基于DSP和模糊逻辑技术的超声波干扰探测器US0012

 摘要：US0012是一种基于数字信号处理器和模糊逻辑技术的高性能智能化超声波干扰探测器集成电路。它具有价格低、适用面广、便于安装等优点，可广泛用于车辆内部的安全系统。文中介绍了US0012的主要特点和功能原理，给出了US0012的典型应用电路及其连接方法。

１ 主要特性

ＵＳ００１２是一种采用ＣＭＯＳ工艺制成的超声波干扰探测器信号处理专用集成电路，它兼有干扰探测、干扰识别和干扰报警三大功能。其主要性能特点如下：

（１）内含超声波发送与接收电路、模拟信号处理器、数字信号处理器（ＤＳＰ）、基于模糊逻辑技术（Ｆｕｚｚｙ－Ｌｏｇｉｃ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，简称ＦＬＴ）的鉴相器和多路报警输出电路，可适配标准的４０ｋＨｚ超声波传感器。

（２）对环境温度等自然条件具有自适应（Ｓｅｌｆ－ａｄａｐｔｉｖｅ）能力，在探测车辆内部干扰时，不需要进行任何调整。此外，该芯片还具有自检及上电复位功能，ＵＳ００１２器件在出厂时已将超声波探测标准固化到芯片中。

（３）能设定时钟频率，芯片可以配４０ｋＨｚ或４００ｋＨｚ的时钟频率。芯片能自动调整灵敏度，也可以由用户设定灵敏度，以适应不同干扰及干扰变化，从而消除因环境温度变化、电源波动及超声波传感器灵敏度改变而造成的影响。

（４）有３种干扰报警输出方式，分别为ＬＥＤ信号输出（可驱动发光二极管报警）、主报警输出和辅助报警输出。能自动区分弱干扰、强干扰、阻断（因超声波传感器引线开路而导致信号被阻断）、饱和（因回波信号过强而使接收器进入饱和状态），并发出相应的报警信号。

（５）采用＋５Ｖ单电源供电，电源电压允许范围为＋４．５Ｖ～＋５．５Ｖ，电源电流为０．６５ｍＡ（典型值）。工作温度范围为－４０℃～＋８５℃。

２ 引脚功能和工作原理

２．１ 引脚功能

ＵＳ００１２超声波干扰探测器采用ＤＩＰ－２０或ＳＯＩＣ－２０封装，其引脚排列如图１所示。各引脚的功能如下：

ＡＵＤＤ、ＡＧＮＤ：分别为模拟电源端和模拟地；

ＵＤＤ、ＧＮＤ：数字电源端和数字地；

ＲＸＧＮＤ?屏蔽接地端，设计印制板时，应先将ＡＵＤＤ与ＵＤＤ、ＡＧＮＤ与ＧＮＤ分开布线，最后再连在一起，芯片内部的所有电压均以ＧＮＤ为基准；

ＴＸ１、ＴＸ２：４０ｋＨｚ短脉冲串的两个输出端；

ＯＳＣＩＮ、ＯＳＣＯＵＴ：依次为时钟输入端与输出端，可连接４０ｋＨｚ／４００ｋＨｚ石英晶体或压电陶瓷振荡器；亦可从ＯＳＣＩＮ端输入外部时钟，输入外部时钟时，应将ＯＳＣＯＵＴ端悬空；

图2

    ＣＡＰ：包络线探测器输出端，该端在设计时应接一个外部电容。接收器的屏蔽端应先与ＲＸＧＮＤ端相连，然后再接模拟地；

ＲＸ：回波输入端，输入的交流电压峰值为０．１ｍＶ～１０ｍＶ；

ＳＥＬ４０ｋ：时钟频率选择端，该端接高电平时选择４０ｋＨｚ时钟，接低电平时选择４００ｋＨｚ时钟；

ＡＬＥＮ：报警输出控制端，当ＡＬＥＮ为０（低电平）时，ＡＬＡＲＭ禁止，同时ＷＡＲＮ和ＬＥＤ端输出报警信号；

ＡＬＡＲＭ：主报警输出端；

ＷＡＲＮ：辅助报警输出端；

ＬＥＤ：发光二极管报警驱动端；

ＳＥＮＳ１、ＳＥＮＳ０：灵敏度设定端，可用来设定超声波干扰探测器的灵敏度；

ＳＡＳ：调整灵敏度选择端，当ＳＡＳ为１时，自动调整灵敏度；ＳＡＳ为０时，保持固定的灵敏度，该灵敏度可预先由ＳＥＮＳ１、ＳＥＮＳ０端设定好；

ＴＰ：测试／复位端，该端内部带有上拉电阻，上电时即将芯片复位，该端接低电平时，可用于对芯片进行测试。

２．２ 工作原理

ＵＳ００１２超声波干扰探测器的内部电路框图如图２所示。该器件内部包括时钟振荡器、调制器／驱动器、前置放大器（Ａ）、４０ｋＨｚ带通滤波器、可编程自动增益控制（ＡＧＣ）放大器、包络线探测器、Ａ／Ｄ转换器、控制逻辑、数字信号处理器（ＤＳＰ）、模糊逻辑鉴相器（ＦＬＴ）和多路报警器。电路工作时，先将ＴＸ１、ＴＸ２端输出的４０ｋＨｚ短脉冲串通过发送器发射出去，当接收器接收到车辆内部的回波后，系统便将该脉冲串送至超声波干扰探测器进行模拟信号调理，然后通过Ａ／Ｄ转换器转换成数字信号送给ＤＳＰ进行数字信号处理，最后经过基于ＦＬＴ的鉴相器把真正的干扰从自然干扰或所允许的其他干扰中鉴别出来并启动相应的报警输出。ＵＳ００１２的接收端（ＲＸ）可接受０．１ｍＶ～１０ｍＶ的交流峰值电压，该端的输入阻抗为２００ｋΩ。ＵＳ００１２采用推挽输出驱动方式，它能在０．６ｍｓ的短时间内发出一个超声波脉冲串，脉冲峰－峰值可达１０Ｖ，发射周期为４４．４ｍｓ。由于该脉冲的占空比很小，因此，其平均电流应非常小。实际上，只需５０μＡ的电流即可产生超声波脉冲串。脉冲串与回波的时序波形如图３所示。

    将ＴＰ端悬空或在此端加一个正脉冲均可完成上电复位功能，以对芯片进行初始化。ＵＳ００１２超声波干扰探测器所需的时钟频率可由晶振电路产生，亦可由微处理器来提供。

下面是器件中主要单元电路的工作原理。

（１）模拟信号调理电路

模拟信号调理电路包括前置放大器、４０ｋＨｚ带通滤波器、自动增益控制放大器和包络线控制器。器件工作时，首先对接收到的回波信号进行前置放大，再通过中心频率为４０ｋＨｚ的带通滤波器滤除噪声，然后经过可编程ＡＧＣ放大器使输出信号保持在固定的偏压上，最后利用包络线探测器从中提取回波信息。设计时，ＣＡＰ端需要接一只外部电容，以保持包络线探测器的输出偏压。

（２）数字信号处理器及模糊逻辑鉴相器

鉴于许多外部因素（例如光照、在挡风玻璃或车厢顶部形成的空气流、穿过车窗的风）都会影响车辆内部超声波的发射与接收，因此要确定一个真正的干扰，就必须对回波波形中的特征参数以及参数之间的关系进行分析。为解决这一技术难题，ＵＳ００１２超声波干扰探测器中专门固化了根据从许多测试现场采集到的实验数据而制定的探测标准。为达到上述探测标准，首先应使用ＤＳＰ对数字化以后的回波进行处理，然后用一个模糊逻辑鉴相器不断地检查这些参数如何变化，以及它们之间的相关性，最终确定是否探测到了真正的干扰。

图4

    （３）自检

刚上电时，若ＳＡＳ为１，则立即进入自检模式，以自动检查芯片是否正常工作，同时检查上电过程是否过于缓慢以及ＯＳＣＩＮ端的时钟信号是否引起初始化错误。一旦发现电路出现异常情况，系统将从ＷＡＲＮ端和ＬＥＤ端分别输出一个持续时间为４．４ｓ的低电平信号。用户只需在ＬＥＤ端接上ＬＥＤ即可观察到自检结果。故障排除后，ＬＥＤ又恢复正常闪烁状态。

（４）灵敏度调整

针对不同的干扰及车辆运行情况，用户可自行调整超声波干扰探测器的灵敏度。利用ＳＥＮＳ１和ＳＥＮＳ０端的数字信号对ＡＧＣ进行编程可选择４种不同的灵敏度，详见表１。

表1 灵敏度方法设定

（５）自动调整灵敏度

自动调整灵敏度的英文缩写为ＳＡＳ（Ｓｅｌｆ－Ａｄ-ｊｕｓｔｉｎｇ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ），这是ＵＳ００１２超声波干扰探测器的一项独特功能。它能根据当前的环境条件自动调节接收干扰或运动灵敏度，以消除环境温度变化、电源波动及超声波传感器灵敏度的影响。上电后，若ＳＡＳ为１，就首先进行自检，自检后如ＳＡＳ仍呈高电平，ＵＳ００１２即进入自动调整灵敏度模式。其调整过程首先从低挡灵敏度开始，然后根据外部条件在低挡、中低挡、中高挡和高挡灵敏度之间自动调整。

图4

３　典型应用

图４所示是由超声波干扰探测器ＵＳ００１２和μＰ构成的超声波干扰探测器的系统电路。ＳＥＬ４０ｋ端接高电平时，选择４０ｋＨｚ时钟频率。利用μＰ可完成下述任务：第一，给ＵＳ００１２提供４０ｋＨｚ的时钟频率；第二，设定ＵＳ００１２的灵敏度；第三，接收ＵＳ００１２发出的报警信号并通过控制器执行相应的动作。超声波干扰探测器ＵＳ００１２可适配４０ｋＨｚ超声波发送器与接收器构成的传感器。将传感器安装在一根立柱的顶端，可以增加覆盖面积。不接外部输入放大器时，车辆内部的有效探测距离可达３．５ｍ。

在图４电路中，Ｃ１为ＣＡＰ端的外接电容，Ｃ１为２７０ｐＦ时，可选择中高挡灵敏度。Ｃ２和Ｃ３均为电源退耦电容。前置放大器的偏置电路由Ｃ４和Ｒ１组成。接收器到ＲＸ端的引线一般应采用屏蔽线，并应将屏蔽层接ＲＸＧＮＤ端。为避免因探测到强干扰而损坏芯片，必要时可在输入引脚接双向限幅二极管来进行过压保护。