超声波传感器模拟系统设计研究范文

摘要：超声波传感器一直被用于车辆测量短距离场景，随着智能驾驶的发展，超声波传感器应用场合越来越多。文章介绍了一种仿真超声波传感器的系统，可以用于相关ECU开发过程中的测试验证。文章重点描述了系统架构，开发细节等工作，并且通过实际验证取得了不错的效果。

关键词：超声波传感器；自动泊车；模拟；测试

前言

超声波传感器，因为其具有工作稳定，算法相对简单的特点，很早就被广泛用于车辆辅助系统中，用于障碍物检测，泊车辅助等功能。最近几年，随着智能驾驶的兴起，超声波传感器又被用于智能泊车辅助系统、侧视辅助系统、高速横向辅助系统等应用中。而以超声波为基础的解决方案成本相对较低，可以满足中低端车型对于智能驾驶的需求。常见的超声波传感器有两种，第一种是安装在汽车前后保险杠上的，也就是用于测量汽车前后障碍物的倒车雷达，这种雷达业内称为UPA；第二种是安装在汽车侧面的，用于测量侧方障碍物距离的超声波雷达，业内称为APA。超声波目前的使用场景，基本有三种，一种是实现简单的倒车辅助、警告障碍物的预警功能，配置的超声波雷达数量一般是4个；另一种是增加了汽车在前进过程中的预警，配置数量在8个；最后一种就是配置12个，实现水平、垂直、斜向全自动泊车的功能[1]。在系统研发阶段，经常需要为系统提供距离信号以便调试或者用于测试系统功能。通过移动物体让超声波雷达检测这种方式并不方便实验室中使用，因为真实物体的移动需要空间，而且控制物体移动的精度和速度会限制到开发系统功能[2]。这种条件下，仿真超声波传感器输出信号，模拟物体的距离信号，从而“骗过”控制系统就变成了一种切实可行的实验室测试解决方案。超声波雷达仿真系统可以用于算法设计、功能测试、硬件在环测试等诸多场景，具有体积小，受环境干扰低，响应速度快，同时仿真传感器数量多、测试重复性好等特点。

1超声波传感器特征

1.1超声波传感器工作原理

超声波传感器测量距离是利用了声波在固定介质内传播速度固定的原理。目前，常用探头的工作频率有40kHz，48kHz和58kHz三种。一般来说，频率越高，灵敏度越高，但水平与垂直方向的探测角度就越小。超声波传感器在某一时刻通过脉冲激发传感器发射超声波，超声波遇到障碍物后反射回波，传感器探测到回波后，计算发射出超声波与接收到超声波的时间差（T），再根据声速（V）算出传感器与障碍物之间的距离（L）[3]。计算公式：

1.2超声波传感器信号特征

一般车用超声波传感器都采用宽压设计，符合车用12V直流供电。ECU（与电子控制单元）之间信号传递采用数字信号，既可以提高抗干扰能力，保证数据的准确性，又便于命令传输，增加信息传输的丰富性。超声波传感器多采用2线制或3线制，信号收发使用同一根信号线，分时占用资源。这种设计可以大大减少车辆内部走线，同时减少ECU设计过程中对接口资源的占用。基于此，在做传感器仿真设计的时候，需要考虑到信号线的复用，收发整合在一起，而软件设计过程中也需要满足这种分时占用的特征。超声波传感器有自己固定的工作时钟，命令传输、发射声波、接收回波等都会按照时钟的整数倍进行。超声波传感器会将声波、回波转换成通讯信号传输给ECU，转换标准跟阈值相关。当检测到的声波或者回波强度超过预设阈值时，会产生信号下边沿，而当声波或者回波强度再次低于阈值时，会产生信号上边沿，当这个过程完成后，可以判断接收到了一个声波或者回波。

1.3超声波传感器信号逻辑特征

除了检测到声波后会产生信号外，传感器还需要与ECU之间传输命令、传输配置信息，这些命令按照一定的逻辑特征在信号线上传输。超声波传感器传输的是数字信号，信号之间的分别是通过脉冲宽度来识别的，以标准时钟的整数倍作为计数，例如6倍基准时钟代表0、3倍基准时钟代表1。超声波传感器命令结构按照“命令标志”à“命令类别”à“命令数据”的顺序依次在信号线发送。而“命令类别”和“命令数据”并不一定发生，这种情况导致信号线上一条信号的长度并不固定，这为仿真时处理信号逻辑带来了一定的困难。

2仿真系统方案

第一章我们已经详细描述了超声波传感器的各方面特征，我们的仿真工作就是需要把这些特征用仿真设备实现出来。不仅如此，我们还要在仿真设备上实现自动化测试辅助功能，以便接入到自动化测试设备中。基于这些要求，我们开发了一套测试系统，仿真超声波信号，实现对超声波泊车辅助或者自动泊车功能的测试。

2.1系统结构

设计的测试系统框图如下，主要包括PC机、Linux实时机、FPGA板卡、CAN通信板卡和被测ECU等组成，其中，仿真系统使用NIcRIO开发。仿真系统主体是FPGA（现场可编程门阵列）设备。FPGA进行传感器逻辑运算并且将运算结果通过数字接口发送给ECU，ECU接收仿真信号并正常工作。实时操作系统负责调配FPGA程序、CAN（控制器局域网络）总线通讯和与上位机PC通讯[5]。CAN总线负责为ECU提供CAN总线仿真信号，以保证ECU正常工作。最后，所有数据都会通过网络传输到上位PC机，用于显示和存储。FPGA程序是超声波传感器仿真的核心逻辑实现。原始数据是脉冲序列，根据第一章介绍，信号的内容并不是直接反应在数据值中，而是跟脉冲宽度相关，不能直接使用，因此需要通过FPGA进行计时与整理，得到可以识别与使用的数据。FPGA程序框图如上图所示，“IO驱动层”从接口硬件中取得数据后，传递到“数据识别”模块，“数据识别”模块通过计时器识别出具体的命令或是数据，再传递给“逻辑层”供使用。“逻辑层”负责整理命令和数据，根据传感器工作逻辑处理数据，再根据处理结果向硬件发送相应命令和数据。“逻辑层”还需要把整理好的命令和数据传递给传输层，用于更高一层逻辑处理、显示和保存。“数据整理”模块接收到逻辑层的命令和数据后，把命令和数据整理成超声波传感器标准的脉冲序列发送给驱动层，驱动层执行序列给ECU发出相应的命令和数据。FPGA程序需要按照一定流程运行。FPGA仿真程序工作流程图如下：一般来说，ECU启动后，会向超声波传感器发送初始化命令，当收到工作正常反馈后才能继续工作，因此FPGA程序开始后需要等待初始化命令，并且正确处理反馈。如果有配置命令，传感器会先处理配置命令。配置结束后，进入等待状态，等待ECU通知传感器发送超声波。仿真系统收到发送命令后，需要向ECU模拟发送超声波的脉冲波形，同时根据预先设置好的位置信息，进行时间上的延时后，继续向ECU发送模拟接收到回波的脉冲波形。至此，一个完整的距离测量仿真周期完成。

2.2开发细节描述

超声波传感器仿真过程中，除了处理好整个FPGA程序逻辑框架以外，一些跟时间相关的设计细节也必须注意。因为超声波传感器的所有命令和数据传输都与脉宽和时序相关。超声波传感器一般工作在50kHz时钟下[2]，相当于20μs一个基础时间周期（Tunit），传感器仿真工作必须满足20μs内完成全部12个传感器（当前主流APA系统中有12个超声波传感器同时工作）仿真计算工作，同时又不能超过设备计算能力的限度，经过实践中证明，采用1-10μs为一个计算周期是比较合理的。超声波传感器的硬件设计中，信号线只有一条，无论收发都会反映在信号线的脉冲序列里，而命令或者数据并没有完全的互斥性，不同的命令或者数据可能会有相同的脉宽计时，这为FPGA软件设计带来了困难。以elmos的E524.03传感器为例，SEND命令（发送超声波）的时序脉宽是6个时间单位（Tunit），而CMD命令中的数据0，也是6个时间单位（Tunit），如果不加区分可能会产生歧义。解决的办法是在命令计时后，将CMD命令和SEND命令序列彻底分开，一个序列没执行完，不对进行命令脉宽计时，这样可以杜绝命令歧义发生。下图为FPGA仿真程序处理命令序列流程图。除此之外，在FPGA程序中还需要设计合理的超时机制，当计时计算超出必要的限度时退出计时计算进入主程序框架，以免陷入“卡死”状态，失去对其他命令的相应。

3试验结果

基于上述方法实现的超声波传感器仿真系统与一款乘用车APA控制器联合调试，检验仿真系统效果。

3.1波形仿真

超声波传感器仿真系统仿真CMD命令以及CMD命令数据实测波形如下：实测波形图中标尺24000代表第24000μs，以此类推。实测波形符合超声波传感器中CMD命令及其数据的标准，实际使用中，传感器仿真系统可以识别此命令。超声波传感器仿真系统仿真距离信号实测波形如下：仿真系统在接收到ECU发出的SEND命令后，紧接着仿真一个发出超声波的脉冲波形，经过延时后，仿真一个接收回波的脉冲波形。实测波形符合超声波传感器标准，也可以被ECU所识别。综合实测波形显示，仿真系统有效，可以完成超声波传感器波形的仿真。

3.2距离仿真

超声波传感器仿真系统最大的意义在于仿真距离，所以我们需要对实际仿真的距离与ECU读取的距离进行比较，评判是否可以用于ECU测试。实际验证中，我们通过CAN网络监测ECU读取信号后计算得到的距离值，并且与仿真系统预设的距离信息比较，用来评判仿真系统仿真的准确度。由以上对比图可以发现，在有效距离范围内，仿真距离与ECU计算距离之间存在相对固定的差值，分析原因后可以推断是仿真系统距离算法参数与ECU距离算法参数略有不同造成的，最终根据不同ECU产品，可以微调仿真系统算法参数，就可以达到相吻合的效果。500cm以上，ECU测量距离不再变化，已经到计算距离上限，因此在500cm以上不在仿真系统考虑范围内。通过以上比较可以发现，仿真系统可以满足ECU测试需要。

4结论

本文以elmosE524.03传感器为例，介绍了超声波传感器的工作原理，并且根据这些特点设计了一套超声波传感器仿真系统。系统搭建中注重框架和时序逻辑的设计，并且对重点细节进行详细描述，最终实现了超声波传感器仿真系统。根据最终与ECU的联合调试结果表明，这套超声波传感器仿真系统可以完成对实际传感器监测目标的模拟，能够用于未来基于超声波传感器的智能驾驶系统设计验证与测试。实际使用中通过调整算法参数可以适配不同传感器和ECU，通用性较强。

参考文献

[1]龙琴.基于超声波传感器的侧视辅助系统设计[J].汽车电器,2016(9):47-49.

[2]穆柯,王选仓,柳志军,等.基于超声波测距自动泊车演示验证实验系统设计[J].科技资讯,2011(35):36-36.

[3]胡凯.基于ARM的车载超声波倒车雷达测试系统的研究[D].西安理工大学,2009.

[5]郭鑫,韩延明,白永,etal.智能泊车辅助系统(APA)研究[J].汽车实用技术,2016(1):28-31.

作者：丁会利 王迅佳 陈晓 单位：华域汽车系统股份有限公司