基于LIN总线的倒车雷达系统的设计与实现

随着汽车工业的发展和人们生活水平的提高，城市里汽车的数量迅速增加，出现了交通拥挤、停车难等问题，为了解决汽车后视镜存在的后视盲区问题，免除驾驶员的视野死角和视线模糊的缺陷，减少汽车倒车时的碰撞事故，各种汽车倒车雷达应运而生[1]。自从20世纪80年代中期德国博世公司开发现场总线CAN以来，发展迅速并引起广泛关注，目前CAN总线已经成为汽车总线推广、应用的主流。

然而，由于CAN总线复杂的仲裁机制使其在低端市场的生产成本受到了挑战；另外，在汽车使用中，其稳定性相比另一种专门应用于低端市场的LIN总线也存在一些不足[2]。

本设计正是基于以上的应用背景设计，与传统的单独倒车系统相比，在兼容性和汽车布线方面具有强大的优势；同时与主流的CAN总线相比在成本和稳定性方面具有相当的优势。所以LIN总线做为CAN总线的补充和辅助总线，在倒车雷达、车灯控制等低端的应用必将受到更加广泛的关注。

1 系统的整体设计思路

本设计主要由超声波测距和LIN总线通信两部分组成。

(1)超声波测距。

由探头、发射电路、接收电路、选频电路和单片机处理组成。主要过程是：单片机产生20个0.5 ms脉冲信号，频率为40 kHz，自动避过大约为2 ms的盲区时间，然后开始计时，脉冲原始信号为5 V，该信号经过运放放大后，可驱动超声波发射探头发出15 V、40 kHz的脉冲超声波。由于接收头与发射头配对，因此，接收后可将超声波调制脉冲变为交变电压信号，经运算放大后加至高通有源滤波电路滤除低频杂波，最后产生一个TTL电平的回波信号。该信号输入到单片机产生外部中断，停止单片机的定时器，然后读出计时器的时间差，得到超声波发射出去碰到阻碍物回射的时间差，再根据公式d=v*t/2得出距离障碍物的距离。原理框图如图1所示。

(2)LIN总线通信。

将超声波测距得到的数据通过LIN总线的方式发送出去，并产生不同频率的报警提示，电路由LIN收发器、单片机和报警电路3部分组成。单片机接收超声波测距电路传回的数据，并对数据进行处理。当判断到有障碍物的时候，通过报警电路产生报警提示。当距离障碍物较远时，报警声音的间断比较缓慢；当距离障碍物较近时，报警声音比较急促。数据部分则主要通过LIN总线收发器产生符合LIN总线协议标准的信号进行通信。其主要框图如图2所示。

2 超声波测距模块的设计

2.1 超声波测距模块的硬件设计

2.1.1 发射电路

发射模块的主要作用是对超声波发射探头进行功率驱动，由单片机引脚输出40 kHz的脉冲信号，经CD4049转变成24 V电压信号激励超声波探头，从而产生频率为40 kHz的超声波并发射出去。

2.1.2 接收电路

前端放大电路：前置放大电路单元的作用是对有用的信号进行放大，并抑制其他的噪声和干扰，从而达到最大信噪比，以利于后续电路的设计[3]。

带通滤波电路：在传感器接收的信号中，除了障碍物反射的回波外，总混有杂波和干扰脉冲等环境噪声。而前端放大电路在放大有用信号的同时，也会将一部分的噪声信号同时放大，并没有提高输入信号的信噪比[4]。由于集成运放的开环电压增益和输入阻抗均很高，输出阻抗又低，构成有源滤波电路后仍具有一定的电压放大和缓冲作用，所以采用有源滤波电路抑制无用频率干扰信号[5]。

由于在本系统中，总噪声包括在低频段的室内环境噪声和50 Hz工频干扰，以及在高频率段的接收机内部噪声。故选用由TL082运算放大器以及外围电阻电容构成的带通滤波电路。经过此滤波电路后，40 kHz左右的有用回波信号被保留，而无用信号被削弱，为下一级的检波电路提供较高信噪比的输入信号。

2.1.3 检测电路

接收传感器输出信号经过上述放大滤波电路后，就可以进行信号检测。其目的是确定接收信号的到达时间，这是整个电路中的关键，因为它不仅决定系统的测量精度，还关系到整个系统是否能正常工作[6]。

2.2 超声波倒车雷达的软件设计

本系统采用了AT89S52单片机，用单片机汇编语言实现软件编程。整个系统软件功能的实现可以分为主程序、子程序、中断服务子程序3个主要部分。

中断服务程序响应单片机的外部中断，在系统主程序中，发射的40 kHz脉冲信号遇到障碍物反射后，经接收检测电路产生外中断信号至单片机。在中断服务程序中，首先进行必要的现场保护，再把进入中断服务程序处的计数值读出并对该数据进行处理，计算得到相应的距离值，同时转换为十进制，最后送到输出显示。
定时器中断子程序主要完成计时工作，由于51 μ单片机是16位定时器，最大计时时间为65 536 μs，当测量的距离很远的时候，定时器就会发生溢出，所以必须对溢出中断进行相应地设置才能使得单片机正常工作。同时由于电路的测量距离有限(最远为5 m)，当测量距离超出5 m时，接收探头就不能检测回波，即不能产出外部中断，更不可能关闭定时器。