基于MSP430F2274單片機(jī)的倒車(chē)?yán)走_(dá)設(shè)計(jì)

隨著人們對(duì)汽車(chē)輔助駕駛系統(tǒng)智能化要求的提高和汽車(chē)電子系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，新型的倒車(chē)?yán)走_(dá)應(yīng)能夠連續(xù)測(cè)距并顯示障礙物距離，并具有通信功能，能夠把數(shù)據(jù)發(fā)送到汽車(chē)總線(xiàn)上去。以往的倒車(chē)?yán)走_(dá)設(shè)計(jì)使用的元器件較多，功能也較簡(jiǎn)單。本文介紹的基于新型高性能超低功耗單片機(jī)MSP430F2274的倒車(chē)?yán)走_(dá)可以彌補(bǔ)以往產(chǎn)品的不足。

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用超聲波測(cè)距原理。超聲波測(cè)距儀器一般由發(fā)射器、接收器和信號(hào)處理器三部分組成。工作時(shí)，超聲波發(fā)射器發(fā)出超聲波脈沖，超聲波接收器接收遇到障礙物反射回來(lái)的反射波，準(zhǔn)確測(cè)量超聲波從發(fā)射到遇到障礙物反射返回的時(shí)間，根據(jù)超聲波的傳播速度，可以計(jì)算出障礙物距離。作為一種非接觸式的檢測(cè)方式，超聲波具有空氣傳播衰減小、反射能力和穿透性強(qiáng)的特點(diǎn)。超聲波測(cè)距具有在近距離范圍內(nèi)有不受光線(xiàn)和雨雪霧的影響、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作方便和成本低等優(yōu)點(diǎn)。高性能的單片機(jī)結(jié)合超聲波測(cè)距，可以實(shí)現(xiàn)功能強(qiáng)大、使用方便的倒車(chē)?yán)走_(dá)。TI公司的16位單片機(jī)MSP430F2274功耗極低，片上資源豐富，同時(shí)利用JTAG接口技術(shù)，可以對(duì)片上閃存方便的編程，便于軟件的升級(jí)，非常適合作為倒車(chē)?yán)走_(dá)系統(tǒng)的微控制器。倒車(chē)?yán)走_(dá)系統(tǒng)的框圖如圖1所示。

圖1 倒車(chē)?yán)走_(dá)系統(tǒng)框圖

硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以MSP430F2274微控制器為核心，外圍電路由超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、聲光報(bào)警電路、通信接口電路、鍵盤(pán)液晶顯示電路五部分組成，下面逐一介紹。

圖2 倒車(chē)?yán)走_(dá)系統(tǒng)主控電路圖

系統(tǒng)的主控電路圖如圖2所示。本系統(tǒng)中選用的MSP430F2274片內(nèi)有32Kb閃存和1Kb RAM，因此無(wú)須外擴(kuò)存儲(chǔ)器。外接的32.768kHz晶振作為CPU關(guān)閉狀態(tài)Basic-Timer的時(shí)鐘源，同時(shí)也作為系統(tǒng)的車(chē)載時(shí)鐘使用。

超聲波發(fā)送模塊電路如圖3所示，由超聲波產(chǎn)生和發(fā)射兩部分組成。超聲波的產(chǎn)生方法有兩種：硬件發(fā)生法和軟件發(fā)生法。常用的硬件發(fā)生法常采用如下方案：超聲波由CD4011構(gòu)成的振蕩器振蕩產(chǎn)生，經(jīng)升壓變換推動(dòng)超聲波換能器而發(fā)射出去，振蕩器的起振和停振由單片機(jī)來(lái)控制。本設(shè)計(jì)采用軟件發(fā)生法，因?yàn)橥ㄟ^(guò)軟件發(fā)生法既可以減少硬件的復(fù)雜程度，降低系統(tǒng)的成本，又具有靈活性強(qiáng)、容易實(shí)現(xiàn)、穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)利用MSP430F2274單片機(jī)的定時(shí)器功能來(lái)產(chǎn)生穩(wěn)定的PWM（40Hz）脈沖波，并通過(guò)I/O端口P2.3輸出到超聲波發(fā)射部分。在超聲波發(fā)射電路中CD4049一共包括了6個(gè)非門(mén)，圖3中線(xiàn)路僅使用了3個(gè)，為了防止干擾或被靜電擊穿導(dǎo)致整個(gè)CD4049損壞，把沒(méi)有使用的那一側(cè)的3個(gè)非門(mén)串起來(lái)做接地處理。當(dāng)控制端輸出一系列固定頻率脈沖時(shí)，在壓電陶瓷型超聲波發(fā)射換能器UCM-40-T上就固定頻率的加正電壓和反電壓，發(fā)出大功率的超聲波，所得到的波形比其他方式效果更理想。

圖3 倒車(chē)?yán)走_(dá)超聲波發(fā)送模塊

超聲波接收電路如圖4所示。這是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試的一個(gè)難點(diǎn)。壓電陶瓷型超聲波接收器 UCM-40-R 接收反射的超聲波轉(zhuǎn)換為40kHz毫伏級(jí)的電壓信號(hào)，需要經(jīng)過(guò)放大、處理、才能用于觸發(fā)單片機(jī)中斷。一方面傳感器輸出信號(hào)微弱，由于反射條件不同，需要放大倍數(shù)的范圍大約是100～5000，另一方面?zhèn)鞲衅鬏敵鲎杩馆^大，需要高輸入阻抗的多級(jí)放大電路，而高輸入阻抗容易接收干擾信號(hào)。通常采用兩種方案：一是采用運(yùn)算放大器組成多級(jí)選頻放大電路；二是采用專(zhuān)用的集成前置放大器。第一種方案容易產(chǎn)生自激振蕩，要使接收電路達(dá)到很好靈敏度和抗干擾效果，電路的調(diào)試是較困難的。本系統(tǒng)采用專(zhuān)用的集成電路前置放大器 CX20106，它由前置放大器、限幅放大器、帶通濾波器、檢波器、積分器、整型電路組成。其中前置放大器具有自動(dòng)增益控制功能，可以保證在超聲波傳感器接收較遠(yuǎn)反射信號(hào)輸出微弱電壓時(shí)放大器有較高的增益，在近距離輸入信號(hào)強(qiáng)時(shí)放大器不會(huì)過(guò)載。調(diào)節(jié)芯片引腳5的外接電阻R3，將它的濾波器的中心頻率設(shè)置在40kHz，達(dá)到了很好的效果。當(dāng)接收到與濾波器中心頻率相符的信號(hào)時(shí)，其輸出引腳7輸出一個(gè)低電平，而輸出引腳7直接接到MSP430F2274的P2.2上，以觸發(fā)中斷。

圖4 倒車(chē)?yán)走_(dá)超聲波接收模塊

圖5 倒車(chē)?yán)走_(dá)聲光報(bào)警電路圖

報(bào)警模塊采用簡(jiǎn)單的聲光報(bào)警電路，如圖5所示。先設(shè)定一個(gè)臨界值，當(dāng)車(chē)尾與障礙物的距離小于設(shè)定的最小距離時(shí)，紅色指示燈閃亮，綠色指示燈熄滅。單片機(jī)向其端口發(fā)出PWM脈沖，隨著距離的減小，通過(guò)控制PWM脈沖的占空比使閃光和蜂鳴的頻率加劇，以此來(lái)提示駕駛員。

圖6 倒車(chē)?yán)走_(dá)通信接口電路圖

通信接口電路如圖6所示。采用美信的MAX3232芯片，外圍電路非常簡(jiǎn)單，只需要5個(gè)0.1μF的電容器。該電路把單片機(jī)串口輸出信號(hào)隔離變換成 RS-232信號(hào)發(fā)送到汽車(chē)總線(xiàn)上，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)的通信。

圖7 倒車(chē)?yán)走_(dá)鍵盤(pán)顯示電路圖

鍵盤(pán)和顯示電路如圖7所示，由鍵盤(pán)和液晶顯示兩部分組成。其中鍵盤(pán)采用獨(dú)立式按鍵，有3個(gè)按鍵，一個(gè)設(shè)置鍵、一個(gè)上翻鍵、一個(gè)下翻鍵?？梢赃M(jìn)行報(bào)警值、工作方式、時(shí)鐘等各個(gè)參數(shù)的設(shè)置。液晶顯示電路采用ZJM12864BSBD這款低功耗的點(diǎn)陣圖形式LCD，顯示格式為128點(diǎn)（列）×64點(diǎn)（行），具有多功能指令，容易使用，可實(shí)時(shí)的顯示時(shí)鐘、距離和報(bào)警提示信息，方便直觀。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，程序由主程序、測(cè)距子程序和鍵盤(pán)顯示子程序、時(shí)鐘顯示子程序等多個(gè)模塊組成，調(diào)試過(guò)程中對(duì)其中每個(gè)功能模塊和子程序逐一調(diào)試，在每個(gè)子程序都完成指定的功能后，再進(jìn)行綜合調(diào)試。系統(tǒng)的軟件流程如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)軟件流程圖

超聲波發(fā)射電路發(fā)出超聲波的同時(shí)計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，當(dāng)遇到障礙物反饋信號(hào)到超聲波接收器接收，經(jīng)CX20106接收電路處理后，產(chǎn)生一個(gè)低脈沖，該信號(hào)傳送給單片機(jī)產(chǎn)生中斷，調(diào)用測(cè)距子程序，計(jì)算出測(cè)量距離，調(diào)用顯示子程序，根據(jù)不同的測(cè)量數(shù)值在液晶上顯示距離和報(bào)警。當(dāng)距離大于2m，顯示“安全”和測(cè)量距離，繼續(xù)測(cè)量；當(dāng)距離小于1m時(shí)，顯示“危險(xiǎn)”和測(cè)量距離，由P1.2位驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警；當(dāng)距離小于2m且大于1m時(shí)，顯示“注意”和測(cè)量距離。為增強(qiáng)抗干擾能力，系統(tǒng)連續(xù)發(fā)射超聲波測(cè)量三次，從中剔除最大最小值，取中間值計(jì)算出精確的距離。這樣每秒可測(cè)約三個(gè)數(shù)據(jù)，仍然可以滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求。

結(jié)語(yǔ)

該倒車(chē)?yán)走_(dá)采用了高性能的MSP430F2274單片機(jī)，并充分利用了其片上資源使得系統(tǒng)功能豐富，使用的外圍芯片減少，系統(tǒng)可靠性得到提高。該倒車(chē)?yán)走_(dá)應(yīng)用于汽車(chē)中，當(dāng)駕駛員倒車(chē)時(shí)，從液晶顯示屏上一目了然便知道障礙物離車(chē)的距離，克服了后視鏡小，視野窄的缺點(diǎn)，消除了倒車(chē)造成的事故隱患。