CN104040603B - 用于检测模拟信号的设备以及用于运行该设备的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于检测模拟信号、尤其用于实施周围环境检测的设备(100)，其具有：一个控制与信号分析处理单元(101)和至少一个传感器(102)，其具有用于检测接收信号的信号拾取单元(104)并且具有用于放大所述接收信号的放大器(105)。所述传感器(102)通过一个或多个传输线路(103，106，107)与所述控制与信号分析处理单元(101)连接。所述放大器(105)在其增益方面是可变化的并且所述设备构造用于实施借助所述放大器(105)放大的接收信号通过相同的传输线路(103)的传输，通过所述相同的传输线路也同时传输用于调节所述增益的信息和/或所述传感器(102)的馈给电压。此外，提供一种用于运行根据本发明的设备(100)的方法以及一种具有根据本发明的设备的运动辅助装置。

Description

用于检测模拟信号的设备以及用于运行该设备的方法

技术领域

本发明涉及一种用于检测模拟信号、尤其用于实施周围环境检测的设备，所述设备包括一个控制与信号分析处理单元、至少一个传感器，所述至少一个传感器具有用于检测接收信号的信号拾取单元以及具有用于放大接收信号的放大器，其中传感器通过一个或多个传输线路与控制与信号分析处理单元连接。此外，本发明涉及一种用于运行根据本发明的设备的方法以及一种具有根据本发明的设备的运动辅助装置。

背景技术

现在，为了车辆的声学周围环境检测，通常使用超声范围内的系统、优选脉冲式测量的系统。在此，典型地每10毫秒至300毫秒通过电声转换器发射约50千赫兹的声脉冲。由进行发射的与未进行发射的转换器的脉冲传播时间推断出空间中的物体间距。

由于其功能方式，用于声学周围环境监视的传感器必须与车辆的外壳上的介质“空气”连接。对此，所述传感器或者设置在车辆外壳上或者隐藏地设置在车辆外壳附近。所述设置经常导致与车辆设计者的设计想象的冲突。因此，通常使用分离技术(Split-Technologie)，其中将组件仅仅部分地施加在车辆外壳中或上，或者但减小组件的数量和/或大小。因此，声电转换器可以施加在车辆外壳中/上，其中一个或多个控制与处理单元控制这样的在结构上/在空间上远程的传感器中的多个并且处理其接收信号。

可选择地，传感器可以仅仅发射或仅仅接收声信号，或者两个特性组合成一个传感器。在DE102008044351A1中提出其不同方案。

此外，简单的策略可能在于，传感器构型为无源构件，从而所述构件能够分别借助双线线路连接到控制与处理单元上。然而，无源的构架伴随着电磁波的入射和辐射方面的高风险，从而可输出的声功率相对于借助远程的单元中的能量存储器和末级工作的方案通常变得更小。

与此相反，有源的传感器除能量传输以外也需要传输关于由传感器发射的信号形状的信息以及所接收的回波的可能性。

信号形状传输到远程的传感器的动机可以是，所述传感器为了节省成本不具有信号形状存储器，或者但必须取决于情况地发射非常不同的信号形状，a)因为所述测量方法需要或者为了个性化传感器的发射，和/或，b)因为需要技术参数(例如由于老化)的再校准。

在市场上存在具有远程的、有源地工作的超声传感器，它们虽然通过节省线缆的双线线路连接，其中然而为了传输待发射的信号形状二进制地接通和关断双线馈电线路上的电压，因此双线线路上的电压仅仅具有两个状态。与其伴随的是，恰好在发射期间通过接通和关断决定地仅仅时间的约一半电流可以流至远程的传感器。

另一方面，很多有源的、声学发送的、远程的、具有多于两个线路的传感器与控制与处理单元连接。例如，两个线路用于能量馈给，第三线路用于信号形状至远程的传感器的传输、第四线路用于接收信号从远程的传感器至控制与处理单元的传输。这样的传感器例如在http://www.noliac.com/Ultrasonic_transducers-8149.aspx中示出。

在WO2010/076061A1中描述了一种具有远程的传感器的架构，在所述传感器中可以根据回波信号的相应测量的传播时间可变地调节增益因数，根据所述增益因数放大由传感器接收的回波信号。因此，可以补偿由回波传播时间造成的回波强度损失。所述系统尤其适于周围环境检测，其中使用多个远程的传感器，这些传感器例如施加在机动车的车身的不同位置处。

取决于传播时间的增益的原理不仅可用于超声系统而且根据应用也可用于例如借助电磁波工作的其他技术。因此，WO02/16958A2描述了一种传感器系统，所述传感器系统不仅可应用于超声定位而且可应用于雷达定位。

发明内容

应提供一种用于具有至少一个有源地工作的、远程的传感器的构架的解决方案，其可以尽可能地节省线缆地实现，即具有例如仅仅通过双线线路连接的传感器，其中借助放大器放大的至少一个远程的传感器的接收信息应可尽可能没干扰的传输到信号处理单元。

发明内容

实现一种用于检测模拟信号、尤其用于实施周围环境检测的设备，所述设备具有至少一个控制与信号分析处理单元、至少一个传感器，所述至少一个传感器具有用于检测接收信号的信号拾取单元以及具有在其增益方面可变化的用于放大接收信号的放大器。所述传感器通过一个或多个传输线路与控制与信号处理单元连接。此外，根据本发明的设备构造用于通过相同的传输线路实施借助放大器放大的接收信号的传输，通过所述相同的传输线路与此同时地传输用于调节增益的信息和/或传感器的馈给电压。

此外，公开一种用于运行根据本发明的设备的所属的有利的方法，其中由放大器放大的信号借助传感器中的高通滤波器和加法器施加到传输线路上并且在控制与信号分析处理单元中借助高通滤波器耦合输出，并且用于增益调节的信息在控制与信号分析处理单元中借助低通滤波器和加法器施加到传输线路中并且在所述至少一个传感器中通过低通滤波器耦合输出。

因此，根据本发明有利地，可以在远程的传感器或者传感器头与所属的控制与信号分析处理单元之间实施同时节省导线且无干扰的传输。更确切地说，这尤其通过具有可调节增益的设置在传感器中的放大器的根据本发明的组合与传输线路的不仅对于以可变化增益放大的接收信号的传输而且对于馈给电压和/或用于调节放大器的增益的信息的传输的同时可用性。通过放大器可以以可变化增益来放大接收信号，系统相对于模拟数据总线上的噪声信号耦合是特别稳健的，因为至控制与信号分析处理单元的传输信号的振幅可以在很大程度上保持在确定的水平上或者确定的数量级内，其方式例如是，更强地放大弱的接收信号而更弱地放大强的接收信号。馈给线路用于模拟的数据总线，和/或，有利地使用双向总线、优选模拟的总线，其在同一线路上不仅传输接收信号而且传输放大器调节信号。此外有利的是，可以实施具有快速的响应时间和干扰因素的相应减小的控制和读取，这尤其通过根据本发明可同时实施的传输实现。

由从属权利要求和随后的描述得到本发明的有利实施方式和扩展方案。

优选地，传感器应通过双线线路连接，通过所述双线线路不仅传输电能而且传输增益调节信息而且传输在远程的传感器中借助可调节的放大器放大的回波信息。虽然本发明可优选应用于与双线线路连接的传感器头，但本发明也能够有利地应用于以下系统：在所述系统中除双向的模拟的线路以外使用单独的馈电线路。

根据第一有利实施方式，传感器具有一个与放大器耦合的第一高通滤波器和一个加法器，其中控制与信号分析处理单元具有与信号分析处理装置耦合的第二高通滤波器。

根据可以有利地与第一有利实施方式组合的另一有利实施方式，控制与信号分析处理单元还具有一个与增益控制装置耦合的第一低通滤波器和一个加法器，并且传感器具有与放大器的输入端耦合的第二低通滤波器。

在所述实施方式中，增益信息如此缓慢地变化，使得通过滤波——尤其高通和低通可以将所述增益信息与接收信号轻松分离。因此，控制与信号处理单元有利地可以通过特别简单的方式通过传输线路来调节可调节的增益。

此外，通过以下方式得到本发明的另一特别有利的扩展方案：如此控制增益的调节，使得取决于回波信号的传播时间地放大接收信号，由此所述设备由于系统的较小的、需要的振幅分辨率相对于干扰是特别稳健的。

优选地，控制与信号分析处理单元具有增益控制装置和信号分析处理装置以及用于响应于信号分析处理装置的输出信号来控制增益控制装置的调节装置。

根据本发明的一种实施方式，传感器具有可控制的电流源，借助所述电流源可以将以可变增益通过放大器放大的接收信号作为电流信号耦合输入传输线路中。替代地或附加地，传感器也可以具有可控制的电压源，借助所述电压源可以将以可变增益通过放大器放大的接收信号作为电压信号耦合输入传输线路中。

根据再另一种实施方式，控制与信号分析处理单元具有可控制的电流源，借助所述电流源可以将用于在传感器中控制可调节的增益的信号作为电流信号耦合输入传输线路中。替代地或附加地，传感器也可以具有可控制的电压源，借助所述电压源可以将用于在传感器中控制可调节的增益的信号作为电压信号耦合输入传输线路中。

根据本发明的一种有利扩展方案，借助分配到传感器和控制与信号分析处理单元上的单元来生成由控制与信号分析处理单元耦合输入传输线路中的用于控制可调节的增益的信号。

在此优选地，分配到传感器和控制与信号分析处理单元上的单元例如具有设置在控制与信号分析处理单元中的可调节的电阻和/或可控制的电压源以及设置在传感器中的电容器，从而所述设备有利地构造用于通过选择电阻值或者其时间变化过程R(t)和/或通过在控制与信号分析处理单元中预给定电压或者电压变化过程U(t)以及通过设置在传感器中的电容器来生成用于控制可调节的增益的信号。

尤其在所述实施方式中显而易见的是，通过所描述的根据本发明的装置如何使传感器变得简单。根据本发明，包含在模拟信号中的信息除大多不希望的并且已经在传感器中通过取决于传播时间的增益去除的取决于传播时间的衰减以外保持不变。

尤其有利地，可以与用于至远程的传感器的信号形状传输的方法相组合地运行本发明，例如在传输可变的信号形状时，如其可能出现在自动回放协议(Auto-Replay-Protokoll)中。

然而，根据一种实施方式，传感器也可以具有用于存储可调节的增益的时间变化过程的存储器。在所述实施方式中，如此运行所述设备，使得控制脉冲通过传输线路传输给传感器以根据存储在传感器中的时间变化过程开始可调节的增益的过程。

优选地，在根据本发明的方法中可以跳跃地改变可调节的增益，例如根据V＝1/32；1；32；256；等。

根据本发明的一种扩展方案，在传感器中实施振幅数字化和/或频率分析和/或周期分析，并且通过准模拟的方式通过具有连接线路的双向模拟通道将由此得到的数据传输到控制与信号分析处理单元。

总之，根据本发明的方案可以应用于多种类型的传感器技术，例如借助超声的周围环境检测。

因此，在本发明的另一种扩展方案中，所述设备具有根据本发明的信号与控制单元中的一个或多个，其分别与根据本发明的传感器中的多个连接，其中所述传感器具有用于实施在传感器中探测到的接收信号至信号与控制单元的准模拟传输的装置。所述扩展方案例如特别有利地适于与取决于回波信号传播时间的增益组合。

通过远程的传感器星形连接到控制与信号处理单元上(例如当本发明应用于车辆时)，有利地在在此实现的直流电压传输中否则通常的电势差不重要。传感器与车辆的底盘电绝缘。

本发明不限于超声转换器，而是也可以借助以下传感器系统使用本发明：所述传感器系统例如借助声学的、可听到的声工作。此外，本发明在此可以有利地用于回波脉冲检测系统。但是，本发明例如也可以用于具有可调节的增益的麦克风以及那些用于音乐记录的麦克风的领域。本发明也不限于声学领域。因此，根据本发明的传感器也可以是雷达，或者借助光学介质工作，其方式是，例如所传输的信号形状引起所发射的光的亮度调制和/或所发射的光的波长的调制。

附图说明

根据附图和随后的描述进一步阐述本发明的实施方式。附图示出：

图1：根据本发明的第一实施方式的具有远程的传感器和控制与信号分析处理单元的电路构架的框图，所述传感器与所述控制与信号分析处理单元通过传输导线相互连接；

图2：根据本发明的第二实施方式的具有远程的传感器和控制与信号分析处理单元的电路构架的框图，所述传感器和所述控制与信号分析处理单元通过传输线路相互连接；

图3：根据本发明的第三实施方式的电路的电路图，其中通过传输线路作为低频的电压信号传输用于调节增益的信息而作为高频的电流信号传输远程的传感器的接收信号。

具体实施方式

在以下详尽的描述中，相同或者类似的组件具有相同的参考标记。以下根据图1阐述本发明所基于的基本原理。根据在图1中示出的框图，电路构架100具有传感器102以及控制与信号处理单元101。传感器102实施为远程的传感器，从而对于周围环境检测所需的组件部分地转移到控制与信号拾取单元101中。传感器102具有信号拾取单元104。在此，根据在图1中示出的实施方式的一种变型方案设置有用于检测超声的传感器102，其中信号拾取单元104具有压电膜片。由信号拾取单元104接收的接收信号借助设置在传感器102中的可变增益的放大器105放大并且通过共同的传输线路103传输到控制与信号处理单元101。如在图1中说明的那样，传输线路103在所述实施方式中实施为具有两个线106、107的双线线路，其中线106用于传输经放大的接收信号。在本申请中，当没有明确指出线路具有多个(例如两个)相互分开的线时，根据上下文也同义地使用概念“线路”和“线”。本领域技术人员容易知道，本发明不限于双线线路。

为了通过传输线路103传输借助信号拾取单元104检测的接收信号，在传感器102中首先调制接收信号，即作为更高频率的信号调制到共同的传输线路103上。在根据图1的实施方式中，传感器102为此具有高通109以及第一加法器110。在控制与信号拾取单元101中，则由信号分析处理装置108分析处理所述更高频率的信号，其中根据所述优选实施方式在所述信号分析处理装置108前面连接有高通111。在此指出在图1中表示传输方向的说明箭头。如在图1中还示出的那样，高通元件用于以朝向控制与信号分析处理单元101中的信号分析处理装置108的方向传递传感器102的接收信号。

在相反方向上，由控制与信号分析处理单元101将设置在传感器102中的放大器105的可变增益调节到所期望的水平上。这优选借助相比于接收信号低频率的信号来实现。为此，在控制与信号分析处理单元101中增益控制装置112向第二加法器114输出在可选择的低通113中滤波的信号。在远程的传感器102中，所述信号经由第一加法器110并且借助低通滤波器115滤波并且传输给放大器105。此外，根据第一实施方式的一种变型方案，在控制与信号分析处理单元101中设置有调节装置116，借助所述调节装置为了补偿通过物体距离和信号传播时间引起的接收信号减弱通过用作调节量的放大器调节来调节经放大的接收信号的强度。

图2示出本发明的第二优选实施方式，其中在此相比于图1例如通过更具体的方式阐述本发明的工作方式。在增益方面可调节的放大器105借助与传输线路103连接的可调节的电流源201将所述接收信号高频率地传输到控制与信号处理单元101之前，首先使借助信号拾取单元104拾取的接收信号经受高通滤波109。根据本发明的所述实施方式的一种变型方案，为此所使用的传输线路103也是传感器102的馈电线路。但是本发明不限于传输线路的这种分配，而必要时根据应用情况相应地匹配。在图2中也示出传输线路的连接端204。此外，接收信号可以在控制与信号处理单元中经由高通滤波器111滤波并且随后提馈给信号分析处理装置108。此外，控制与信号处理单元101具有电压源203和电阻202，从而可以根据在此示出的示例性的解决方案由控制与信号处理单元101通过经由电阻202耦合输入传输线路103中的电压的变化和/或通过电阻202的变化来影响远程的传感器102中的放大器105的增益。

优选地，为此目的，在远程的传感器102中借助低通115对用于增益调节的缓慢变化的信号进行滤波。控制与信号处理单元101中的低通113尤其用于控制由增益控制装置112调节的电压。

图3示出根据本发明的第三实施方式的更具体说明的解决方案。虽然在在此示出的电路图300中没有明确示出信号拾取单元104和放大器105之间的高通滤波，但是在电路实际中所述高通滤波是常用的。在传感器102中的晶体管301的基极上施加以可变化的增益放大的电压信号。位于晶体管301的射极回路302中的电阻303确定经由电容器304耦合输入传输线路103中的更高频率的电流。

通过集电极电阻305确定晶体管301的直流电压工作点。此外，晶体管301的集电极回路309具有二极管310以及与地耦合的电容器311，借助所述电容器确保传感器102的电压馈给。集电极电阻305比电容器304的高频率的内阻大得多以及比控制与信号处理单元101的高频率的内阻317大得多。在控制与信号处理单元101中，当基本上通过示出的可调节的电阻R(t)确定控制与信号处理单元101的高频率的内阻317时，借助电容器306耦合输出或者作为电压信号监听所述更高频率的电流。在图3中示出的实施方式中，可调节的电压源与晶体管312的基极连接，所述晶体管通过其集电极连接端313被馈给运行电压UB。

根据图3，电压源203构造为可调节的电压源。通过U(t)的时间变化过程并且可选择地通过R(t)的时间变化过程决定性地经由传输线路103确定：用于增益调节的位于传感器102中的电解电容器307上的电压的时间变化过程如何发展，在所述电解电容器前面连接有线圈315。例如，在应用本发明时，电压在回波循环的放大的开始时是低的。然而，优选通过电压U(t)的跳跃增大，电解电容器307上的电压升高。此外，通过电阻308和电容器314确定所述升高。在控制与信号处理单元101中，电压的变化过程可以在馈电线路103上由放大器控制装置112量取。因此，可以容易地实现增益变化过程的调节。当现在电容器307上的确定增益的电压没有如所期望的那样变化或者确定调节偏差时，或者可以直接在运行的回波循环中或者最迟在随后的回波循环中通过U(t)和/或R(t)的相应变化影响确定增益的电压的变化过程。

本领域技术人员知道，本发明不限于在本申请中所讨论的实施方式和扩展方案并且不限于在此明确描述的组合。更确切地说，本领域技术人员根据应用情况修改并且适当地组合本发明，而在此不偏离独立权利要求的保护范围。

在此，除本发明的文字公开内容以外，明确地参阅图1至3中的图形示图。

Claims (17)

1.一种用于检测模拟信号以实施周围环境检测的设备(100)，其具有：

一个控制与信号分析处理单元(101)；

至少一个传感器(102)，其具有用于检测接收信号的信号拾取单元(104)，其中，所述传感器(102)通过一个或多个传输线路(103，106，107)与所述控制与信号分析处理单元(101)连接，所述一个传输线路或所述多个传输线路之一构造用于所述信号的同时双向传输，

其特征在于，

所述设备具有用于放大所述接收信号的、在其增益方面是可变化的放大器(105)，并且所述设备构造用于实施借助所述放大器(105)放大的接收信号通过相同的传输线路(103)的传输，通过所述相同的传输线路也同时传输用于调节所述增益的信息，其中，为了传输借助于所述放大器(105)放大的接收信号，所述传感器(102)具有与所述放大器(105)耦合的第一高通滤波器(109)和加法器(110)，其中，所述控制与信号分析处理单元具有与信号分析处理装置(108)耦合的第二高通滤波器(111)，其中，为了传输用于调节所述增益的信息，所述控制与信号分析处理单元(101)具有与所述控制与信号分析处理单元(101)的增益控制装置(112)耦合的第一低通滤波器(113)和加法器(114)，其中，所述传感器(102)具有与所述放大器(105)的输入端耦合的第二低通滤波器。

2.根据权利要求1所述的设备(100)，其中，所述设备构造用于通过相同的传输线路(103)实施所述传感器(102)的馈给电压的传输，通过所述相同的传输线路同时传输借助所述放大器(105)放大的接收信号以及用于调节所述增益的信息。

3.根据权利要求1或2所述的设备(100)，其还构造用于如此控制所述增益的调节，使得取决于回波信号的传播时间地放大所述接收信号。

4.根据权利要求1或2所述的设备(100)，其中，所述控制与信号分析处理单元除所述增益控制装置(112)和所述信号分析处理装置(108)以外还具有用于响应于所述信号分析处理装置(108)的输出信号来控制所述增益控制装置(112)的调节装置(116)。

5.根据权利要求1或2所述的设备(100)，其特征在于，所述传感器(102)具有可控制的电流源(201)，借助所述电流源能够将以可变增益通过所述放大器(105)放大的接收信号作为电流信号耦合输入所述传输线路(103)中，或者，所述传感器(102)具有可控制的电压源，借助所述电压源能够将以可变增益通过所述放大器(105)放大的接收信号作为电压信号耦合输入所述传输线路(103)中。

6.根据权利要求1或2所述的设备(100)，其特征在于，所述控制与信号分析处理单元(101)具有可控制的电流源，借助所述电流源能够将用于在所述传感器(102)中控制所述可调节的增益的信号作为电流信号耦合输入所述传输线路(103)中，或者，所述控制与信号处理单元(101)具有可控制的电压源(203)，借助所述电压源能够将用于在所述传感器(102)中控制所述可调节的增益的信号作为电压信号耦合输入所述传输线路(103)中。

7.根据权利要求1或2所述的设备(100)，其中，借助分配到所述传感器(102)和控制与信号分析处理单元(101)上的单元来生成由所述控制与信号分析处理单元(101)耦合输入所述传输线路(103)中的用于控制所述可调节的增益的信号。

8.根据权利要求7所述的设备，其中，所述分配到所述传感器(102)和所述控制与信号分析处理单元(101)上的单元具有设置在所述控制与信号分析处理单元(101)中的可调节的电阻(202)和/或可控制的电流源(203)以及设置在所述传感器(102)中的电容器(307)，从而所述设备构造用于通过选择电阻值或者其时间变化过程R(t)和/或通过在所述控制与信号分析处理单元(101)中预给定电压或者电压变化过程U(t)以及通过所述传感器(102)中的电容器(307)来生成用于控制所述可调节的增益的信号。

9.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述传感器(102)具有用于在所述传感器(102)中存储所述可调节的增益的时间变化过程的存储器。

10.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述传感器(102)具有超声转换器。

11.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述信号与控制单元(101)中的一个或多个分别与根据以上权利要求中任一项所述的多个传感器(102)连接，并且所述多个传感器(102)中的至少一个具有用于实施在所述传感器(102)中探测到的接收信号至所述控制与信号分析处理单元(101)的准模拟传输的装置。

12.一种用于运行根据以上权利要求中任一项所述的设备的方法，其特征在于，由所述放大器(105)放大的信号借助所述传感器(102)中的高通(109)和加法器(110)施加到所述传输线路(103)上并且在所述控制与信号分析处理单元(101)中借助高通(111)耦合输出，所述用于增益调节的信息在所述控制与信号分析处理单元(101)中借助低通(113)和加法器(114)施加到所述传输线路(103)中并且在所述至少一个传感器(102)中通过低通滤波器(113)耦合输出。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，通过所述传输线路(103)向所述传感器(102)传输控制脉冲，以根据在所述传感器(102)中存储的时间变化过程来开始所述可调节的增益的过程。

14.根据权利要求12或13所述的方法，其中，跳跃地改变所述可调节的增益。

15.根据权利要求12或13所述的方法，其中，在所述传感器(102)中实施振幅数字化和/或频率分析和/或周期分析，并且通过准模拟的方式通过具有所述连接线路(103)的双向模拟通道将由此得到的数据传输到所述控制与信号分析处理单元。

16.一种运动辅助装置，其装配有根据权利要求1至11中任一项所述的设备。

17.根据权利要求16所述的运动辅助装置，其中，所述运动辅助装置是机动车。