CN111474548A - 噪声引起的超声波传感器盲区的检测 - Google Patents

噪声引起的超声波传感器盲区的检测 Download PDF

Info

Publication number
CN111474548A
CN111474548A CN202010050009.9A CN202010050009A CN111474548A CN 111474548 A CN111474548 A CN 111474548A CN 202010050009 A CN202010050009 A CN 202010050009A CN 111474548 A CN111474548 A CN 111474548A
Authority
CN
China
Prior art keywords
envelope
response
interval
controller
sensor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202010050009.9A
Other languages
English (en)
Inventor
M·赫斯塔瓦
T·萨奇
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Semiconductor Components Industries LLC
Original Assignee
Semiconductor Components Industries LLC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Semiconductor Components Industries LLC filed Critical Semiconductor Components Industries LLC
Publication of CN111474548A publication Critical patent/CN111474548A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/52—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S15/00
    • G01S7/52004—Means for monitoring or calibrating
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S15/00—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
    • G01S15/88—Sonar systems specially adapted for specific applications
    • G01S15/93—Sonar systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes
    • G01S15/931—Sonar systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes of land vehicles
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S15/00—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
    • G01S15/02—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems using reflection of acoustic waves
    • G01S15/06—Systems determining the position data of a target
    • G01S15/08—Systems for measuring distance only
    • G01S15/10—Systems for measuring distance only using transmission of interrupted, pulse-modulated waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/52—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S15/00
    • G01S7/523—Details of pulse systems
    • G01S7/524—Transmitters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/52—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S15/00
    • G01S7/523—Details of pulse systems
    • G01S7/526—Receivers
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/52—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S15/00
    • G01S7/52004—Means for monitoring or calibrating
    • G01S2007/52009—Means for monitoring or calibrating of sensor obstruction, e.g. dirt- or ice-coating

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

本发明题为“噪声引起的超声波传感器盲区的检测”。压电传感器控制器可以促进对各种潜在故障状态的检测和识别，包括噪声引起的传感器的盲区。在一个示例性实施方案中，一种传感器控制器包括：发射器，该发射器在致动间隔期间驱动压电元件以产生声脉冲串；接收器，该接收器感测压电元件对每个声脉冲串的回波的响应，该接收器包括前端放大器；处理电路，该处理电路耦接到发射器和接收器，该处理电路可操作为对所述响应施加回波检测处理；以及盲区检测器，该盲区检测器在测量间隔期间或之前检测前端放大器的饱和。

Description

噪声引起的超声波传感器盲区的检测
技术领域
本公开总体上涉及传感器、传感器控制器和传感器控制方法，并且更具体地，涉及具有噪声引起的盲区检测的传感器、传感器控制器和传感器控制方法。
背景技术
现代汽车装配有大量种类繁多的传感器。例如，现在汽车通常都配备有超声波传感器的阵列，以监测汽车与任何附近人员、宠物、车辆或障碍物之间的距离。由于环境“噪声”和安全问题，可要求传感器中的每个在汽车运动时每秒提供数十次测量。对于此类传感器阵列来说，重要的是可靠地执行或在其执行可疑时提醒操作者。
随着传感器数量的增加，传感器故障的发生率和正确诊断此类故障的重要性也随之增加，使得可以提醒操作者，并且如果需要，可以采取适当的动作来纠正或调节故障。示例性动作可包括：修理损坏或断开连接的换能器，清洗汽车以从传感器表面去除泥土或污垢，在换能器受到雪或雨的损害时小心谨慎，以及在传感器以其他方式正确操作时忽略瞬态噪声事件。
在发明人J.Kutej、T.Suchy、M.Hustava、P.Horsky和Z.Axman于2018年2月5日提交的标题为“基于响应的压电换能器状态的确定(Response-based determination ofpiezoelectric transducer state)”的共同拥有的美国申请15/888,543中(该申请在此通过引用以其整体并入本文)，公开了用于检测压电换能器的各种潜在故障状态并发信号通知存在任何此类检测到的故障状态的技术。然而，在前述申请中尚未认识到至少一种潜在故障状态，并且发明人不知道能够检测和报告此潜在故障状态的任何现有系统或参考。但是，这种潜在的故障状态可以使传感器无声地盲化。如果未识别并诊断出这种潜在的故障状态，则操作者将不知道传感器要检测到的潜在障碍或危险。
发明内容
因此，本文公开了具有噪声引起的盲区检测的各种传感器、传感器控制器和传感器控制方法。
根据本申请的一方面，提供了一种用于压电换能器的控制器，该控制器的特征在于包括：发射器，该发射器在致动间隔期间驱动压电元件以产生声脉冲串(burst)；接收器，该接收器感测压电元件对每个声脉冲串的回波的响应，该接收器包括前端放大器；处理电路，该处理电路耦接到发射器和接收器，该处理电路可操作为对该响应施加回波检测处理；以及盲区检测器，该盲区检测器在致动间隔之外检测前端放大器的饱和。
在一个实施方案中，用于压电换能器的控制器的特征在于，盲区检测器在每个致动间隔之前立即检测饱和。
在另一实施方案中，用于压电换能器的控制器的特征在于，盲区检测器包括：包络检测器，该包络检测器在致动间隔之外测量该响应的宽带包络；以及比较器，该比较器将宽带包络与表示前端放大器的饱和的阈值进行比较。
在另一个实施方案中，用于压电换能器的控制器的特征在于还包括：模数转换器，该模数转换器位于该前端放大器之后，该模数转换器提供数字响应信号；带通滤波器，该带通滤波器以声脉冲串的载波频率为中心以从数字响应信号产生经滤波的信号；第二包络检测器，该第二包络检测器在每个致动间隔之前的噪声测量间隔期间测量经滤波的信号的包络；以及第二比较器，该第二比较器将测得的经滤波的信号的包络与表示过多环境噪声的第二阈值进行比较。
在另一个实施方案中，用于压电换能器的控制器的特征还在于包括：I/O控制器，在噪声测量间隔期间如果盲区检测器检测到饱和并且如果第二比较器检测到过多的环境噪声，则该I/O控制器传送传感器故障。
根据本申请的另一方面，提供了一种操作基于压电的传感器的方法，该方法的特征在于包括：在致动间隔期间驱动压电换能器以产生声能脉冲串；在致动间隔之后的测量间隔期间，利用包括前端放大器的接收器获得压电换能器的响应；处理该响应以感测脉冲串的回波；以及确定该响应是否指示在测量间隔期间由于前端放大器的饱和导致的传感器的盲区。
在一个实施方案中，操作基于压电的传感器的方法的特征在于，所述确定包括采用混响检测器来发出致动间隔的结束的信号。
在另一实施方案中，操作基于压电的传感器的方法的特征在于，所述确定还包括：测量该响应的宽带包络；以及将宽带包络和表示前端放大器的饱和的阈值进行比较。
在另一实施方案中，操作基于压电的传感器的方法的特征在于，所述处理包括：通过可选的增益控制使前端滤波器的输出数字化，以获得数字响应信号；在致动间隔之前的噪声测量间隔期间测量数字响应信号的窄带包络；将窄带包络与表示过多环境噪声的阈值进行比较。
在另一实施方案中，操作基于压电的传感器的方法的特征在于，所述确定包括：测量该响应的宽带包络；以及将宽带包络测量结果传送给系统控制器以检测传感器的盲区。
附图说明
图1为装配有停车辅助传感器的示例性车辆的俯视图。
图2为示例性停车辅助系统的框图。
图3为示例性停车辅助传感器的电路示意图。
图4为关于控制器输入和输出信号的曲线图。
图5是示例性停车辅助传感器的电路示意图，其具有附加细节，使得能够检测和报告噪声引起的传感器的盲区。
图6为示例性感测方法的流程图。
应当理解，附图和对应的详细描述并不限制本公开，而是相反，为理解落在所附权利要求范围内的所有修改形式、等同形式和替代形式提供基础。
具体实施方式
本申请要求于2019年1月23日提交的美国非临时专利申请号16/254,882的优先权，该专利申请通过引用以其整体并入本文。
作为示例性使用上下文，图1示出了配备有一组超声波停车辅助传感器104的车辆102。传感器布置中的传感器的数量和配置存在变化，而且在每个保险杆上具有六个传感器并不罕见，其中，每一侧上有两个额外传感器用作每一侧上的盲点检测器。车辆可以采用该传感器布置来检测和测量到各种检测区域内的物体的距离，可能使用传感器进行单独测量以及协作(例如，三角测量、多接收器)测量。
超声波传感器为收发器，意指每个传感器可发射和接收超声波声音的脉冲串。所发射的脉冲串从车辆向外传播，直至其遇到物体或者某一其他形式的声阻抗失配并由其反射。反射脉冲串作为发射脉冲串的“回波”返回到车辆。发射脉冲串和接收到的回波之间的时间指示到反射点的距离。在许多系统中，一次只有一个传感器发射，但所有传感器均可被配置成测量所产生的回波。然而，通过使用正交波形或到非重叠检测区域的发射，可以支持多个同时发射。
图2示出了耦接至各种超声波传感器204作为星形拓扑结构中心的电子控制单元(ECU)202。当然，包括串行、并行和分层(树)拓扑结构在内的其他拓扑结构也是适合的，并且设想这些拓扑结构根据本文公开的原理使用。为了提供自动停车辅助，ECU 202可以进一步连接到一组致动器，诸如转弯信号致动器206、转向致动器208、制动致动器210和节气门致动器212。ECU 202可以进一步耦接到用户交互式界面214以接受用户输入并且提供各种测量和系统状态的显示。使用所述界面、传感器和致动器，ECU202可提供自动停车、辅助停车、车道变换辅助、障碍物和盲点检测以及其他期望的特征。
现在参考图3描述一种可能的传感器配置。(诸如DSI3、LIN和CAN标准中提供的那些的其他通信和电源技术也是适合的，并且预期根据本文公开的原理使用。)除了图3的实施方案中所示的两个电源端子(Vbat和GND)之外，每个示例性超声波传感器仅通过单条输入/输出(“I/O”或“IO”)线连接到ECU 202。当I/O线未被ECU 202或传感器控制器302主动驱动为低(“生效”状态)时，可以通过上拉电阻将其向供电电压偏压(“解除生效”状态)。通信协议被设计为在任何给定时间上均仅令两个控制器中的一者(ECU 202或传感器控制器302)使I/O线生效。
传感器控制器302包括I/O接口303，该接口在被置于隐性模式下时监测I/O线的由ECU 202引起的生效，并且在被置于显性模式下时驱动I/O线的状态。ECU通过使I/O线生效向传感器传送命令，不同命令由不同长度的生效表示。命令可包括“发送和接收”命令、“只接收”命令以及“数据模式”命令。
传感器控制器302包括核心逻辑304，该核心逻辑根据存储在非易失性存储器305中的固件和参数来操作，以解析来自ECU的命令并且进行适当操作，包括超声波脉冲串的发射和接收。为了发射超声波脉冲串，将核心逻辑304耦接到发射器306，该发射器驱动传感器控制器302上的一组发射端子。发射器端子经由变压器M1耦接到压电元件PZ。变压器M1使来自传感器控制器的电压(例如，12伏)逐步提高至用于驱动压电元件的合适电平(例如，数十伏)。压电元件PZ具有利用并联电容器C3被调谐至期望值(例如，48kHz)的谐振频率，并且具有利用并联电阻器R1调谐的谐振品质因数(Q)。调谐电容器和调谐电阻器的一个示例性目的是将并联谐振频率调谐为接近压电元件的串联谐振频率。
如本文所用，术语“压电换能器”不仅包括压电元件，而且还包括用于调谐、驱动以及感测压电元件的支持电路元件。在示例性实施方案中，这些支持元件是变压器M1、调谐电阻器和调谐电容器、以及DC隔离电容器。任选地，还可分别包括发射器306和放大器308的输出和输入电容，作为被认为是换能器的一部分的支持电路元件的寄生特性。然而，术语“压电换能器”的使用不一定需要存在任何支持电路元件，因为压电元件可在没有此类支持元件的情况下单独采用。
一对DC隔离电容器C1、C2将压电元件耦接到传感器控制器的一对接收端子以防止高电压。通过接收端子上的内部电压钳提供进一步保护。对于压电元件正在进行发射的间隔而言可能期望这样的保护。由于接收到的回波信号通常在毫伏或微伏范围内，因此低噪声放大器308(在本文中也称为“前端放大器”)放大来自接收端子的信号。经放大的接收信号可以由具有集成模数转换器(ADC)的数字信号处理器(DSP)310进行数字化和处理。
DSP 310应用可编程方法来测量在脉冲串的发射期间压电换能器的致动周期(包括随后的混响或“振铃”周期)，并且检测和测量任何接收到的脉冲串或“回波”的长度。此类方法可采用阈值比较、最小间隔、峰值检测、过零检测和计数、噪声电平确定以及为了提高可靠性和准确性而定制的其他可定制技术。DSP 310可进一步处理放大的接收信号以分析换能器的特性，诸如谐振频率和品质因数，并且可进一步检测如在下文详细提供的换能器故障状态。一些故障状态可由例如过短的致动周期(这可能是由于换能器断开连接或有缺陷，振动受到抑制等)来指示，而其他故障状态可由过长的致动周期(安装有缺陷，阻尼电阻不足等)指示。在测量循环的非发送部分期间，其他故障状态可能被过多的噪声的存在指示。
经由I/O线接收的命令触发核心逻辑304来操作发射器和接收器并且经由I/O线将测量结果提供给ECU 202，如下文进一步所述。除了可由DSP 310检测到的换能器故障状态之外，核心逻辑还可监测其他传感器错误状况，诸如在发射超声波脉冲串的同时使供电电压“欠电压”或“过电压”、发射器的热关停、硬件错误、不完整的电源接通复位等。核心逻辑304可检测并分类多个这样的换能器故障状态和错误状况，将适当的故障代码存储在内部寄存器或非易失性存储器305中。
图4提供了一些示例性信号时序，以帮助理解示例性传感器实施方案的操作，特别是关于I/O线上的通信。ECU制定信号脉冲“CMD”，其持续时间表示期望的命令。在这种情况下，持续时间为“TS”以表示“发送和接收”命令。(示例性命令脉冲持续时间可在300–1300微秒范围内。)在传感器处于非激活状态(即，不执行测量或以其他方式对来自ECU的命令作出响应)的时间400期间，I/O线为高(解除生效)。在该时间400期间，允许ECU控制I/O线。ECU通过在表示命令的持续时间内将该线有源驱动为低来使IO信号生效。存在由于I/O线上的受限转换速率引起的小传播延迟，并且去抖动间隔(“TDB”)紧随生效和解除生效之后以确保线返回到电池电压的定时是精心设计的，而不是瞬态噪声的结果。(示例性去抖动间隔可在40–80微秒范围内。)
随着去抖动间隔的流逝，传感器控制器对命令进行解码并且在取决于命令的预定间隔401中控制I/O线。对于“发送和接收”命令，传感器控制器以声脉冲串402的发射开始预定间隔401，并且保持控制直到编程的测量间隔已经过去。在讨论此测量间隔401期间I/O线的操作之前，我们考虑压电换能器的操作以及相应的经放大的接收信号RX。
压电换能器的操作在此被表示为表示压电元件的机械振荡的振动信号VIBR。(应当注意，该信号未按比例示出，因为发射的脉冲串402的幅度可比回波410大几个数量级。)在电学上，压电元件的机械振动可以被检测为电压或电流。当控制器302驱动换能器时，机械振动幅度增大(“驱动阶段”404)，而在驱动操作结束之后，机械振动幅度减小(“混响阶段”406)。控制器302可以采用主动和/或被动阻尼来减少混响阶段的持续时间。
在图3的传感器实施方案中，经由放大器308将振动检测为次级电压VX的钳位放大型式。出于说明的目的，图4中所示的RX信号是该钳位的放大的电压信号的包络，但也可采用放大的振荡信号。
传感器控制器测量在预发射周期403期间的噪声电平，该预发射周期可在ECU使I/O线生效之后开始一个去抖动间隔，并且可在发送发射脉冲串时结束。换能器针对发射脉冲串的致动使得RX信号饱和。(在至少一些实施方式中，传感器控制器的接收端子上的内部电压钳位防止过量电压到达放大器308。)发射脉冲串压倒接收器并且防止在该间隔期间获得任何有意义的回波测量。在接收信号高于阈值411(和/或符合此处不相关的其他特定于实现的要求)时，传感器控制器将I/O线驱动为低。因此，控制器在致动间隔TTX期间使IO信号生效，该致动间隔对应于其中RX信号超过阈值411的间隔412。发射脉冲串期间的这种生效使得ECU能够测量换能器的致动间隔(“TTX”)，从而使其能够验证换能器的操作。
应当注意，致动间隔412不仅包括声脉冲串生成的驱动阶段404，而且还包括声脉冲串的混响阶段406的一部分。混响振幅下降到阈值411以下所需的时间指示换能器中的损耗，因此可用作品质因数(Q)的指标。致动间隔可被直接使用，可被转换为衰减率(可能以衰减因子的形式或压电元件的等效电路表示中的串联电阻器RS的值表示)，或者可与谐振频率测量结合以导出品质因数(Q)的测量值。
一旦接收信号落到阈值411以下，就变得有可能检测回波，并且使I/O线解除生效，直到传感器控制器检测到有效回波之时。针对有效回波的要求可包括例如超过阈值411的最短时间(“TDLY”)，该最短时间等于或大于去抖动间隔TDB。这样的要求必然需要I/O线响应于回波的生效被延迟所述最短时间TDLY。该生效持续的持续时间(“TDET”)等于所检测到的回波脉冲串的长度414。在至少一些实施方案中，可检测到多个回波并且由I/O线的相应生效对其加以表示。在编程的测量间隔401结束时，传感器控制器302解除对I/O线的控制。
利用上述方案，ECU有可能检测测量期间的某些传感器错误状况，但不可检测其他测量状况。只有在ECU暂停测量序列并且花费时间发送“数据”命令来探查传感器控制器的适当寄存器的情况下，才可能检测到诸如过度噪声、欠电压/过电压状况等的错误。没有这样的探查，ECU可能不经意间依赖于不可靠的测量，然而有了这样的探查，测量重复率可能变得不足。在2015年9月14日提交的标题为“具有数字错误报告的触发事件信令(Triggered-event signaling with digital error reporting)”的共同拥有的美国专利9,810,778(该专利据此以引用方式并入本文)中，传感器控制器在致动间隔开始时的报告周期407期间嵌入数字位，以向ECU报告错误状况。传感器控制器还可以或替代地采用这些位来将识别的换能器状态传送到ECU。在任何情况下，可以预期，传感器控制器将采用内部寄存器来存储表示换能器状态和任何检测到的错误状况的代码，并且ECU可采用数据命令来经由I/O线检索该信息。
在一个设想的实施方案中，在报告周期407期间在第一位间隔期间的生效指示预发射周期403期间的过度噪声电平，第二位间隔期间的生效被生效以指示可接受的混响周期(前一个发射脉冲的，因为当前混响周期的测量尚未完成)，并且第三位间隔被生效以指示不存在任何其他错误(诸如欠电压/过电压、热关停、硬件错误、电源接通复位等)。因此，在成功的无错误测量期间，I/O信号将在报告周期407的第一位间隔期间为高，而在第二位间隔和第三位间隔期间为低。然而，当检测到错误时，会立即向ECU提示存在错误而不对最大测量重复率造成任何降低。
为了解释一种优选的噪声引起的盲区的技术及其与现有系统的区别，我们现在转向图5。图5示出了传感器控制器502，该传感器控制器具有一些附加的实施细节和一些附加的功能块，其可以由DSP 310或专用硬件模块来实现。我们首先从发射链开始。振荡器504在超声波范围内以期望的载波频率产生信号。在启动时，发射控制模块306B将载波信号频率的脉冲供应给发射驱动器306A，该发射驱动器经由变压器M1响应性地将交替驱动电压或电流供应给压电元件PZ。
如前所述，压电元件将振荡信号转换为超声波声音脉冲串，该超声波声音脉冲串从换能器传播出去，直到其遇到障碍物。声音脉冲串从障碍物反射，并作为回波返回到换能器。这些以及撞击在压电元件上的其他声音被转换成电接收信号，该电接收信号由低噪声放大器(LNA)308A放大。由于LNA通常具有固定的增益，因此后续的增益控制放大器308B提供具有可变增益的进一步放大，以相对于模数转换器506的范围优化接收信号的范围。增益控制器508确定由增益控制放大器308B供应的可变增益。增益控制器508可以提供自适应增益以补偿操作状况和换能器部件的老化。也可以包括温度补偿。在至少一些实施方案中，ADC 506的输入可以在声接收链与诸如温度传感器509的其他传感器之间进行多路复用。低通滤波器(LPF)510可以组合来自温度传感器的测量结果以获得平均温度读数。
测量控制器512可以周期性地收集平均温度读数，并且如同下面将要描述的其他测量，控制器512可以将测量结果存储在存储器305中。存储器可以还包括一个或多个配置寄存器以用于保存控制传感器控制器502的操作的参数。例如，配置寄存器可以控制载波频率和所发射的声音脉冲串的长度。存储器305可以进一步跟踪历史接收信号幅度信息，以供增益控制器508使用。最后，当I/O控制器303A以数据模式操作时，存储器305可以用作i/o缓冲器。I/O收发器303B感测并驱动I/O线上的信号，该信号用作由数字I/O控制器303A使用的模拟接口。
当ADC 506对来自增益控制放大器308B的声接收信号进行数字化时，它可以以振荡器504提供的载波频率的一些倍数(例如4倍)对接收信号进行采样。此采样率与换能器和前端放大器308A、308B的带宽限制相组合，减轻了混叠效应。窄带通滤波器514用于提取载波频率附近的接收信号频率。在一些实施方案中，带通滤波器具有可调的品质因数Q或带宽，但是示例性值可以是Q＝20，这对于50kHz的载波频率将提供约2.5kHz的带宽。在一些设想的实施方案中，窄带通滤波器是相关器或匹配的滤波器。包络检测器516提取滤波后的接收信号的窄带包络。可选的噪声抑制器518执行非线性变换以抑制低振幅信号，或者等效地优先放大较高振幅的信号。可以基于在每个发射的脉冲串之前测量的噪声电平来自适应地确定噪声抑制电平。通常，在带通滤波器514或包络检测器516的输出处测量噪声电平。如果检测到过多的噪声电平，则传感器控制器可以取消声脉冲串的发射和/或可以向ECU发出传感器故障的信号。
比较器522将窄带包络信号与阈值控制器520提供的阈值进行比较。阈值控制器520改变阈值，以设计为补偿由较晚到达的回波所经过的距离增加引起的预期衰减的速率降低该值。可以包括“去抖动”单元524，以确保包络保持高于阈值持续足够长的时间以对应于真实回波。被检测为真实回波的高于阈值的任何偏移都传递给测量控制器512。
如前所述，回波振幅可以比发射的脉冲串的幅度小几个数量级。直到脉冲串发射完成并且压电元件返回到静态为止，LNA 308A将饱和，即NA308A的输出(如果也不是NA308A的输入)也被驱动到一个或另一个电压轨。在这种工作模式下，放大器的行为明显是非线性的，使其对在此间隔期间可能检测到的任何回波信号无响应。幸运的是，混响间隔相对较短且定义明确，使其可以用作压电元件健康的指标。因此，传感器控制器502包括混响长度检测器526，以测量混响间隔(单独或与驱动间隔组合)的长度。在至少一些实现方式中，混响长度检测器从发射的脉冲串的开始直到接收信号的包络落在低于ADC 506的范围内的阈值(即最大数字化值的80％)而对(来自振荡器504的)载波频率循环的数量进行计数。测量控制器512可以在每个测量循环进行一次收集混响间隔长度测量。
发明人已经观察到，LNA 308A在其他情况下(诸如高电平的环境噪声(包括声噪声和电磁噪声))也可以饱和，并且此状态不太可能通过载波频率附近的窄带噪声测量来检测。因此，环境噪声可能使传感器盲化，而不会通过窄带噪声测量检测到故障。因此，传感器控制器502包括宽带噪声检测器528，以在预发射间隔403期间或更常见在压电换能器的致动间隔412之外检测放大器的饱和。检测器528可以包括包络检测器，以测量来自ADC的未滤波的输出的包络。在一些实施方案中，宽带包络测量被存储在内部寄存器中，并且被报告给ECU，以使ECU确定噪声是否过大。在其他实施方案中，检测器包括：比较器，以将宽带包络与阈值进行比较(可能考虑增益控制放大器的设置)；以及去抖动电路，以筛选出比测量循环的例如10％短的瞬态事件。合适的阈值可以是最大数字化值的98％。
在替代实施方式中，宽带噪声检测器528是直接在前端放大器308A的输出上操作的模拟电路，以测量宽带包络并可选地检测放大器何时在期望范围之外操作以感测回波信号。在至少一些实施方式中，模拟噪声检测器采用包络检测器、低通RC滤波器和阈值比较器。在任一情况下，混响检测器526都可以在致动周期(即，驱动间隔和混响间隔)期间抑制宽带噪声检测器的操作。
图6为示例性传感器控制方法的流程图。它在框602中开始，其中控制逻辑初始化(然后更新)用于存储表示换能器状态和任何检测到的错误的代码的寄存器。这些寄存器在受到ECU读取时被复位。在框604中，控制逻辑确定ECU是否已使I/O线生效以启动命令。(如前所述，其他通信和电源技术也是合适的并且可以考虑使用。)如果否，则在控制逻辑等待命令时重复框602和框604。
在检测到命令的启动时，控制逻辑提示接收器在框606中进行噪声电平检测。此噪声电平检测可以包括窄带和宽带包络测量。在框608中，控制逻辑确定命令是否已被完全接收。如果否，则在控制逻辑等待命令完成时重复框604和框606。
一旦命令已被完全接收，则控制逻辑便在框610中确定其是否为“数据”命令。如果是，则控制逻辑612对该数字命令代码进行解析以确定该是什么命令并且执行该命令。例如，所述命令可指示要将某一值写入指定的存储器地址，或者要将指定寄存器的内容发送到ECU。控制逻辑执行所述命令并且将该命令的完成以信号传达给ECU。一旦已完成数据操作，控制逻辑便返回到框602。
如果该命令不是数据命令，则控制逻辑在框614中确定其是否为“仅接收”命令。如果是，则DSP在框615中执行回波检测(如前所述驱动I/O线)，并且一旦测量周期过去，则传感器控制器便放弃对I/O线的控制。在框615中的测量周期期间，盲区检测器如前所述监测前端放大器的饱和。(如前所述，一些实施方案在框606中在预发射间隔期间执行宽带包络测量检查。)在框616中，DSP检查以确定盲区检测器是否观察到任何饱和事件，并且如果否，则控制返回到框602。否则，在框617中，DSP在框617中确定关于此传感器故障的状态代码信息，以存储在框602中的内部寄存器中，并在下面在框618中进行电位报告。控制然后返回到框602。
如果在框614中确定命令是发送和接收命令(而不是只接收命令)，则控制逻辑在框618中触发发射器以发送发射脉冲串，从而控制I/O线，如前所述。如相关申请中所述，控制逻辑可在控制I/O线时将数字状态字(由一个或多个位间隔组成)发送到ECU。数字状态字可从存储在内部寄存器中的代码导出。
在框620中，DSP在声脉冲串发射的驱动阶段期间并且/或者在混响阶段期间测量压电换能器响应，从而得出一个或多个响应参数，诸如谐振频率、品质因数、幅度、相移、致动间隔、衰减速率、串联电阻、阻尼因数等。如前所述，数字状态字从噪声电平测量结果和可以存储在硬件寄存器中的任何错误状况得出。(在某些替代实施方案中，响应测量和参数确定可与传感器的回波测量操作解耦，使得在不测量响应参数的情况下执行大多数回波测量。然后，可以在需要时经由独立于回波测量过程的专用命令或校准操作使用所公开的原理来确定响应参数。)
在框622中，DSP可选地调整驱动频率、振幅和/或波形，以优化声脉冲串发射的效率。在框624中，DSP分析所测量的参数以检测它们是否指示发生了新的故障或换能器状态的变化。如果否，则DSP在框616中执行回波检测并且相应地驱动I/O线。否则，在框616中执行回波检测之前，DSP在框626中分析测量的参数以对任何故障进行分类并且识别换能器状态(例如，正常、加载、受阻碍或有缺陷)。在框602中，任何此类诊断出的故障或状态状况的状态代码将被存储在内部寄存器中，并且可被传送到ECU，该ECU继而可使用仪表板指示器或警告音调来提醒车辆的操作者。优选地，操作者被告知换能器状态并且被提供关于增加的警告是否足够，是否应该去除传感器损害，或者是否建议到维修店的行程的指导。
综上，在一个示例性实施方案中，已经公开了一种传感器控制器，该传感器控制器包括：发射器，该发射器在致动间隔期间驱动压电元件以产生声脉冲串；接收器，该接收器感测压电元件对每个声脉冲串的回波的响应，该接收器包括前端放大器；处理电路，该处理电路耦接到发射器和接收器，该处理电路可操作为对所述响应施加回波检测处理；以及盲区检测器，该盲区检测器在致动间隔之外检测前端放大器的饱和。
在用于操作基于压电的传感器的方法的示例性实施方案中，该方法包括：在致动间隔期间驱动压电换能器以产生声能脉冲串；在致动间隔之后的测量间隔期间，利用包括前端放大器的接收器获得压电换能器的响应；处理该响应以感测脉冲串的回波；以及确定该响应是否指示由于前端放大器的饱和导致的传感器的盲区。
示例性传感器实施方案包括：压电换能器；以及控制器，该控制器驱动压电换能器以在致动间隔期间产生声能脉冲串，并利用包括前端放大器的接收器在测量间隔期间获得压电换能器的响应，该控制器包括在致动间隔之外检测前端放大器的饱和的盲区检测器。
每个前述实施方案可以与以下可选特征中的一个或多个一起使用：1.盲区检测器，该盲区检测器包括：包络检测器，该包络检测器在测量间隔期间测量响应的宽带包络；以及比较器，该比较器将宽带包络与表示前端放大器的饱和的阈值进行比较。2.I/O控制器，该I/O控制器将宽带包络测量结果传送到系统控制器，以检测传感器的盲区。3.模数转换器，该模数转换器位于前端放大器之后，该模数转换器提供数字响应信号。4.带通滤波器，该带通滤波器以声脉冲串的载波频率为中心以从数字响应信号中产生经滤波的信号。5.第二包络检测器，该第二包络检测器在每个致动间隔之前的噪声测量间隔期间测量经滤波的信号的窄带包络。6.第二比较器，该第二比较器将窄带包络与表示过多环境噪声的第二阈值进行比较。7.I/O控制器，如果在噪声测量间隔期间盲区检测器检测到饱和和/或第二比较器检测到过多的环境噪声，则该I/O控制器会传送传感器故障。8.盲区检测器对数字响应信号进行操作。9.盲区检测器对来自前端放大器的模拟输出信号进行操作。10.采用混响检测器来发出致动间隔的结束的信号。11.测量响应的宽带包络；以及将宽带包络和表示前端放大器的饱和的阈值进行比较。12.混响检测器，该混响检测器确定每个测量间隔的开始。
尽管出于解释的目的将图6中所示和所述的操作视为顺次发生，但在实践当中，该方法可通过多个集成电路部件同时来实现，该并且甚至可能推测性地操作以实现无序操作。所述的顺次论述并不旨在构成限制。进一步地，前面的描述假定使用LIN总线，但是可以设想其他总线实施方案(包括CAN和DSI3)，其中宽带包络测量可以直接传送给ECU，以使得ECU确定是否前端饱和水平使传感器有效地盲化。此外，前述讨论的焦点一直是超声传感器，但是原理可应用于任何可能因前端饱和效应而盲化的传感器。一旦完全理解了上述公开的内容，对于本领域技术人员来说这些和许多其他修改形式、等价形式和替代形式就将变得显而易见。旨在使以下权利要求书被解释为在适用情况下包含所有此类修改形式、等价形式和替代形式。

Claims (10)

1.一种用于压电换能器的控制器，所述控制器的特征在于包括：
发射器，所述发射器在致动间隔期间驱动压电元件以产生声脉冲串；
接收器，所述接收器感测所述压电元件对每个声脉冲串的回波的响应，所述接收器包括前端放大器；
处理电路，所述处理电路耦接到所述发射器和所述接收器，所述处理电路能够操作为对所述响应施加回波检测处理；和
盲区检测器，所述盲区检测器在所述致动间隔之外检测所述前端放大器的饱和。
2.根据权利要求1所述的用于压电换能器的控制器，其特征在于，所述盲区检测器在每个致动间隔之前立即检测饱和。
3.根据权利要求1所述的用于压电换能器的控制器，其特征在于，所述盲区检测器包括：
包络检测器，所述包络检测器在所述致动间隔之外测量所述响应的宽带包络；和
比较器，所述比较器将所述宽带包络与表示所述前端放大器的饱和的阈值进行比较。
4.根据权利要求3所述的用于压电换能器的控制器，其特征还在于包括：
模数转换器，所述模数转换器位于所述前端放大器之后，所述模数转换器提供数字响应信号；
带通滤波器，所述带通滤波器以所述声脉冲串的载波频率为中心以从所述数字响应信号中产生经滤波的信号；
第二包络检测器，所述第二包络检测器在每个致动间隔之前的噪声测量间隔期间测量所述经滤波的信号的包络；和
第二比较器，所述第二比较器将测得的所述经滤波的信号的包络与表示过多环境噪声的第二阈值进行比较。
5.根据权利要求4所述的用于压电换能器的控制器，其特征还在于包括：I/O控制器，在所述噪声测量间隔期间如果所述盲区检测器检测到饱和并且如果所述第二比较器检测到过多的环境噪声，则所述I/O控制器传送传感器故障。
6.一种操作基于压电的传感器的方法，所述方法的特征在于包括：
在致动间隔期间驱动压电换能器以产生声能脉冲串；
在所述致动间隔之后的测量间隔期间，利用包括前端放大器的接收器获得所述压电换能器的响应；
处理所述响应以感测所述脉冲串的回波；以及
确定所述响应是否指示在所述测量间隔期间由于所述前端放大器的饱和导致的传感器的盲区。
7.根据权利要求6所述的操作基于压电的传感器的方法，其特征在于，所述确定包括采用混响检测器来发出所述致动间隔的结束的信号。
8.根据权利要求7所述的操作基于压电的传感器的方法，其特征在于，所述确定还包括：
测量所述响应的宽带包络；以及
将所述宽带包络与表示所述前端放大器的饱和的阈值进行比较。
9.根据权利要求8所述的操作基于压电的传感器的方法，其特征在于，所述处理包括：
通过可选的增益控制使所述前端滤波器的输出数字化，以获得数字响应信号；
在所述致动间隔之前的噪声测量间隔期间测量所述数字响应信号的窄带包络；
将所述窄带包络与表示过多环境噪声的阈值进行比较。
10.根据权利要求7所述的操作基于压电的传感器的方法，其特征在于，所述确定包括：
测量所述响应的宽带包络；以及
将所述宽带包络测量结果传送给系统控制器以检测传感器的盲区。
CN202010050009.9A 2019-01-23 2020-01-17 噪声引起的超声波传感器盲区的检测 Pending CN111474548A (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US16/254,882 US11269068B2 (en) 2019-01-23 2019-01-23 Detection of noise-induced ultrasonic sensor blindness
US16/254,882 2019-01-23

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN111474548A true CN111474548A (zh) 2020-07-31

Family

ID=71402663

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010050009.9A Pending CN111474548A (zh) 2019-01-23 2020-01-17 噪声引起的超声波传感器盲区的检测

Country Status (3)

Country Link
US (1) US11269068B2 (zh)
CN (1) CN111474548A (zh)
DE (1) DE102020000173A1 (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11372093B2 (en) * 2018-09-14 2022-06-28 Fujifilm Sonosite, Inc. Automated fault detection and correction in an ultrasound imaging system
CN117859073A (zh) * 2021-08-25 2024-04-09 罗姆股份有限公司 信号处理装置、声波系统和车辆

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5986357A (en) * 1997-02-04 1999-11-16 Mytech Corporation Occupancy sensor and method of operating same
US6036650A (en) * 1998-09-15 2000-03-14 Endosonics Corporation Ultrasonic imaging system and method with ringdown reduction
US6759954B1 (en) * 1997-10-15 2004-07-06 Hubbell Incorporated Multi-dimensional vector-based occupancy sensor and method of operating same
CN101119159A (zh) * 2006-07-18 2008-02-06 夏普株式会社 载波检测电路及控制方法、具有它的红外线信号处理电路
US20140304107A1 (en) * 2012-12-03 2014-10-09 CLARKE William McALLISTER Webrooming with rfid-scanning robots
US20160266239A1 (en) * 2015-03-15 2016-09-15 Freescale Semiconductor Inc. Radar system and method with saturation detection and reset
CN106526603A (zh) * 2015-09-14 2017-03-22 半导体元件工业有限责任公司 具有数字错误报告的触发事件信令
DE202018105166U1 (de) * 2017-09-12 2018-09-20 Semiconductor Components Industries, Llc Bestimmung des piezoelektrischen Stromwandlers auf der Grundlage einer Antwort

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3274821A (en) * 1962-10-24 1966-09-27 Automation Ind Inc Ultrasonic testing apparatus having improved resolution
US3961321A (en) * 1973-09-17 1976-06-01 Royston Arthur Leslie Moss Omnidirectional ultrasonic intrusion surveillance unit
US3984759A (en) * 1975-03-21 1976-10-05 Soquem Apparatus for use in an induced polarization system for measuring the deformation of a periodic signal concealed in noise
US4099876A (en) * 1977-03-14 1978-07-11 Rockwell International Corporation Phase-coded control for ring laser gyro
AU547873B2 (en) * 1980-02-22 1985-11-07 Sonic Tape Plc A sonar distance sensing apparatus
US5241360A (en) * 1992-02-06 1993-08-31 Cubic Automatic Reveneu Collection Group Distance measuring device utilizing semiconductor laser
US6431001B1 (en) 2000-08-31 2002-08-13 Denso Corporation Obstacle detecting system having snow detecting function
US6772100B2 (en) * 2001-12-17 2004-08-03 Lockheed Martin Corporation Multipath mitigation filter
DE102005013589A1 (de) 2005-03-24 2006-09-28 Robert Bosch Gmbh Verfahren zur Funktionsüberprüfung eines Ultraschallsensors
US7853154B2 (en) * 2006-01-13 2010-12-14 Mindspeed Technologies, Inc. Bias circuit for burst-mode/TDM systems with power save feature
JP4470995B2 (ja) * 2007-12-19 2010-06-02 セイコーエプソン株式会社 Ａ／ｄ変換回路及び電子機器
DE102012216968A1 (de) 2012-09-21 2014-04-17 Robert Bosch Gmbh Verfahren zur Auswertungsanpassung und Funktionsüberprüfung eines Ultraschallsensors sowie ein entsprechender Ultraschallsensor
WO2015044703A1 (en) * 2013-09-27 2015-04-02 Freescale Semiconductor, Inc. Integrated calibration circuit and a method for calibration of a filter circuit
US10585178B2 (en) 2015-10-21 2020-03-10 Semiconductor Componenents Industries, Llc Piezo transducer controller and method having adaptively-tuned linear damping
US10444350B2 (en) 2016-07-26 2019-10-15 Semiconductor Components Industries, Llc Obstacle monitoring using motion-compensated distance
US20180160226A1 (en) 2016-12-05 2018-06-07 Semiconductor Components Industries, Llc Reducing or eliminating transducer reverberation

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5986357A (en) * 1997-02-04 1999-11-16 Mytech Corporation Occupancy sensor and method of operating same
US6759954B1 (en) * 1997-10-15 2004-07-06 Hubbell Incorporated Multi-dimensional vector-based occupancy sensor and method of operating same
US6036650A (en) * 1998-09-15 2000-03-14 Endosonics Corporation Ultrasonic imaging system and method with ringdown reduction
CN101119159A (zh) * 2006-07-18 2008-02-06 夏普株式会社 载波检测电路及控制方法、具有它的红外线信号处理电路
US20140304107A1 (en) * 2012-12-03 2014-10-09 CLARKE William McALLISTER Webrooming with rfid-scanning robots
US20160266239A1 (en) * 2015-03-15 2016-09-15 Freescale Semiconductor Inc. Radar system and method with saturation detection and reset
CN106526603A (zh) * 2015-09-14 2017-03-22 半导体元件工业有限责任公司 具有数字错误报告的触发事件信令
DE202018105166U1 (de) * 2017-09-12 2018-09-20 Semiconductor Components Industries, Llc Bestimmung des piezoelektrischen Stromwandlers auf der Grundlage einer Antwort
CN109490898A (zh) * 2017-09-12 2019-03-19 半导体元件工业有限责任公司 用于压电换能器的控制器和传感器

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
黄亮;韩庆邦;朱迁虎;: "基于CPLD的超声双晶探头窄带激励脉冲发生器", 常州工学院学报, no. 01, 28 February 2011 (2011-02-28) *

Also Published As

Publication number Publication date
US11269068B2 (en) 2022-03-08
DE102020000173A1 (de) 2020-07-23
US20200233071A1 (en) 2020-07-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11269067B2 (en) Response-based determination of piezoelectric transducer state
US10663568B2 (en) Composite acoustic bursts for multi-channel sensing
CN106526603B (zh) 具有数字错误报告的触发事件信令
US11194028B2 (en) Measuring resonance parameters of piezoelectric transducers
US11163048B2 (en) Piezoelectric transducer controller having model-based sideband balancing
JP6876405B2 (ja) 線形減衰特性が適応的に調節される圧電変換器コントローラ及び方法
CN111610530B (zh) 具有基于边缘的回波检测的超声波传感器
US11678125B2 (en) Multichannel minimum distance chirp echo detection
US20240094385A1 (en) Acoustic obstacle detection with enhanced resistance to systematic interference
CN118859214A (zh) 用于经编码超声波感测的阈值生成
CN111474548A (zh) 噪声引起的超声波传感器盲区的检测
US11982776B2 (en) Piezoelectric transducer with model-based field equalization
US11163049B2 (en) Ultrasonic sensor with echo magnification
US12111395B2 (en) Acoustic sensing of proximate obstacles
US11982740B2 (en) Motion-compensated distance sensing with concurrent up-chirp down-chirp waveforms
CN118409300A (zh) 用于声换能器的感测方法和控制器
US11443728B2 (en) Echo detection with background noise based screening

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination