丁會(huì)利，王迅佳，陳曉

（華域汽車(chē)系統(tǒng)股份有限公司，上海 200433）

前言

超聲波傳感器，因?yàn)槠渚哂泄ぷ鞣€(wěn)定，算法相對(duì)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，很早就被廣泛用于車(chē)輛輔助系統(tǒng)中，用于障礙物檢測(cè)，泊車(chē)輔助等功能。最近幾年，隨著智能駕駛的興起，超聲波傳感器又被用于智能泊車(chē)輔助系統(tǒng)、側(cè)視輔助系統(tǒng)、高速橫向輔助系統(tǒng)等應(yīng)用中。而以超聲波為基礎(chǔ)的解決方案成本相對(duì)較低，可以滿足中低端車(chē)型對(duì)于智能駕駛的需求。

常見(jiàn)的超聲波傳感器有兩種，第一種是安裝在汽車(chē)前后保險(xiǎn)杠上的，也就是用于測(cè)量汽車(chē)前后障礙物的倒車(chē)?yán)走_(dá)，這種雷達(dá)業(yè)內(nèi)稱為UPA；第二種是安裝在汽車(chē)側(cè)面的，用于測(cè)量側(cè)方障礙物距離的超聲波雷達(dá)，業(yè)內(nèi)稱為APA。超聲波目前的使用場(chǎng)景，基本有三種，一種是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的倒車(chē)輔助、警告障礙物的預(yù)警功能，配置的超聲波雷達(dá)數(shù)量一般是4 個(gè)；另一種是增加了汽車(chē)在前進(jìn)過(guò)程中的預(yù)警，配置數(shù)量在8 個(gè)；最后一種就是配置12 個(gè)，實(shí)現(xiàn)水平、垂直、斜向全自動(dòng)泊車(chē)的功能[1]。

在系統(tǒng)研發(fā)階段，經(jīng)常需要為系統(tǒng)提供距離信號(hào)以便調(diào)試或者用于測(cè)試系統(tǒng)功能。通過(guò)移動(dòng)物體讓超聲波雷達(dá)檢測(cè)這種方式并不方便實(shí)驗(yàn)室中使用，因?yàn)檎鎸?shí)物體的移動(dòng)需要空間，而且控制物體移動(dòng)的精度和速度會(huì)限制到開(kāi)發(fā)系統(tǒng)功能[2]。這種條件下，仿真超聲波傳感器輸出信號(hào)，模擬物體的距離信號(hào)，從而“騙過(guò)”控制系統(tǒng)就變成了一種切實(shí)可行的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試解決方案。超聲波雷達(dá)仿真系統(tǒng)可以用于算法設(shè)計(jì)、功能測(cè)試、硬件在環(huán)測(cè)試等諸多場(chǎng)景，具有體積小，受環(huán)境干擾低，響應(yīng)速度快，同時(shí)仿真?zhèn)鞲衅鲾?shù)量多、測(cè)試重復(fù)性好等特點(diǎn)。

1 超聲波傳感器特征

1.1 超聲波傳感器工作原理

超聲波傳感器測(cè)量距離是利用了聲波在固定介質(zhì)內(nèi)傳播速度固定的原理。目前，常用探頭的工作頻率有40kHz，48kHz和58kHz 三種。一般來(lái)說(shuō)，頻率越高，靈敏度越高，但水平與垂直方向的探測(cè)角度就越小。超聲波傳感器在某一時(shí)刻通過(guò)脈沖激發(fā)傳感器發(fā)射超聲波，超聲波遇到障礙物后反射回波，傳感器探測(cè)到回波后，計(jì)算發(fā)射出超聲波與接收到超聲波的時(shí)間差（T），再根據(jù)聲速（V）算出傳感器與障礙物之間的距離（L）[3]。

計(jì)算公式：

圖1 超聲波傳感器工作原理示意圖[4]

1.2 超聲波傳感器信號(hào)特征

一般車(chē)用超聲波傳感器都采用寬壓設(shè)計(jì)，符合車(chē)用12V直流供電。ECU（與電子控制單元）之間信號(hào)傳遞采用數(shù)字信號(hào)，既可以提高抗干擾能力，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，又便于命令傳輸，增加信息傳輸?shù)呢S富性。

超聲波傳感器多采用2 線制或3 線制，信號(hào)收發(fā)使用同一根信號(hào)線，分時(shí)占用資源。這種設(shè)計(jì)可以大大減少車(chē)輛內(nèi)部走線，同時(shí)減少ECU 設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)接口資源的占用?；诖?，在做傳感器仿真設(shè)計(jì)的時(shí)候，需要考慮到信號(hào)線的復(fù)用，收發(fā)整合在一起，而軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中也需要滿足這種分時(shí)占用的特征。

超聲波傳感器有自己固定的工作時(shí)鐘，命令傳輸、發(fā)射聲波、接收回波等都會(huì)按照時(shí)鐘的整數(shù)倍進(jìn)行。

圖2 聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換示意圖[4]

超聲波傳感器會(huì)將聲波、回波轉(zhuǎn)換成通訊信號(hào)傳輸給ECU，轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)跟閾值相關(guān)。當(dāng)檢測(cè)到的聲波或者回波強(qiáng)度超過(guò)預(yù)設(shè)閾值時(shí)，會(huì)產(chǎn)生信號(hào)下邊沿，而當(dāng)聲波或者回波強(qiáng)度再次低于閾值時(shí)，會(huì)產(chǎn)生信號(hào)上邊沿，當(dāng)這個(gè)過(guò)程完成后，可以判斷接收到了一個(gè)聲波或者回波。

1.3 超聲波傳感器信號(hào)邏輯特征

除了檢測(cè)到聲波后會(huì)產(chǎn)生信號(hào)外，傳感器還需要與ECU之間傳輸命令、傳輸配置信息，這些命令按照一定的邏輯特征在信號(hào)線上傳輸。

超聲波傳感器傳輸?shù)氖菙?shù)字信號(hào)，信號(hào)之間的分別是通過(guò)脈沖寬度來(lái)識(shí)別的，以標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘的整數(shù)倍作為計(jì)數(shù)，例如6 倍基準(zhǔn)時(shí)鐘代表0、3 倍基準(zhǔn)時(shí)鐘代表1。

超聲波傳感器命令結(jié)構(gòu)按照“命令標(biāo)志”?“命令類(lèi)別”?“命令數(shù)據(jù)”的順序依次在信號(hào)線發(fā)送。而“命令類(lèi)別”和“命令數(shù)據(jù)”并不一定發(fā)生，這種情況導(dǎo)致信號(hào)線上一條信號(hào)的長(zhǎng)度并不固定，這為仿真時(shí)處理信號(hào)邏輯帶來(lái)了一定的困難。

圖3 超聲波傳感器信號(hào)邏輯示意圖[4]

2 仿真系統(tǒng)方案

第一章我們已經(jīng)詳細(xì)描述了超聲波傳感器的各方面特征，我們的仿真工作就是需要把這些特征用仿真設(shè)備實(shí)現(xiàn)出來(lái)。不僅如此，我們還要在仿真設(shè)備上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)試輔助功能，以便接入到自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備中。基于這些要求，我們開(kāi)發(fā)了一套測(cè)試系統(tǒng)，仿真超聲波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波泊車(chē)輔助或者自動(dòng)泊車(chē)功能的測(cè)試。

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的測(cè)試系統(tǒng)框圖如下，主要包括PC 機(jī)、Linux 實(shí)時(shí)機(jī)、FPGA 板卡、CAN 通信板卡和被測(cè)ECU 等組成，其中，仿真系統(tǒng)使用NI cRIO 開(kāi)發(fā)。

圖4 仿真系統(tǒng)框圖

仿真系統(tǒng)主體是FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列）設(shè)備。FPGA進(jìn)行傳感器邏輯運(yùn)算并且將運(yùn)算結(jié)果通過(guò)數(shù)字接口發(fā)送給ECU，ECU 接收仿真信號(hào)并正常工作。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)調(diào)配FPGA 程序、CAN（控制器局域網(wǎng)絡(luò)）總線通訊和與上位機(jī)PC 通訊[5]。CAN 總線負(fù)責(zé)為ECU 提供CAN 總線仿真信號(hào)，以保證ECU 正常工作。最后，所有數(shù)據(jù)都會(huì)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)缴衔籔C 機(jī)，用于顯示和存儲(chǔ)。

FPGA 程序是超聲波傳感器仿真的核心邏輯實(shí)現(xiàn)。原始數(shù)據(jù)是脈沖序列，根據(jù)第一章介紹，信號(hào)的內(nèi)容并不是直接反應(yīng)在數(shù)據(jù)值中，而是跟脈沖寬度相關(guān)，不能直接使用，因此需要通過(guò)FPGA 進(jìn)行計(jì)時(shí)與整理，得到可以識(shí)別與使用的數(shù)據(jù)。

圖5 FPGA 程序框圖

FPGA 程序框圖如上圖所示，“IO 驅(qū)動(dòng)層”從接口硬件中取得數(shù)據(jù)后，傳遞到“數(shù)據(jù)識(shí)別”模塊，“數(shù)據(jù)識(shí)別”模塊通過(guò)計(jì)時(shí)器識(shí)別出具體的命令或是數(shù)據(jù)，再傳遞給“邏輯層”供使用。

“邏輯層”負(fù)責(zé)整理命令和數(shù)據(jù)，根據(jù)傳感器工作邏輯處理數(shù)據(jù)，再根據(jù)處理結(jié)果向硬件發(fā)送相應(yīng)命令和數(shù)據(jù)?！斑壿媽印边€需要把整理好的命令和數(shù)據(jù)傳遞給傳輸層，用于更高一層邏輯處理、顯示和保存。

“數(shù)據(jù)整理”模塊接收到邏輯層的命令和數(shù)據(jù)后，把命令和數(shù)據(jù)整理成超聲波傳感器標(biāo)準(zhǔn)的脈沖序列發(fā)送給驅(qū)動(dòng)層，驅(qū)動(dòng)層執(zhí)行序列給ECU 發(fā)出相應(yīng)的命令和數(shù)據(jù)。

FPGA 程序需要按照一定流程運(yùn)行。FPGA 仿真程序工作流程圖如下：

圖6 FPGA 仿真程序工作流程圖

一般來(lái)說(shuō)，ECU 啟動(dòng)后，會(huì)向超聲波傳感器發(fā)送初始化命令，當(dāng)收到工作正常反饋后才能繼續(xù)工作，因此FPGA 程序開(kāi)始后需要等待初始化命令，并且正確處理反饋。如果有配置命令，傳感器會(huì)先處理配置命令。配置結(jié)束后，進(jìn)入等待狀態(tài)，等待ECU 通知傳感器發(fā)送超聲波。仿真系統(tǒng)收到發(fā)送命令后，需要向ECU 模擬發(fā)送超聲波的脈沖波形，同時(shí)根據(jù)預(yù)先設(shè)置好的位置信息，進(jìn)行時(shí)間上的延時(shí)后，繼續(xù)向ECU 發(fā)送模擬接收到回波的脈沖波形。至此，一個(gè)完整的距離測(cè)量仿真周期完成。

2.2 開(kāi)發(fā)細(xì)節(jié)描述

超聲波傳感器仿真過(guò)程中，除了處理好整個(gè)FPGA 程序邏輯框架以外，一些跟時(shí)間相關(guān)的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)也必須注意。因?yàn)槌暡▊鞲衅鞯乃忻詈蛿?shù)據(jù)傳輸都與脈寬和時(shí)序相關(guān)。

超聲波傳感器一般工作在50kHz 時(shí)鐘下[2]，相當(dāng)于20μs一個(gè)基礎(chǔ)時(shí)間周期（Tunit），傳感器仿真工作必須滿足20μs內(nèi)完成全部12 個(gè)傳感器（當(dāng)前主流APA 系統(tǒng)中有12 個(gè)超聲波傳感器同時(shí)工作）仿真計(jì)算工作，同時(shí)又不能超過(guò)設(shè)備計(jì)算能力的限度，經(jīng)過(guò)實(shí)踐中證明，采用1-10μs 為一個(gè)計(jì)算周期是比較合理的。

超聲波傳感器的硬件設(shè)計(jì)中，信號(hào)線只有一條，無(wú)論收發(fā)都會(huì)反映在信號(hào)線的脈沖序列里，而命令或者數(shù)據(jù)并沒(méi)有完全的互斥性，不同的命令或者數(shù)據(jù)可能會(huì)有相同的脈寬計(jì)時(shí)，這為FPGA 軟件設(shè)計(jì)帶來(lái)了困難。以elmos 的E524.03傳感器為例，SEND 命令（發(fā)送超聲波）的時(shí)序脈寬是6 個(gè)時(shí)間單位（Tunit），而CMD 命令中的數(shù)據(jù)0，也是6 個(gè)時(shí)間單位（Tunit），如果不加區(qū)分可能會(huì)產(chǎn)生歧義。

解決的辦法是在命令計(jì)時(shí)后，將CMD 命令和SEND 命令序列徹底分開(kāi)，一個(gè)序列沒(méi)執(zhí)行完，不對(duì)進(jìn)行命令脈寬計(jì)時(shí)，這樣可以杜絕命令歧義發(fā)生。下圖為FPGA 仿真程序處理命令序列流程圖。

圖7 FPGA 仿真程序處理命令序列流程圖

除此之外，在FPGA 程序中還需要設(shè)計(jì)合理的超時(shí)機(jī)制，當(dāng)計(jì)時(shí)計(jì)算超出必要的限度時(shí)退出計(jì)時(shí)計(jì)算進(jìn)入主程序框架，以免陷入“卡死”狀態(tài)，失去對(duì)其他命令的相應(yīng)。

3 試驗(yàn)結(jié)果

基于上述方法實(shí)現(xiàn)的超聲波傳感器仿真系統(tǒng)與一款乘用車(chē)APA 控制器聯(lián)合調(diào)試，檢驗(yàn)仿真系統(tǒng)效果。

3.1 波形仿真

超聲波傳感器仿真系統(tǒng)仿真CMD 命令以及CMD 命令數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)波形如下：

圖8 仿真CMD 命令以及CMD 命令數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)波形

實(shí)測(cè)波形圖中標(biāo)尺24000 代表第24000μs，以此類(lèi)推。實(shí)測(cè)波形符合超聲波傳感器中CMD 命令及其數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)際使用中，傳感器仿真系統(tǒng)可以識(shí)別此命令。

超聲波傳感器仿真系統(tǒng)仿真距離信號(hào)實(shí)測(cè)波形如下：

圖9 仿真95cm 距離信號(hào)實(shí)測(cè)波形

仿真系統(tǒng)在接收到ECU 發(fā)出的SEND 命令后，緊接著仿真一個(gè)發(fā)出超聲波的脈沖波形，經(jīng)過(guò)延時(shí)后，仿真一個(gè)接收回波的脈沖波形。實(shí)測(cè)波形符合超聲波傳感器標(biāo)準(zhǔn)，也可以被ECU 所識(shí)別。

綜合實(shí)測(cè)波形顯示，仿真系統(tǒng)有效，可以完成超聲波傳感器波形的仿真。

3.2 距離仿真

圖10 不同仿真距離與ECU 計(jì)算距離對(duì)比圖

超聲波傳感器仿真系統(tǒng)最大的意義在于仿真距離，所以我們需要對(duì)實(shí)際仿真的距離與ECU 讀取的距離進(jìn)行比較，評(píng)判是否可以用于ECU 測(cè)試。實(shí)際驗(yàn)證中，我們通過(guò)CAN 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)ECU 讀取信號(hào)后計(jì)算得到的距離值，并且與仿真系統(tǒng)預(yù)設(shè)的距離信息比較，用來(lái)評(píng)判仿真系統(tǒng)仿真的準(zhǔn)確度。

由以上對(duì)比圖可以發(fā)現(xiàn)，在有效距離范圍內(nèi)，仿真距離與ECU 計(jì)算距離之間存在相對(duì)固定的差值，分析原因后可以推斷是仿真系統(tǒng)距離算法參數(shù)與ECU 距離算法參數(shù)略有不同造成的，最終根據(jù)不同ECU 產(chǎn)品，可以微調(diào)仿真系統(tǒng)算法參數(shù)，就可以達(dá)到相吻合的效果。500cm 以上，ECU 測(cè)量距離不再變化，已經(jīng)到計(jì)算距離上限，因此在500cm 以上不在仿真系統(tǒng)考慮范圍內(nèi)。

通過(guò)以上比較可以發(fā)現(xiàn)，仿真系統(tǒng)可以滿足ECU 測(cè)試需要。

4 結(jié)論

本文以elmos E524.03 傳感器為例，介紹了超聲波傳感器的工作原理，并且根據(jù)這些特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一套超聲波傳感器仿真系統(tǒng)。系統(tǒng)搭建中注重框架和時(shí)序邏輯的設(shè)計(jì)，并且對(duì)重點(diǎn)細(xì)節(jié)進(jìn)行詳細(xì)描述，最終實(shí)現(xiàn)了超聲波傳感器仿真系統(tǒng)。

根據(jù)最終與ECU 的聯(lián)合調(diào)試結(jié)果表明，這套超聲波傳感器仿真系統(tǒng)可以完成對(duì)實(shí)際傳感器監(jiān)測(cè)目標(biāo)的模擬，能夠用于未來(lái)基于超聲波傳感器的智能駕駛系統(tǒng)設(shè)計(jì)驗(yàn)證與測(cè)試。實(shí)際使用中通過(guò)調(diào)整算法參數(shù)可以適配不同傳感器和ECU，通用性較強(qiáng)。