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二线三态泊车辅助系统

阅读：235发布：2020-05-11

IPRDB可以提供二线三态泊车辅助系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且二线三态泊车辅助系统，涉及一种利用超声波反射的定位或存在检测系统。提供一种可解决泊车辅助系统中低成本和高稳定性的矛盾，采用二线三态全数字传输设计方案的二线三态泊车辅助系统。设有主机、传感器和传输线；主机设有传感器馈电电路、主机发射电路、单片机、三态电平提取电路和回波处理电路。传感器设有电源电路、收发信号隔离电路、发射驱动电路、压电陶瓷传感器、接收放大电路、数字信号转换电路和三态信号驱动电路，主机到传感器的馈电线、主机与传感器之间通讯的信号线共用一根传输线。，下面是二线三态泊车辅助系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.二线三态泊车辅助系统，其特征在于设有主机、传感器和传输线；

主机用于控制传感器发射特定频率的超声波，处理传感器的回波，判断障碍物的距离；主机设有传感器馈电电路、主机发射电路、单片机、三态电平提取电路和回波处理电路，机发射电路的输入端接单片机，主机发射电路的输出端分别与三态电平提取电路和传感器馈电电路连接，主机发射电路的输出端通过信号线与传感器连接，三态电平提取电路的输出端接回波处理电路的输入端，回波处理电路的输出端接单片机；传感器用于在主机控制下发射超声波，将接收到的超声波经过传感器内部电路处理成三态数字信号回传给主机；

传感器设有电源电路、收发信号隔离电路、发射驱动电路、压电陶瓷传感器、接收放大电路、数字信号转换电路和三态信号驱动电路，电源电路的输入端分别与收发信号隔离电路的输入端和三态信号驱动电路的输出端连接，电源电路的输入端通过信号线与主机连接，收发信号隔离电路的输出端与发射驱动电路的输入端连接，发射驱动电路的输出端与压电陶瓷传感器连接，压电陶瓷传感器的输出端接接收放大电路的输入端，接收放大电路的输出端接数字信号转换电路的输入端，数字信号转换电路的输出端接三态信号驱动电路的输入端；

主机到传感器的馈电线、主机与传感器之间通讯的信号线共用一根传输线。

2.如权利要求1所述的二线三态泊车辅助系统，其特征在于主机到传感器的馈电线、主机与传感器之间通讯的信号线采用复用的方式共用一根传输线，与地线一共是2根线。

3.如权利要求1所述的二线三态泊车辅助系统，其特征在于信号线上传输信号采用三态数字编码信号。

4.如权利要求3所述的二线三态泊车辅助系统，其特征在于所述的三态数字编码信号分别用高电位、中电位和低电位3种不同电位表示馈电态、接收态和控制态3种不同的状态。

5.如权利要求4所述的二线三态泊车辅助系统，其特征在于所述的高电位表示主机向传感器馈电，为馈电态；中电位表示传感器接收的信号回传给主机，为接收态；低电位表示主机控制传感器发射超声波，为控制态。

6.如权利要求1所述的二线三态泊车辅助系统，其特征在于所述的主机设有距离显示电路和通讯装置。

说明书全文

技术领域

本发明涉及一种利用超声波反射的定位或存在检测系统，尤其是涉及一种采用二线三态数字通讯的泊车辅助系统。

背景技术

汽车用超声波泊车辅助系统是通过由主机控制具有收发双功能的超声波传感器发射超声波信号，并接收被汽车后面或前面的障碍物反射回来的同频超声波信号。主机通过判断超声波被发送和接收的时间差来判断汽车周围的障碍物距离，主机通过声音报警或者距离显示等方式来提醒驾驶人员，起到辅助安全驾驶的目的。
超声波泊车辅助系统一般由一组传感器1、主机2、声音报警单元3、距离显示单元4 和电源及汽车接口5(各种总线或数据线连接)等部分组成(参见图1)。其中距离显示单元 4是可选的，在有些简易系统中不设距离显示单元。传感器1的个数对于不同的系统有差异，一般要求至少2个。传感器的个数越多，系统性能更优越，盲区越少。
传感器都要求布在汽车的车身外侧，一般在前后保险杆上，而主机设在车身内部。由于传感器的个数比较多而且比较分散，这样传感器和主机的信号传输和电源馈电会变得比较复杂。目前普遍存在的设计方案有以下几种：
1)直接连接
具体方式是在传感器内没有任何电子电路，只有压电陶瓷片，所有超声波发射电路和接收电路都在主机内部，主机和传感器的连接采用屏蔽线。其优点是系统设计简单；其缺点是由于传感器返回的超声波信号很弱，虽然用了屏蔽线但是还是很容易受到干扰，系统稳定性、一致性不好。
2)四线制
具体方式是在传感器内增加超声波发射和接收放大电路。采用电源、地线、主机到传感器信号线，传感器到主机信号线4根线的连接方式，采用普通导线连接。其优点是系统抗干扰性能有一定的提高，缺点是采用线束过多，布线复杂，成本增加。
3)三线制
具体方式是在四线制的基础上作了改进，将主机到传感器和传感器到主机的两根线合并为一根线。其优点是比四线制简化了线束。但因为数据线是双向的，有两种实现方式。一种方式是在传感器内增加MCU来实现，带来成本增加；另一种方式是传感器回波信号采用模拟信号传输，容易受干扰，系统稳定性差。
4)二线制
具体方式是在三线制的基础上电源线和数据线共用一条线。其优点是整车线束比较简单。传感器回波信号采用模拟传输，系统抗干扰性能较差。
由此可见，上述现有的设计方案在系统稳定性或者成本等方面都存在一些缺陷。低成本和高稳定性是汽车电子行业一直追求的设计目标。
有关汽车倒车或泊车的报警、距离显示等装置已有不少报道。
公开号为CN1598614的发明专利申请中提供一种车辆倒车告警系统，该系统使用安装在 CPU内部能够根据输入程序常数值产生各种基准电压值的内置式可编程基准电压模块，完全检测出需要告警的障碍物并准确检测出无须告警的障碍物。
公开号为CN1818714的发明专利申请中提供一种汽车倒车雷达，包括控制主机、一或多个探头，主机包括电源稳压电路，主机中，中心处理器连接超声发射电路和超声接收电路，每路超声发射电路包括发射信号转换器、发射信号放大器、与传输线的A端相连接的发射叠加器，超声接收电路包括电子开关和回波处理电路。倒车雷达还包括传感器组件，其包括发射分离器和发射信号升压器，传输线的B端连接发射分离器，而探头连接发射信号升压器，还包括回波叠加器和回波选频预放大器，超声接收电路包括连接在传输线A端和电子开关之间的回波分离电路。
公告号为CN2202678的实用新型专利提供一种主动式汽车倒车的雷达装置，由电源电路、前置放大电路、滤波及谐振放大电路、射极跟随及限幅器电路、锁相环电路、中央控制部分及辅助、报警电路、超声波发生及功率驱动电路、模拟开关电路、升压电路和自增益控制电路组成，它采用高集成度的中央CPU控制，用1个超声波传感器完成超声波信号的反射和反射波检测，通过计算反射波到达时间来确定障碍物距离。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有的设计方案在系统稳定性或者成本等方面所存在的一些缺陷，克服现有系统中多线制线束复杂和模拟信号传输时抗干扰性能差的缺点，提供一种可解决泊车辅助系统中低成本和高稳定性的矛盾，采用二线三态全数字传输设计方案的二线三态泊车辅助系统。
本发明的技术方案是传感器的电源线和通讯线采用复用的方式共用一根普通的传输线，与地线一共是两根线，数据通讯方式采用三态数字编码方式，分别用高电位、中电位和低电位3种不同电位表示馈电态、接收态和控制态3种不同的状态。
所述的3种不同电位为：
1.高电位：表示主机向传感器馈电，称为馈电态。
2.中电位：表示传感器接收的信号回传给主机，称为接收态。
3.低电位：表示主机控制传感器发射超声波，称为控制态。
本发明设有主机、传感器和传输线。
主机用于控制传感器发射特定频率的超声波，处理传感器的回波，判断障碍物的距离。
主机设有控制与接收部分和声音报警部分，控制与接收部分设有传感器馈电电路、主机发射电路、单片机、三态电平提取电路和回波处理电路。主机发射电路的输入端接单片机，主机发射电路的输出端分别与三态电平提取电路和传感器馈电电路连接，主机发射电路的输出端通过信号线与传感器连接，三态电平提取电路的输出端接回波处理电路的输入端，回波处理电路的输出端接单片机。
传感器在主机控制下发射超声波，并且将接收到的超声波经过传感器内部电路处理成三态数字信号回传给主机。
传感器设有电源电路、收发信号隔离电路、发射驱动电路、压电陶瓷传感器、接收放大电路、数字信号转换电路和三态信号驱动电路。电源电路的输入端分别与收发信号隔离电路的输入端和三态信号驱动电路的输出端连接，电源电路的输入端通过信号线与主机连接，收发信号隔离电路的输出端与发射驱动电路的输入端连接，发射驱动电路的输出端与压电陶瓷传感器连接，压电陶瓷传感器的输出端接接收放大电路的输入端，接收放大电路的输出端接数字信号转换电路的输入端，数字信号转换电路的输出端接三态信号驱动电路的输入端。
主机到传感器的馈电线、主机与传感器之间通讯的信号线采用复用的方式共用一根传输线，与地线一共是2根线。信号线上传输信号采用三态数字编码信号，三态数字编码信号分别用高电位、中电位和低电位3种不同电位表示馈电态、接收态和控制态3种不同的状态。高电位表示主机向传感器馈电，为馈电态；中电位表示传感器接收的信号回传给主机，为接收态；低电位表示主机控制传感器发射超声波，为控制态。由传感器到主机的回波信号的电压幅度接近恒定，不会随着障碍物的距离而变化。
所述的主机可设有距离显示电路和通讯装置。
与现有的泊车辅助系统相比，本发明具有以下突出优点。
1.回波信号电压幅度基本恒定(例如1V)，不随障碍物的远近发生变化。
2.传感器与主机连接采用两根连接线，系统连接简单，成本低。
3.系统间各部件传输采用三态数字传输，系统抗干扰性强。

附图说明

图1为现有的汽车泊车辅助系统结构框图。
图2为本发明实施例的电路组成框图。
图3为本发明实施例的信号线上的电压波形示意图。
图4为本发明实施例采用4个传感器带总线通讯应用示例组成框图。
图5为图4的实际电压波形图。
图6为本发明实施例的电路组成原理图。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。
参见图2，本发明设有主机101、传感器102和传输线103。
主机101设有馈电电路111、主机发射电路112、单片机113、三态电平提取电路114 和回波处理电路115。主机发射电路112的输入端接单片机113，主机发射电路112的输出端分别与三态电平提取电路114和传感器馈电电路111连接，三态电平提取电路114的输出端接回波处理电路115的输入端，回波处理电路115的输出端接单片机113。
传感器102设有电源电路122、收发信号隔离电路124、发射驱动电路125、压电陶瓷传感器128、接收放大电路127、数字信号转换电路126和三态信号驱动电路123。电源电路 122的输入端分别与收发信号隔离电路124的输入端和三态信号驱动电路123的输出端连接，电源电路122的输入端同时通过传输线(即主机的信号线)103与主机101连接。收发信号隔离电路124的输出端与发射驱动电路125的输入端连接，发射驱动电路125的输出端与压电陶瓷传感器128连接。压电陶瓷传感器128的输出端与接收放大电路127输入端连接，接收放大电路127的输出端接三态信号驱动电路123的输入端。
传感器102的电源线和通讯线与主机101的信号线共用1根传输线103，主机101通过信号线(即传输线103)给传感器102提供工作电源。
在馈电态，主机通过馈电电路持续向传感器供电，传输线上呈高电位。
在控制态，主机输出低电位控制传感器发射超声波，传输线上呈低电位。
在接收态，传感器输出中间电位给主机，表示传感器有接收到反射的超声波信号，传输线上呈中电位。
参见图2和3，接收和发射电路分布在主机和传感器内，通过传输线103和地线104来连接两部分电路，传输线103即为电源线，也是数据通讯线(即信号线)。单片机113输出发射控制信号，该信号由主机发射电路112转换成控制态，即传输线上的电压小于V2(参见图3)。该电压信号通过传输线103传输到传感器，收发信号隔离电路124提取超声波发射控制信号，触发发射驱动电路125驱动压电陶瓷传感器128向外发送超声波，完成了从控制器即单片机113发出发射控制命令到传感器发射的一个过程。
压电陶瓷传感器128接收到反射的超声波信号后转换成微弱的电压信号，该电压信号经接收放大电路127和数字信号转换电路126后输出数字信号。该数字信号经三态信号驱动电路123转换成接收态电压，也就是电压在V1和V2之间。该信号经传输线103传输到主机，经三态电平提取电路114提取接收到超声波信号，该信号经过回波处理电路115后处理成单片机113易于处理的信号到单片机113处理，该过程完成了一次超声波信号接收的过程。
当信号线(即传输线103)上没有数据信号时，处于馈电状态。馈电电路111给传感器提供电源。
传感器内的信号提取电路124是用来提取超声波控制信号，提取到的超声波控制信号触发超声波发射电路驱动压电陶瓷发射超声波。所以该提取电路要能很好地屏蔽其他信号，不引起误发射。
图3给出本发明实施例的信号线上的电压波形，高电位、中电位和低电位3种不同电位为：
1.高电位A：当电压大于V1时，表示主机向传感器馈电，称为馈电态。
2.中电位B：当电压在V1与V2之间，表示传感器接收的信号回传给主机，称为接收态。
3.低电位C：当电压小于V2时，表示主机控制传感器发射超声波，称为控制态。
在图3中，地电位为D。
图4给出一个带4个传感器，系统与整车通讯采用CAN总线的一个泊车系统的接线图，由于采用了两线制，简化了系统的布线。系统由内含发声部件的主机201，4个传感器202、 203、204、205和系统线束206组成。系统电源由电源正端221和电源负端222来提供电源， CAN通讯线231、232用来与整车数据通讯。传感器信号线211、212、213、214负责主机和传感器信号传输和传感器电源提供。4个传感器地线连接在一起后通过1根线连接到主机内部。
图4的实际工作波形参见图5的波形301。当电压大于门限电压321时，处于馈电态，如图5中的波形313。当电压在门限321和322之间时，处于接收态，如图5中的波形312 和314。当电压低于门限322时，处于控制态，如图5中的波形311。
由于压电陶瓷超声波传感器的特性，在发射完超声波信号后压电陶瓷片还存在微弱的机械振动，该振动也会认为是接收到超声波信号，称此为传感器余震。波形312就是传感器发射超声波信号后的余震。
波形314是由传感器发射的超声波信号遇到障碍物反射回来被传感接收的信号。主机硬件电路提取该障碍物信号并由软件来根据超声波发射时间和反射波接收时间差来计算障碍物的距离，其计算公式为：
L＝vt/2
式中，L是障碍物离传感器的距离，v是超声波在空气中传播的速度，t是发射超声波到接收到反射波的时间差，就是311和314的时间差。
图6给出一个应用实例，在图6中只画出一个传感器通道，其他通道类似。
在控制主机电路中，电阻R4作为馈电电路111，电阻R2与R3和三极管Q1组成主机发射电路112。三态电平提取电路114由比较器U1A和其他外围元器件组成。电阻R7与 R8和电容C1组成分压电路，产生三态电平提取电路114的参考电压值。回波处理电路115 由电阻R1和电容C11组成。
传感器内二极管D1和电容C4与C5构成传感器电源电路122。信号收发隔离电路124 采用稳压二极管ZD1来实现，三极管Q3，中周变压器T1，电阻R12、R16、R19以及电容 C10构成发射驱动电路125。放大器U2A和反馈电阻R17及外围电路构成接收放大电路127。放大器U2B、电阻R11与R13以及电容C6构成数字信号转换电路126。三极管Q2和电阻 R9构成三态信号驱动电路123。接收到回波的电压由主机内的馈电电阻R4和传感器内的电阻R9分压得到。
当需要发射超声波时，单片机输出固定频率的方波信号驱动三极管。当单片机输出高电平时，三极管Q1导通，传输线上处于低电平，为控制态；当单片机输出低电平时，三极管 Q1截止，传输线上处于高电平，为控制态，传输线上得到如图5所示的波形311，此波形为发射控制信号。当传输线上为低电平时(控制态)通过ZD1和R16驱动三极管Q3导通， VCC向C10充电；当传输线上为高电平时(馈电态)三极管Q3截止，电容C10通过电阻 R19放电。C10的充放电电流通过中周变压器的初级线圈，该信号经过变压器升压后驱动超声波传感器发射超声波。
当接收到反射回来的超声波时，超声波传感器产生微弱的电信号，该电信号经过接收放大电路127放大后到数字信号转换电路126转换成数字信号。当数字信号为高电平时，通过电阻R10驱动三极管Q2导通，+12V电源电压经过R4、R9和Q2到地。传输线上的电压为 R4和R9分压得到的中间电压，为接收态。当数字信号为低电平时，三极管Q2截止，传输线上是高电压为馈电态。传输线上得到如图5中的波形314，此波形为接收到超声波回波信号在传输线上的波形。该信号波形经过三态电平提取电路取出回波信号，经回波处理电路整形后送单片机输入口。单片机通过判断发射超声波和接收到反射回来超声波的时间差来计算障碍物离传感器的距离。
图6中的主要元器件的参考型号与参考数值参见表1。
表1 编号参考型号或参考参数编号参考型号或参考参数 R1 电阻10K欧姆 R20 电阻1K欧姆 R2 电阻4.7K欧姆 C1 陶瓷电容10nF R3 电阻4.7K欧姆 C2 陶瓷电容10nF R4 电阻470欧姆 C3 陶瓷电容10nF R5 电阻10K欧姆 C4 铝电解电容470uF R6 电阻10K欧姆 C5 陶瓷电容100nF R7 电阻15K欧姆 C6 陶瓷电容10nF R8 电阻10K欧姆 C7 陶瓷电容10nF R9 电阻470欧姆 C8 陶瓷电容10nF R10 电阻4.7K欧姆 C9 陶瓷电容1nF R11 电阻20K欧姆 C10 陶瓷电容150nF R12 电阻4.7K欧姆 C11 陶瓷电容10nF R13 电阻22K欧姆 Q1 PNP三极管2SC1623 R14 电阻20K欧姆 Q2 PNP三极管2SC1623 R15 电阻20K欧姆 Q3 NPN三极管2SA1162 R16 电阻1K欧姆 U1 比较器LM2903 R17 电阻1M欧姆 U2 放大器OP292 R18 电阻1K欧姆 ZD1 7V稳压管 R19 电阻100欧姆 T1 1∶40升压变压器

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