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基于DSP和模糊邏輯技術(shù)的超聲波干擾探測器US0012
摘要：US0012是一種基于數(shù)字信號處理器和模糊邏輯技術(shù)的高性能智能化超聲波干擾探測器集成電路。它具有價格低、適用面廣、便于安裝等優(yōu)點，可廣泛用于車輛內(nèi)部的安全系統(tǒng)。文中介紹了US0012的主要特點和功能原理，給出了US0012的典型應(yīng)用電路及其連接方法。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。其主要性能特點如下：
（１）內(nèi)含超聲波發(fā)送與接收電路、模擬信號處理器、數(shù)字信號處理器（ＤＳＰ）、基于模糊邏輯技術(shù)（Ｆｕｚｚｙ－Ｌｏｇｉｃ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，簡稱ＦＬＴ）的鑒相器和多路報警輸出電路，可適配標(biāo)準(zhǔn)的４０ｋＨｚ超聲波傳感器。(范文先生網(wǎng)m.panasonaic.com收集整理)
（２）對環(huán)境溫度等自然條件具有自適應(yīng)（Ｓｅｌｆ－ａｄａｐｔｉｖｅ）能力，在探測車輛內(nèi)部干擾時，不需要進行任何調(diào)整。此外，該芯片還具有自檢及上電復(fù)位功能，ＵＳ００１２器件在出廠時已將超聲波探測標(biāo)準(zhǔn)固化到芯片中。
（３）能設(shè)定時鐘頻率，芯片可以配４０ｋＨｚ或４００ｋＨｚ的時鐘頻率。芯片能自動調(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(qū)動發(fā)光二極管報警）、主報警輸出和輔助報警輸出。能自動區(qū)分弱干擾、強干擾、阻斷（因超聲波傳感器引線開路而導(dǎo)致信號被阻斷）、飽和（因回波信號過強而使接收器進入飽和狀態(tài)），并發(fā)出相應(yīng)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(shù)字電源端和數(shù)字地；
ＲＸＧＮＤ?屏蔽接地端，設(shè)計印制板時，應(yīng)先將ＡＵＤＤ與ＵＤＤ、ＡＧＮＤ與ＧＮＤ分開布線，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短脈沖串的兩個輸出端；
ＯＳＣＩＮ、ＯＳＣＯＵＴ：依次為時鐘輸入端與輸出端，可連接４０ｋＨｚ／４００ｋＨｚ石英晶體或壓電陶瓷振蕩器；亦可從ＯＳＣＩＮ端輸入外部時鐘，輸入外部時鐘時，應(yīng)將ＯＳＣＯＵＴ端懸空；
圖2
ＣＡＰ：包絡(luò)線探測器輸出端，該端在設(shè)計時應(yīng)接一個外部電容。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：時鐘頻率選擇端，該端接高電平時選擇４０ｋＨｚ時鐘，接低電平時選擇４００ｋＨｚ時鐘；
ＡＬＥＮ：報警輸出控制端，當(dāng)ＡＬＥＮ為０（低電平）時，ＡＬＡＲＭ禁止，同時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(qū)動端；
ＳＥＮＳ１、ＳＥＮＳ０：靈敏度設(shè)定端，可用來設(shè)定超聲波干擾探測器的靈敏度；
ＳＡＳ：調(diào)整靈敏度選擇端，當(dāng)ＳＡＳ為１時，自動調(diào)整靈敏度；ＳＡＳ為０時，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：測試／復(fù)位端，該端內(nèi)部帶有上拉電阻，上電時即將芯片復(fù)位，該端接低電平時，可用于對芯片進行測試。
２．２ 工作原理
ＵＳ００１２超聲波干擾探測器的內(nèi)部電路框圖如圖２所示。該器件內(nèi)部包括時鐘振蕩器、調(diào)制器／驅(qū)動器、前置放大器（Ａ）、４０ｋＨｚ帶通濾波器、可編程自動增益控制（ＡＧＣ）放大器、包絡(luò)線探測器、Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器、控制邏輯、數(shù)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，先將ＴＸ１、ＴＸ２端輸出的４０ｋＨｚ短脈沖串通過發(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器進行模擬信號調(diào)理，然后通過Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送給ＤＳＰ進行數(shù)字信號處理，最后經(jīng)過基于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并啟動相應(yīng)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(qū)動方式，它能在０．６ｍｓ的短時間內(nèi)發(fā)出一個超聲波脈沖串，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。脈沖串與回波的時序波形如圖３所示。
將ＴＰ端懸空或在此端加一個正脈沖均可完成上電復(fù)位功能，以對芯片進行初始化。ＵＳ００１２超聲波干擾探測器所需的時鐘頻率可由晶振電路產(chǎn)生，亦可由微處理器來提供。
下面是器件中主要單元電路的工作原理。
（１）模擬信號調(diào)理電路
模擬信號調(diào)理電路包括前置放大器、４０ｋＨｚ帶通濾波器、自動增益控制放大器和包絡(luò)線控制器。器件工作時，首先對接收到的回波信號進行前置放大，再通過中心頻率為４０ｋＨｚ的帶通濾波器濾除噪聲，然后經(jīng)過可編程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)線探測器從中提取回波信息。設(shè)計時，ＣＡＰ端需要接一只外部電容，以保持包絡(luò)線探測器的輸出偏壓。
（２）數(shù)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)玻璃或車廂頂部形成的空氣流、穿過車窗的風(fēng)）都會影響車輛內(nèi)部超聲波的發(fā)射與接收，因此要確定一個真正的干擾，就必須對回波波形中的特征參數(shù)以及參數(shù)之間的關(guān)系進行分析。為解決這一技術(shù)難題，ＵＳ００１２超聲波干擾探測器中專門固化了根據(jù)從許多測試現(xiàn)場采集到的實驗數(shù)據(jù)而制定的探測標(biāo)準(zhǔn)。為達(dá)到上述探測標(biāo)準(zhǔn)，首先應(yīng)使用ＤＳＰ對數(shù)字化以后的回波進行處理，然后用一個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，最終確定是否探測到了真正的干擾。
圖4
（３）自檢
剛上電時，若ＳＡＳ為１，則立即進入自檢模式，以自動檢查芯片是否正常工作，同時檢查上電過程是否過于緩慢以及ＯＳＣＩＮ端的時鐘信號是否引起初始化錯誤。一旦發(fā)現(xiàn)電路出現(xiàn)異常情況，系統(tǒng)將從ＷＡＲＮ端和ＬＥＤ端分別輸出一個持續(xù)時間為４．４ｓ的低電平信號。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
針對不同的干擾及車輛運行情況，用戶可自行調(diào)整超聲波干擾探測器的靈敏度。利用ＳＥＮＳ１和ＳＥＮＳ０端的數(shù)字信號對ＡＧＣ進行編程可選擇４種不同的靈敏度，詳見表１。
表1 靈敏度方法設(shè)定
（５）自動調(diào)整靈敏度
自動調(diào)整靈敏度的英文縮寫為ＳＡＳ（Ｓｅｌｆ－Ａｄ-ｊｕｓｔｉｎｇ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ），這是ＵＳ００１２超聲波干擾探測器的一項獨特功能。它能根據(jù)當(dāng)前的環(huán)境條件自動調(diào)節(jié)接收干擾或運動靈敏度，以消除環(huán)境溫度變化、電源波動及超聲波傳感器靈敏度的影響。上電后，若ＳＡＳ為１，就首先進行自檢，自檢后如ＳＡＳ仍呈高電平，ＵＳ００１２即進入自動調(diào)整靈敏度模式。其調(diào)整過程首先從低擋靈敏度開始，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調(diào)整。
圖4
３ 典型應(yīng)用
圖４所示是由超聲波干擾探測器ＵＳ００１２和μＰ構(gòu)成的超聲波干擾探測器的系統(tǒng)電路。ＳＥＬ４０ｋ端接高電平時，選擇４０ｋＨｚ時鐘頻率。利用μＰ可完成下述任務(wù)：第一，給ＵＳ００１２提供４０ｋＨｚ的時鐘頻率；第二，設(shè)定ＵＳ００１２的靈敏度；第三，接收ＵＳ００１２發(fā)出的報警信號并通過控制器執(zhí)行相應(yīng)的動作。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(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，車輛內(nèi)部的有效探測距離可達(dá)３．５ｍ。
在圖４電路中，Ｃ１為ＣＡＰ端的外接電容，Ｃ１為２７０ｐＦ時，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。為避免因探測到強干擾而損壞芯片，必要時可在輸入引腳接雙向限幅二極管來進行過壓保護。
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