任德強(qiáng)，鄔齊榮，龔 敏

（四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院微電子技術(shù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610064）

汽車智能雨刮器專用控制芯片

任德強(qiáng)，鄔齊榮，龔 敏

（四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院微電子技術(shù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610064）

針對(duì)目前汽車電子市場(chǎng)上專用集成電路的低使用率和良好前景，設(shè)計(jì)了一款應(yīng)用于汽車智能雨刮器控制系統(tǒng)的專用集成電路控制芯片?？刂菩酒瑢?duì)車速信息和紅外傳感器采集的雨量信息進(jìn)行綜合處理，從而控制雨刮器工作在高速和間歇兩個(gè)狀態(tài)。其中，車速因子的引入有效增強(qiáng)了系統(tǒng)對(duì)雨刮器工作狀態(tài)控制的合理性及準(zhǔn)確性。芯片采用華潤(rùn)上華0.5μm CMOS DPTM數(shù)?；旌想娐饭に?，具有面積小、成本低、功耗低、可靠性高等特點(diǎn)，是一款具有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性價(jià)比芯片，在交通運(yùn)輸領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

智能雨刮器；專用集成電路；車速因子

1 引言

汽車雨刮器控制系統(tǒng)是汽車車載電子的重要組成部分，尤其在雨天、霧天和下雪天，雨刮器的作用顯得尤為重要。目前，市場(chǎng)上流通的汽車雨刮器控制系統(tǒng)主要通過組合開關(guān)來(lái)手動(dòng)調(diào)節(jié)雨刮條的速度。它有兩個(gè)明顯的缺點(diǎn)：第一，由于采取手動(dòng)調(diào)節(jié)雨刮器的速度，會(huì)增加車主開車的工作量，降低了開車的舒適感；第二，不能及時(shí)應(yīng)對(duì)污水飛濺在擋風(fēng)玻璃上的突發(fā)事件，污水會(huì)干擾車主的視線，影響駕駛甚至造成車禍。相比較而言，車身上安裝了智能雨刮器控制系統(tǒng)的汽車，則顯得更安全、舒適、人性化。但目前市場(chǎng)上的智能雨刮器高昂的價(jià)格限制了其只能用于中高檔汽車，并且其多基于單片機(jī)技術(shù)[1]，專用性和實(shí)用性能有待提高。

本文設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一款應(yīng)用于智能雨刮器控制系統(tǒng)的專用芯片，智能雨刮器控制芯片將運(yùn)算放大器、峰值檢測(cè)器、帶通濾波器、時(shí)鐘發(fā)生器、分頻器、A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)字信號(hào)處理單元、外部電路驅(qū)動(dòng)單元等CMOS模擬及數(shù)字電路集成在一塊芯片上。雨量經(jīng)紅外傳感器[2]檢測(cè)后，經(jīng)過帶通濾波器、峰值檢測(cè)器，最后由A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；車速的信號(hào)經(jīng)過運(yùn)算放大器采樣保持，也由A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。然后，雨量信息的數(shù)字信號(hào)和車速信息的數(shù)字信號(hào)會(huì)一起輸入數(shù)字邏輯處理單元，得到的結(jié)果會(huì)控制延遲和電路驅(qū)動(dòng)單元，從而控制外部雨刮器的工作，這樣就組成一個(gè)智能雨刮器系統(tǒng)。

2 雨量算法

芯片收集信號(hào)后在內(nèi)部的算法是芯片處理信息的核心，通過安裝在汽車擋風(fēng)玻璃上的紅外傳感器接收玻璃上的雨量信息，考慮到車速對(duì)車擋風(fēng)玻璃上雨水的影響，需要增加一個(gè)車速對(duì)擋風(fēng)玻璃上雨水量影響的修正因子，從而建立起一個(gè)有雨滴、車速、擋風(fēng)玻璃等因素的全面模型，如圖1所示。其中Vrain為雨滴落在擋風(fēng)玻璃上的末端速度，Vcar為雨滴在水平面上相對(duì)于汽車擋風(fēng)玻璃的速度；θ為擋風(fēng)玻璃與水平面的夾角。

圖1 擋風(fēng)玻璃上雨水模型圖

在設(shè)計(jì)的智能雨刮器中，用來(lái)收集雨量信息的傳感器是一種紅外傳感器，這種傳感器通過發(fā)出一定強(qiáng)度的紅外光并接受反射回來(lái)的紅外光強(qiáng)度來(lái)判斷車擋風(fēng)玻璃上的積水量。玻璃上雨水越多，反射回來(lái)的紅外光便越弱；反之，雨水越少，反射回來(lái)的紅外光便越強(qiáng)。所以雨水的多少與傳感器采集并傳入芯片的信號(hào)大小成反比。設(shè)雨量傳感器采集的信號(hào)為B0。

對(duì)圖1所示擋風(fēng)玻璃上雨水模型圖進(jìn)行物理理論及MATLAB仿真分析得知，車速也能影響打在擋風(fēng)玻璃上的雨滴量，且呈一定比例的正比關(guān)系。綜合車速與雨量?jī)蓚€(gè)因素，我們得到最終的一個(gè)關(guān)系式：

車速作為對(duì)雨量傳感器的采集信號(hào)的一個(gè)修正因子，為了便于芯片對(duì)信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算，我們對(duì)式（1）進(jìn)行泰勒變換后化簡(jiǎn)得到：

因?yàn)閂car信號(hào)是從車速信號(hào)得到的模擬電壓信號(hào)，經(jīng)過8位的ADC處理后得到數(shù)字信號(hào)。1-1/5×Vcar經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字信號(hào)，正好是Vcar信號(hào)經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)取反得到的數(shù)值，所以B可以表示成：

這就是將在芯片內(nèi)部進(jìn)行運(yùn)算的邏輯關(guān)系式。

3 雨量算法的硬件實(shí)現(xiàn)

圖2所示為芯片內(nèi)部基本模塊及信號(hào)處理過程。車速信號(hào)經(jīng)放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、反相器處理后得到信號(hào)（等效于5-Vcar）；雨量信號(hào)經(jīng)過帶通濾波器、峰值檢測(cè)器、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路處理后得到信號(hào)B0。處理后的車速信號(hào)和雨量信號(hào)B0輸入數(shù)字邏輯乘法單元得到式（3）所示包含車速因子的綜合雨量信號(hào)B。信號(hào)B再經(jīng)過延遲和電路驅(qū)動(dòng)單元決定雨刮器的工作狀態(tài)，停止、低速或高速，從而輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

3.1 速度因子采樣保持及模數(shù)轉(zhuǎn)換

如圖2所示，經(jīng)傳感器采集到的汽車速度模擬電壓信號(hào)Vcar首先經(jīng)過一差分輸入軌對(duì)軌恒定跨導(dǎo)恒定增益運(yùn)算放大器，該放大器為互補(bǔ)輸入、折疊式軌對(duì)軌三級(jí)結(jié)構(gòu)。輸入級(jí)為互補(bǔ)pmos和nmos差分輸入對(duì)，通過控制其輸入共模范圍實(shí)現(xiàn)恒跨導(dǎo)。放大器的輸出級(jí)與差模輸入端的負(fù)級(jí)短接，實(shí)現(xiàn)電壓信號(hào)的采樣保持。通過運(yùn)算放大器采樣的車速電壓信號(hào)將由ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。

芯片中將用到兩個(gè)相同的8位ADC，基于芯片的整體考慮，芯片主要用于低頻系統(tǒng)，對(duì)ADC的要求是精確，所以通過不同種類ADC的比較，在芯片中集成了8位的逐次逼近型ADC。逐次逼近型ADC結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)便捷，工作穩(wěn)定，轉(zhuǎn)換精確。其中ADC采樣電路的采樣頻率為1Msamples/s，模擬信號(hào)采用單輸入的方式，分辨率為5/256=19.53mV，兩個(gè)ADC前級(jí)分別是運(yùn)算放大器和峰值檢測(cè)器，它們的輸出范圍都在0V～5V之間，這也是ADC的轉(zhuǎn)換電壓。經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換后的汽車速度8bit數(shù)字信號(hào)Vcar經(jīng)由8bit反相器得到（5-Vcar），即式（3）中的速度因子。

圖2 芯片內(nèi)信號(hào)處理流程圖

3.2 紅外雨量信號(hào)的處理過程

如圖2，雨量信號(hào)經(jīng)過帶通濾波器、峰值檢測(cè)器、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路處理后得到信號(hào)B0。濾波器采用的是壓控電壓源帶通二階帶通濾波器，其能有效地剔除高頻及低頻噪聲對(duì)雨量信號(hào)的影響。

峰值檢測(cè)器是芯片的核心電路，圖3所示為峰值檢測(cè)器工作示意圖。假設(shè)“峰1”和“峰2”為紅外雨量采集器采集到的兩次相鄰的信號(hào)，A為峰值檢測(cè)電路輸入信號(hào)，B為輸出信號(hào)。由圖中可知，B信號(hào)量隨著A信號(hào)量的增大而增大，當(dāng)A信號(hào)量現(xiàn)峰值開始下降后，B信號(hào)保持A信號(hào)的峰值量，直到下一更大的峰值量的來(lái)臨?？紤]到雨量的減小，也就是“峰3”的出現(xiàn)，峰值檢測(cè)電路的輸出并不會(huì)改變，雨刮器將保持高速運(yùn)動(dòng)，與實(shí)際不相符合，所以增加了使能刷新端口“enable”，使峰值檢測(cè)電路的輸出保持對(duì)輸入的更新。

圖3 峰值檢測(cè)器工作示意圖

雨量信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換采用的是和車速信號(hào)相同的ADC，最后得到數(shù)字雨量信號(hào)B0。

4 乘法比較器及驅(qū)動(dòng)控制單元

4.1 8×8乘法單元及比較器單元

8×8乘法器單元將用來(lái)實(shí)現(xiàn)汽車速度數(shù)字信號(hào)（5-Vcar）與雨量數(shù)字信號(hào)B0的乘法運(yùn)算，得到式（3），也就是最終的擁有車速加權(quán)因子的綜合雨量信號(hào)B。

信號(hào)B將被用于和三組設(shè)定的16位二進(jìn)制碼進(jìn)行比較，三組16位二進(jìn)制碼代表了雨量大小的三個(gè)階段，通過比較綜合從而確定雨刮器的工作狀態(tài)，然后輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

由乘法單元得到的擁有加權(quán)因子的雨量信號(hào)B分別與第11～15位輸入測(cè)試端3個(gè)設(shè)定為“S”、“M”、“L”的16位比較器進(jìn)行比較。當(dāng)然我們從前面的分析中知道，雨量越大紅外傳感器反饋回的信號(hào)越弱，即所代表的二進(jìn)制數(shù)越小。假設(shè)最小二進(jìn)制數(shù)S設(shè)為“0XXXX01010101010”，M設(shè)為“0 X X X X 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0”，L設(shè)為“0XXXX00111101011”：如若B＞S，則輸出“high”為高電平；若B＞M，則輸出“middle”為高電平；若B＞L，則輸出“l(fā)ittle”為高電平。

此時(shí)，控制芯片實(shí)現(xiàn)了對(duì)雨刮器工作狀態(tài)的初步劃分?？紤]到實(shí)際情況，即電機(jī)自身沒有高速和低速工作兩種狀態(tài)，以及雨刮器工作一次的有效時(shí)間長(zhǎng)短，我們需要對(duì)三種輸出信號(hào)進(jìn)行邏輯處理，以便能有效驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作在不同狀態(tài)。

4.2 驅(qū)動(dòng)控制單元

芯片中驅(qū)動(dòng)控制單元的功能是將前端數(shù)字邏輯乘法及比較器單元的結(jié)果轉(zhuǎn)變?yōu)轵?qū)動(dòng)控制雨刮器外部電機(jī)工作信號(hào)。在這個(gè)電路模塊中，通過處理三個(gè)比較器輸出的三個(gè)信號(hào)，輸出兩個(gè)信號(hào)（“Relay”和“Heavy”）來(lái)控制電機(jī)的不同工作狀態(tài)。Realy端輸出的信號(hào)輸給電機(jī)的低速端，Heavy端輸出的信號(hào)輸給電機(jī)的高速端口。

“heavy”實(shí)現(xiàn)一時(shí)間寬度為256ms的高電平，驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作。1.8s的時(shí)間與雨刮器高速工作的時(shí)間周期基本吻合。但是，如果“relay”為高電平時(shí)其工作周期也為1.8s，所以我們?cè)凇發(fā)ittle”端增加了一個(gè)“y11”控制電路，實(shí)現(xiàn)雨刮器工作的間歇控制。其對(duì)“relay”端口的間歇控制結(jié)果如表1所示。由表可知，選擇不同邏輯的C1、C2，會(huì)實(shí)現(xiàn)雨刮器不同的工作間歇，怎樣選擇由實(shí)際決定。

圖4 外部電路驅(qū)動(dòng)控制單元電路圖

表1 y11模塊間歇控制

5 仿真分析

設(shè)計(jì)采用華潤(rùn)上華0.5μm CMOS DPTM數(shù)?；旌想娐饭に?。圖5為搭建的電路測(cè)試圖，“y11”模塊的“C1”、“C2”端口接高電平，“relay”的輸出對(duì)應(yīng)表1的最后一種；比較器模塊的“L”、“M”、“S”分別為“1100001010101010”、“011101010101010”、“0010001010101010”；汽車速度輸入信號(hào)speed-Vin設(shè)為2V的恒定直流電壓。紅外雨量傳感器輸入信號(hào)sensor-Vin設(shè)為前5s電平為0.5V后25s電平為2V的電壓信號(hào)。

圖5 芯片整體電路仿真測(cè)試圖

圖6為芯片仿真的輸出波形，從圖上可知：在前5s內(nèi)芯片輸出端“heavy”為低電平、不工作，而輸出端“relay”為一周期約為2s、高電平脈沖寬度約為0.2s的周期信號(hào)，與式（2）所得結(jié)果相同，符合設(shè)計(jì)要求；從第5s到30s，輸出端“relay”為低電平，不輸出波形，輸出端“heavy”工作并輸出波形。因y11單元的輸入端口“C1”、“C2”設(shè)置為“1”、“1”，所以“relay”的波形為一脈沖寬度約為1.5s、周期約為16s的周期信號(hào)。這一結(jié)果與雨刮器實(shí)際工作狀態(tài)相符合，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖6 芯片仿真輸出波形

6 結(jié)束語(yǔ)

考慮到目前汽車雨刮器系統(tǒng)中專用集成電路的缺乏，本文設(shè)計(jì)了一款應(yīng)用于智能雨刮系統(tǒng)的專用控制芯片。該芯片創(chuàng)新地提出了車速對(duì)擋風(fēng)玻璃上雨量大小的影響關(guān)系，并實(shí)現(xiàn)了兩者的良好結(jié)合，使雨刮器工作在更合理更高效準(zhǔn)確的狀態(tài)。

仿真及測(cè)試結(jié)果表明，該控制芯片具有較高的控制精度、良好的工作狀態(tài)，應(yīng)用到智能雨刮器系統(tǒng)中后，能有效保持擋風(fēng)玻璃在雨霧天氣下的清晰度，給予司機(jī)安全的駕駛環(huán)境。同時(shí)，該芯片具有面積小、成本低、功耗低、可靠性高等特點(diǎn)，是一款具有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性價(jià)比芯片，在交通運(yùn)輸領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

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An ASIC Control Chip Used for Automotive Intelligent Wiper

REN De-qiang, WU Qi-rong, GONG Ming
(Provincial Key Laboratory of Micro-electronics, School of Physics,Sichuan University,Chengdu610064,China)

With regard to the low usage and the good prospects of ASIC in current automotive market, an ASIC control chip used for Automotive Intelligent Wiper System has been designed and implemented. In this work,the chip can choose the wiper’s working state,high-speed or intermission,after calculating the car’s speed and the amount of rainfall. specially, the speed factor enhances the rationality and accuracy ,that control to the wiper’s working state. Control chip make use of CSMC 0.5μm CMOSDPTM digital-analog hybrid circuit technology, with a small size, low cost, low power consumption, high reliability, is a cost-effective chip with intellectual property rights It has a broad application prospects in the fi eld of transport.

intelligent wiper; ASIC; speed factor

TN43

A

1681-1070（2011）10-0043-04

2011-07-26

任德強(qiáng)（1986—），男，四川省什邡市人，2009年獲四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院理學(xué)學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為四川大學(xué)微電子與固體電子系碩士在讀生，主要研究方向?yàn)槟M和數(shù)字混合電路、大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)。