汽車智能雨刮器專用控制芯片

任德強，鄔齊榮，龔 敏

（四川大學物理科學與技術學院微電子技術四川省重點實驗室，成都 610064）

汽車智能雨刮器專用控制芯片

任德強，鄔齊榮，龔 敏

（四川大學物理科學與技術學院微電子技術四川省重點實驗室，成都 610064）

針對目前汽車電子市場上專用集成電路的低使用率和良好前景，設計了一款應用于汽車智能雨刮器控制系統的專用集成電路控制芯片。控制芯片對車速信息和紅外傳感器采集的雨量信息進行綜合處理，從而控制雨刮器工作在高速和間歇兩個狀態。其中，車速因子的引入有效增強了系統對雨刮器工作狀態控制的合理性及準確性。芯片采用華潤上華0.5μm CMOS DPTM數模混合電路工藝，具有面積小、成本低、功耗低、可靠性高等特點，是一款具有知識產權的高性價比芯片，在交通運輸領域有著廣泛的應用前景。

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，市場上流通的汽車雨刮器控制系統主要通過組合開關來手動調節雨刮條的速度。它有兩個明顯的缺點：第一，由于采取手動調節雨刮器的速度，會增加車主開車的工作量，降低了開車的舒適感；第二，不能及時應對污水飛濺在擋風玻璃上的突發事件，污水會干擾車主的視線，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的汽車，則顯得更安全、舒適、人性化。但目前市場上的智能雨刮器高昂的價格限制了其只能用于中高檔汽車，并且其多基于單片機技術[1]，專用性和實用性能有待提高。

本文設計和實現了一款應用于智能雨刮器控制系統的專用芯片，智能雨刮器控制芯片將運算放大器、峰值檢測器、帶通濾波器、時鐘發生器、分頻器、A/D轉換器、數字信號處理單元、外部電路驅動單元等CMOS模擬及數字電路集成在一塊芯片上。雨量經紅外傳感器[2]檢測后，經過帶通濾波器、峰值檢測器，最后由A/D轉換成數字信號；車速的信號經過運算放大器采樣保持，也由A/D轉換成數字信號。然后，雨量信息的數字信號和車速信息的數字信號會一起輸入數字邏輯處理單元，得到的結果會控制延遲和電路驅動單元，從而控制外部雨刮器的工作，這樣就組成一個智能雨刮器系統。

2 雨量算法

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

圖1 擋風玻璃上雨水模型圖

在設計的智能雨刮器中，用來收集雨量信息的傳感器是一種紅外傳感器，這種傳感器通過發出一定強度的紅外光并接受反射回來的紅外光強度來判斷車擋風玻璃上的積水量。玻璃上雨水越多，反射回來的紅外光便越弱；反之，雨水越少，反射回來的紅外光便越強。所以雨水的多少與傳感器采集并傳入芯片的信號大小成反比。設雨量傳感器采集的信號為B0。

對圖1所示擋風玻璃上雨水模型圖進行物理理論及MATLAB仿真分析得知，車速也能影響打在擋風玻璃上的雨滴量，且呈一定比例的正比關系。綜合車速與雨量兩個因素，我們得到最終的一個關系式：

車速作為對雨量傳感器的采集信號的一個修正因子，為了便于芯片對信號進行邏輯運算，我們對式（1）進行泰勒變換后化簡得到：

因為Vcar信號是從車速信號得到的模擬電壓信號，經過8位的ADC處理后得到數字信號。1-1/5×Vcar經過ADC轉換后得到的數字信號，正好是Vcar信號經過ADC轉換后的數字信號取反得到的數值，所以B可以表示成：

這就是將在芯片內部進行運算的邏輯關系式。

3 雨量算法的硬件實現

圖2所示為芯片內部基本模塊及信號處理過程。車速信號經放大器、模數轉換電路、反相器處理后得到信號（等效于5-Vcar）；雨量信號經過帶通濾波器、峰值檢測器、模數轉換電路處理后得到信號B0。處理后的車速信號和雨量信號B0輸入數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B。信號B再經過延遲和電路驅動單元決定雨刮器的工作狀態，停止、低速或高速，從而輸出驅動信號。

3.1 速度因子采樣保持及模數轉換

如圖2所示，經傳感器采集到的汽車速度模擬電壓信號Vcar首先經過一差分輸入軌對軌恒定跨導恒定增益運算放大器，該放大器為互補輸入、折疊式軌對軌三級結構。輸入級為互補pmos和nmos差分輸入對，通過控制其輸入共模范圍實現恒跨導。放大器的輸出級與差模輸入端的負級短接，實現電壓信號的采樣保持。通過運算放大器采樣的車速電壓信號將由ADC轉換為數字信號。

芯片中將用到兩個相同的8位ADC，基于芯片的整體考慮，芯片主要用于低頻系統，對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結構簡單，設計便捷，工作穩定，轉換精確。其中ADC采樣電路的采樣頻率為1Msamples/s，模擬信號采用單輸入的方式，分辨率為5/256=19.53mV，兩個ADC前級分別是運算放大器和峰值檢測器，它們的輸出范圍都在0V～5V之間，這也是ADC的轉換電壓。經ADC轉換后的汽車速度8bit數字信號Vcar經由8bit反相器得到（5-Vcar），即式（3）中的速度因子。

圖2 芯片內信號處理流程圖

3.2 紅外雨量信號的處理過程

如圖2，雨量信號經過帶通濾波器、峰值檢測器、模數轉換電路處理后得到信號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雨量信號的影響。

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

圖3 峰值檢測器工作示意圖

雨量信號模數轉換采用的是和車速信號相同的ADC，最后得到數字雨量信號B0。

4 乘法比較器及驅動控制單元

4.1 8×8乘法單元及比較器單元

8×8乘法器單元將用來實現汽車速度數字信號（5-Vcar）與雨量數字信號B0的乘法運算，得到式（3），也就是最終的擁有車速加權因子的綜合雨量信號B。

信號B將被用于和三組設定的16位二進制碼進行比較，三組16位二進制碼代表了雨量大小的三個階段，通過比較綜合從而確定雨刮器的工作狀態，然后輸出驅動信號。

由乘法單元得到的擁有加權因子的雨量信號B分別與第11～15位輸入測試端3個設定為“S”、“M”、“L”的16位比較器進行比較。當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越弱，即所代表的二進制數越小。假設最小二進制數S設為“0XXXX01010101010”，M設為“0 X X X X 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0”，L設為“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“little”為高電平。

此時，控制芯片實現了對雨刮器工作狀態的初步劃分。考慮到實際情況，即電機自身沒有高速和低速工作兩種狀態，以及雨刮器工作一次的有效時間長短，我們需要對三種輸出信號進行邏輯處理，以便能有效驅動電機工作在不同狀態。

4.2 驅動控制單元

芯片中驅動控制單元的功能是將前端數字邏輯乘法及比較器單元的結果轉變為驅動控制雨刮器外部電機工作信號。在這個電路模塊中，通過處理三個比較器輸出的三個信號，輸出兩個信號（“Relay”和“Heavy”）來控制電機的不同工作狀態。Realy端輸出的信號輸給電機的低速端，Heavy端輸出的信號輸給電機的高速端口。

“heavy”實現一時間寬度為256ms的高電平，驅動電機工作。1.8s的時間與雨刮器高速工作的時間周期基本吻合。但是，如果“relay”為高電平時其工作周期也為1.8s，所以我們在“little”端增加了一個“y11”控制電路，實現雨刮器工作的間歇控制。其對“relay”端口的間歇控制結果如表1所示。由表可知，選擇不同邏輯的C1、C2，會實現雨刮器不同的工作間歇，怎樣選擇由實際決定。

圖4 外部電路驅動控制單元電路圖

表1 y11模塊間歇控制

5 仿真分析

設計采用華潤上華0.5μm CMOS DPTM數模混合電路工藝。圖5為搭建的電路測試圖，“y11”模塊的“C1”、“C2”端口接高電平，“relay”的輸出對應表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speed-Vin設為2V的恒定直流電壓。紅外雨量傳感器輸入信號sensor-Vin設為前5s電平為0.5V后25s電平為2V的電壓信號。

圖5 芯片整體電路仿真測試圖

圖6為芯片仿真的輸出波形，從圖上可知：在前5s內芯片輸出端“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，與式（2）所得結果相同，符合設計要求；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。這一結果與雨刮器實際工作狀態相符合，達到設計要求。

圖6 芯片仿真輸出波形

6 結束語

考慮到目前汽車雨刮器系統中專用集成電路的缺乏，本文設計了一款應用于智能雨刮系統的專用控制芯片。該芯片創新地提出了車速對擋風玻璃上雨量大小的影響關系，并實現了兩者的良好結合，使雨刮器工作在更合理更高效準確的狀態。

仿真及測試結果表明，該控制芯片具有較高的控制精度、良好的工作狀態，應用到智能雨刮器系統中后，能有效保持擋風玻璃在雨霧天氣下的清晰度，給予司機安全的駕駛環境。同時，該芯片具有面積小、成本低、功耗低、可靠性高等特點，是一款具有知識產權的高性價比芯片，在交通運輸領域有著廣泛的應用前景。

[1] 孫美東，胡仁杰等. 車載雨刮智能控制系統[J]. 電工電氣 ，2009（12）：31-33.

[2] 郭劍鷹.車用雨量傳感器應用[J].汽車電器，2008（11）：27-31.

[3] 韓安太，郭小華. 一種新型的汽車智能雨刷控制系統設計[J].自動化技術與應用，2008（27）：35-38.

[4] 郭建剛，鄔齊榮，等. 一種自適應峰值檢測器的設計[J].四川大學學報（自然科學版），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] 畢查德·拉扎維. 模擬CMOS集成電路設計[M].西安：西安交通大學出版社，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

A

1681-1070（2011）10-0043-04

2011-07-26

任德強（1986—），男，四川省什邡市人，2009年獲四川大學物理科學與技術學院理學學士學位，現為四川大學微電子與固體電子系碩士在讀生，主要研究方向為模擬和數字混合電路、大規模集成電路設計。