CN111025303A - 一种车载嵌入式超声波传感器系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车载嵌入式超声波传感器系统，包括与处理器连接的电压监测电路、发波电路、通道选择电路、多个回波处理电路和串口通信电路，发波电路的另一端连接多路传感器信号，多路传感器信号还连接通道选择电路，通道选择电路的另一端连接多个回波处理电路；处理器用于发出超声波传感器的PWM驱动信号，对超声波传感器的回波信号采样，运算处理，控制通道选择以及与外部设备通信进行数据交换；电压监测电路用于实时监测系统的电源电压；发波电路，用于驱动超声波传感器；通道选择电路由处理器控制选通，对多个传感器进行同时驱动和回波信号的同时接收。具有体积小型化、成本低、功耗低，系统稳定性高等特点，便于在其它车载系统中集成。

Description

一种车载嵌入式超声波传感器系统

技术领域

本发明涉及超声波装置技术领域，具体地涉及一种车载嵌入式超声波传感器系统。

背景技术

随着社会的不断发展，汽车的数量日益增多，汽车的智能化程度越来越高。目前，车载系统获得的障碍物数据信息主要来自毫米波装置、激光装置、红外装置、机器视觉设备、超声波装置等。其中，相比于其他方法，超声波凭借穿透力强、衰减小、反射能力强，对光照、色彩、电磁场不敏感、不易受恶劣天气影响、测距原理简单、测距精度高、成本低等特点，其在车载系统中的应用范围也不断扩大。同时随着车载系统的集成度越来越高，高级驾驶辅助系统（ADAS）市场对车载专用的便于集成的嵌入式信息采集系统的需求也越来越多。

但是目前的超声波装置大都存在体积较大，功耗高，系统稳定性差等缺点，而且不便于集成在其它的车载系统中。本发明因此而来。

发明内容

为了解决上述存在的技术问题，本发明提供了一种车载嵌入式超声波传感器系统，具有障碍物距离探测和信息处理的功能，同时具有体积小型化、成本低、功耗低，系统稳定性高等特点，便于在其它车载系统中集成。

本发明的技术方案是：

一种车载嵌入式超声波传感器系统，包括处理器，所述处理器连接电压监测电路、发波电路、通道选择电路、多个回波处理电路和串口通信电路，所述发波电路的另一端连接多路传感器信号，所述多路传感器信号还连接通道选择电路，所述通道选择电路的另一端连接多个回波处理电路；

所述处理器，用于发出超声波传感器的PWM驱动信号，对超声波传感器的回波信号采样，运算处理，控制通道选择以及与外部设备通信进行数据交换；

所述电压监测电路，用于实时监测系统的电源电压；

所述发波电路，用于驱动超声波传感器；

所述通道选择电路，由处理器控制选通，对多个传感器进行同时驱动和回波信号的同时接收；

回波处理电路，对超声波传感器的回波信号进行滤波、放大以及采样保持；

串口通信电路，用于进行数据交换。

优选的技术方案中，所述多路传感器信号还连接传感器电源控制电路，用于控制传感器供电电源。

优选的技术方案中，所述传感器电源控制电路包括一PNP型三极管和一P沟道的MOS管，电源从MOS管的源极输入，传感器的供电电源接MOS管的漏极；其中PNP型三极管的集电极分别通过两个电阻与MOS管的栅极和源极相连，PNP型三极管的基极与处理器相连，通过处理器的控制端口输出高低电平控制传感器电源的导通和关断。

优选的技术方案中，每一路传感器的发波电路均由一个NPN型三极管的集电极通过额定功率的电阻上拉至电源，发射极接地，基极与通道选择电路相连接。

优选的技术方案中，所述通道选择电路由8选一的模拟开关芯片和8选二模拟开关芯片搭建而成，由处理器对控制芯片的使能管脚以及选通控制管脚。

优选的技术方案中，主板一端设置有双塑双排，2x10 Pin直插型排针，另一端设置有单排，6Pin排针，通过该两端的排针与外部硬件控制板进行连接。

优选的技术方案中，所述处理器的运算处理包括：

S01：对任意两路超声波传感器同时驱动和对超声波回波同时接收；

S02：处理得到回波返回时间；

S03：根据得到的回波返回时间查询预设的回波返回时间与距离对应关系的数据表获得障碍物的距离信息。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、本发明具有障碍物距离探测和信息处理的功能，同时具有体积小型化、成本低、功耗低，系统稳定性高，便于在其它车载系统中进行集成，降低了整车的硬件成本。

2、本发明可实现对任意两路超声波传感器同时驱动和对超声波回波同时接收，采用特有的算法进行信息处理，在车辆移动的状态下对静止障碍物或车辆静止状态下对移动障碍物进行有效的探测。车辆与障碍物的相对速度达到25km/h时，探测率可达98%。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明车载嵌入式超声波传感器系统的电路原理框图；

图2为本发明车载嵌入式超声波传感器系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

实施例1：

下面结合附图，对本发明的较佳实施例作进一步说明。

如图1所示，本发明的一种车载嵌入式超声波传感器系统，包含中央处理器、时钟电路、看门狗及电压监测电路、发波电路、通道选择电路、回波处理电路、传感器供电电源控制电路，串口通信电路等。处理器连接电压监测电路、发波电路、通道选择电路、多个回波处理电路和串口通信电路，发波电路的另一端连接多路传感器信号，多路传感器信号还连接通道选择电路，通道选择电路的另一端连接多个回波处理电路；多路传感器信号还连接传感器电源控制电路，用于控制传感器供电电源。

处理器：采用符合AEC-Q100认证要求的MCU，负责超声波传感器的PWM驱动信号发出、超声波传感器的回波信号采样、运算处理、通道选择控制以及与外部通信进行数据交换。

时钟电路：采用内置电容的陶瓷谐振器为中央处理器提供时钟信号。

看门狗及电压监测电路：一方面通过MCU以固定的时间间隔对看门狗芯片进行“喂狗”，一旦系统死机或软件跑飞，看门狗会及时复位系统。另一方面，该看门狗电路可实时对系统的电源电压进行监测，一旦系统的电源电压低于设定的阈值电压，看门狗也会及时复位系统。从而可提高系统的稳定性和可靠性。

发波电路：每一路传感器发波电路均由一个NPN型三极管的集电极通过额定功率为0.1W的电阻上拉至12V电源，发射极接地，基极与通道选择电路相连接。以达到对超声波传感器进行有效驱动的目的。该发波电路最多可接入8路超声波传感器。

通道选择电路：该电路主要由VSSOP封装的8选一的模拟开关芯片和8选二模拟开关芯片搭建而成，通过MCU对该芯片的使能管脚以及选通控制管脚的控制，实现对任意两个传感器进行同时驱动和回波信号的同时接收的功能。

回波处理电路：该电路由运算放大器搭建的低通滤波器（LPF）、带通滤波器(BPF)以及采样保持电路构成的，以实现对超声波传感器的回波信号进行滤波、放大以及采样保持的功能。

传感器供电电源控制电路：此电路主要由一个PNP型三极管和一个大功率P沟道的MOS管构成，电源从MOS管的源极输入，传感器的供电电源接MOS管的漏极；其中PNP型三极管的集电极分别通过两个电阻与MOS管的栅极和源极相连，PNP型三极管的基极与MCU相连，通过MCU的控制端口输出高低电平控制传感器电源的导通和关断。

串口通信电路：该电路由MCU的UART端口直接输出，可直接与外部具有TTL串口通信接口的设备进行数据交换。

可支持8路超声波传感器中的任意两路超声波传感器同时发波和收波。

采用一套特有的软件算法，获取障碍物的距离信息，处理器的运算处理包括：

S01：对任意两路超声波传感器同时驱动和对超声波回波同时接收；

S02：处理得到回波返回时间；

S03：根据得到的回波返回时间查询预设的回波返回时间与距离对应关系的数据表获得障碍物的距离信息。

通过查询回波返回时间与距离具有对应关系的数据表获得的，而不是通过公式运算获得的，查表比公式运算时效更高。同时数据表是通过温度和湿度补偿修正后的距离，精准度更高。另一方面，针对同一个超声波传感器，两路超声波传感器同时发波和收波，比8路传感器依次轮流发波和收波，时间方面可节省一半，从而达到了对移动障碍物的探测响应更迅速的目的。

车辆障碍物预警功能：根据障碍物距离的远近及运动情况，通过通信接口发送出预警信息。

如图2所示，本嵌入式系统尺寸（长x宽）设计为：40x55mm。本嵌入式系统的主板30，主板30上集成有上述多种电路，主板30一端采用2.0mm间距，针长11mm，双塑双排，2x10 Pin直插型排针10；另一端采用2.0mm间距，针长7.5mm，塑高1.0mm的单排，6Pin排针20；通过该两端的排针与其它需要嵌入本系统的车载系统的硬件控制板进行连接。

本嵌入式系统只需外部提供12V和5V电源，同时各传感器通道接入超声波传感器即可正常工作。

探测车辆周围环境信息，包括：是否有障碍物，若有，发出该障碍物检的距离、位置、大致轮廓、坐标等信息。

通信接口灵活，可扩展支持TTL串口通信、RS485通信、CAN通信。通过特定的通信协议发送各超声波传感器探测障碍物的距离、位置和预警信息。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落出所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (7)

1.一种车载嵌入式超声波传感器系统，其特征在于，包括处理器，所述处理器连接电压监测电路、发波电路、通道选择电路、多个回波处理电路和串口通信电路，所述发波电路的另一端连接多路传感器信号，所述多路传感器信号还连接通道选择电路，所述通道选择电路的另一端连接多个回波处理电路；

所述处理器，用于发出超声波传感器的PWM驱动信号，对超声波传感器的回波信号采样，运算处理，控制通道选择以及与外部设备通信进行数据交换；

所述电压监测电路，用于实时监测系统的电源电压；

所述发波电路，用于驱动超声波传感器；

所述通道选择电路，由处理器控制选通，对多个传感器进行同时驱动和回波信号的同时接收；

回波处理电路，对超声波传感器的回波信号进行滤波、放大以及采样保持；

串口通信电路，用于进行数据交换。

2.根据权利要求1所述的车载嵌入式超声波传感器系统，其特征在于，所述多路传感器信号还连接传感器电源控制电路，用于控制传感器供电电源。

3.根据权利要求2所述的车载嵌入式超声波传感器系统，其特征在于，所述传感器电源控制电路包括一PNP型三极管和一P沟道的MOS管，电源从MOS管的源极输入，传感器的供电电源接MOS管的漏极；其中PNP型三极管的集电极分别通过两个电阻与MOS管的栅极和源极相连，PNP型三极管的基极与处理器相连，通过处理器的控制端口输出高低电平控制传感器电源的导通和关断。

4.根据权利要求1所述的车载嵌入式超声波传感器系统，其特征在于，每一路传感器的发波电路均由一个NPN型三极管的集电极通过额定功率的电阻上拉至电源，发射极接地，基极与通道选择电路相连接。

5.根据权利要求1所述的车载嵌入式超声波传感器系统，其特征在于，所述通道选择电路由8选一的模拟开关芯片和8选二模拟开关芯片搭建而成，由处理器对控制芯片的使能管脚以及选通控制管脚。

6.根据权利要求1所述的车载嵌入式超声波传感器系统，其特征在于，主板一端设置有双塑双排，2x10 Pin直插型排针，另一端设置有单排，6Pin排针，通过该两端的排针与外部硬件控制板进行连接。

7.根据权利要求1所述的车载嵌入式超声波传感器系统，其特征在于，所述处理器的运算处理包括：

S01：对任意两路超声波传感器同时驱动和对超声波回波同时接收；

S02：处理得到回波返回时间；

S03：根据得到的回波返回时间查询预设的回波返回时间与距离对应关系的数据表获得障碍物的距离信息。

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