汽车智能雨刮器专用控制芯片

2011-09-05任德强邬齐荣

电子与封装 2011年10期

关键词：雨刮器挡风玻璃数字信号

任德强，邬齐荣，龚敏

（四川大学物理科学与技术学院微电子技术四川省重点实验室，成都 610064）

汽车智能雨刮器专用控制芯片

任德强，邬齐荣，龚敏

（四川大学物理科学与技术学院微电子技术四川省重点实验室，成都 610064）

针对目前汽车电子市场上专用集成电路的低使用率和良好前景，设计了一款应用于汽车智能雨刮器控制系统的专用集成电路控制芯片。控制芯片对车速信息和红外传感器采集的雨量信息进行综合处理，从而控制雨刮器工作在高速和间歇两个状态。其中，车速因子的引入有效增强了系统对雨刮器工作状态控制的合理性及准确性。芯片采用华润上华0.5μm CMOS DPTM数模混合电路工艺，具有面积小、成本低、功耗低、可靠性高等特点，是一款具有知识产权的高性价比芯片，在交通运输领域有着广泛的应用前景。

智能雨刮器；专用集成电路；车速因子

1 引言

汽车雨刮器控制系统是汽车车载电子的重要组成部分，尤其在雨天、雾天和下雪天，雨刮器的作用显得尤为重要。目前，市场上流通的汽车雨刮器控制系统主要通过组合开关来手动调节雨刮条的速度。它有两个明显的缺点：第一，由于采取手动调节雨刮器的速度，会增加车主开车的工作量，降低了开车的舒适感；第二，不能及时应对污水飞溅在挡风玻璃上的突发事件，污水会干扰车主的视线，影响驾驶甚至造成车祸。相比较而言，车身上安装了智能雨刮器控制系统的汽车，则显得更安全、舒适、人性化。但目前市场上的智能雨刮器高昂的价格限制了其只能用于中高档汽车，并且其多基于单片机技术[1]，专用性和实用性能有待提高。

本文设计和实现了一款应用于智能雨刮器控制系统的专用芯片，智能雨刮器控制芯片将运算放大器、峰值检测器、带通滤波器、时钟发生器、分频器、A/D转换器、数字信号处理单元、外部电路驱动单元等CMOS模拟及数字电路集成在一块芯片上。雨量经红外传感器[2]检测后，经过带通滤波器、峰值检测器，最后由A/D转换成数字信号；车速的信号经过运算放大器采样保持，也由A/D转换成数字信号。然后，雨量信息的数字信号和车速信息的数字信号会一起输入数字逻辑处理单元，得到的结果会控制延迟和电路驱动单元，从而控制外部雨刮器的工作，这样就组成一个智能雨刮器系统。

2 雨量算法

芯片收集信号后在内部的算法是芯片处理信息的核心，通过安装在汽车挡风玻璃上的红外传感器接收玻璃上的雨量信息，考虑到车速对车挡风玻璃上雨水的影响，需要增加一个车速对挡风玻璃上雨水量影响的修正因子，从而建立起一个有雨滴、车速、挡风玻璃等因素的全面模型，如图1所示。其中Vrain为雨滴落在挡风玻璃上的末端速度，Vcar为雨滴在水平面上相对于汽车挡风玻璃的速度；θ为挡风玻璃与水平面的夹角。

图1 挡风玻璃上雨水模型图

在设计的智能雨刮器中，用来收集雨量信息的传感器是一种红外传感器，这种传感器通过发出一定强度的红外光并接受反射回来的红外光强度来判断车挡风玻璃上的积水量。玻璃上雨水越多，反射回来的红外光便越弱；反之，雨水越少，反射回来的红外光便越强。所以雨水的多少与传感器采集并传入芯片的信号大小成反比。设雨量传感器采集的信号为B0。

对图1所示挡风玻璃上雨水模型图进行物理理论及MATLAB仿真分析得知，车速也能影响打在挡风玻璃上的雨滴量，且呈一定比例的正比关系。综合车速与雨量两个因素，我们得到最终的一个关系式：

车速作为对雨量传感器的采集信号的一个修正因子，为了便于芯片对信号进行逻辑运算，我们对式（1）进行泰勒变换后化简得到：

因为Vcar信号是从车速信号得到的模拟电压信号，经过8位的ADC处理后得到数字信号。1-1/5×Vcar经过ADC转换后得到的数字信号，正好是Vcar信号经过ADC转换后的数字信号取反得到的数值，所以B可以表示成：

这就是将在芯片内部进行运算的逻辑关系式。

3 雨量算法的硬件实现

图2所示为芯片内部基本模块及信号处理过程。车速信号经放大器、模数转换电路、反相器处理后得到信号（等效于5-Vcar）；雨量信号经过带通滤波器、峰值检测器、模数转换电路处理后得到信号B0。处理后的车速信号和雨量信号B0输入数字逻辑乘法单元得到式（3）所示包含车速因子的综合雨量信号B。信号B再经过延迟和电路驱动单元决定雨刮器的工作状态，停止、低速或高速，从而输出驱动信号。

3.1 速度因子采样保持及模数转换

如图2所示，经传感器采集到的汽车速度模拟电压信号Vcar首先经过一差分输入轨对轨恒定跨导恒定增益运算放大器，该放大器为互补输入、折叠式轨对轨三级结构。输入级为互补pmos和nmos差分输入对，通过控制其输入共模范围实现恒跨导。放大器的输出级与差模输入端的负级短接，实现电压信号的采样保持。通过运算放大器采样的车速电压信号将由ADC转换为数字信号。

芯片中将用到两个相同的8位ADC，基于芯片的整体考虑，芯片主要用于低频系统，对ADC的要求是精确，所以通过不同种类ADC的比较，在芯片中集成了8位的逐次逼近型ADC。逐次逼近型ADC结构简单，设计便捷，工作稳定，转换精确。其中ADC采样电路的采样频率为1Msamples/s，模拟信号采用单输入的方式，分辨率为5/256=19.53mV，两个ADC前级分别是运算放大器和峰值检测器，它们的输出范围都在0V～5V之间，这也是ADC的转换电压。经ADC转换后的汽车速度8bit数字信号Vcar经由8bit反相器得到（5-Vcar），即式（3）中的速度因子。

图2 芯片内信号处理流程图

3.2 红外雨量信号的处理过程

如图2，雨量信号经过带通滤波器、峰值检测器、模数转换电路处理后得到信号B0。滤波器采用的是压控电压源带通二阶带通滤波器，其能有效地剔除高频及低频噪声对雨量信号的影响。

峰值检测器是芯片的核心电路，图3所示为峰值检测器工作示意图。假设“峰1”和“峰2”为红外雨量采集器采集到的两次相邻的信号，A为峰值检测电路输入信号，B为输出信号。由图中可知，B信号量随着A信号量的增大而增大，当A信号量现峰值开始下降后，B信号保持A信号的峰值量，直到下一更大的峰值量的来临。考虑到雨量的减小，也就是“峰3”的出现，峰值检测电路的输出并不会改变，雨刮器将保持高速运动，与实际不相符合，所以增加了使能刷新端口“enable”，使峰值检测电路的输出保持对输入的更新。

图3 峰值检测器工作示意图

雨量信号模数转换采用的是和车速信号相同的ADC，最后得到数字雨量信号B0。

4 乘法比较器及驱动控制单元

4.1 8×8乘法单元及比较器单元

8×8乘法器单元将用来实现汽车速度数字信号（5-Vcar）与雨量数字信号B0的乘法运算，得到式（3），也就是最终的拥有车速加权因子的综合雨量信号B。

信号B将被用于和三组设定的16位二进制码进行比较，三组16位二进制码代表了雨量大小的三个阶段，通过比较综合从而确定雨刮器的工作状态，然后输出驱动信号。

由乘法单元得到的拥有加权因子的雨量信号B分别与第11～15位输入测试端3个设定为“S”、“M”、“L”的16位比较器进行比较。当然我们从前面的分析中知道，雨量越大红外传感器反馈回的信号越弱，即所代表的二进制数越小。假设最小二进制数S设为“0XXXX01010101010”，M设为“0 X X X X 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0”，L设为“0XXXX00111101011”：如若B＞S，则输出“high”为高电平；若B＞M，则输出“middle”为高电平；若B＞L，则输出“little”为高电平。

此时，控制芯片实现了对雨刮器工作状态的初步划分。考虑到实际情况，即电机自身没有高速和低速工作两种状态，以及雨刮器工作一次的有效时间长短，我们需要对三种输出信号进行逻辑处理，以便能有效驱动电机工作在不同状态。

4.2 驱动控制单元

芯片中驱动控制单元的功能是将前端数字逻辑乘法及比较器单元的结果转变为驱动控制雨刮器外部电机工作信号。在这个电路模块中，通过处理三个比较器输出的三个信号，输出两个信号（“Relay”和“Heavy”）来控制电机的不同工作状态。Realy端输出的信号输给电机的低速端，Heavy端输出的信号输给电机的高速端口。

“heavy”实现一时间宽度为256ms的高电平，驱动电机工作。1.8s的时间与雨刮器高速工作的时间周期基本吻合。但是，如果“relay”为高电平时其工作周期也为1.8s，所以我们在“little”端增加了一个“y11”控制电路，实现雨刮器工作的间歇控制。其对“relay”端口的间歇控制结果如表1所示。由表可知，选择不同逻辑的C1、C2，会实现雨刮器不同的工作间歇，怎样选择由实际决定。

图4 外部电路驱动控制单元电路图

表1 y11模块间歇控制

5 仿真分析

设计采用华润上华0.5μm CMOS DPTM数模混合电路工艺。图5为搭建的电路测试图，“y11”模块的“C1”、“C2”端口接高电平，“relay”的输出对应表1的最后一种；比较器模块的“L”、“M”、“S”分别为“1100001010101010”、“011101010101010”、“0010001010101010”；汽车速度输入信号speed-Vin设为2V的恒定直流电压。红外雨量传感器输入信号sensor-Vin设为前5s电平为0.5V后25s电平为2V的电压信号。

图5 芯片整体电路仿真测试图

图6为芯片仿真的输出波形，从图上可知：在前5s内芯片输出端“heavy”为低电平、不工作，而输出端“relay”为一周期约为2s、高电平脉冲宽度约为0.2s的周期信号，与式（2）所得结果相同，符合设计要求；从第5s到30s，输出端“relay”为低电平，不输出波形，输出端“heavy”工作并输出波形。因y11单元的输入端口“C1”、“C2”设置为“1”、“1”，所以“relay”的波形为一脉冲宽度约为1.5s、周期约为16s的周期信号。这一结果与雨刮器实际工作状态相符合，达到设计要求。

图6 芯片仿真输出波形

6 结束语

考虑到目前汽车雨刮器系统中专用集成电路的缺乏，本文设计了一款应用于智能雨刮系统的专用控制芯片。该芯片创新地提出了车速对挡风玻璃上雨量大小的影响关系，并实现了两者的良好结合，使雨刮器工作在更合理更高效准确的状态。

仿真及测试结果表明，该控制芯片具有较高的控制精度、良好的工作状态，应用到智能雨刮器系统中后，能有效保持挡风玻璃在雨雾天气下的清晰度，给予司机安全的驾驶环境。同时，该芯片具有面积小、成本低、功耗低、可靠性高等特点，是一款具有知识产权的高性价比芯片，在交通运输领域有着广泛的应用前景。

[1] 孙美东，胡仁杰等. 车载雨刮智能控制系统[J]. 电工电气，2009（12）：31-33.

[2] 郭剑鹰.车用雨量传感器应用[J].汽车电器，2008（11）：27-31.

[3] 韩安太，郭小华. 一种新型的汽车智能雨刷控制系统设计[J].自动化技术与应用，2008（27）：35-38.

[4] 郭建刚，邬齐荣，等. 一种自适应峰值检测器的设计[J].四川大学学报（自然科学版），2011（5）：571-576.

[5] Jee-Hun Park, Man-HoKim. Development of Vision based Control Smart Windwhield Wiper System for Intelligent Vehicle[C]. SICE-ICASE International Joint Conference,2006,4398-4403.

[6] 毕查德·拉扎维. 模拟CMOS集成电路设计[M].西安：西安交通大学出版社，2006.

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

1681-1070（2011）10-0043-04

2011-07-26