基于DSP和模糊邏輯技術(shù)的超聲波干擾探測器US0012

關(guān)鍵詞：超聲波；干擾探測器；干擾識別；報警；US0012

１ 主要特性

ＵＳ００１２是一種采用ＣＭＯＳ工藝制成的超聲波干擾探測器信號處理專(zhuān)用集成電路，它兼有干擾探測、干擾識別和干擾報警三大功能。其主要性能特點(diǎn)如下：

（１）內含超聲波發(fā)送與接收電路、模擬信號處理器、數字信號處理器（ＤＳＰ）、基于模糊邏輯技術(shù)（Ｆｕｚｚｙ－Ｌｏｇｉｃ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，簡(jiǎn)稱(chēng)ＦＬＴ）的鑒相器和多路報警輸出電路，可適配標準的４０ｋＨｚ超聲波傳感器。

（２）對環(huán)境溫度等自然條件具有自適應（Ｓｅｌｆ－ａｄａｐｔｉｖｅ）能力，在探測車(chē)輛內部干擾時(shí)，不需要進(jìn)行任何調整。此外，該芯片還具有自檢及上電復位功能，ＵＳ００１２器件在出廠(chǎng)時(shí)已將超聲波探測標準固化到芯片中。

（３）能設定時(shí)鐘頻率，芯片可以配４０ｋＨｚ或４００ｋＨｚ的時(shí)鐘頻率。芯片能自動(dòng)調整靈敏度，也可以由用戶(hù)設定靈敏度，以適應不同干擾及干擾變化，從而消除因環(huán)境溫度變化、電源波動(dòng)及超聲波傳感器靈敏度改變而造成的影響。

（４）有３種干擾報警輸出方式，分別為ＬＥＤ信號輸出（可驅動(dòng)發(fā)光二極管報警）、主報警輸出和輔助報警輸出。能自動(dòng)區分弱干擾、強干擾、阻斷（因超聲波傳感器引線(xiàn)開(kāi)路而導致信號被阻斷）、飽和（因回波信號過(guò)強而使接收器進(jìn)入飽和狀態(tài)），并發(fā)出相應的報警信號。

（５）采用＋５Ｖ單電源供電，電源電壓允許范圍為＋４．５Ｖ～＋５．５Ｖ，電源電流為０．６５ｍＡ（典型值）。工作溫度范圍為－４０℃～＋８５℃。

２ 引腳功能和工作原理

２．１ 引腳功能

ＵＳ００１２超聲波干擾探測器采用ＤＩＰ－２０或ＳＯＩＣ－２０封裝，其引腳排列如圖１所示。各引腳的功能如下：

ＡＵＤＤ、ＡＧＮＤ：分別為模擬電源端和模擬地；

ＵＤＤ、ＧＮＤ：數字電源端和數字地；

ＲＸＧＮＤ?屏蔽接地端，設計印制板時(shí)，應先將ＡＵＤＤ與ＵＤＤ、ＡＧＮＤ與ＧＮＤ分開(kāi)布線(xiàn)，最后再連在一起，芯片內部的所有電壓均以ＧＮＤ為基準；

ＴＸ１、ＴＸ２：４０ｋＨｚ短脈沖串的兩個(gè)輸出端；

ＯＳＣＩＮ、ＯＳＣＯＵＴ：依次為時(shí)鐘輸入端與輸出端，可連接４０ｋＨｚ／４００ｋＨｚ石英晶體或壓電陶瓷振蕩器；亦可從ＯＳＣＩＮ端輸入外部時(shí)鐘，輸入外部時(shí)鐘時(shí)，應將ＯＳＣＯＵＴ端懸空；

圖2

ＣＡＰ：包絡(luò )線(xiàn)探測器輸出端，該端在設計時(shí)應接一個(gè)外部電容。接收器的屏蔽端應先與ＲＸＧＮＤ端相連，然后再接模擬地；

ＲＸ：回波輸入端，輸入的交流電壓峰值為０．１ｍＶ～１０ｍＶ；

ＳＥＬ４０ｋ：時(shí)鐘頻率選擇端，該端接高電平時(shí)選擇４０ｋＨｚ時(shí)鐘，接低電平時(shí)選擇４００ｋＨｚ時(shí)鐘；

ＡＬＥＮ：報警輸出控制端，當ＡＬＥＮ為０（低電平）時(shí)，ＡＬＡＲＭ禁止，同時(shí)ＷＡＲＮ和ＬＥＤ端輸出報警信號；

ＡＬＡＲＭ：主報警輸出端；

ＷＡＲＮ：輔助報警輸出端；

ＬＥＤ：發(fā)光二極管報警驅動(dòng)端；

ＳＥＮＳ１、ＳＥＮＳ０：靈敏度設定端，可用來(lái)設定超聲波干擾探測器的靈敏度；

ＳＡＳ：調整靈敏度選擇端，當ＳＡＳ為１時(shí)，自動(dòng)調整靈敏度；ＳＡＳ為０時(shí)，保持固定的靈敏度，該靈敏度可預先由ＳＥＮＳ１、ＳＥＮＳ０端設定好；

ＴＰ：測試／復位端，該端內部帶有上拉電阻，上電時(shí)即將芯片復位，該端接低電平時(shí)，可用于對芯片進(jìn)行測試。

２．２ 工作原理

ＵＳ００１２超聲波干擾探測器的內部電路框圖如圖２所示。該器件內部包括時(shí)鐘振蕩器、調制器／驅動(dòng)器、前置放大器（Ａ）、４０ｋＨｚ帶通濾波器、可編程自動(dòng)增益控制（ＡＧＣ）放大器、包絡(luò )線(xiàn)探測器、Ａ／Ｄ轉換器、控制邏輯、數字信號處理器（ＤＳＰ）、模糊邏輯鑒相器（ＦＬＴ）和多路報警器。電路工作時(shí)，先將ＴＸ１、ＴＸ２端輸出的４０ｋＨｚ短脈沖串通過(guò)發(fā)送器發(fā)射出去，當接收器接收到車(chē)輛內部的回波后，系統便將該脈沖串送至超聲波干擾探測器進(jìn)行模擬信號調理，然后通過(guò)Ａ／Ｄ轉換器轉換成數字信號送給ＤＳＰ進(jìn)行數字信號處理，最后經(jīng)過(guò)基于ＦＬＴ的鑒相器把真正的干擾從自然干擾或所允許的其他干擾中鑒別出來(lái)并啟動(dòng)相應的報警輸出。ＵＳ００１２的接收端（ＲＸ）可接受０．１ｍＶ～１０ｍＶ的交流峰值電壓，該端的輸入阻抗為２００ｋΩ。ＵＳ００１２采用推挽輸出驅動(dòng)方式，它能在０．６ｍｓ的短時(shí)間內發(fā)出一個(gè)超聲波脈沖串，脈沖峰－峰值可達１０Ｖ，發(fā)射周期為４４．４ｍｓ。由于該脈沖的占空比很小，因此，其平均電流應非常小。實(shí)際上，只需５０μＡ的電流即可產(chǎn)生超聲波脈沖串。脈沖串與回波的時(shí)序波形如圖３所示。

將ＴＰ端懸空或在此端加一個(gè)正脈沖均可完成上電復位功能，以對芯片進(jìn)行初始化。ＵＳ００１２超聲波干擾探測器所需的時(shí)鐘頻率可由晶振電路產(chǎn)生，亦可由微處理器來(lái)提供。

下面是器件中主要單元電路的工作原理。

（１）模擬信號調理電路

模擬信號調理電路包括前置放大器、４０ｋＨｚ帶通濾波器、自動(dòng)增益控制放大器和包絡(luò )線(xiàn)控制器。器件工作時(shí)，首先對接收到的回波信號進(jìn)行前置放大，再通過(guò)中心頻率為４０ｋＨｚ的帶通濾波器濾除噪聲，然后經(jīng)過(guò)可編程ＡＧＣ放大器使輸出信號保持在固定的偏壓上，最后利用包絡(luò )線(xiàn)探測器從中提取回波信息。設計時(shí)，ＣＡＰ端需要接一只外部電容，以保持包絡(luò )線(xiàn)探測器的輸出偏壓。

（２）數字信號處理器及模糊邏輯鑒相器

鑒于許多外部因素（例如光照、在擋風(fēng)玻璃或車(chē)廂頂部形成的空氣流、穿過(guò)車(chē)窗的風(fēng)）都會(huì )影響車(chē)輛內部超聲波的發(fā)射與接收，因此要確定一個(gè)真正的干擾，就必須對回波波形中的特征參數以及參數之間的關(guān)系進(jìn)行分析。為解決這一技術(shù)難題，ＵＳ００１２超聲波干擾探測器中專(zhuān)門(mén)固化了根據從許多測試現場(chǎng)采集到的實(shí)驗數據而制定的探測標準。為達到上述探測標準，首先應使用ＤＳＰ對數字化以后的回波進(jìn)行處理，然后用一個(gè)模糊邏輯鑒相器不斷地檢查這些參數如何變化，以及它們之間的相關(guān)性，最終確定是否探測到了真正的干擾。

圖4

（３）自檢

剛上電時(shí)，若ＳＡＳ為１，則立即進(jìn)入自檢模式，以自動(dòng)檢查芯片是否正常工作，同時(shí)檢查上電過(guò)程是否過(guò)于緩慢以及ＯＳＣＩＮ端的時(shí)鐘信號是否引起初始化錯誤。一旦發(fā)現電路出現異常情況，系統將從ＷＡＲＮ端和ＬＥＤ端分別輸出一個(gè)持續時(shí)間為４．４ｓ的低電平信號。用戶(hù)只需在ＬＥＤ端接上ＬＥＤ即可觀(guān)察到自檢結果。故障排除后，ＬＥＤ又恢復正常閃爍狀態(tài)。

（４）靈敏度調整

針對不同的干擾及車(chē)輛運行情況，用戶(hù)可自行調整超聲波干擾探測器的靈敏度。利用ＳＥＮＳ１和ＳＥＮＳ０端的數字信號對ＡＧＣ進(jìn)行編程可選擇４種不同的靈敏度，詳見(jiàn)表１。

表1 靈敏度方法設定

（５）自動(dòng)調整靈敏度

自動(dòng)調整靈敏度的英文縮寫(xiě)為ＳＡＳ（Ｓｅｌｆ－Ａｄ-ｊｕｓｔｉｎｇ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ），這是ＵＳ００１２超聲波干擾探測器的一項獨特功能。它能根據當前的環(huán)境條件自動(dòng)調節接收干擾或運動(dòng)靈敏度，以消除環(huán)境溫度變化、電源波動(dòng)及超聲波傳感器靈敏度的影響。上電后，若ＳＡＳ為１，就首先進(jìn)行自檢，自檢后如ＳＡＳ仍呈高電平，ＵＳ００１２即進(jìn)入自動(dòng)調整靈敏度模式。其調整過(guò)程首先從低擋靈敏度開(kāi)始，然后根據外部條件在低擋、中低擋、中高擋和高擋靈敏度之間自動(dòng)調整。

圖4

３　典型應用

圖４所示是由超聲波干擾探測器ＵＳ００１２和μＰ構成的超聲波干擾探測器的系統電路。ＳＥＬ４０ｋ端接高電平時(shí)，選擇４０ｋＨｚ時(shí)鐘頻率。利用μＰ可完成下述任務(wù)：第一，給ＵＳ００１２提供４０ｋＨｚ的時(shí)鐘頻率；第二，設定ＵＳ００１２的靈敏度；第三，接收ＵＳ００１２發(fā)出的報警信號并通過(guò)控制器執行相應的動(dòng)作。超聲波干擾探測器ＵＳ００１２可適配４０ｋＨｚ超聲波發(fā)送器與接收器構成的傳感器。將傳感器安裝在一根立柱的頂端，可以增加覆蓋面積。不接外部輸入放大器時(shí)，車(chē)輛內部的有效探測距離可達３．５ｍ。

在圖４電路中，Ｃ１為ＣＡＰ端的外接電容，Ｃ１為２７０ｐＦ時(shí)，可選擇中高擋靈敏度。Ｃ２和Ｃ３均為電源退耦電容。前置放大器的偏置電路由Ｃ４和Ｒ１組成。接收器到ＲＸ端的引線(xiàn)一般應采用屏蔽線(xiàn)，并應將屏蔽層接ＲＸＧＮＤ端。為避免因探測到強干擾而損壞芯片，必要時(shí)可在輸入引腳接雙向限幅二極管來(lái)進(jìn)行過(guò)壓保護。