基于DSP和模糊邏輯技術(shù)的超聲波干擾探測(cè)器US0012

關(guān)鍵詞：超聲波；干擾探測(cè)器；干擾識(shí)別；報(bào)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(cè)器信號(hào)處理專用集成電路，它兼有干擾探測(cè)、干擾識(shí)別和干擾報(bào)警三大功能。其主要性能特點(diǎn)如下：

（１）內(nèi)含超聲波發(fā)送與接收電路、模擬信號(hào)處理器、數(shù)字信號(hào)處理器（ＤＳＰ）、基于模糊邏輯技術(shù)（Ｆｕｚｚｙ－Ｌｏｇｉｃ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，簡(jiǎn)稱ＦＬＴ）的鑒相器和多路報(bào)警輸出電路，可適配標(biāo)準(zhǔn)的４０ｋＨｚ超聲波傳感器。

（２）對(duì)環(huán)境溫度等自然條件具有自適應(yīng)（Ｓｅｌｆ－ａｄａｐｔｉｖｅ）能力，在探測(cè)車輛內(nèi)部干擾時(shí)，不需要進(jìn)行任何調(diào)整。此外，該芯片還具有自檢及上電復(fù)位功能，ＵＳ００１２器件在出廠時(shí)已將超聲波探測(cè)標(biāo)準(zhǔn)固化到芯片中。

（３）能設(shè)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(diào)整靈敏度，也可以由用戶設(shè)定靈敏度，以適應(yīng)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(bào)警輸出方式，分別為ＬＥＤ信號(hào)輸出（可驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管報(bào)警）、主報(bào)警輸出和輔助報(bào)警輸出。能自動(dòng)區(qū)分弱干擾、強(qiáng)干擾、阻斷（因超聲波傳感器引線開(kāi)路而導(dǎo)致信號(hào)被阻斷）、飽和（因回波信號(hào)過(guò)強(qiáng)而使接收器進(jìn)入飽和狀態(tài)），并發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警信號(hào)。

（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(cè)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(shù)字電源端和數(shù)字地；

ＲＸＧＮＤ?屏蔽接地端，設(shè)計(jì)印制板時(shí)，應(yīng)先將ＡＵＤＤ與ＵＤＤ、ＡＧＮＤ與ＧＮＤ分開(kāi)布線，最后再連在一起，芯片內(nèi)部的所有電壓均以ＧＮＤ為基準(zhǔn)；

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(yīng)將ＯＳＣＯＵＴ端懸空；

圖2

ＣＡＰ：包絡(luò)線探測(cè)器輸出端，該端在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)接一個(gè)外部電容。接收器的屏蔽端應(yīng)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(bào)警輸出控制端，當(dāng)ＡＬＥＮ為０（低電平）時(shí)，ＡＬＡＲＭ禁止，同時(shí)ＷＡＲＮ和ＬＥＤ端輸出報(bào)警信號(hào)；

ＡＬＡＲＭ：主報(bào)警輸出端；

ＷＡＲＮ：輔助報(bào)警輸出端；

ＬＥＤ：發(fā)光二極管報(bào)警驅(qū)動(dòng)端；

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

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

ＴＰ：測(cè)試／復(fù)位端，該端內(nèi)部帶有上拉電阻，上電時(shí)即將芯片復(fù)位，該端接低電平時(shí)，可用于對(duì)芯片進(jìn)行測(cè)試。

２．２ 工作原理

ＵＳ００１２超聲波干擾探測(cè)器的內(nèi)部電路框圖如圖２所示。該器件內(nèi)部包括時(shí)鐘振蕩器、調(diào)制器／驅(qū)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)線探測(cè)器、Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器、控制邏輯、數(shù)字信號(hào)處理器（ＤＳＰ）、模糊邏輯鑒相器（ＦＬＴ）和多路報(bào)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(dāng)接收器接收到車輛內(nèi)部的回波后，系統(tǒng)便將該脈沖串送至超聲波干擾探測(cè)器進(jìn)行模擬信號(hào)調(diào)理，然后通過(guò)Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送給ＤＳＰ進(jìn)行數(shù)字信號(hào)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(yīng)的報(bào)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(qū)動(dòng)方式，它能在０．６ｍｓ的短時(shí)間內(nèi)發(fā)出一個(gè)超聲波脈沖串，脈沖峰－峰值可達(dá)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(yīng)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(fù)位功能，以對(duì)芯片進(jìn)行初始化。ＵＳ００１２超聲波干擾探測(cè)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(hào)調(diào)理電路

模擬信號(hào)調(diào)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)線控制器。器件工作時(shí)，首先對(duì)接收到的回波信號(hào)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(hào)保持在固定的偏壓上，最后利用包絡(luò)線探測(cè)器從中提取回波信息。設(shè)計(jì)時(shí)，ＣＡＰ端需要接一只外部電容，以保持包絡(luò)線探測(cè)器的輸出偏壓。

（２）數(shù)字信號(hào)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)玻璃或車廂頂部形成的空氣流、穿過(guò)車窗的風(fēng)）都會(huì)影響車輛內(nèi)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(duì)回波波形中的特征參數(shù)以及參數(shù)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(cè)器中專門固化了根據(jù)從許多測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)采集到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)而制定的探測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。為達(dá)到上述探測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，首先應(yīng)使用ＤＳＰ對(duì)數(shù)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(shù)如何變化，以及它們之間的相關(guān)性，最終確定是否探測(cè)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(hào)是否引起初始化錯(cuò)誤。一旦發(fā)現(xiàn)電路出現(xiàn)異常情況，系統(tǒng)將從ＷＡＲＮ端和ＬＥＤ端分別輸出一個(gè)持續(xù)時(shí)間為４．４ｓ的低電平信號(hào)。用戶只需在ＬＥＤ端接上ＬＥＤ即可觀察到自檢結(jié)果。故障排除后，ＬＥＤ又恢復(fù)正常閃爍狀態(tài)。

（４）靈敏度調(diào)整

針對(duì)不同的干擾及車輛運(yùn)行情況，用戶可自行調(diào)整超聲波干擾探測(cè)器的靈敏度。利用ＳＥＮＳ１和ＳＥＮＳ０端的數(shù)字信號(hào)對(duì)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(shè)定

（５）自動(dòng)調(diào)整靈敏度

自動(dòng)調(diào)整靈敏度的英文縮寫為ＳＡＳ（Ｓｅｌｆ－Ａｄ-ｊｕｓｔｉｎｇ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ），這是ＵＳ００１２超聲波干擾探測(cè)器的一項(xiàng)獨(dú)特功能。它能根據(jù)當(dāng)前的環(huán)境條件自動(dòng)調(diào)節(jié)接收干擾或運(yùn)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(diào)整靈敏度模式。其調(diào)整過(guò)程首先從低擋靈敏度開(kāi)始，然后根據(jù)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(diào)整。

圖4

３　典型應(yīng)用

圖４所示是由超聲波干擾探測(cè)器ＵＳ００１２和μＰ構(gòu)成的超聲波干擾探測(cè)器的系統(tǒng)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(shè)定ＵＳ００１２的靈敏度；第三，接收ＵＳ００１２發(fā)出的報(bào)警信號(hào)并通過(guò)控制器執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。超聲波干擾探測(cè)器ＵＳ００１２可適配４０ｋＨｚ超聲波發(fā)送器與接收器構(gòu)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)，車輛內(nèi)部的有效探測(cè)距離可達(dá)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端的引線一般應(yīng)采用屏蔽線，并應(yīng)將屏蔽層接ＲＸＧＮＤ端。為避免因探測(cè)到強(qiáng)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(hù)。