超声波芯片GM3101

成都国腾微电子有限公司 GM3101 数据手册 第 2 页 共 12 页 2006 年 4 月 1 概述 GM3101 是专用于倒车雷达的超声波测距芯片，该芯片提供 4 路超声波探头的驱动，并根据超声波特 性和倒车雷达的使用环境进行了一系列智能化处理，在保证超声波测距精确性的基础上，更加强了报警功 能的准确性和实用性。测试结果编码后采用双线差分方式输出，提高了信号传输的抗干扰性。 GM3101 可为倒车雷达系统提供最简单的单芯片控制方案，替代现有的单片机控制方案。该芯片的优 势在于尽可能地为倒车雷达系统提高集成度，减少外围元件。同时该芯片的功能满足高端和通用性的要求， 用户利用该组芯片既可以生产高性能的整机产品，还可以灵活设置其产品的报警方式。全硬件方式实现系 统功能，既降低了用户的开发难度，更对系统性能有了显著的提高。 2 特征 电源电压：5 V 四路超声波探头接口，探头发送驱动信号5 V 2 m A 报警信号编码输出，报警信号包括：各探头检测到的障碍物距离危险等级信号、最近障碍物方 位信号、最近障碍物距离信号及附加消息，信号电平5 V 检测结果输出周期8 0 m s 具备自动增益控制，实现分级放大 具有防声波衍射误报处理，提高报警信号的准确性 具有环境适应功能，提高报警功能的实用性 具有智能识别功能，可以忽略小物体，防止误报警 报警信号输出采用双线差分方式，提高抗干扰性 带防扒车报警功能 工作环境温度：- 40+85 3 封装及引脚功能说明 GM3101 提供 QFP44 的封装形式，引脚排布见图 1 所示： F 6 F 5 F 4 F 3 F 2 F 1 C O M 2 A V C C F 9 C O M C O M 3 C O M 1 A G N D I N 4 I N 3 I N 2 I N 1O U T 4O U T 3O U T 2O U T 1 C O N T R O L _ S E L 1 C O N T R O L _ S E L 0 D M D G N D O S C I O S C O C L K R E S E T N T M 0 T M 1 D V D D M O D E D O U T - D O U T + 1 21 31 41 51 61 71 81 92 02 12 2 4 44 34 24 14 03 93 83 73 63 53 4 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 3 3 3 2 3 1 3 0 2 9 2 8 2 7 2 6 2 5 2 4 2 3 F 7V A R I NV A R 1V A R 2V A R 3V A R 4 F 8F 9 C O U T N C G M 3 1 0 1 0 5 2 6 - 0 5 3 8 图 1 封装引脚排布图 成都国腾微电子有限公司 GM3101 数据手册 第 3 页 共 12 页 2006 年 4 月 该芯片的各引脚功能描述见表 1： 表 1 芯片引脚功能说明 引脚号 引脚名 方向 说明 1 F5 Out 滤波器的输出； 2 F4 In 滤波器的输入； 3 F3 Out 第一级放大电路输出； 4 COM2 In 第二级放大电路的共模信号； 5 AVCC In 模拟电源； 6 F9COM Out F9 端的共模输入； 7 COM3 Out 余振信号释放端口； 8 F2 In 第一级放大电路输入； 9 COM1 In 第一级放大电路的共模信号； 10 AGND In 模拟地； 11 F1 Out 四选一开关输出； 12 IN4 In 探头 4 信号输入引脚； 13 IN3 In 探头 3 信号输入引脚； 14 IN2 In 探头 2 信号输入引脚； 15 IN1 In 探头 1 信号输入引脚； 16 OUT4 Out 探头 4 驱动信号输出引脚； 17 OUT3 Out 探头 3 驱动信号输出引脚； 18 OUT2 Out 探头 2 驱动信号输出引脚； 19 OUT1 Out 探头 1 驱动信号输出引脚； 20 CONTROL_SEL1 In 余振屏蔽控制信号高位；内部自带下拉电阻； 21 CONTROL_SEL0 In 余振屏蔽控制信号低位；内部自带下拉电阻； 22 DM In 调节信号包络的屏蔽时间；内部自带上拉电阻； 23 DOUT+ Out 检测信号输出正端； 24 DOUT- Out 检测信号输出负端； 25 MODE In 倒车雷达功能和防扒车功能选择端；当此脚接电源 时， 芯片处于扒车功能状态； 当此引脚悬空或接地时， 芯片处于倒车雷达功能状态；内部自带下拉电阻； 26 DVDD In 数字电源； 27 TM1 In 小信号忽略控制高位；内部自带下拉电阻； 28 TM0 In 小信号忽略控制低位；内部自带下拉电阻； 29 RESETN In 复位引脚，低电平复位；内部自带上拉电阻； 30 CLK Out 时钟输出 1MHz；测试用； 31 OSCO Out 振荡器输出；产生 8MHz 系统时钟; 32 OSCI In 振荡器输入； 33 DGND In 数字地； 34 NC 悬空 35 COUT Out 比较器的输出；内部自带上拉电阻；测试用； 36 F9 In 比较器正端输入； 37 F8 In 比较器负端输入； 38 VAR4 Out 增益控制选择器 4 通道； 成都国腾微电子有限公司 GM3101 数据手册 第 4 页 共 12 页 2006 年 4 月 39 VAR3 Out 增益控制选择器 3 通道； 40 VAR2 Out 增益控制选择器 2 通道； 41 VAR1 Out 增益控制选择器 1 通道； 42 VARIN In 增益控制选择器输入； 43 F7 Out 第二级放大电路输出； 44 F6 In 第二级放大电路输入； 4 内部电路框图 F 1 F 2 C O M 1 第一级放大器 F 3 F 6F 7 第二级放大器 F 4 F 5 V A R 1 V A R 2 V A R 3 V A R 4 V A R I N 增益控制选择器 报警 输出 输出 驱动 O U T 4 O U T 3 O U T 2 O U T 1 D M O S C IO S C O C L K R E S E T N T M 0 T M 1 M O D E D O U T - D O U T + C O N T R O L _ S E L 0 C O N T R O L _ S E L 1 振荡器 工作 模式 逻辑控制部分 测距运算器 F 9 C O M 带通滤 波器 余振 处理 3 0 k 比较器 C O U T F 8F 9 + - 共模产 生电路 + - C O M 2 C O M 3 C O M 2 共模产 生电路 四 选 一 开 关 I N 1 I N 2 I N 3 I N 4 C O M 2 图 2 芯片内部框图 5 芯片功能详细描述 GM3101 提供 4 路超声波探头接口，芯片通过探头发送和接收超声波信号，根据发送和接收的时间差 计算障碍物的距离，输出相应报警信号。报警信号编码后采用双线差分方式输出，输出信号的内容包括： 各探头检测到的障碍物距离的危险等级、最近障碍物的方位、最近障碍物的距离值和附加消息。最大输出 距离为 3.15 米，输出精度为 0.05 米。 5.1 工作模式选择 表 2 工作模式选择 成都国腾微电子有限公司 GM3101 数据手册 第 5 页 共 12 页 2006 年 4 月 工作模式 MODE 倒车模式 低电平或悬空 扒车模式 高电平 5.2 信号发送和接收 芯片接通电源后，探头驱动引脚向超声波探头发送驱动信号，驱动超声波探头发送超声波信号，驱动 信号发送完毕后芯片等待信号返回；探头接收到超声波信号后，将信号送入芯片，进行信号放大处理，记 录信号发送和接收的时间差，根据此时间差计算障碍物距离，控制报警信号输出。超声波探头驱动采用分 时顺序的驱动方式，即依次对 4 个探头轮流进行驱动，一个探头的工作周期内要包括发送和接收两种操作。 4 个探头检测完成构成一个检测周期。 若前一探头在本工作周期内没有接收到返回的超声波信号， 则芯片也 转入控制下一个探头的工作。 C O U T F 5 有效回波信号 有效接收信号 O U T 1 单探头工作周期2 0 m s 1 6 个4 0 K H z 方波 四探头检测周期8 0 m s O U T 2 O U T 3 O U T 4 图 3 发送与接收信号的时序关系 5.3 探头余振处理 表 3 端口控制信号（CONTROL_SEL1,CONTROL_SEL0）与消除余振处理时间的关系 控制信号 CONTROL_SEL1 CONTROL_SEL0 余振屏蔽时间 T（ms） 0 0 1.7 0 1 1.8 1 0 1.9 1 1 2.0 成都国腾微电子有限公司 GM3101 数据手册 第 6 页 共 12 页 2006 年 4 月 发送脉 冲开始1 6 个4 0 K H z 方波 余振屏蔽时间T 发送脉 冲开始 单探头轮询周期8 0 m s O U T x 探头返 回信号 余振屏蔽时间T 图 4 发送信号与余振屏蔽时间关系 表 4 端口控制信号（DM）与停车标志信号所对应的障碍物位置关系 控制信号（DM） 位置（m） 0 0.30 1 0.32 根据表 4 可知，当 DM 为低电平时，障碍物位置小于 0.30m 时表示停车，当 DM 为高电平时，障碍物 位置小于 0.32m 时表示停车。 （DM 控制信号和 CONTROL_SEL1,CONTROL_SEL0 控制信号配合使用，使 用办法参见用户生产调试指南 V3.4 ） 5.4 多种智能处理 5.4.1 防声波衍射处理 由于声波传输的特性，声波会出现未经实际物体反射就直接回到探头并被检测到的情况，使处理器误 认为是实际反射接收到的信号，导致误报。根据声波衍射的特性，GM3101 可以对衍射声波进行识别，消 除了声波衍射误报警情况。芯片一旦判定收到的超声波信号是声波衍射返回的信号，则自动忽略该结果， 芯片继续等待在该探头工作周期内是否有有效反射波，有则进行处理，没有则转入下一探头的驱动。 5.4.2 智能识别处理 地面上的小物体，比如小砖块，小石块，小水果，都会造成超声波的反射，并让探头检测到，而这些 物体并不影响车辆的倒车操作。GM3101 针对这种情况进行了处理，提高报警的准确性。 与防声波衍射处理一样，芯片忽略掉无效反射波后会继续等待在本工作周期内是否有有效反射波，有 则进行处理，没有则转入下一探头的驱动。 表 5 控制信号（TM1,TM0）与小信号忽略门限及灵敏度关系 TM1 TM0 小信号忽略门限 灵敏度 0 0 低 最高 0 1 中 高 1 0 高 中 1 1 最高 低 小信号的忽略门限是通过检测小物体反射回来的超声波信号强度来判断。也可以称之为灵敏度分析， 灵敏度与小信号忽略门限成反比，小信号的忽