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基于DSP和模糊邏輯技術的超聲波干擾探測器US0012
摘要：US0012是一種基于數字信號處理器和模糊邏輯技術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、便于安裝等優點，可廣泛用于車輛內部的安全系統。文中介紹了US0012的主要特點和功能原理，給出了US0012的典型應用電路及其連接方法。關鍵詞：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）內含超聲波發送與接收電路、模擬信號處理器、數字信號處理器（ＤＳＰ）、基于模糊邏輯技術（Ｆｕｚｚｙ－Ｌｏｇｉｃ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，簡稱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。(范文先生網www.ycxgx.cn收集整理)
（２）對環境溫度等自然條件具有自適應（Ｓｅｌｆ－ａｄａｐｔｉｖｅ）能力，在探測車輛內部干擾時，不需要進行任何調整。此外，該芯片還具有自檢及上電復位功能，ＵＳ００１２器件在出廠時已將超聲波探測標準固化到芯片中。
（３）能設定時鐘頻率，芯片可以配４０ｋＨｚ或４００ｋＨｚ的時鐘頻率。芯片能自動調整靈敏度，也可以由用戶設定靈敏度，以適應不同干擾及干擾變化，從而消除因環境溫度變化、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（可驅動發光二極管報警）、主報警輸出和輔助報警輸出。能自動區分弱干擾、強干擾、阻斷（因超聲波傳感器引線開路而導致信號被阻斷）、飽和（因回波信號過強而使接收器進入飽和狀態），并發出相應的報警信號。
（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，應先將ＡＵＤＤ與ＵＤＤ、ＡＧＮＤ與ＧＮＤ分開布線，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，應將ＯＳＣＯＵＴ端懸空；
圖2
ＣＡＰ：包絡線探測器輸出端，該端在設計時應接一個外部電容。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：發光二極管報警驅動端；
ＳＥＮＳ１、ＳＥＮＳ０：靈敏度設定端，可用來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，自動調整靈敏度；ＳＡＳ為０時，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，上電時即將芯片復位，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部電路框圖如圖２所示。該器件內部包括時鐘振蕩器、調制器／驅動器、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、包絡線探測器、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，先將ＴＸ１、ＴＸ２端輸出的４０ｋＨｚ短脈沖串通過發送器發射出去，當接收器接收到車輛內部的回波后，系統便將該脈沖串送至超聲波干擾探測器進行模擬信號調理，然后通過Ａ／Ｄ轉換器轉換成數字信號送給ＤＳＰ進行數字信號處理，最后經過基于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采用推挽輸出驅動方式，它能在０．６ｍｓ的短時間內發出一個超聲波脈沖串，脈沖峰－峰值可達１０Ｖ，發射周期為４４．４ｍｓ。由于該脈沖的占空比很小，因此，其平均電流應非常小。實際上，只需５０μＡ的電流即可產生超聲波脈沖串。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、自動增益控制放大器和包絡線控制器。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，最后利用包絡線探測器從中提取回波信息。設計時，ＣＡＰ端需要接一只外部電容，以保持包絡線探測器的輸出偏壓。
（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、在擋風玻璃或車廂頂部形成的空氣流、穿過車窗的風）都會影響車輛內部超聲波的發射與接收，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以及參數之間的關系進行分析。為解決這一技術難題，ＵＳ００１２超聲波干擾探測器中專門固化了根據從許多測試現場采集到的實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行處理，然后用一個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。一旦發現電路出現異常情況，系統將從ＷＡＲＮ端和ＬＥＤ端分別輸出一個持續時間為４．４ｓ的低電平信號。用戶只需在ＬＥＤ端接上ＬＥＤ即可觀察到自檢結果。故障排除后，ＬＥＤ又恢復正常閃爍狀態。
（４）靈敏度調整
針對不同的干擾及車輛運行情況，用戶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 靈敏度方法設定
（５）自動調整靈敏度
自動調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。它能根據當前的環境條件自動調節接收干擾或運動靈敏度，以消除環境溫度變化、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即進入自動調整靈敏度模式。其調整過程首先從低擋靈敏度開始，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，選擇４０ｋＨｚ時鐘頻率。利用μＰ可完成下述任務：第一，給ＵＳ００１２提供４０ｋＨｚ的時鐘頻率；第二，設定ＵＳ００１２的靈敏度；第三，接收ＵＳ００１２發出的報警信號并通過控制器執行相應的動作。超聲波干擾探測器ＵＳ００１２可適配４０ｋＨｚ超聲波發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，車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，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端的引線一般應采用屏蔽線，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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