CN112714878A - 用于从超声波传感器提供数字传感器信号的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于从超声波传感器(16)向信号接收器(28)提供用于信号传输的数字传感器信号(DS)的方法，其中，来自超声波传感器(16)的、优选为数字信号的输出信号(OS)被处理以形成用于信号传输的数字传感器信号。根据本发明，该处理包括以下步骤：(i)确定输出信号(OS)的相继值的信号变化(SC)，(ii)通过可变缩放因子(SF)来缩放该信号变化(SC)，该可变缩放因子由超声波传感器(16)和信号接收器(28)已知的缩放方案指定，以及(iii)输出缩放的信号变化(SC)作为数字传感器信号(DS)。本发明还涉及一种用于从超声波传感器(16)产生数字传感器信号(DS)以将信号传输给信号接收器(28)的相应装置(32)，涉及一种具有超声波传感器(16)和这种装置(32)的相应的超声波传感器设备，以及涉及一种相应的超声波传感器系统(14)。

Description

用于从超声波传感器提供数字传感器信号的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于从超声波传感器向信号接收器提供用于信号传输的数字传感器信号的方法，其中，来自超声波传感器的优选为数字信号的输出信号被处理以形成用于信号传输的数字传感器信号。

本发明还涉及一种用于从超声波传感器提供数字传感器信号以将信号传输给信号接收器的相应装置，涉及一种具有超声波传感器和此装置的相应的超声波传感器设备，并且还涉及一种相应的超声波传感器系统。

背景技术

德国专利文件DE 10 2008 044 058 B4描述了一种用于从超声波传感器提供数字传感器信号的方法和系统，以通过LIN通信(LIN：本地互连网络)向该传感器的控制单元进行信号传输。在这种情况下，系统处理来自传感器的输出信号，以形成数字传感器信号，用于通过LIN通信进行信号传输。

术语“信号传输”通常代表信息和数据传输。在机动车辆中，超声波传感器和负责该传感器的控制单元(英文：ECU：电子控制单元)之间的数据传输目前是使用标准化传输协议执行的，例如用于LIN的总线协议。

用于此目的的传输系统在其数据速率方面受到限制。尽管超声波传感器本身在具有高采样率和高量化的模数转换器的帮助下、在接收到作为测量信号的超声波信号时、具有关于薄膜振动的详细信息，但在当今的系统中，控制单元中只有实际测量数据的高损耗图像是可用的。

超声波传感器和控制单元之间的数据传输速率总是由所使用的采样速率和量化产生。如果测量信号(以下称为来自超声波传感器的输出信号或原始信号)的采样速率太低(采样速率的降低也会导致所需数据速率的降低)，则由于信息的丢失，会出现诸如混叠或分辨率大大降低之类的错误。传统的低比特数(通常小于5比特)量化会产生高量化噪声，在最坏的情况下，会妨碍数据的有效使用。在某些情况下，通过非线性特征，可以实现量化噪声的改善。然而，这种方法也受到由量化比特造成的、可能量化状态数量的严重限制。

发明内容

因此，在上述现有技术的基础上，本发明基于指定手段的目的，该指定手段使得即使在有限的传输带宽下也能够尽可能精确地传输传感器信号。

根据本发明，该目的通过独立权利要求的特征来实现。从属权利要求中指明了本发明的有利改进。

在根据本发明的用于从超声波传感器向信号接收器提供用于信号传输的数字传感器信号的方法中，其中，来自超声波传感器的优选为数字信号的输出信号被处理以形成用于信号传输的数字传感器信号，该处理被设置为包括以下步骤：

(i)确定输出信号的相继值的信号变化，(ii)通过可变缩放因子来缩放该信号变化，该可变缩放因子由超声波传感器和信号接收器已知的缩放方案指定，以及(iii)输出缩放的信号变化作为数字传感器信号。换句话说，不是(重新)缩放输出信号的值，即：信号幅值，而是确定并缩放输出信号的相继值的信号变化。

如果有足够高的带宽可用于信号传输并且预先知道产生的信号变化的动态范围，则只需要定义一次缩放。但是，这样的情况一般不存在。

根据本发明的一个优选实施例，向信号接收器的信号传输具有预定带宽(比特数)，缩放方案使缩放因子的大小适配于该预定带宽。由于传输过程中的带宽对于信号变化的动态性来说显然太小，因此通常有必要重复(重新)缩放。如开头所述，比特数通常小于5。在比特数为3的情况下，只能实现1/8带宽的分辨率。在此，待传输的信号变化具有相对高的动态性，必须通过改变缩放因子(即：重新缩放)将这一事实考虑在内。

因此，在信号传输期间，也不必额外将缩放因子附带地传输给信号接收器，可变缩放因子是根据超声传感器和信号接收器同等已知的缩放方案来定义的。

特别地，调整该缩放因子，使得信号变化可能以预定带宽被正确传输。这里有两个因素特别重要：(i)何时调整被视为是必要的标准，以及(ii)调整的“步长”。

如果连续值序列中最后两个先前考虑的值的缩放的信号变化使用了至少在预定范围内的带宽部分，则本发明的另一优选实施例根据缩放方案为连续值序列中的两个相继值调整缩放因子的大小，以使其适配于该预定带宽。通常提供两个这样的范围。如果缩放的信号变化在第一范围内，则它被放大，也就是说，使用比以前更大的缩放因子；如果缩放的信号变化在第二范围内，则它被缩小，也就是说，使用比以前更小的缩放因子。第一范围是带宽的0倍到x倍的范围，第二范围是带宽的y倍到1倍的范围，其中0.1＜x＜0.33并且0.66＜y＜0.9。例如，如果使用小于20％(x＝0.2)的带宽，则通过增加缩放因子来进行放大；如果使用大于80％(y＝0.8)的带宽，则通过减小缩放因子来进行缩小。

根据缩放方案的缩放因子的调整现在仅取决于最后缩放的信号变化SC，也就是说，根据该方案确定并随后缩放的最后的信号变化。因为用于产生数字传感器信号的装置和信号接收器都知道该缩放方案，所以除了方案本身之外，二者都不需要更多的信息来编码/解码该信号。

因此，该缩放方案是这样一种缩放方案：缩放因子仅由最后一次先前处理的缩放的信号变化值产生。

特别地，在调整期间，该缩放因子的大小被设置为增加或减少至少两倍。在调整期间，缩放因子的大小优选地在整个数量级的范围内增加或减少，也就是说：在因子10的范围内。换句话说，该调整是高度动态的，其结果是：来自超声波传感器的输出信号即使在非常低的带宽下也能被正确地传输。

本发明的另一个优选实施例通过减法来确定输出信号的信号变化。这种减法可以通过减法器模块以简单的方式实现。

本发明的另一个优选实施例中，信号传输被设置为是通过总线系统、特别是通过LIN总线系统来进行数据传输。本地互连网络(LIN)，也称为LIN总线，是一种用于将传感器和执行器联网的串行通信系统，即：现场总线。特别地，在不需要CAN总线系统(CAN：控域网)的带宽和多功能性的情况下，使用LIN总线。典型的应用示例是机动车辆行业内的联网。

有利地，数据传输是根据DSI3总线协议的数据传输。分布式系统接口(DSI)是一种总线协议，用于将多个分布式系统、传感器和执行器连接到中央控制单元。这是该应用的一个预定协议。

在根据本发明的用于从超声波传感器向信号接收器提供用于信号传输的数字传感器信号的装置中，该装置被配置为处理来自超声波传感器的、优选为数字信号的输出信号，以形成用于信号传输的数字传感器信号，该装置被配置为：(i)确定输出信号的相继值的信号变化，(ii)通过由超声波传感器和信号接收器已知的缩放方案指定的可变缩放因子来缩放该信号变化，以及(iii)输出缩放的信号变化作为数字传感器信号。

本发明的上述在该方法的说明的上下文中的实施例也相应地适用于该装置。

根据本发明的装置的一个优选实施例提供了被配置成执行上述方法的装置。

在根据本发明的具有超声波传感器的超声波传感器设备的情况下，所述设备还被设置为具有前述用于从超声波传感器产生数字传感器信号的装置，该装置在信号传递方面连接在超声波传感器的下游。

在根据本发明的用于机动车辆的超声波传感器系统中，其具有至少一个超声波传感器和特别为控制单元的信号接收器，该超声波传感器系统还被设置为具有至少一个前述用于从超声波传感器产生数字传感器信号的装置。

附图说明

下面参考附图使用优选实施例更详细地解释本发明。

附图中：

图1示出了具有驾驶员辅助系统的机动车辆，该驾驶员辅助系统具有根据本发明一个实施例的超声波传感器装置；

图2示出了根据本发明一个实施例的用于从超声波传感器产生数字传感器信号的装置的等效电路图，以及

图3以时间相关的表示方式示出了原始传感器输出信号和传输后重建的信号之间的对比。

具体实施方式

图1示出了在此体现为客车的机动车辆10的平面图。机动车辆10包括驾驶员辅助系统12，该系统用于在驾驶机动车辆10时辅助驾驶员。特别地，驾驶员辅助系统12可以实施为停车辅助系统，当将机动车辆10停放在停车位中和/或离开停车位时，借助于该停车辅助系统，可以辅助驾驶员。

驾驶员辅助系统12又包括超声波传感器系统14。超声波传感器系统14具有至少一个超声波传感器16。在本示例性实施例中，超声波传感器系统14包括十二个超声波传感器16。在这种情况下，六个超声波传感器16布置在机动车辆10的前部区域18中，并且六个超声波传感器16布置在机动车辆10的后部区域20中。超声波传感器16尤其可以安装在机动车辆10的保险杠上。在这种情况下，超声波传感器16可以至少布置在保险杠中的相应凹部或通孔中的特定区域中。超声波传感器16也可以被设置为以隐藏在保险杠后面的方式布置。基本上，超声波传感器16还可以布置在机动车辆10的其他镶板部件上。例如，超声波传感器10可以布置在机动车辆10的车门上或隐藏在车门后。

描述机动车辆10周围的区域24中的至少一个物体22的传感器信号可以使用相应的超声波传感器16来获得。在此，在周围区域24中示意性地示出了物体22。为了确定传感器信号，可以用每个超声波传感器16发射超声波信号。此后，可以再次接收由物体22反射的超声波信号。然后，超声波传感器16和物体22之间的距离可以基于超声波信号的发射和由物体22反射的超声波信号的接收之间的传输时间来确定。还可以考虑由不同的超声波传感器16确定的相应距离。因此，机动车辆10和物体22之间的相对位置可以通过三边测量来确定。还可以设置使得由其中一个超声波传感器16发射的超声波信号通过另一个超声波传感器16接收。这也称为交叉测量。

此外，超声波传感器系统14包括作为信号接收器28的电子控制单元26，该电子控制单元连接到超声波传感器16，用于通过数据线30或总线系统(图2中示出了线30)进行数据传输。使用各个超声波传感器16确定的传感器信号可以通过数据线30传输给作为信号接收器28的控制单元26。基于传感器信号，控制单元26可以检查物体22是否位于周围区域24中，以及物体22位于周围区域24中的哪个位置。然后，该信息可以由驾驶员辅助系统12使用，以便向机动车辆10的驾驶员输出一输出量。此外，该驾驶员辅助系统12可以被设置为干预转向系统、制动系统和/或驱动发动机，以便根据至少一个感测到的物体22自主地或至少半自主地操纵机动车辆10。

图2示出了装置32，用于从传感器16的原始测量信号中提供来自超声波传感器16的数字传感器信号DS，该原始测量信号以下称为输出信号(或原始信号)OS。然后，数字传感器信号DS例如通过LIN总线(LIN：本地互连网络)数据线30传输给作为信号接收器28的控制单元26。为此目的，装置32处理来自超声波传感器16的输出信号OS，以形成数字传感器信号DS，用于以有限传输速率进行信号传输。在这种情况下，输出信号OS的相继值(或幅值)的信号变化SC由减法器34和保持输出信号OS的先前值的保持元件(这里未示出)来确定，其结果是：减法器34用于确定输出信号OS的先前值和当前值之间的差值，也就是说，输出信号OS的信号变化SC。然后，通过缩放器36相应地缩放该信号变化SC，并将其作为数字传感器信号DS进行传输。缩放器36是一种量化器，其中量化步长是可缩放/可调的。

缩放该信号OS的幅值(而不是在此执行的、该信号变化SC的缩放)存在缺陷，特别是在超声回波的情况下，即：当薄膜在传输期间振动时，会产生高幅偏移，而环境回波的输出信号RS通常明显较低。

信号变化SC是通过可变缩放因子SF缩放的，该可变缩放因子由超声波传感器16和信号接收器28已知的缩放方案来指定。该缩放方案作为缩放调整协议存储在用于产生数字传感器信号DS的装置32的数据存储器38中，以及控制单元26的数据存储器40中。

根据缩放方案，如果连续值序列中最后两个先前考虑的值的缩放的信号变化使用了在带宽顶端或底端的至少一个预定范围内的带宽部分，则连续值序列中两个相继值的缩放因子SF的大小被调整为适配于预定带宽。如果当前只有一小部分带宽被使用，例如低于20％，则进行放大；如果当前使用了大部分带宽，例如超过80％，则进行缩小。

图3以时间相关的表示方式示出了原始传感器输出信号OS和从传输的数字传感器信号DS重构的信号RS之间的比较。换句话说，原始传感器输出信号OS和从传输的数字传感器信号DS重构的信号RS在此分别被示出为曲线，相应的信号幅值A被相对于时间t绘制。此处显示的重构的信号RS是由数字传感器信号DS产生的，该数字传感器信号DS通过DSI总线操作传输，采样频率首先被除以2，然后根据所述方法用DSI3进行编码和解码。

这种比较显示了以这种方式重构的信号RS如何很好地遵循原始传感器输出信号OS，即使只有3比特。

下面将再次通过其他方式简要概述在此描述的过程的特征和有益效果：

传感器电子器件在特定频率下对振动幅值进行采样(图3中的曲线OS)。并不传输振动幅值的样本，而是传输振动幅值的两个相继样本之间的差值，即：信号变化SC(作为数字传感器信号DS)。

每个差值，即：每个信号变化SC都被编码为固定的比特数(在本示例中为3比特)。

然而，将差值(信号变化SC)缩放到3比特是灵活可变的，并且遵循每一方(超声波传感器装置16、32作为发射器，控制单元26作为接收器)已知的协议：缩放方案。

根据缩放调整协议或缩放方案进行的调整仅取决于最后传输的3比特缩放的信号变化SC。由于缩放调整协议或缩放方案对于接收器来说也是已知的，没有必要传输任何进一步的信息。

缩放调整协议将最后的3比特差值和最后的所谓缩放因子SF(“缩放水平”，以下简称为n，在这种情况下，缩放调整协议或缩放方案本地存储在发射器和接收器中)作为输入，并给出新的、经调整的缩放因子SF作为输出。以所述3比特为例，结果如下：

值0和7(最大增加/最大减少)：n＝n+step_up(例如，step_up＝4)；

值3、4和5(很少或无增加/很少或无减少)：n＝n-step_down(例如，step_down＝2)；

n被限制在1和max_scaling_level之间(例如，max_scaling_level＝12)；

每个缩放级别包括幅值，这里称为f(n)(其中n是缩放因子)。

使用将差值转换为3比特的线性转换，并且主因子为f(n)，例如：

值3向3比特(011)给出了-f(n)/2和+f(n)/2之间的差值(即，大致根本没有区别)；

值7给出的差值大于4*f(n)-f(n)/2(可以表示的最大差值，值向3比特达到饱和)；

值0给出的差值小于-3*f(n)+f(n)/2(可以表示的最小差值，值向3比特达到饱和)；诸如此类。

f的示例：f(n)＝scaling_factor*n3/2(例如，scaling_factor＝4)。

预先(例如，在初始化期间)计算1和max_scaling_level之间的所有n的值f(n)，以便在编码/解码期间节省运行时间。如果n增加，则f的这个示例性变量也允许快速增加缩放比例。

在编码期间，将以并行方式计算待由接收器28解码的值，并因此用下一个样本计算差值。这提高了整个编码/解码过程的总体精度，并允许解码期间可能的缓慢漂移。

解码时，假设第一个值为0。在大多数情况下，这种假设在现实中是合适的。这意味着开始时也不需要发送起始值。传输的数字信号DS的第一传输值可以已经是第一差值，即：0和幅值的第二样本之间的差值。

附图标记列表：

机动车辆 10

驾驶员辅助系统 12

超声波传感器系统 14

超声波传感器 16

前部区域 18

后部区域 20

物体 22

周围区域 24

控制单元 26

信号接收器 28

数据线 30

用于产生数字传感器信号的装置 32

减法器 34

缩放器 36

数据存储器 38

数据存储器 40

幅值 A

用于传输的数字传感器信号 DS

传感器的输出信号 OS

信号接收器处的重构信号 RS

信号变化(输出信号) SC

缩放因子 SF

时间 t

Claims (10)

1.一种用于从超声波传感器(16)向信号接收器(28)提供用于信号传输的数字传感器信号(DS)的方法，其中，来自所述超声波传感器(16)的优选为数字信号的输出信号(OS)被处理以形成用于信号传输的所述数字传感器信号，

其特征在于，所述处理包括以下步骤：

确定所述输出信号(OS)的相继值的信号变化(SC)，

通过由所述超声波传感器(16)和所述信号接收器(28)已知的缩放方案指定的可变缩放因子(SF)来缩放该信号变化(SC)，以及

输出缩放的信号变化(SC)作为所述数字传感器信号(DC)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，向所述信号接收器(28)的信号传输具有预定带宽，并且通过所述缩放方案调整所述缩放因子(SF)的大小以适配于该预定带宽。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，如果所述输出信号(OS)的连续值序列中最后两个先前考虑的值的缩放的信号变化使用了带宽的在至少预定范围内的一部分，则所述输出信号(OS)的连续值序列中的两个相继值的缩放因子(SF)的大小根据所述缩放方案而调整以适配于所述预定带宽。

4.根据权利要求1至3中的一项所述的方法，其特征在于，在调整期间，所述缩放因子(SF)的大小增加或减少至少两倍。

5.根据权利要求1至4中的一项所述的方法，其特征在于，通过减法来确定所述输出信号(OS)的信号变化(SC)。

6.根据权利要求1至5中的一项所述的方法，其特征在于，所述信号传输是经由总线系统、特别是LIN总线系统的数据传输。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述数据传输是根据DSI3总线协议的数据传输。

8.一种用于从超声波传感器(16)向信号接收器(28)提供用于信号传输的数字传感器信号(DS)的装置(32)，所述装置(32)被配置为处理来自超声波传感器(16)的、优选为数字信号的输出信号(OS)，以形成用于信号传输的数字传感器信号(DS)，

其特征在于，所述装置(32)被配置为确定输出信号(RS)的相继值的信号变化(SC)，以借助于由超声波传感器(16)和信号接收器(26)已知的缩放方案指定的可变缩放因子(SF)来缩放该信号变化(SC)，并且输出缩放的信号变化(SC)作为所述数字传感器信号(DS)。

9.一种超声波传感器设备，具有超声波传感器(16)和根据权利要求8所述的装置(32)，所述装置(32)在信号传递方面连接在所述超声波传感器(16)的下游。

10.一种用于机动车辆(10)的超声波传感器系统(14)，具有至少一个超声波传感器(16)、特别为控制单元(26)的信号接收器(28)、以及至少一个根据权利要求8所述的装置(32)。

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