DE19721834C2 - Schaltungsanordnung zum Betreiben eines Abstandssensors, insbesondere für einen Ultraschallsensor - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betreiben eines Abstandssensors, insbesondere eines Ultraschallsensors, bestehend aus einer Sende- und einer Empfangseinheit, die beide mit einer Auswerteeinheit verbunden sind. DOLLAR A Eine Schaltungsanordnung zum Betreiben eines Abstandssensors, welche eine zuverlässige Verarbeitung aller vom Hindernis reflektierten Signale unabhängig von der Intensität des Signals erlaubt, weist in ihrer Empfangseinheit eine Vorrichtung zur Amplitudenanpassung der vom Sensor empfangenen Signale auf.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betreiben eines Ab­ standssensors, insbesondere für einen Ultraschallsensor, bestehend aus einer Sende- und einer Empfangseinheit, die beide mit einer Auswerteeinheit ver­ bunden sind, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Um das Fahren mit dem Kraftfahrzeug zu erleichtern und Zusammenstöße mit Fahrzeugen oder anderen im Weg befindlichen Gegenständen zu ver­ hindern, ist es bekannt, an der Front- und/oder Rückseite des Kraftfahrzeu­ ges Sensoren vorzusehen, welche beispielsweise Ultraschall- oder Radarsi­ gnale aussenden und die von dem Hindernis reflektierten Signale wieder empfangen. Dabei wird der Abstand zwischen dem am Kraftfahrzeug ange­ ordneten Sensor und dem Hindernis aus der Laufzeit des Signals vom Sen­ sor zum Hindernis und wieder zurück bestimmt. (DE 35 13 270 A1)

Dabei wird eine Sensorelektronik von einem im Kraftfahrzeug befindlichen Steuergerät zur Abgabe eines Sensorsignals veranlaßt. Das vom Sensor empfangene Signal wird in einer Auswerteschaltung, welche einen Mikropro­ zessor enthält digitalisiert und an das Steuergerät weitergeleitet. Die Digitali­ sierung des Signals erfolgt mit großem softwaremäßigem Aufwand im Mikro­ prozessor selbst. Es müssen sowohl empfangene. Signale mit sehr kleiner Amplitude (Detektion eines Hindernisses im Fernbereich) als auch Signale mit einer starken Amplitude (Detektion des Hindernisses im Nahbereich des Kraftfahrzeuges) erkannt und digitalisiert werden.

Aus Lobjinski, M.: Meßtechnik mit Mikrocomputern, zweite Auflage, R. Ol­ denbourg Verlag München Wien 1990, Seiten 124-146 ist eine Abstands­ messung mittels Ultraschallwandlern bekannt, bei welchen die von einer Empfangseinheit empfangenen Echosignale von dieser derartig aufbereitet werden, daß das auszuwertende Signal eine gleiche Amplitude unabhängig vom Abstand aufweist. Von diesem Stand der Technik geht die Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 aus. Die Verwendung eines Mikroprozessors für eine solche Amplitudenanpas­ sung ist sehr kostenintensiv und unter dem Aspekt der Massenproduktion einer solchen Sensorelektronik nicht ausreichend rentabel.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde eine Schaltungsanordnung zum Betreiben eines Abstandssensors der eingangs genannten Art anzugeben, welche eine digitale Si­ gnalübertragung sowohl vom Steuergerät zur Sensorelektronik als auch von der Sensorelektronik zum Steuergerät zurück unter den Bedingungen der Massenproduktion ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Patentan­ spruchs 1 gelöst.

Die Erfindung hat somit den Vorteil, daß alle Signale, welche vom Ab­ standssensor an die Empfangseinheit weitergeführt werden, unabhängig von ihrer Amplitude zuverlässig ausgewertet und digitalisiert werden können, so daß eine digitale Signalübertragung sowohl vom Steuergerät zur Sensore­ lektronik als auch von der Sensorelektronik zum Steuergerät zurück möglich ist.

Durch die Verwendung von an sich bekannten Kompander/Expander- Schaltkreisen kann in der Sensorelektonik selbst ein starker Amplitudenun­ terschied zwischen den Echosignalen, die von nahen bzw. fernen Objekten erzeugt werden, minimiert werden. Das gleiche gilt für die Amplitudenunter­ schiede, welche durch unterschiedliche Reflektionseigenschaften der Hin­ dernisse erzeugt werden.

Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind in den Unteran­ sprüchen angegeben.

Die vom Abstandssensor empfangenen Signale sind über einen Vorverstär­ ker auf die Einrichtung zur Amplitudenanpassung geführt.

Fig. 3: Signalverlauf der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.

Für gleiche Merkmale werden gleiche Bezugszeichen verwendet.

Dem Vorverstärker ist dabei ein Selektivverstärker zur Störgeräuschunter­ drückung nachgeschaltet. Sowohl der Vorverstärker als auch der Selektiv­ verstärker nehmen eine Verstärkung der vom Sensor empfangenen Signale vor. Zu einer besseren Störgeräuschunterdrückung ist der Vorverstärker fre­ quenzselektiv ausgeführt.

Vorteilhafterweise ist der Abstandssensor mit einer von einem Frequenzer­ zeuger der Sendeeinheit erzeugten Frequenz beaufschlagt, wobei der Fre­ quenzerzeuger von der Auswerteeinheit angesteuert wird.

Die vorgeschlagene Schaltungsanordnung ist einfach mit Standardbaustei­ nen zu realisieren, wodurch eine zuverlässige Digitalisierung des Sensorsi­ gnals erreichbar ist.

In einer Weiterbildung steuert die Auswerteeinheit den Frequenzerzeuger über ein Zeitglied, wodurch für eine bestimmte Zeit die erzeugte Frequenz auf die Sendeendstufe weitergeleitet wird.

Der Frequenzerzeuger ist über eine Sendeendstufe mit dem Abstandssensor verbunden, wobei die Sendeendstufe mit einem Übertrager zur Erhöhung der Sendeleistung des Abstandssensors verbunden ist.

Vorteilhafterweise sind alle Bauelemente, die zur Ansteuerung des Ab­ standssensors und zur Auswertung der Echosignale dienen im Sensor selbst angeordnet. Damit ist ein Aufbau der Schaltung mit preisgünstigen diskreten Standardbauelementen möglich. Auch ist eine einfache Anpassung der er­ findungsgemäßen Schaltungsanordnung an unterschiedliche Anforderungen leicht möglich.

Die Erfindung läßt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon soll an­ hand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden.

Es zeigt:

Fig. 1: Anordnung zur Bestimmung des Abstandes zwischen einem Hinder­ nis und einem Kraftfahrzeug,

Fig. 2: Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, Gemäß Fig. 1 sind an der rückseitigen Stoßstange eines Kraftfahrzeuges K vier Ultraschallwandler 1, 2, 3, 4 in solchen Abständen angeordnet, daß der rückwärtige Kraftfahrzeugbereich vollständig und zuverlässig auf Hindernisse A detektiert werden kann. Vorzugsweise wird ein gleichmäßiger Abstand der Sensoren gewählt. Eine solche Anordnung wird als Rückfahr- und Einparkhil­ fe genutzt. Die Ultraschallwandler 1 und 4 sind dabei annähernd am Rand­ bereich der Stoßstange montiert.

Die verwendeten piezoelektrischen Ultraschallgeber 1, 2, 3, 4 dienen sowohl als Sender als auch als Empfänger. Eine im Kraftfahrzeug angeordnete Steuereinheit 7, welche vorzugsweise ein Mikroprozessor ist, ist über Sende- 5 und Empfangsleitungen 6 mit der Elektronik jedes der Ultraschallgeber 1, 2, 3, 4 verbunden. Der Mikroprozessor 7 weist dabei eine Ein- und Ausga­ beeinheit 8, eine zentrale Recheneinheit 9 sowie einen Arbeitsspeicher 10 und einen Festwertspeicher 11 auf.

Die Steuereinheit 7 ist mit einer Anzeigeeinrichtung 12 verbunden, welche üblicherweise ein Lautsprecher und/oder eine optische Einrichtung ist, die bei Annäherung des Kraftfahrzeuges an ein Hindernis ein Warnsignal abgibt.

Die im folgenden beschriebene Sensorelektronik ist für alle vier Ultraschall­ sensoren 1, 2, 3, 4 identisch. Im weiteren wird sich daher nur auf die Elek­ tronik des Sensors 1 beschränkt.

Wie Fig. 2 zu entnehmen ist, weist die Sensorelektronik eine Sendeeinheit 13 und eine Empfangseinheit 14 auf. Die Sendeeinheit 13 erzeugt auf An­ forderung durch das Steuergerät 7 einen Frequenz-Puls mit für den piezo­ elektrischen Ultraschallwandler 1 geeigneter Frequenz und Amplitude. Die Anforderung des Steuergerätes 7 wird über die Leitung 5 an eine Eingangs­ schutzeinrichtung 15 der Sendeeinheit 13 geführt, wobei die Sendeanforde­ rung durch das Steuergerät 7 durch einen kurzen Spannungseinbruch der Versorgungsspannung Ub des Sensors 1 realisiert wird. Von diesem Span­ nungseinbruch wird ein Zeitglied 16, insbesondere ein Monoflop getriggert, welches mit der Eingangsschutzeinrichtung 15 verbunden ist.

Die Frequenzpulserzeugung selbst erfolgt in einer Oszillatorschaltung 17, vorzugsweise einem R-C oder Quarz-Oszillator mit einer Arbeitsfrequenz, die an die Resonanzfrequenz des Ultraschallwandlers 1 angepaßt ist. Bei Freigabe durch das Zeitglied 16 wird die erzeugte Frequenz auf eine Sende­ endstufe 18 weitergeleitet.

Die Sendeendstufe 18 besteht aus einer transistorisierten Endstufe mit nachgeschaltetem Übertrager. Die Endstufe kann als "A-Endstufe" (open Kollektor) oder als Gegentakt-Endstufe ausgeführt sein, wobei die Verwen­ dung einer Gegentakt-Endstufe durch besseren Wirkungsgrad vorteilhaft ist.

Der Ausgangsübertrager transformiert die Ausgangsspannung der Transi­ stor-Endstufe auf einen höheren Wert, um die Sendeleistung des Ultra­ schallsensors 1 zu erhöhen.

Die Empfangseinheit 14 besteht aus einer rauscharmen Transistorstufe 19, einer Selektiv-Verstärkerstufe 20, einem Kompander/Expander-Schaltkreis 21 (z. B. Philips NE 571) sowie einer Ausgangsstufe 22 mit Digitalisierung.

Die Transistorstufe 19 nimmt eine rauscharme Vorverstärkung der von dem Ultraschallwandler 1 empfangenen Echosignale vor. Der Transistorstufe 19 vorgeschaltet ist eine Spannungsbegrenzung, die eine Zerstörung bzw. star­ ke Übersteuerung der Vorstufe durch die während dem Sendeimpuls am Ultraschallwandler 1 anliegende Spannung verhindert.

Der sich an die Transistorstufe 19 anschließende Selektiv-Vorverstärker 20 nimmt eine weitere Verstärkung des Echosignals vor. Diese Verstärkung ist frequenzselektiv ausgeführt, was zu einer besseren Störgeräuschunterdrüc­ kung führt. Diese Selektivstufe ist vorzugsweise mit einem LC-Selektivkreis oder mit RC-T Filter (π-Filtern) ausgeführt. Die Mittenfrequenz des Selektiv­ kreises 20 ist an die Sendefrequenz (Arbeitsfrequenz) des Ultraschallwand­ lers 1 angepaßt.

Der Ausgang der Selektiv-Verstärkerstufe 20 führt auf den Kompan­ der/Expander-Schaltkreis 21, welcher die Echosignale unterschiedlicher Amplitude hinsichtlich ihrer Amplitude nivelliert. Am Ausgang des Expan­ der/Kompander-Schaltkreises stehen Echosignale, die alle die gleiche Amplitude aufweisen. Die so aufbereiteten Signale werden zur Digitalisierung an die Ausgangsstufe 22 geführt. Diese Ausgangsstufe 22 erzeugt digitale Signale mit einer definierten minimalen Dauer und stellt diese Signale über eine geeignete Schnittstelle (open Kollektor) über die Leitung 6 an das Steu­ ergerät 7 im Kraftfahrzeug zur Verfügung.

Mit Hilfe von Fig. 3 soll die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Schal­ tungsanordnung am Signalverlauf erläutert werden. Eine am Ultraschallsen­ sor 1, 2, 3, 4 konstant anliegende Versorgungsspannung Ub fällt aufgrund der Sendeanforderung durch das Steuergerät 7 im Kraftfahrzeug K kurzzeitig ab (Fig. 5a). Am Ultraschallwandler 1, 2, 3, 4 wird auf die rückwärtige Flan­ ke des Abfalls der Versorgungsspannung Ub ein Impuls erzeugt und ausge­ sendet (Fig. 5b). Gemäß Punkt c wird vom Ultraschallsensor 1, 2, 3, 4 die vom Hindernis A reflektierten Echos in Form von Impulsen, die abfallende Amplituden aufweisen, empfangen und an die Empfangsschaltung 14 weiter­ gegeben. An dem Ausgang des Sensors 1, 2, 3, 4 (Fig. 5d) liegt ein digitali­ siertes Signal an, welches trotz unterschiedlicher Amplituden der Echoimpul­ se des empfangen Signales ein konstantes Niveau aufweist. Im Steuergerät 7 des Kraftfahrzeuges K wird aus der Laufzeit der Vorderflanke des ersten Ausgangssignals des Sensors 1, 2, 3, 4 und der Vorderflanke des Aus­ gangssignals des Sensors 1, 2, 3, 4, welches dem ersten Echo entspricht, der Abstand des Hindernisses A zum Kraftfahrzeug K berechnet. Dies erfolgt nach der allgemein bekannten Formel s = ¹/₂ . v . t, wobei v die Schallge­ schwindigkeit darstellt. Bei einem Abstand von einem Meter vom Kraftfahr­ zeug benötigt das Echo eine Laufzeit von 6,8 ms.

Claims (7)

1. Schaltungsanordnung zum Betreiben eines Abstandssensors, insbeson­ dere für einen Ultraschallsensor, bestehend aus einer Sende- und einer Empfangseinheit, die beide mit einer Auswerteeinheit verbunden sind, und die Auswerteeinheit eine Vorrichtung zur Amplitudenanpassung des vom Sensor empfangen Signals aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Amplitudenanpassung (21) eine Kompan­ der/Expander-Anordnung ist, welche Signale gleicher Amplitude an eine Ausgangsstufe (22) führt, die die von ihr erzeugten digitalen Signale an die Auswerteeinheit (7) überträgt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß vom Abstandssensor (1, 2, 3, 4) empfangene Signale über einen Vorver­ stärker (19) auf die Einrichtung zur Amplitudenanpassung (21) geführt sind.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Vorverstärker (19) ein Selektivverstärker (20) zur Störgeräusch­ unterdrückung nachgeschaltet ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Selektivverstärker (20) frequenzselektiv ausgeführt ist.

5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Abstandssensor (1, 2, 3, 4) mit einer von einem Frequenzerzeuger (17) der Sendeeinheit (13) erzeugten Frequenz beaufschlagt wird, wobei der Frequenzerzeuger (17) von der Auswerte­ einheit (7) angesteuert wird.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit (7) den Frequenzerzeuger (17) über ein Zeitglied (16) ansteuert.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die Frequenzerzeuger (17) über eine Sendeendstufe (18) mit dem Abstandssensor (1, 2, 3, 4) verbunden ist, wobei die Sendeendstufe (18) mit einem Übertrager zur Erhöhung der Sendeleistung des Ab­ standssensors (1, 2, 3, 4) verbunden ist.