-CVBS 转换器 AD725 是一款极低成本通用 RGB 转 NTSC/PAL 编码器,可将红色、绿色和蓝色分量信号转换为符合 NTSC 或 PAL 标 准的相应亮度(基带振幅) 和色度(副载波振幅与相位)信号。同时,这两路输出在片内合并以提供复合视频输出。所有 三路输出均可供独立使用,其电压为驱动 75 Ω反向端接电缆所需的标准信号电平的两倍。 AD725 功能框图 详细资料:AD725 RGB 转 NTSCPAL 编码器 24 一周回顾系列白皮书之 <高级驾驶辅助系统 ADAS 核心设计攻略> http://www.elecfans.com Everything For Engineers 5.视频放大器 ADA4851-1(单通道)、ADA4851-2(双通道)和 ADA4851-4(四通道)均为低成本、高速、电压反馈型、轨到轨输 出运算放大器。 虽然这些器件成本较低,但仍能够提供出色的整体性能和丰富多样的功能。130 MHz 的−3 dB 带宽和高压 摆率使这些放大器非常适合许多通用高速应用。ADA4851 系列设计采用+3 V 至±5 V 电源供电。这些器件具有单电源供电能 力,输入信号可扩展至负供电轨以下 200 mV、正供电轨的 2.2 V 范围内。放大器的输出摆幅可达任一供电轨的 60 mV 范围 内。 ADA4851-1 引脚配置 详细资料:ADA4851-1 低成本、高速、轨到轨输出运算放大器 6. 温度传感器 ADT7311 是一款窄体 8 引脚 SOIC 封装高精度数字温度传感器。它内置一个带隙温度基准源和一个 16 位 ADC,用来监 控温度并进行数字转换,分辨 率为 0.0078°C。默认 ADC 分辨率设置为 13 位(0.0625°C)。ADC 分辨率为用户可编程模 式,可通过串行接口更改。 ADT7311 功能框图 25 一周回顾系列白皮书之 <高级驾驶辅助系统 ADAS 核心设计攻略> http://www.elecfans.com Everything For Engineers 详细资料:ADT7311 汽车应用高精度数字 SPI 温度传感器 设计资源 硬件开发板 · BF60x 标准评估板和扩展板 · 前视 ADAS 开发套件 (请联系 ADI 销售部门) BF60x DSP 集成开发环境:CCES 标准软件模块 · ADAS 视觉分析工具箱(AVAT) · Blackfin 图像处理工具箱(IPTBX) · 二维图形工具箱(GFX2D) · 视觉 ADAS 框架和算法参考代码 · LDW、FCW、TSR、HBA、PD 函数 26 一周回顾系列白皮书之 <高级驾驶辅助系统 ADAS 核心设计攻略> http://www.elecfans.com Everything For Engineers 世强 高级汽车环视辅助驾驶系统(ADAS)方案 自 Google 无人驾驶技术被世人熟知后,与此相关的汽车辅助驾驶系统 ADAS 技术成为了众人关注的焦点。世强高级汽 车环视辅助驾驶系统(ADAS)方案,基于 SH7766 图形处理器,此方案可以适用于汽车安全系统,如车道偏离警告系统(LDW) 等典型的 ADAS 应用。 方案简介: 基于 SH7766,世强联合第三方设计公司开发出了一套高级汽车环视辅助驾驶系统方案(如下图所示),堪称分销界首 创!这套环视 ADAS 系统方案具有 强大的图像处理能力,能实现超清晰图像和高品质色彩还原;完美的画面明暗表现,来 自高动态范围的自动调整;且只有极低的 CPU 占有率和功耗。此方案可以适 用于汽车安全系统,如车道偏离警告系统 (LDW)、车道保持辅助系统(LKAS)等典型的 ADAS 应用。 27 一周回顾系列白皮书之 <高级驾驶辅助系统 ADAS 核心设计攻略> http://www.elecfans.com Everything For Engineers 图:世强联合第三方推出的高级汽车环视辅助驾驶系统方案框图和 Demo 本环视 ADAS 系统方案可提供两种标定模式-全自动标定模式和精准标定模式: 1. 全自动标定模式是强大、可靠的,并不需要相机安装角度的苛刻要求;适应大规模生产 2. 在光照条件很差,或恶劣环境条件下,可以采用半自动精准校定工具,提供最好的标定结果。另外,该系统方案支持 超级虚拟相机模式,可以生成在任意视角下的虚拟视图,且可任意使用虚拟相机参数,焦点,生成视图,鱼眼和针眼相机都 适合。 世强环视 ADAS 方案的其他特点还包括: 1. 支持基于环视原理的车道偏离驾驶预警模式:基于环视的车道偏离技术打开了新的领域,扩展了环视驾驶辅助系统的 应用; 28 一周回顾系列白皮书之 <高级驾驶辅助系统 ADAS 核心设计攻略> http://www.elecfans.com Everything For Engineers 2. 俯视图的可见区域大小一键更改 ; 3. 俯视图完美拼接和分割效果; 4. 多种模块的备选(包括:3D 效果的环视界面;DVR ;基于 3G 的视频查看和信息管理;语音倒车指南等)。 表 1:高级汽车环视辅助驾驶系统方案的关键元器件推荐 关于 SH7766 SH7766 如下几大图像处理优势特别引人注目: 1. 周边物体检测 (支持 4 路摄像头) SH7766 SoC 配备六个视频输入通道。其中,四个通道采用 NTSC 模数转换器(ADC)。这表示单芯片上即可提供 NTSC 摄像系统的必要功能。另外,还可以利用六 个视频输入通道实现多个应用,使用在一枚芯片上提供的各项功能。例如在正 常行驶时可利用数字双通道输入,在十字路口和停车时则切换成 NTSC 四通道输入。 2. 高性能图像识别引擎 SH7766 SoC 配备 IMP-X2 新一代图像识别引擎。IMP-X2 在与瑞萨现有图像处理引擎(IMP)保持数据库兼容性的同时, 将处理性能提高至约四倍以上,应此 使其能并行执行多个处理任务,例如跟踪车道、标志和标线、行人及车辆等。此外它 29 一周回顾系列白皮书之 <高级驾驶辅助系统 ADAS 核心设计攻略> http://www.elecfans.com Everything For Engineers 还新增了多项功能,例如全景图像生成,该功能广泛使用了通过行人、车辆等判 断处理的图像识别算法。通过 IMP-X2 与进 行处理判断的同一芯片上的 CPU 之间的协作,在保持低功耗的同时实现了先进的图像识别性能。 3. 集成 DRC, 支持亮度纠正和补偿 依托动态范围控制(DRC ,Dynamic Range Control)功能,即使是处理向阳处和背阴处这种亮度大不相同的多个视频 图像,还能调整复合视频亮度,补偿过亮和过暗,以便驾驶员更清晰地看清图像显示。 4. 内置扭曲校正硬件 IMR 图像渲染器(IMR, Image Render Engine)视点转换引擎可实时制作出因视频输入或场景而异的视点俯视图像,利用 三角网格校正失真的模式、自动生成矩形网格内的顶点数据,对图像进行失真校正,旋转,缩小或放大。 30 一周回顾系列白皮书之 <高级驾驶辅助系统 ADAS 核心设计攻略> http://www.elecfans.com Everything For Engineers 瑞萨 三大 ADAS 检测系统解决方案简述 瑞萨电子全新图像识别片上系统(SoC)SH7766,在一枚芯片上集成所需的各项功能,实现 360 度汽车全景系统和基 于监控摄像机的周边环境监视系统,例如车道、标志和标线、行人、车辆等关键信息。 ADAS 检测系统能驱动程序对没注意到或看不清楚的道路进行监测从而避免可能发生的事故。这样的系统设计,对于防 止或避免事故发生是很重要的。这种技术对提高安全性和驾驶经验缺乏的驾驶者而言无疑大有裨益,并且这也是未来的发展 趋势。 瑞萨电子 ADAS 产品发展蓝图 方案一 环绕检测系统 俯视监控提供了汽车周围 360 度的视景,利用图像识别技术是其正逐步发展成为环绕检测系统。 SH7766 是一款图像识别 SoC,搭载了 SH-4A 内核、失真校正引擎、图形、图像识别引擎以及其他环绕检测系统所需 的硬件引擎。 单芯片实现汽车俯视系统,图像识别 SoC SH7766 实现高性能 3D 图形引擎,支持逼真的 3D 图像; IMP-X2 图像识别引擎; 六个视频输入通道,包括了四个集成 NTSC ADC 的通道,从而降低了系统成本。 31 一周回顾系列白皮书之 <高级驾驶辅助系统 ADAS 核心设计攻略> http://www.elecfans.com Everything For Engineers 图 环绕检测系统/后方监视器系统框图 方案二 车前方检测 在车辆行驶过程中,这些系统使用摄像头或毫米波雷达探测白线、行人以及障碍物,从而为驾驶人员提供驾车辅助。瑞 萨电子提供两套高级驾驶辅助系统 (ADAS)产品及解决方案,配备有大容量 RAM 的高性能 RISC SH745x 系列微控制器, 以及配备有片上图像识别引擎的 SH776x 图像识别 SoC。 图 前方检测系统/视觉系统框图 32 一周回顾系列白皮书之 <高级驾驶辅助系统 ADAS 核心设计攻略> http://www.elecfans.com Everything For Engineers 图 前方检测系统/毫米波雷达系统框图 方案三 传感器融合 雷达及摄像头传感器中所获取的信息与车辆加速、制动及处理系统相结合,从而事先避免或降低事故发生的可能性。这 些得益于高速运行性能及多种 ROM 尺寸,瑞萨电子的 ADAS 微控制器能够支持从高端到低端的各种车型。 图 传感器融合/ADAS 控制 ECU 系统框图 33 一周回顾系列白皮书之 <高级驾驶辅助系统 ADAS 核心设计攻略> http://www.elecfans.com 所推荐的瑞萨产品 Everything For Engineers 34 一周回顾系列白皮书之 <高级驾驶辅助系统 ADAS 核心设计攻略> http://www.elecfans.com 电路图精华 Everything For Engineers 司机在驾驶过程中会面临非常复杂的交通状况。首先,司机需要对汽车进行动力控制。其次,他们还要保持对汽车周围 环境的关注。第三,司机还要规定从出发点到目的地的导航线路。除此之外,司机还可能会同时使用车载信息娱乐系统或者 与乘客聊天。辅助驾驶系统能帮助司机监测和处理稳定性、控制和导航三个层面的信息,这将能有效减少司机的工作负担, 并且提高了操控的方便性和驾驶的安全性。防抱死制动系统和汽车稳定控制系统已经能够完成汽车稳定性层面上的任务。导 航系统能够满足导航层面的需要,而且应用越来越广泛。在汽车的直接环境中,司机需要引导车辆保持在车道内行驶。鉴于 此,电子发烧友技术编辑特整理一些 ADDAS 电路设计供工程师参考,不足之处还请见谅。 TOP1 高级驾驶监测车载系统电路设计 酒精浓度检测模块设计 酒精浓度检测模块主要由 3 个部分组成:酒精传感器,小信号放大电路和 A/D 转换器。酒精传感器是整个模块的核心, 常用的酒精传感器主要有电化学酒精传感器,半导体酒精传感器等等。考虑到这套系统为车载系统,因此需要传感器具有体 积小,精度高,响应快,抗干扰能力强的特点,我们选择了 MQ-3 酒精传感器。MQ-3 传感器对乙醇蒸汽有很高的灵敏度和 良好的选择性,它的测量范围是 10~1 000 ppm 的酒精浓度,在测量范围内,该传感器的体电阻与空气中的酒精含量成线性 关系,我们通过将体电阻的变化转化为一种电压的变化,就可测得空气中酒精的酒精含量。 该系统设计电路如图 2 所示。U1 是酒精传感器,两个 F 引脚为加热引脚,用来给传感器预热,A,B 引脚为信号输出, A 接电源,B 与地之间串一个 200 kΩ的采样电阻(实际电路中用一个电位器来替代),其作用是将体电阻 Rs 转化为电压输 出,运放 U2A 组成一个同向放大电路,其放大倍数为 1+R3/R2,这里 R3=R2,所以放大倍数为 2 倍,然后运放输出端接 A/D 输入端,我们采用 ATmega16L 的片上 A/D,其分辨率为 10 位,足以满足我们的采集需求。由此,得到输出电压与体电 阻 Rs 的关系为。 图 酒精浓度检测模块电路设计 35 一周回顾系列白皮书之 <高级驾驶辅助系统 ADAS 核心设计攻略> http://www.elecfans.com Everything For Engineers 报警显示模块设计 报警显示模块用于酒精浓度的超限报警和日常信息的显示,由蜂鸣器和 LCD5110 组成,LCD5110 是一款常用的液晶屏, 供电 2.7~5.5 V,通过不同的字库取模,可以显示数字,英文字母,汉字和图片,该款液晶还具有一个背光接口,在外部光 线不足的时候可以用一个跳线帽点亮背光,提供照明。 LCD5110 与主控 MCU 的通信采用 SPI 接口,但是为了硬件 IO 的通 用性和软件的可移植性,本系统中用通用 IO 来模拟 SPI 时序,形成一个软件 SPI,因此我们将 LCD5110 的接口放在了 5 个通用 IO 而非专用 SPI 接口上,增加了布线的方便性。报警装置采用一个有源蜂鸣器,用一个 NPN 三极管做电流放大,如 图 3 所示,三极管的基极通过一个电阻连接到主控的一个 IO 上,控制蜂鸣器发声与否。 图 报警显示模拟电路设计 主控模块设计 主控模块由单片机 ATmega16L 及其外围电路组成的最小系统构成。ATmega16L 是一块 8 位单片机,其片上集成了一 个 10 位的 AD 转换器,分辨率达到 5/1024,足以满足酒精浓度检测模块中的采样要求;片上还有一个全双工串口,用于 GPS 模块和 GSM 模块的数据通信。ATmega16L 普通模式下功耗仅为 3.3 mW,非常适合本系统应用。其电路设计如图 4 所示。 36 一周回顾系列白皮书之 <高级驾驶辅助系统 ADAS 核心设计攻略> http://www.elecfans.com Everything For Engineers 图 主控模块电路设计 汽车行驶记录仪的数据传输接口电路设计 USB 数据传输接口电路设计 USB 接口有数据传输速度快、连接简单、兼容性好等特点。汽车行驶记录仪国家标准考虑到 RS232 接口使用的普及性 和 USB 接口的先进性,规定了同时使用这两种接口实现数据通信。在 USB 数据传输的设计方案中采用 PDIUSBD12 芯片作 为 USB 控制器。PDIUSBD12 完全符合 USB1.1 版规范;同时它还符合大多数器件的分类规格;还适用于许多外设,如打印 机、扫描仪、外部的存储设备和数码相机等,它使得当前使用 SCSI 的系统可以立即降低成本。 单片机直接读写闪存盘,可以实现便携设备或者嵌入式系统的外挂式海量存储。这一技术的核心是 USB-HOST 技术, FAT 文件系统规范的实现,海量存储协议的实现以及 USB 批量传输方式的实现,涉及到的协议众多,技术难度非常高。在 如图 3 所示的设计方案中,USB 接口芯片采用的是 Cypress 公司的 USB-HOST 接口芯片 SL811,该芯片支持 USB1.1 协 议、价格低、性能突出且可靠性高。文件系统采用 FAT 格式,可以兼容 Windows 98 和 Windows 2000/XP。对于大多数厂 家生产的闪存盘都可以成功存取。 37 一周回顾系列白皮书之 <高级驾驶辅助系统 ADAS 核心设计攻略> http://www.elecfans.com Everything For Engineers 为了提高电路的可靠性和 EMI 特性,在电路板设计和布线的过程中应注意以下一些规则:在电源、地线之间加上去耦电 容;尽量加宽电源、地线宽度,最好是地线比电源线宽;信号线布在电(地)层上;在大面积的接地(电)中,常用元器件 的引脚与其连接,对引脚的处理需要进行综合的考虑;布线设计完成后,需检查布线设计是否符合设计者所制定的规则,同 时也需确认所制定的规则是否符合印制板生产工艺的需求。 TOP2 采用 ADAS3023 同步数据采集系统电路设计 采集系统电路设计 ADP1613 用于低成本 SEPIC-uk 拓扑,是 ADAS3023 在外部 5 V 电源供电情况下,为其提供 20 mA 时所需±15 V 高压 稳定电源以及最大值为 3 mV 的低输出纹波的理想选择。ADP1613 尽可能地减少了外部元器件数目,并且具有超过 86%的 效率,因此它能满足 ADAS3023 的规格要求。如图为采集系统电路设计。 38 一周回顾系列白皮书之 <高级驾驶辅助系统 ADAS 核心设计攻略> http://www.elecfans.com Everything For Engineers 等效模拟输入电路设计 在各通道输入(IN0 至 IN7)与公共参考(COM)之间使用差分输入结构,所有通道同时采样。图 39 显示了这些输入 的等效电路。二极管为模拟输入(IN0 至 IN7)和 COM 提供针对高压电源(VDDH 和 VSSH)的 ESD 保护。应确保模拟输 入信号不超过供电轨 0.3 V 以上,否则会造成二极管正偏,并开始传导电流。超出绝对最大额定值的电压可能导致 ADAS3023 永久性损坏。 内部基准电压源设计 精确的内部基准电压源经过工厂调整,适合大部分应用。将 CFG 寄存器中的 REFEN 位置 1(默认值)则使能内部基准 电压源,并可在 REF1 和 REF2 引脚上产生 4.096 V 电压;该输出电压用作主要的系统基准电压。未经缓冲的 2.5 V(典型 值)带隙基准电压输出至 REFIN 引脚,需采用外部 10 μF 和 0.1 μF 电容的并联组合以降低输出端噪声。REFIN 的电流输出 有限,如果后接一个适当的缓冲器,如 AD8031 等,则它可以用作一个源。由于内部放大器使用固定增益,REFIN 输出的负 39 一周回顾系列白皮书之 <高级驾驶辅助系统 ADAS 核心设计攻略> http://www.elecfans.com Everything For Engineers 载过高会降低 4.096 V 系统的基准电压。内部基准电压输出经过调整后达到预期的 4.096 V,初始精度为±8 mV。基准电压 还经过温度补偿,典型温漂为±5 ppm/°C。使用内部基准电压源时,ADAS3023 应按照图 42 所示进行去耦。REF1 和 REF2 连接均短接在一起,并利用 REFIN 输出和 RCAP 内部调节电源上的适当去耦电容去耦。 外部基准电压源和内部缓冲器设计 当采用通用系统基准电压源,或者要求具有更佳的漂移性能时,则需使用外部基准电压源和内部缓冲器。将 REFEN 位 设置为 0 便可禁用内部带隙基准电压源,允许用户向 REFIN 引脚提供外部基准电压(典型值为 2.5 V)。内部缓冲器保持使 能状态,因此无需使用外部缓冲器放大器,即可产生主要的系统基准电压。当 REFIN = 2.5 V 且 REF1、REF2 输出 4.096 V 时,这将是系统的主要基准电压。就本配置而言,如图 43 所示连接外部基准电压源。由于内部缓冲器可处理 ADAS3023 基 准电压要求的动态变化,因此任何 2.5 V 的基准电压均可用于此配置。 外部基准电压源设计 对于需要精确、低漂移、4.096 V 基准电压的应用,可以使用外部基准电压源。在这种模式下,禁用内部缓冲器需要将 REFEN 置位为 0,并将 REFIN 驱动或连接至 AGND,因此需要硬件和软件两种控制。若仅驱动 REF1 和 REF2 引脚但却没 有禁用内部缓冲器,则会导致驱动放大器的输出端发生源电流/吸电流冲突。将 4.096 V 精密基准电压源直接连到 REF1 和 REF2,以作为系统的主基准电压(参见图 44);推荐两种基准电压源 ADR434 或 ADR444。若使用运算放大器作为外部基 准电压源,则在驱动容性负载方面需多加留意。 40 一周回顾系列白皮书之 <高级驾驶辅助系统 ADAS 核心设计攻略> http://www.elecfans.com Everything For Engineers 内核电源设计 AVDD 和 DVDD 引脚分别为 ADAS3023 的模拟和数字内核供电。这些电源需要足够的去耦,每个电源上至少包括一个 10  F 电容和 100 nF 电容。100 nF 电容应尽可能靠近 ADAS3023。为了减少所需电源的数量,DVDD 可以通过一个简单的 RC 滤波器(连接在 AV D D 与 DVDD 之间)从模拟电源供电。 ADAS3023 通过消除信号缓冲、电平转换、放大/衰减、共模抑制、建立时间简化了设计挑战,也避免了其他模拟信号调 理挑战,同时实现更小的尺寸、更短的上市时间和更低的成本。可编程增益 ADAS3023 集成一个可编程增益仪表放大器 (PGIA),它具有四个可选范围。PGIA 设置由一个输入引脚和 COM 引脚上的最大绝对差分输入电压确定。上电与默认条 件预设为±20.48 V (PGIA = 11)输入范围。由于 ADAS3023 能够采用任何输入类型,比如双极性单端或伪双极性等,因 此必须设置 PGIA 以充分利用器件允许的输入范围。您觉得这一款完整的 16 位逐次逼近型模数转换器性能如何,在未来电 子设计中还有什么需要改进的地方? 41 一周回顾系列白皮书之 <高级驾驶辅助系统 ADAS 核心设计攻略> http://www.elecfans.com TOP3 汽车油量监测报警器电路设计 Everything For Engineers 汽车的油箱油量检测通常是由水平检测器 来完成的。当油箱储满燃油时,浮标动臂升起,将电位器的阻值调至最小(也 有部分车型是将电位器的阻值调至最大),使油量计 (实际上是一只毫安表)的指针作满标度的偏转;当油箱中的油量水平 下降时,可变电阻器的阻值被调高 ,流过系统回路的电流将随之变化,油量计的指针读数也变小。本例介绍的汽车油量监 测报警器装置,能形象、直观地显示出汽车油箱内燃油的多少,还可以在油位降低至一定值时发出声光报警,以提醒驾驶员 及时加油。 电路工作原理 该汽车油量监测报警器电路由油位监测电路、油位显示电路、缺油警示电路和电源电路等组成,如图 6-103 所示。 油位监测电路由二极管 VD2、辅助电位器 RP1 和汽车油箱内浮筒式电位器 RP2 组成。油位显示电路由发光二极管 VL2~VL7、晶体管 V2~V7 等组成。缺油警示电路由二极管 VD3、晶体管 V1、发光二极管 VL1,集成电路 IC2、扬声器 BL 和有关阻容元件组成。电源电路由二极管 VD1、三端集成稳压器 IC1 和滤波电容器 C1~C3 组成。+l2V 电压经 VD1 降压和 IC1 稳压后,产生+9V 电压,供给 IC2 和 V1~V7 等电路。在汽车油箱内储满燃油时,RP2 的阻值在浮标的作用下滑向最小 值,使 V2~V7 均导通,发光二极管 VL2~VL7 均点亮。当油箱内油量降为一半时,RP2 的中心头滑至中间位置,使 V2~V4 导通,V5~V7 截止,VL2~VL4 仍亮,VL5~VL7 熄灭。当油箱内油位降低至限位时,RP2 的阻值变为最大值,V2~V7 均截 止。VL2~VL7 均熄灭,使 V1 导通,IC2 的 4 脚由低电平变为高电平,由 IC2 和外围元器件组成的多谐振荡器振荡 (工作 频率为 lOHz 左右)工作,IC2 的 3 脚间断输出高电平,使发光二极管 VL1 闪亮,扬声器 BL 发出“嘟、嘟”的报警声。若仅黄 色发光二极管 VL2 亮,则说明油箱内即将缺油。 汽车驾驶辅助系统双 CMOS 图像传感器采集电路设计 TMS320C6414 是 TI 公司推出的一款高性能数字处理器,具有强大的硬件结构和软件系统,可适用于抗晕光 图像采集 系 统。TMS320C6414 的 L2 容量为 l024KB,通过 cache 配置寄存器(CCFG)的 L2MODE 字段把 L2 配置为第 5 种模式, 即把片内 SRAM 设置为 768 KB。TMS320C6414 经 EMIFA 端口,以 EDMA 方式将图像数据同步读入内部 SRAM。增强型 直接存储器访问(EDMA)用于实时图像数字信号处理,可在 CPU 后台完成存储空间中的数据转移,把外部存储器中的图 像数字信息快速、高效地传输到 DSP 内部 SRAM 中。设置 EER 控制寄存器的 EVT4 位为 l,即采用 EDMA 的第 4 通道 (EDMA4)采集图像数据。该通道配置为 32 位传输方式,每次中断搬移一帧图像数据存入内部 SRAM。 42 一周回顾系列白皮书之 <高级驾驶辅助系统 ADAS 核心设计攻略> http://www.elecfans.com Everything For Engineers 为了同步采样,第一路 OV7620 的 SRAMl 和 VSYNCl 可通过与非门控制两路 OV7620 同步采样并分别存储到各自连接 的 IS6lLV51216 中;VSYNCl 下降沿标志 OV7620 一帧图像数据输出结束,VSYNCl 经反向器接至 TMS320C6414 的 AF5 引脚触发 EDMA4 中断,并同时读取 IS6lLV51216 中存储的图像数据。CPU 采用阈值化分割算法来处理图像信息。在 TMS320C6414 控制下同步进行图像信息的传输和处理,完全满足系统的实时要求。TMS320C6414 外接 40 MHz 的晶体振 荡器,CLOKMODE[l:0]设置为 10,使其内部频率高达 480 MHz。DSP 通过 I/O 端口检测 OV7620 的同步信号 VSYNC、 CHSYNC 以及像素时钟 PCLK,保证 DSP 能够准确读取 OV7620 输出的数字图像数据。在同步信号和像素时钟的干预下保 存采集的数字图像数据,保证传输数字图像的完整性。图 3 所示为第一路图像采集系统硬件电路图。 43 一周回顾系列白皮书之 <高级驾驶辅助系统 ADAS 核心设计攻略> http://www.elecfans.com Everything For Engineers 基于单片机的智能驾驶监控系统电路设计 检测模块电路设计 检测模块的电路组成如图 2 所示,由运动方向识别传感器和互锁电路组成。运动方向识别传感器由红外线发射管,光电 三极管组成,由 CD4013 组成的双稳态电路组成方向识别互锁电路,以便在实际应用中起到一定的抗干扰作用。系统的前端 检测部分利用两组红外线发射接收对管,安装于车门的两侧,用于判断乘客上、下车,并用来向单片机系统送出计数信号。 当车门打开时,系统开启;当有人上车时,红外线传感器检测上车人数,单片机系统实现对人数加计数,并通过 L ED 数码 管显示;当有人下车时,单片机实现减计数,并通过 L ED 数码管显示。 图 2 检测电路模块 红外线传感器指能够发射红外线和接收红外线的器件。红外线传感器根据其机理不同可以分为被动型红外线传感器和主 动型传感器。其中主动型红外线传感器,包括红外发射管和红外接收传感器,这 2 种传感器配套使用可组成一个完整的红外 线检测、遥控系统,这类传感器也称光探测型感器本系统使用了其中的红外发射二极管和红外接收二极管来检测判断客车载 客人数。 控制模块电路设计 控制模块利用在单片机内预先设定载客人数,当上车人数超过此设定值时,单片机便通过继电器控制客车的电子打火器, 锁定客车执行机构,使客车无法启动,并以 L ED 显示当前人数,同时通过蜂鸣器发出报警。制模块电路电路组成如图 3 所 示,包括 L ED 数码管显示电路、报警电路和汽车执行锁定电路。在数码管显示电路设计中,将待显示数据转换为 BCD 码 输出,经过共阴极数码管译码驱动器 74LS48 将 BCD 码转换成七段码送给数码管显示。报警电路比较简单,当超载时,系 统通过软件控制蜂鸣器实现报警。 44 一周回顾系列白皮书之 <高级驾驶辅助系统 ADAS 核心设计攻略> http://www.elecfans.com Everything For Engineers 图 3 控制模块电路 对汽车的锁定电路中继电器选用 J RX13F 型 12V 直流常闭继电器,其常闭触头接在汽车的高压回路中。当打开启动开 关(即点火开关) 时,由于 P2. 5 口处于低电平,所以继电器不动作,对汽车正常工作没有影响。当车内人数超过预定人 数,即超载时,单片机系统向 P2. 5 送高电平,继电器动作,其常闭触头断开,切断汽车的高压回路,驾驶员无法启动汽车 发动机。当车内人数恢复到预定人数以下时,单片机系统再次送低电平到 P2. 5 口,继电器动作,其常闭触头闭合,汽车又 恢复正常的启动,从而有效地限制了客车的超载行为。 45 一周回顾系列白皮书之 <高级驾驶辅助系统 ADAS 核心设计攻略> http://www.elecfans.com TOP4 汽车智能驾驶辅助系统数据发送与接收电路设计 Everything For Engineers 发送模块硬件设计 NPX I 芯片具有 4 KB 的用户可编程空间、4 KB 的定制 ROM,以及一个 2D 的 LF 输入级。各类传感器的信号经 12 位 ADC 转换后,提供给用户和系统进行进一步的处理。在 4 KB 的定制 ROM 中,固化了 GE 公司特有的压力、温度和电压测 量、补偿和校准程序,以及其他实用的子程序,用户可省去繁复的运算编程,只需简单调用即可获得需要的状态值。在开发 阶段,GE 公司可以提供可编程版本的传感器,用户可以通过仿真器编程器将程序下载到器件的 4 KB 用户可编程空间中。下 载程序之后的传感器可以直接运行使用,或者通过仿真器进行实时仿真单步调。调试环境与一般的单片机非常相似。客户大 批量生产版本的传感器可以通过掩膜 ROM 工艺生产,以进一步降低成本。 接收模块硬件设计 TPMS 系统的接收模块主要由天线、射频接收电路、主控芯片 MCU 以及键盘、显示器组成,用于接收各发射模块传送 的轮胎温度与压力数据,显示各轮胎的 ID 识别码和测量数据,并在异常情况发生时声光报警。由于接收模块安装在汽车车 厢内,故对器件选用的各方面要求不高,工业级即可。 RF 接收芯片选用时要求接收灵敏度较高,这里选用 Maxim 公司的 MAXl473 芯片。MAXl473 是一款完全集成的、低功 耗、CMOS 超外差接收器,具有一 114~O dBm 的输入信号范围、高于 50 dB 的镜像载波抑制,用于接收 300~450 MHz 46 一周回顾系列白皮书之 <高级驾驶辅助系统 ADAS 核心设计攻略> http://www.elecfans.com Everything For Engineers 频率范围的幅度键控(ASK)数据信号非常理想。这款芯片在关断模式下电流消耗低于 2.5μA,接收模式下电流消耗为 5. 2 mA,可接收高达 100 kbps 的数据速率。使用 MAXl473 芯片实现的 315 MHz 的射频接收电路如图 4 所示。 信号调理电路设计 信号调理电路的任务和工作条件是:1)带宽和增益,对 20 kHz、毫伏级的信号放大约 1 000 倍,且动态范围较大;2) 供电电源,车载电池供电,使用单电源放大电路,电池额定电压为 7.2 V;3)信号转换,对放大后的信号进行幅度检波。 使用分立元件搭建电路虽然能实现该功能,但电路复杂,调试不方便,并且电路性能会随电池电压的波动而变化。常见的通 用运放如 OP07、LM324、 LM358 等,对于 20 kHz 信号无法满足带宽和增益的要求,同时,其输出摆幅较小。近年来出现 的一些新的集成运算放大器能很好地承担上述任务。如 OPA228 系列运放、 MAX445l 系列运放。特别是 MAX4451 双运放, -3 dB 带宽达 210 MHz,可以在+4.5~+11 V 单电源条件下工作,输出摆幅大,具有轨到轨输出,开环增益大于 50 dB,使 用两级放大外加负反馈完全能胜任。实际电路如图 1 所示。 47 一周回顾系列白皮书之 <高级驾驶辅助系统 ADAS 核心设计攻略> http://www.elecfans.com Everything For Engineers 智能车是靠电池驱动的,随着工作时间持续,电池电压必然下降。由于运放 MAX4451 的共模抑制比极高,典型值 CMRR=95 dB,所以在单电源条件下可正常工作,并且,电池电压的波动基本不影响运放的工作性能。 图 1 中 L1 是检测线圈。R1、R2 分压为运放提供输入偏置电压,适当调节 R2 可改变放大器的输入偏置电压。由于第 2 级放大电路的增益设定为 (R5/R4)=30 倍,可根据检测线圈 L1 输出感应电动势的大小,适当选择 R3 改变第 1 级的放大 倍数,从而使总增益满足要求。引入 R7 是为了降低第 1 级放大电路的直流增益,从而提高静态工作点的稳定性。但 R7 的 引入降低了第 1 级电路的交流放大能力,故接人 C4=0.47μF 实现交流旁路。VD1、R6 和 C3 构成幅度检波电路,VD4 选 择压降较小的高频锗二极管,检波电路的时间常数τ=R6C3 一般选择为激磁电流(f=20 kHz)周期的 3~5 倍,C3 的容量越 大,输出到单片机 A/D 端的直流电压中的 20 kHz 波纹越小,但 C3 的容量过大将导致电路响应时间长,对智能车与赛道的 偏离反应迟钝.C3 的实际取值应在此估算的基础上通过测试确定。 基于 ARM9 的汽车视频监控防盗系统设计 本文基于三星公司的 S3C2410 为控制中心, 设计一种汽车视频监控系统。系统主要由 S3C2410 处理器、USB 摄像头、 触摸显示屏组成, 阐述了系统硬件设计的基本工作原理, 平台定制和摄像头图像监控防盗程序的设计流程。采用摄像头对 图像数据进行采集, 触摸显示屏对视频图像进行存储和处理, 达到防盗的目的。 48 一周回顾系列白皮书之 <高级驾驶辅助系统 ADAS 核心设计攻略> http://www.elecfans.com 触摸显示屏接口电路 Everything For Engineers USB 接口电路 TOP5 汽车传感器之信号处理电路设计 以 80C31 单片机为核心的轮速传感器硬件结构外围电路有信号处理电路、总线控制及总线接口等电路。轮速传感器产生 信号经滤波、整形、光电隔离后,送 80C31 的/INT0 输入引脚。T1 作定时器使用,对脉冲信号进行周期测量。SJA1000,82C250 组成与 CAN 总线的控制和接口电路。在轮速传感器的设计过程中,充分考虑其抗干扰和稳定性,单片机的输入/输出端均采 用光电隔离,用看门狗定时器(MAX813)进行超时复位,确保系统可靠工作。 信号处理电路设计 根据轮速传感器信号特性,处理电路由限幅电路、滤波电路和比较整形电路组成,如图 4 所示。 49 一周回顾系列白皮书之 <高级驾驶辅助系统 ADAS 核心设计攻略> http://www.elecfans.com Everything For Engineers 限幅电路将轮速传感器输出信号 Vi 正半周的幅值限制在 5V 以下,负半周使其输出为-0.6V。滤波电路设计成带反馈的 有源低通滤波器,其截止频率为 2075Hz(按最高车速为 200km/h 设计,传感器输出信号对应的频率),选 Q=0.707。比较 整形电路中设置一定的比较电压,与滤波器输出信号相比较输出方波信号。LM311N 输出方波的幅值为 10V,经 R5,R6 分 压后得幅值为 5V 的方波信号送光电隔离器。 高级驾驶辅助系统之传感器及其接口电路设计 方向盘转角传感器接口 方向盘转角传感器的输出为正交编码脉冲。正交编码脉冲包含两个脉冲序列,有变化的频率和四分之一周期(90°)的 固定相位偏移,通过检测 2 路信号的相位关系可以判断为顺时针方向和逆时针方向,并据此对信号进行加/减计数,从而得到 当前的计数累计值,也即方向盘的绝对转角,而转角的变化率即角速度,则可通过信号频率测出。另外,方向盘转角传感器 有一个零位输出信号,当方向盘在中间位置时,该信号输出 0V,否则输出 5V,通过该信号,可对绝对转角进行在线校准。 C164CI 与方向盘转角传感器的接口电路如图 6 所示。片内内置增量编码的正交解码器,该解码器使用定时器 3 的两个 引脚(T3IN、T3EUD)作为正交脉冲的输入,在正确设置相关寄存器后,定时器 3 的数据寄存器的值与方向盘转角成正比, 故可方便的计算转角,本文所使用的方向盘转角传感器每一圈对应 44 个脉冲,设定时器 3 的数据寄存器为 T3,则绝对转角 为。 进行差分运算,即可得到转角变化速率。微控制器把计算得到的参数通过 CAN 发送给 ECU。 轮速传感器接口 根据前面部分介绍的轮速传感器信号特点,设计接口电路如图 7 所示。 50 一周回顾系列白皮书之 <高级驾驶辅助系统 ADAS 核心设计攻略> http://www.elecfans.com Everything For Engineers 电路采用两级滤波和整形,以保证轮速信号在极低转速下不会丢失,同时避免因悬架振动引起的信号干扰。图中由电阻 R2 引入第一级迟滞比较,而使用 74HC14 引入第二级迟滞比较。 横摆角速度、纵向/横向加速度传感器 调整图 8 中各个阻容元件的参数,即可设置滤波截止频率和延时大小。汽车运行过程中,在较好路面上行驶时,由于信 号较好,延时尽量要小,而在颠簸路面上行驶,则希望滤波效果要好。但是由于硬件滤波的频率特性一经设计完毕,无法实 时修改,故需要在软件中设计数字滤波环节。数字滤波常用的有维纳滤波器、卡尔曼滤波器、线性预测器、自适用滤波器等。 在这里选用计算量小、实时性能好的一阶低通滤波。 51 一周回顾系列白皮书之 <高级驾驶辅助系统 ADAS 核心设计攻略> http://www.elecfans.com Everything For Engineers 本文讨论了 ESP 系统中常用传感器的结构特点及信号特性,并设计了各个传感器的信号处理接口,其中包括硬件接口 电路以及软件处理方案。设计了包含横摆角速度、纵向/横向加速度传感器的集成模块,通过 CAN 总线与 ECU 进行数据传 输,具有较好的抗干扰性和可靠性。 TOP6 汽车辅助系统 CAN 总线接口电路设计 单片机最小系统 本设计中,应用到单片机为 ATMEL 公司 51 系列的 89C51,该型号的单片机应用广泛,技术成熟,市场上价格便宜, 而且在学习中所学到的多为该型号,在本次设计中是首选的芯片。89C51 单片机作为系统的核心控制部分,但在本设计中不 是重点讲解内容,其相关技术应用和引脚特点功能等,可参照其他相关资料。设计的电路原理方框大致如下图所示。设计中 为避免出现时钟信号的冲突,对单片机的外接晶振引脚 XTAL1、XTAL2 不接上外围电路,而是通过控制器 SJA1000 的时钟 信号脚反馈给单片机。同时,对单片机的复位信号处理,RST 引脚接上 X5045P 的 RST 脚,复位信号可由 X5045P 输出, 在 X5045P 芯片看门狗外围电路的作用下,减少了以往由电阻、电容组成的简易复位电路造成的不精确、延时高等不良作用, 使单片机回复到初始状态,完成复位操作。由于在该电路中要用到单片机的存储作用,存储由 SJA1000 传输过来的处理数 据。因此,脚/EA 接上高电平,选用片内 ROM。对 ALE 脚,也即地址锁存有效信号除数端是和控制器 SJA1000 的 ALE 脚 接通。 52 一周回顾系列白皮书之 <高级驾驶辅助系统 ADAS 核心设计攻略> http://www.elecfans.com Everything For Engineers 图 2-2 单片机最小系统 基于 SJA1000 的控制电路设计 控制器 SJA1000 作为本接口电路中的控制部分,应用本设计中,对于 SJA1000 和单片机的连接,引脚 AD0~AD7 是和 89C51 的输出输入脚 P0.0~P0.7 相接;SJA1000 的片选信号脚/CS 必须由微控制器的 P2.7 口控制否则这个片选输入必须 接到 VSS 也可以通过地址解码控制例如当地址/数据总线用于其他外围器件,ALE 对应 ALE,读/写输入脚/WR、/RD,/INT 和单片机的/INT0 连接,由于在该系统中要用到相同的时钟频率,所以我们要时钟信号引脚 CLKOUT 和单片机的 XTAL1 脚 相连,达到频率一致的目的;而在复位信号的处理,可以在看门狗外围电路的 RST 信号输出后再通过和非门电路的相连, 很好的实现了电路的复位作用。而对于控制器的收发引脚 TX0,TX1 与 RX0,RX1,在本系统中 TX0、RX0 可和收发器 82C250 的 TXD、RXD 接通。同时,在和 CPU 接口中 SJA1000 支持对两个著名的微型控制器系列的直接连接 80C51 、68xx 。通 过 SJA1000 的 MODE 引脚可选择接口模式 Intel 模式 MODE 高;Motorola 模式 MODE 低。在 Intel 模式和 Motorola 模 式里地址/数据总线和读/写控制信号的连接。本设计中,正是使用 Intel 模式。对 SJA1000 的 Vdd1~Vdd3 电源输入脚,外 接上驱动+5V 电压;而 Vss1~Vss3 输出接地。设计中,对 SJA1000 提供 16Mkz 的晶振。 53 一周回顾系列白皮书之 <高级驾驶辅助系统 ADAS 核心设计攻略> http://www.elecfans.com Everything For Engineers 图 2-4 SJA1000 控制电路 基于 82C250 收发电路设计 82C250 是 CAN 控制器与物理总线间的接口,可以提供对总线的差动发送和接收能力,与 IS011898 标准完全兼容,并 具有抗汽车环境下的瞬间干扰、保护总线的能力。设计中,收发器的接受、发送脚原理上要和 SJA1000 的发送、接受脚相 连接。但这样一来,两者的电气不一致,造成电气隔离,给通信带来麻烦。为此,在它们之间接上高速光耦合器 6N137,避 开了电气隔离,更好的实现通信联系。82C250 的 TXD、RXT 就对应接上 6N137 的输出脚 OUT 和输入脚 IN;脚 Rs 作为 斜率控制电阻输入端,电阻的大小可以割据总线通信速度适当调整一般在 16~140KΩ之间,设计中 Rs 阻值为 47KΩ。在通 过接一个 47K 电阻分流之后,可以接地。电压引脚 Vcc,其电源电压:4.5V〈 Vcc〈 5.5V,在设计中采用 5V 电压。Vref 作为基准电压输出端,设计中可以接地。而 CANH,CANL 脚是信号的输入输出,实现对电平信号的传送,通过它们连接上 双绞线,完成通信传输。 54 一周回顾系列白皮书之 <高级驾驶辅助系统 ADAS 核心设计攻略> http://www.elecfans.com Everything For Engineers 基于 X5045P 的电路设计 X5045P 在本设计中做为复位、监控电路使用,虽然增加了电路连接的复杂和成本,但对于电路的稳定和可靠性有起到 很大的作用,是系统中不可缺少的部分。对 X5045 的操作是通过 4 根口线 CS、SCK、SI 和 SO 进行同步串行通信来完成的。 SCK 是外部输入的同步时钟信号。在对芯片定改指令或数据时,时钟前沿将 SI 引脚信号输入;在读邮数据时,时钟后沿将 数据位输出到 SO 引脚上。数据的输入/输出都是高位在先。在设计中,/CS 脚和单片机 P1.0、 SI、 SCK、SO、RST 分别 与单片机的引脚 P1.0~P1.3、RST 连接。对于不用到的引脚,可以直接和地相连。电路设计如下: 55 一周回顾系列白皮书之 <高级驾驶辅助系统 ADAS 核心设计攻略> http://www.elecfans.com Everything For Engineers 图 2-10 X5045P 电路监控、复位电路 TOP7 电源电路设计 设计中,对系统的电源都一致采用 DC+5V 电压,光耦部分电路所采用的两个电源 Vcc 和 Vdd 必须完全隔离。为此,设 计电源如下所示: 图 2-11 电源电路 56 一周回顾系列白皮书之 <高级驾驶辅助系统 ADAS 核心设计攻略> http://www.elecfans.com Everything For Engineers 它由 AH805 升压模块及 FP106 升压模块组成。AH805 是一种输入 1.2~3V,输出 5V 的升压模块,在 3V 电池供电时 可输出 100mA 电流。 FP106 是贴片式升压模块,输入 4~6V,输出固定电压为 29±1V,输出电流可达 40mA,AH805 及 FP106 都是一个电平控制的关闭电源控制端。两节 1.5V 碱性电池输出的 3V 电压输入 AH805,AH805 输出+5V 电压,其一 路作 5V 输出,另一路输入 FP106 使其产生 28~30V 电压,经稳压管稳压后输出+12V 电压。从图中可以看出,只要改变稳 压管的稳压值,即可获得不同的输出电压,使用十分灵活。FP106 的第⑤脚为控制电源关闭端,在关闭电源时,耗电几乎为 零,当第⑤脚加高电平 2.5V 时,电源导通;当第⑤脚加低电平 0.4V 时,电源被关闭。可以用电路来控制或手动控制,若不 需控制时,第⑤脚与第⑧脚连接。 接口电路总体电路原理图 现场总线标准及其技术日益成为国际自动控制领域关注的一大焦点,其原因是它改变了传统控制系统的结构,形成了全 新的网络集成分布式控制系统。在我国,现场总线已经发展到推广应用阶段,中国已经成为各种现场总线激烈争夺的重要战 场。因此研究现场总线技术及其产品就显得尤为重要。本文正是基于控制器 SJA1000 和 82C250 收发器的基础上,外接上 看门狗电路芯片 X5045P 及高速光耦合器 6N137,设计 CAN 总线接口电路,该电路理论上很好的实现了设计原理要求。该 设计简单明了,在电路实现时,还需考虑各模块间的接地、屏蔽等诸多问题。PCA82C250 提供对物理总线的符合 CAN 电气 协议的差动发送和接收功能,另外,它具有的电流限制电路,还提供了对总线的进一步的保护功能。通过 82C250 与物理总 线进行连接,可使总线支持多达 110 个节点的挂接。对于 CAN 控制器及带有 CAN 总线接口的器件,82C250 并不是必须使 用的器件,因为多数 CAN 控制器均具有配置灵活的收发接口并允许总线故障,只是驱动能力一般只允许 20~30 个节点连接 在一条总线上。 基于 ADAS 的无线接口电路设计 无线射频接收芯片 MC33594 摩托罗拉的 MC33594 器件是高温集成 UHF 超外差无线电接收模块。该芯片采用 LQFP-24 封装,工作频率在 300~ 450MHz 频段,电压在 4.5~5.5V 范围内;接收灵敏度高达-103dBm。芯片最大的特点是带有一串行外设接口 SPI(Serial Peripheral Intelface)。通过 SPI,它允许 CPU 与各种外围接口器件以串行方式进行通信,交换信息。SPI 接口使用四条线: 57 一周回顾系列白皮书之 <高级驾驶辅助系统 ADAS 核心设计攻略> http://www.elecfans.com Everything For Engineers 串行时钟线(SCK),主机输入/从机输出数据线 MISO,主机输出/从机输入数据线 MOSI 和低电平有效的从机选择线 RESET。 TPMS 系统设计中较关键的一点是数据的传输部分。整个数据传输部分由两部分组成:一是驾驶室中的无线接收部分, 另外一部分是轮胎中的无线发射部分。这两部分数据传输的准确性、稳定性,将是系统优良性能的重要体现。 无线发射电路由发射芯片 MC33493、AT89C2051 单片机和电平转换电路构成,如图 2 所示。发射模块中,引脚 3(BAND 引脚)接 3V 高电平,表示系统发射频率为 434MHz,用于选择工作频率;引脚 14(MODE 引脚)接高电平,表示系统选 择 FSK 调制模式。FSK 调制方式定义为一个信号的两个不同的频移值分别表示数字高、低两种电平。在这个系统中,低频 移表示数字高电平,高频移表示数字低电平。发射芯片的 FSK 调制方式由与晶振串联的下拉负载电容 C1 来实现。与 CFSK 引脚相连的有一内部开关,用以选通下拉电容 C1。当 DATA=O 时(MODE 引脚置高电平),开关关闭,此时输出高频移; 当 DATA=1 时,开关接通,此时输出低频移,这就实现了 FSK 调制方式,也就是说,如果载波频率是 433.92MHz 而且总 的频偏是士△f(MHz),则数字高电平表示为 433.92MHz-△f,数字低电平表示为 433.92 MHz+△f。 TOP8 无线接收接口电路设计 无线接收接口电路主要由接收芯片 MC33594 与 AT89C2051 单片机构成,如图 3 所示。接收芯片 MC33594 通过 SPI 接接口与单片机 AT89C2051 的 I/O 口相连。该电路中,利用 AT89C2051 单片机的 I/O 口模拟 SPI 接口,通过用软件控 制的方式来进行数据的传送。 利用并口 P1.1 来模拟 SPI 的 SCK 输出端,P1.2 模拟 MCU 的数据输出端(MOSI),P1.3 模拟 SPI 的数据输入端(MISO), P1.4 模拟 SPI 的从机选择端 RESET。在接收之前,首先置 RESET 引脚为低电平,使接收机变为从机,而单片机变为主机。 单片机通过 MOSI 信号线将单片机内的程序写入接收机的配置寄存器里对接收机进行配置,配置好后再置:RESET 引脚为 高电平。此时单片机变为从机,而接收机变为主机,它产生时钟信号,同时数据由 RFIN 端接入,经低噪声放大器放大后送 入混频器,使其变换成中频。在中频级,经变换的信号在送入解调器之前被放大和滤波。 58 一周回顾系列白皮书之 <高级驾驶辅助系统 ADAS 核心设计攻略> http://www.elecfans.com Everything For Engineers 为了与 MC33594 接收机所设定的 SPI 工作状态在逻辑时序上协调一致,要使串行时钟输出 P1.1 的初始状态为 1,在选 通 MC33594 后,置 P1.1 为 O。此时 AT89C2051 单片机输出 1 位 SCK 时钟,同时,使 MC33594 串行左移,从而输出 1 位数据至 AT80C2051 单片机的 P1.3(模拟 MCU 的 MISO 线),再置 Pl.1 为 1,使 AT89C2051 单片机从 P1.O 输出 1 位 数据(先为高位)至 AT89C2051 单片机。至此模拟 1 位数据输入输出完成。以后再置 P1.1 为 0,模拟下一位的输入输出。 依此循环 8 次,可完成 1 次通过 SPI 传输 8 位数据的操作。其程序包括 MCU 串行输入、串行输出和串行输入/输出 3 个子 程序。MCU 串行输入是从接收机的 MISO 线上接收 8 位数据并放入寄存器 R0 中;串行输出是将 AT80C51 单片机中 R0 寄 存器的内容传送到接收机的 MOSI 线上;串行输入/输出将 AT89C2051 单片机 R0 寄存器的内容传送到 MC33594 的 MOSI 线上,同时从 MC33594 的 MISO 线上接收 8 位数据。由 MOSI 引脚将接收到的数据送入到单片机,这样数据就可以在 PC 机上进行显示了。 高级驾驶中雷达无线传输系统电路设计 硬件系统设计 系统以 MSP430F2274 微控制器为核心,外围电路由超声波发射电路、超声波接收电路、声光报警电路、通信接口电路、 键盘液晶显示电路五部分组成,下面逐一介绍。 59 一周回顾系列白皮书之 <高级驾驶辅助系统 ADAS 核心设计攻略> http://www.elecfans.com Everything For Engineers 图 2 倒车雷达系统主控电路图 系统的主控电路图如图 2 所示。本系统中选用的 MSP430F2274 片内有 32Kb 闪存和 1Kb RAM,因此无须外扩存储器。 外接的 32.768kHz 晶振作为 CPU 关闭状态 Basic-Timer 的时钟源,同时也作为系统的车载时钟使用。 超声波发送模块电路如图 3 所示,由超声波产生和发射两部分组成。超声波的产生方法有两种:硬件发生法和软件发生 法。常用的硬件发生法常采用如下方案:超声波由 CD4011 构成的振荡器振荡产生,经升压变换推动超声波换能器而发射出 去,振荡器的起振和停振由单片机来控制。本设计采用软件发生法,因为通过软件发生法既可以减少硬件的复杂程度,降低 系统的成本,又具有灵活性强、容易实现、稳定性好的优点。本系统利用 MSP430F2274 单片机的定时器功能来产生稳定的 PWM(40Hz)脉冲波,并通过 I/O 端口 P2.3 输出到超声波发射部分。在超声波发射电路中 CD4049 一共包括了 6 个非门, 图 3 中线路仅使用了 3 个,为了防止干扰或被静电击穿导致整个 CD4049 损坏,把没有使用的那一侧的 3 个非门串起来做接 地处理。当控制端输出一系列固定频率脉冲时,在压电陶瓷型超声波发射换能器 UCM-40-T 上就固定频率的加正电压和反电 压,发出大功率的超声波,所得到的波形比其他方式效果更理想。 60 一周回顾系列白皮书之 <高级驾驶辅助系统 ADAS 核心设计攻略> http://www.elecfans.com Everything For Engineers 图 3 倒车雷达超声波发送模块 超声波接收电路如图 4 所示。这是本系统设计和调试的一个难点。压电陶瓷型超声波接收器 UCM-40-R 接收反射的超 声波转换为 40kHz 毫伏级的电压信号,需要经过放大、处理、才能用于触发单片机中断。一方面传感器输出信号微弱,由于 反射条件不同,需要放大倍数的范围大约是 100~5000,另一方面传感器输出阻抗较大,需要高输入阻抗的多级放大电路, 而高输入阻抗容易接收干扰信号。通常采用两种方案:一是采用运算放大器组成多级选频放大电路;二是采用专用的集成前 置放大器。第一种方案容易产生自激振荡,要使接收电路达到很好灵敏度和抗干扰效果,电路的调试是较困难的。本系统采 用专用的集成电路前置放大器 CX20106,它由前置放大器、限幅放大器、带通滤波器、检波器、积分器、整型电路组成。 其中前置放大器具有自动增益控制功能,可以保证在超声波传感器接收较远反射信号输出微弱电压时放大器有较高的增益, 在近距离输入信号强时放大器不会过载。调节芯片引脚 5 的外接电阻 R3,将它的滤波器的中心频率设置在 40kHz,达到了 很好的效果。当接收到与滤波器中心频率相符的信号时,其输出引脚 7 输出一个低电平,而输出引脚 7 直接接到 MSP430F2274 的 P2.2 上,以触发中断。 61 一周回顾系列白皮书之 <高级驾驶辅助系统 ADAS 核心设计攻略> http://www.elecfans.com Everything For Engineers 图 4 倒车雷达超声波接收模块 图 5 倒车雷达声光报警电路图 报警模块采用简单的声光报警电路,如图 5 所示。先设定一个临界值,当车尾与障碍物的距离小于设定的最小距离时, 红色指示灯闪亮,绿色指示灯熄灭。单片机向其端口发出 PWM 脉冲,随着距离的减小,通过控制 PWM 脉冲的占空比使闪 光和蜂鸣的频率加剧,以此来提示驾驶员。 62 一周回顾系列白皮书之 <高级驾驶辅助系统 ADAS 核心设计攻略> http://www.elecfans.com Everything For Engineers 图 6 倒车雷达通信接口电路图 通信接口电路如图 6 所示。采用美信的 MAX3232 芯片,外围电路非常简单,只需要 5 个 0.1μF 的电容器。该电路把单 片机串口输出信号隔离变换成 RS-232 信号发送到汽车总线上,同时还可以实现该系统与计算机的通信。 图 7 倒车雷达键盘显示电路图 键盘和显示电路如图 7 所示,由键盘和液晶显示两部分组成。其中键盘采用独立式按键,有 3 个按键,一个设置键、一 个上翻键、一个下翻键。可以进行报警值、工作方式、时钟等各个参数的设置。液晶显示电路采用 ZJM12864BSBD 这款低 功耗的点阵图形式 LCD,显示格式为 128 点(列)×64 点(行),具有多功能指令,容易使用,可实时的显示时钟、距离和 报警提示信息,方便直观。 63 一周回顾系列白皮书之 <高级驾驶辅助系统 ADAS 核心设计攻略> http://www.elecfans.com TOP9 基于 ADAS 嵌入式导航仪电路设计 Everything For Engineers 北斗基带芯片处理模块及电路 北斗基带芯片采用的是 HwaNavchip-1 芯片,可快速捕获北斗系统 B1 和 B3 频点的精密测距码和北斗/GPS 卫星的普 通测距码,具有较快的捕获速度、极高的动态跟踪范围和测量精度,通过串口输出标准的二进制或 NMEA-0183 格式的信号, 数据被传送到解析程序进行验证处理,计算出位置信息,并在液晶显示器上进行显示。这部分电路的主要工作原理和过程是 将射频信号经过下变频成为模拟中频信号再通过 A/D 转换得到导航信号,这些信号经过基带处理模块和导航信息处理模块 捕获、跟踪、解算得到输出的导航信息。A/D 转换和射频前端电路分别如图 3、4 所示,北斗基带芯片部分电路如图 5 所示。 64 一周回顾系列白皮书之 <高级驾驶辅助系统 ADAS 核心设计攻略> http://www.elecfans.com Everything For Engineers 65 一周回顾系列白皮书之 <高级驾驶辅助系统 ADAS 核心设计攻略> http://www.elecfans.com Everything For Engineers 底板硬件电路 彩色液晶屏接口及触摸屏驱动电路 S3C2440A 内置有液晶控制器,可以支持最大 256 k 色 TFT 彩色液晶屏、最大 4 k 色 STN 彩色液晶屏。彩色屏上带有 触摸屏(为四线电阻式触摸屏),用于检测屏幕触摸输入信号,有利于提高人机交互的友好性。在使用的时候,需要一套切 换控制及 ADC 转换电路,用于切换触摸屏的 X、Y 轴输入,并进行 A/D 转换。接口与触摸屏驱动电路如图 6 所示。 66 一周回顾系列白皮书之 <高级驾驶辅助系统 ADAS 核心设计攻略> http://www.elecfans.com Everything For Engineers TOP10 USB 接口电路 S3C2440A 具 2 两个 USB Host 控制器和 1 个 USB Device 控制器,本设计只使用了 DN0、DP0 引脚作为唯一的下行口, 为此还设计了 1 个 USB 集线器电路.通过集线器可以方便对 USB 下行口进行扩展,USB 集线器芯片采用的是 MICRO 公司 的 AU9254。用于电子海图、导航定位软件更新,导航数据下载保存等。电路连接如图 7 所示。 RS-422 接口电路 目前船舶驾驶台导航设备均采用 RS-422 接口进行数据互联,由于接收器采用高输入阻抗和发送驱动器比 RS-232 更强 的驱动能力,允许在相同传输线上连接多个接收节点,所以 RS-422 支持点对多的双向通信,采用全双工通信模式,差模传 输,抗干扰能力强,能给 ECDIS 和雷达等导航设备提供实时北斗导航定位信息。电路如图 8 所示。 电源电路 本系统使用的电源电路图 9 所示,5 V 的电源经过 C46、C48 和 C49 滤波后,由两片低压差电源芯片将电源转换为稳定 的 3.3 V 电源,分别给主板供电(电路图中 VDD33)和给核心板供电(电路图中 PVDD33)。 67 一周回顾系列白皮书之 <高级驾驶辅助系统 ADAS 核心设计攻略> http://www.elecfans.com Everything For Engineers 本系统的硬件平台为三星公司的 S3C2440A 微处理器。S3C2440A 的核心处理器(CPU)是一个由 Advanced RISCMacllines 有限公司设计的 16/32 为 ARM920T 的 RISC 处理器。ARM920T 实现了 MMU、AMBA、BUS 及 Harvard 高 速缓冲体系结构。这一结构具有独立的 16KB 指令 Cache 和 16KB 数据 Cache。每个都是由 8 字节的行组成。通过提供一整 套完整的通用系统外设,S3C2440A 减少整体系统成本和无需配置额外的组件。 在过去的几年中,高级辅助驾驶系统的市场已经开始蓬勃发展。目前,以舒适性为导向的系统(如 ACC)主要应用在中 级或豪华轿车上。未来,这些系统将会被涵盖到安全系统当中,并且在经济型轿车中得以应用。 但是,高级辅助驾驶系统的发展不应该仅仅被视为一个技术问题,其中包括很多与司机之间的影响,以及和车辆结构之 间的影响关系。这就使得系统需求的方法是非常复杂和重要的。西门子 VDO 汽车公司通过 pro.pilot 网络将自己视为一个系 统集成者,更有效地来迎接挑战。 68 一周回顾系列白皮书之 <高级驾驶辅助系统 ADAS 核心设计攻略> http://www.elecfans.com

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