基于MSP430F2274單片機的倒車?yán)走_設(shè)計

隨著人們對汽車輔助駕駛系統(tǒng)智能化要求的提高和汽車電子系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，新型的倒車?yán)走_應(yīng)能夠連續(xù)測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)送到汽車總線上去。以往的倒車?yán)走_設(shè)計使用的元器件較多，功能也較簡單。本文介紹的基于新型高性能超低功耗單片機MSP430F2274的倒車?yán)走_可以彌補以往產(chǎn)品的不足。

系統(tǒng)總體設(shè)計

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

圖1 倒車?yán)走_系統(tǒng)框圖

硬件系統(tǒng)設(shè)計

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、聲光報警電路、通信接口電路、鍵盤液晶顯示電路五部分組成，下面逐一介紹。

圖2 倒車?yán)走_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，因此無須外擴存儲器。外接的32.768kHz晶振作為CPU關(guān)閉狀態(tài)Basic-Timer的時鐘源，同時也作為系統(tǒng)的車載時鐘使用。

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來控制。本設(shè)計采用軟件發(fā)生法，因為通過軟件發(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、容易實現(xiàn)、穩(wěn)定性好的優(yōu)點。本系統(tǒng)利用MSP430F2274單片機的定時器功能來產(chǎn)生穩(wěn)定的PWM（40Hz）脈沖波，并通過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個非門，圖3中線路僅使用了3個，為了防止干擾或被靜電擊穿導(dǎo)致整個CD4049損壞，把沒有使用的那一側(cè)的3個非門串起來做接地處理。當(dāng)控制端輸出一系列固定頻率脈沖時，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?yán)走_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)計和調(diào)試的一個難點。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毫伏級的電壓信號，需要經(jīng)過放大、處理、才能用于觸發(fā)單片機中斷。一方面?zhèn)鞲衅鬏敵鲂盘栁⑷?，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放大電路，而高輸入阻抗容易接收干擾信號。通常采用兩種方案：一是采用運算放大器組成多級選頻放大電路；二是采用專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)反射信號輸出微弱電壓時放大器有較高的增益，在近距離輸入信號強時放大器不會過載。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時，其輸出引腳7輸出一個低電平，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?yán)走_超聲波接收模塊

圖5 倒車?yán)走_聲光報警電路圖

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

圖6 倒車?yán)走_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，外圍電路非常簡單，只需要5個0.1μF的電容器。該電路把單片機串口輸出信號隔離變換成 RS-232信號發(fā)送到汽車總線上，同時還可以實現(xiàn)該系統(tǒng)與計算機的通信。

圖7 倒車?yán)走_鍵盤顯示電路圖

鍵盤和顯示電路如圖7所示，由鍵盤和液晶顯示兩部分組成。其中鍵盤采用獨立式按鍵，有3個按鍵，一個設(shè)置鍵、一個上翻鍵、一個下翻鍵。可以進行報警值、工作方式、時鐘等各個參數(shù)的設(shè)置。液晶顯示電路采用ZJM12864BSBD這款低功耗的點陣圖形式LCD，顯示格式為128點（列）×64點（行），具有多功能指令，容易使用，可實時的顯示時鐘、距離和報警提示信息，方便直觀。

系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件采用模塊化設(shè)計，程序由主程序、測距子程序和鍵盤顯示子程序、時鐘顯示子程序等多個模塊組成，調(diào)試過程中對其中每個功能模塊和子程序逐一調(diào)試，在每個子程序都完成指定的功能后，再進行綜合調(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)出超聲波的同時計數(shù)器開始計數(shù)，當(dāng)遇到障礙物反饋信號到超聲波接收器接收，經(jīng)CX20106接收電路處理后，產(chǎn)生一個低脈沖，該信號傳送給單片機產(chǎn)生中斷，調(diào)用測距子程序，計算出測量距離，調(diào)用顯示子程序，根據(jù)不同的測量數(shù)值在液晶上顯示距離和報警。當(dāng)距離大于2m，顯示“安全”和測量距離，繼續(xù)測量；當(dāng)距離小于1m時，顯示“危險”和測量距離，由P1.2位驅(qū)動蜂鳴器報警；當(dāng)距離小于2m且大于1m時，顯示“注意”和測量距離。為增強抗干擾能力，系統(tǒng)連續(xù)發(fā)射超聲波測量三次，從中剔除最大最小值，取中間值計算出精確的距離。這樣每秒可測約三個數(shù)據(jù)，仍然可以滿足實時性要求。

結(jié)語

該倒車?yán)走_采用了高性能的MSP430F2274單片機，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?yán)走_應(yīng)用于汽車中，當(dāng)駕駛員倒車時，從液晶顯示屏上一目了然便知道障礙物離車的距離，克服了后視鏡小，視野窄的缺點，消除了倒車造成的事故隱患。