DE19721835A1 - Schaltungsanordnung zum Betreiben eines Abstandssensors, insbesondere eines Ultraschallsensors - Google Patents
Schaltungsanordnung zum Betreiben eines Abstandssensors, insbesondere eines UltraschallsensorsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betreiben eines Ab
standssensors, insbesondere eines Ultraschallsensors, bestehend aus einer
Sende- und einer Empfangseinheit, die beide mit einer Auswerteeinheit ver
bunden sind.
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.
Bei bekannten Anordnungen wird eine Sensorelektronik von einem im
Kraftfahrzeug befindlichen Steuergerät zur Abgabe eines Sensorsignals ver
anlaßt. Das vom Sensor empfangene Signal wird in einer Auswerteschal
tung, welche einen Mikroprozessor enthält digitalisiert und an das Steuerge
rät weitergeleitet. Die Digitalisierung des Signals erfolgt mit großem softwa
remäßigem Aufwand im Mikroprozessor selbst. So werden die sehr kleinen
vom Sensor empfangen Signale softwaremäßig aufbereitet. Es müssen so
wohl empfangene Signale mit sehr kleiner Amplitude (Detektion eines Hin
dernisses im Fernbereich) als auch Signale mit einer starken Amplitude
(Detektion des Hindernisses des Kraftfahrzeuges) erkannt und digitalisiert
werden.
Die Verwendung eines Mikroprozessors für diesen speziellen Anwendungs
fall 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 anzugeben, welche eine zuverlässige
Verarbeitung aller vom Hindernis reflektierten Signale unabhängig von der
Intensität des Signals erlaubt.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die von dem Ab
standssensor an die Empfangseinheit abgegebene Signale mittels einer in
der Empfangseinheit vorhanden Aufbereitungseinrichtung derart aufbereitet
werden, daß nur solche Sensorsignale digitalisiert werden, die einen vom
Sensorsignal abhängigen Schwellwert überschreiten. Vorteilhafterweise wird
der Schwellwert dem Sensorsignal nachgeführt.
Die Erfindung hat somit den Vorteil, daß alle Signale welche vom Ab
standssensors an die Empfangseinheit weitergeführt werden, unabhängig
von ihrer Amplitude und Frequenz zuverlässig ausgewertet und digitalisiert
werden können, so daß eine digitale Signalübertragung sowohl vom Steuer
gerät zur Sensorelektronik als auch von der Sensorelektronik zum Steuerge
rät zurück möglich ist.
In einer Ausgestaltung ist die Aufbereitungseinrichtung eine Komparatorstu
fe, deren Referenzwert in Abhängigkeit des Sensorsignals nachgeführt wird.
Durch den Vergleich der Echosignale mit einem definierten Wert wird sicher
gestellt, daß nur relevante Signale zur Digitalisierung gelangen. Bei starken
Echosignalen wird die Vergleichsschwelle angehoben, was zu einer
rauscharmen Detektierung von Objekten im Nahbereich des Abstandssen
sors führt.
In einer Ausgestaltung ist die Komparatorstufe mit einer Ausgangsstufe zur
Digitalisierung des Sensorsignals verbunden.
Die vom Abstandssensor empfangenen Signale sind über einen Vorverstär
ker auf die Aufbereitungseinrichtung geführt. Dem Vorverstärker ist dabei ein
Selektivverstärker zur Störgeräuschunterdrückung nachgeschaltet. Sowohl
der Vorverstärker als auch der Selektivverstärker nehmen eine Verstärkung
der vom Sensor empfangenen Signale vor. Zu einer besseren Störge
räuschunterdrückung ist der Vorverstärker frequenzselektiv 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 vorgeschla
gene Schaltungsanordnung ist einfach mit Standartbausteinen zu realisieren,
wodurch einer zuverlässige Digitalisierung des Sensorsignals erreichbar ist.
In einer Weiterbildung steuert die Auswerteeinheit die 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 Hin
dernis und einem Kraftfahrzeug,
Fig. 2 Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
Fig. 3 erstes Ausführungsbeispiel für Komparator mit nachgeführter Schalt
schwelle,
Fig. 4 zweites Ausführungsbeispiel für einen Komparator mit nachgeführter
Schaltschwelle,
Fig. 5 Signalverlauf der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
Für gleiche Merkmale werden gleiche Bezugszeichen verwendet.
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 geführt, wobei die Sendeanforderung durch das Steu
ergerät 7 durch einen kurzen Spannungseinbruch der Versorgungsspannung
Ub des Sensors 1 realisiert wird. Von dieser Sendeanforderung wird ein
Zeitglied 16, insbesondere ein Monoflop getriggert, welches mit der Ein
gangsschutzeinrichtung 15 verbunden ist.
Die Frequenzpulserzeugung selbst erfolgt in einer Oszillatorschaltung 17,
vorzugsweise ein R-C oder Quarz-Oszillator mit einer Arbeitsfrequenz, die
an die Resonanzfrequenz des Ultraschallwandlers 1 angepaßt ist. Bei Frei
gabe 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, einer Komparator-Schaltung 21 sowie ei
ner 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
Piezo-Schwinger 1 an liegende 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 Filtern (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 eine Komparatorstufe
21, welche die so verstärkten Echosignale mit einem definierten Wert ver
gleicht, so daß nur relevante Signale zur Digitalisierung gelangen. Die Kom
paratorstufe 21 wird mit einer dem Echosignal nachgeführten Schaltschwelle
Ref aufgebaut, was zu einer besseren Detektierung von Objekten im Nahbe
reich des Ultraschallwandlers 1 führt.
Eine Ausgangsstufe 22 erzeugt aus den Signalen der Komparatorstufe 21
digitale Signale mit einer definierten minimalen Dauer und stellt diese Signa
le über eine geeignete Schnittstelle (open Kollektor) über die Leitung 6 an
das Steuergerät 7 im Kraftfahrzeug zur Verfügung.
In Fig. 3 und 4 sind zwei Möglichkeiten der Gestaltung des nachführbaren
Schwellwertes an der Komparatorstufe dargestellt.
Gemäß Fig. 3 ist ein Spannungsteiler R1, R2 mit seinem Mittelabgriff an
den nichtinvertierenden Eingang des Komparators 23 geführt. Der Wider
stand R1 ist weiterhin mit der Betriebsspannung Ub und der Widerstand R2
mit Masse verbunden. Somit wird ein fester Spannungswert am nichtinvertie
renden Eingang des Komparators 23 festgelegt. Der nichtinvertierende Ein
gang ist weiterhin mit einem Kondensator C1 verbunden, welcher gleichzeitig
an Masse führt. Über die Diode D1, welche mit dem über die Leitung 24 an
dem invertierenden Eingang des Komparators anliegenden Sensorsignal
verbunden ist, wird je nach Phasenlage der Kondensator C1 aufgeladen
oder entladen. Dadurch wird in Abhängigkeit des Sensorsignales die durch
das Widerstandsnetzwerk R1 und R2 fest eingestellte Spannung angeho
ben.
Während des Sendebetriebs, d. h. bei Aussenden eines Sendeimpuls durch
die Sendeeinheit 13, liegt gleichzeitig an der Empfangseinheit 14 eine hohe
Spannung an, wodurch der Kondensator C1 voll aufgeladen wird, was zur
Anhebung des Schwellwertes auf einen Höchstwert führt. Die Kondensator
spannung klingt in einem zeitlich festgelegten Verhalten während des Emp
fangsbetriebes auf einen Nominalwert ab, d. h. der Schwellwert wird zeitlich
nachgeführt.
Alternativ ist in Fig. 4 ein Widerstand R1 zwischen Betriebsspannung Ub
und dem nichtinvertierenden Eingang des Komparators 23 geschaltet. Auch
hier ist weiterhin die Diode D1 und der Kondensator C1 in der schon be
schriebenen Art und Weise mit dem nichtinvertierenden Eingang des Kom
perators 23 verbunden. Das Sensorsignal 24 ist dabei sowohl mit dem inver
tierenden Eingang des Komperators 23 als auch mit der Diode D1 verbun
den. Die Nachführung der Schaltschwelle erfolgt wie unter Fig. 3 beschrie
ben.
Mit Hilfe von Fig. 5 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 werden vom Ultraschallsensor 1, 2, 3, 4 die
vom Hindernis A reflektierten Echos in Form von Impulsen empfangen und
an die Empfangsschaltung 14 weitergegeben. An dem Ausgang des Sensors
1, 2, 3, 4 (Fig. 5d) liegt ein digitalisiertes Signal an, welches trotz unter
schiedlicher Amplituden der Echoimpulse des empfangen Signales ein kon
stantes 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 Ausgangssignals 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 For
mel s = ½.v.t, wobei v die Schallgeschwindigkeit darstellt. Bei einem Ab
stand von einem Meter vom Kraftfahrzeug benötigt das Echo ein Laufzeit
von 6,8 ms.
Claims (10)
1. Schaltungsanordnung zum Betreiben eines Abstandssensors, insbeson
dere eines Ultraschallsensors, bestehend aus einer Sende- und einer
digitale Ausgangssignale erzeugenden Empfangseinheit, die beide mit
einer Auswerteeinrichtung verbunden sind, dadurch gekennzeichnet,
daß die von dem Abstandssensor (1, 2, 3, 4) an die Empfangseinheit
(14) abgegebenen Signale mittels einer in der Empfangseinheit (14) vor
handenen Signalaufbereitungseinrichtung (21) derart aufbereitet werden,
daß nur solche Sensorsignale digitalisiert werden, die einen vom Sen
sorsignal abhängigen Schwellwert überschreiten.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Schwellwert dem Sensorsignal nachgeführt wird.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeich
net, daß die Signalaufbereitungseinrichtung (21) eine Komparatorstufe
ist, deren Referenzwert in Abhängigkeit des Sensorsignales nachgeführt
wird.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3 dadurch gekenn
zeichnet, daß die Komparatorstufe (21) mit einer Ausgangsstufe (22) zur
Digitalisierung des Sensorsignales verbunden ist.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet daß
vom Abstandssensor (1, 2, 3, 4) empfangene Signale über einen Vor
verstärker (19) auf die Signalaufbereitungseinrichtung (21) geführt ist.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
dem Vorverstärker (19) ein Selektivverstärker (20) zur Störgeräusch
unterdrückung nachgeschaltet ist.
7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
der Selektivverstärker (20) frequenzselektiv ausgeführt ist.
8. 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 Fre
quenz beaufschlagt wird, wobei der Frequenzerzeuger (17) von der
Auswerteeinheit (7) angesteuert wird.
9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet daß
die Auswerteeinheit (7) den Frequenzerzeuger (17) über ein Zeitglied
(16) steuert.
10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeich
net, daß der 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) ausgebildet ist.
Priority Applications (1)
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DE19721835A DE19721835C2 (de) | 1997-05-24 | 1997-05-24 | Schaltungsanordnung zum Betreiben eines Abstandssensors, insbesondere eines Ultraschallsensors |
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DE19721835C2 DE19721835C2 (de) | 2001-03-01 |
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