專利名稱：二線三態(tài)泊車輔助裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種利用超聲波反射的定位或存在檢測系統(tǒng)，尤其是涉及一種采用二線 三態(tài)數字通訊的泊車輔助裝置。
背景技術：
汽車用超聲波泊車輔助系統(tǒng)是通過由主機控制具有收發(fā)雙功能的超聲波傳感器發(fā)射超 聲波信號，并接收被汽車后面或前面的障礙物反射回來的同頻超聲波信號。主機通過判斷超 聲波被發(fā)送和接收的時間差來判斷汽車周圍的障礙物距離，主機通過聲音報警或者距離顯示 等方式來提醒駕駛人員，起到輔助安全駕駛的目的。
超聲波泊車輔助系統(tǒng)一般由一組傳感器1、主機2、聲音報警單元3、距離顯示單元4和電源及汽車接口 5 (各種總線或數據線連接)等部分組成(參見圖1)。其中距離顯示單元 4是可選的，在有些簡易系統(tǒng)中不設距離顯示單元。傳感器1的個數對于不同的系統(tǒng)有差異， 一般要求至少2個。傳感器的個數越多，系統(tǒng)性能更優(yōu)越，盲區(qū)越少。
傳感器都要求布在汽車的車身外側， 一般在前后保險桿上，而主機設在車身內部。由于 傳感器的個數比較多而且比較分散，這樣傳感器和主機的信號傳輸和電源饋電會變得比較復 雜。目前普遍存在的設計方案有以下幾種
1) 直接連接
具體方式是在傳感器內沒有任何電子電路，只有壓電陶瓷片，所有超聲波發(fā)射電路和接 收電路都在主機內部，主機和傳感器的連接采用屏蔽線。其優(yōu)點是系統(tǒng)設計簡單；其缺點是 由于傳感器返回的超聲波信號很弱，雖然用了屏蔽線但是還是很容易受到干擾，系統(tǒng)穩(wěn)定性、 一致性不好。
2) 四線制
具體方式是在傳感器內增加超聲波發(fā)射和接收放大電路。采用電源、地線、主機到傳感 器信號線，傳感器到主機信號線4根線的連接方式，采用普通導線連接。其優(yōu)點是系統(tǒng)抗干 擾性能有一定的提高，缺點是采用線束過多，布線復雜，成本增加。
3) 三線制
具體方式是在四線制的基礎上作了改進，將主機到傳感器和傳感器到主機的兩根線合并
為一根線。其優(yōu)點是比四線制簡化了線束。但因為數據線是雙向的，有兩種實現方式。 一種 方式是在傳感器內增加MCU來實現，帶來成本增加；另一種方式是傳感器回波信號采用模 擬信號傳輸，容易受干擾，系統(tǒng)穩(wěn)定性差。
4) 二線制
具體方式是在三線制的基礎上電源線和數據線共用一條線。其優(yōu)點是整車線束比較簡 單。傳感器回波信號采用模擬傳輸，系統(tǒng)抗干擾性能較差。
由此可見，上述現有的設計方案在系統(tǒng)穩(wěn)定性或者成本等方面都存在一些缺陷。低成本 和高穩(wěn)定性是汽車電子行業(yè)一直追求的設計目標。
有關汽車倒車或泊車的報警、距離顯示等裝置已有不少報道。
公開號為CN1598614的發(fā)明專利申請中提供一種車輛倒車告警系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用安裝在 CPU內部能夠根據輸入程序常數值產生各種基準電壓值的內置式可編程基準電壓模塊，完全 檢測出需要告警的障礙物并準確檢測出無須告警的障礙物。
公開號為CN1818714的發(fā)明專利申請中提供一種汽車倒車雷達，包括控制主機、 一或 多個探頭，主機包括電源穩(wěn)壓電路，主機中，中心處理器連接超聲發(fā)射電路和超聲接收電路， 每路超聲發(fā)射電路包括發(fā)射信號轉換器、發(fā)射信號放大器、與傳輸線的A端相連接的發(fā)射疊 加器，超聲接收電路包括電子開關和回波處理電路。倒車雷達還包括傳感器組件，其包括發(fā) 射分離器和發(fā)射信號升壓器，傳輸線的B端連接發(fā)射分離器，而探頭連接發(fā)射信號升壓器， 還包括回波疊加器和回波選頻預放大器，超聲接收電路包括連接在傳輸線A端和電子開關之 間的回波分離電路。
公告號為CN2202678的實用新型專利提供一種主動式汽車倒車的雷達裝置，由電源電 路、前置放大電路、濾波及諧振放大電路、射極跟隨及限幅器電路、鎖相環(huán)電路、中央控制 部分及輔助、報警電路、超聲波發(fā)生及功率驅動電路、模擬開關電路、升壓電路和自增益控 制電路組成，它采用高集成度的中央CPU控制，用1個超聲波傳感器完成超聲波信號的反 射和反射波檢測，通過計算反射波到達時間來確定障礙物距離。
發(fā)明內容
本實用新型的目的是為了解決上述現有的設計方案在系統(tǒng)穩(wěn)定性或者成本等方面所存 在的一些缺陷，克服現有系統(tǒng)中多線制線束復雜和模擬信號傳輸時抗干擾性能差的缺點，提 供一種可解決泊車輔助系統(tǒng)中低成本和高穩(wěn)定性的矛盾，采用二線三態(tài)全數字傳輸設計方案 的二線三態(tài)泊車輔助裝置。
本實用新型的技術方案是傳感器的電源線和通訊線采用復用的方式共用一根普通的傳
輸線，與地線一共是兩根線，數據通訊方式采用三態(tài)數字編碼方式，分別用高電位、中電位 和低電位3種不同電位表示饋電態(tài)、接收態(tài)和控制態(tài)3種不同的狀態(tài)。
所述的3種不同電位為
1. 高電位表示主機向傳感器饋電，稱為饋電態(tài)。
2. 中電位表示傳感器接收的信號回傳給主機，稱為接收態(tài)。
3. 低電位表示主機控制傳感器發(fā)射超聲波，稱為控制態(tài)。 本實用新型設有主機、傳感器和傳輸線。
主機用于控制傳感器發(fā)射特定頻率的超聲波，處理傳感器的回波，判斷障礙物的距離。
主機設有控制與接收部分和聲音報警部分，控制與接收部分設有傳感器饋電電路、主機 發(fā)射電路、單片機、三態(tài)電平提取電路和回波處理電路。主機發(fā)射電路的輸入端接單片機， 主機發(fā)射電路的輸出端分別與三態(tài)電平提取電路和傳感器饋電電路連接，主機發(fā)射電路的輸 出端通過信號線與傳感器連接，三態(tài)電平提取電路的輸出端接回波處理電路的輸入端，回波 處理電路的輸出端接單片機。
傳感器在主機控制下發(fā)射超聲波，并且將接收到的超聲波經過傳感器內部電路處理成三 態(tài)數字信號回傳給主機。
傳感器設有電源電路、收發(fā)信號隔離電路、發(fā)射驅動電路、壓電陶瓷傳感器、接收放大 電路、數字信號轉換電路和三態(tài)信號驅動電路。電源電路的輸入端分別與收發(fā)信號隔離電路 的輸入端和三態(tài)信號驅動電路的輸出端連接，電源電路的輸入端通過信號線與主機連接，收 發(fā)信號隔離電路的輸出端與發(fā)射驅動電路的輸入端連接，發(fā)射驅動電路的輸出端與壓電陶瓷 傳感器連接，壓電陶瓷傳感器的輸出端接接收放大電路的輸入端，接收放大電路的輸出端接 數字信號轉換電路的輸入端，數字信號轉換電路的輸出端接三態(tài)信號驅動電路的輸入端。
主機到傳感器的饋電線、主機與傳感器之間通訊的信號線采用復用的方式共用一根傳輸 線，與地線一共是2根線。信號線上傳輸信號采用三態(tài)數字編碼信號，三態(tài)數字編碼信號分 別用高電位、中電位和低電位3種不同電位表示饋電態(tài)、接收態(tài)和控制態(tài)3種不同的狀態(tài)。 高電位表示主機向傳感器饋電，為饋電態(tài)；中電位表示傳感器接收的信號回傳給主機，為接 收態(tài)；低電位表示主機控制傳感器發(fā)射超聲波，為控制態(tài)。由傳感器到主機的回波信號的電 壓幅度接近恒定，不會隨著障礙物的距離而變化。
所述的主機可設有距離顯示電路和通訊裝置。
與現有的泊車輔助系統(tǒng)相比，本實用新型具有以下突出優(yōu)點。
1.回波信號電壓幅度基本恒定(例如1V)，不隨障礙物的遠近發(fā)生變化。
2. 傳感器與主機連接采用兩根連接線，系統(tǒng)連接簡單，成本低。
3. 系統(tǒng)間各部件傳輸采用三態(tài)數字傳輸，系統(tǒng)抗干擾性強。
圖1為現有的汽車泊車輔助系統(tǒng)結構框圖。
圖2為本實用新型實施例的電路組成框圖。
圖3為本實用新型實施例的信號線上的電壓波形示意圖。
圖4為本實用新型實施例采用4個傳感器帶總線通訊應用示例組成框圖。
圖5為圖4的實際電壓波形圖。
圖6為本實用新型實施例的電路組成原理圖。
具體實施方式
以下實施例將結合附圖對本實用新型作進一步的說明。 參見圖2，本實用新型設有主機101、傳感器102和傳輸線103。
主機101設有饋電電路111、主機發(fā)射電路112、單片機113、三態(tài)電平提取電路114 和回波處理電路115。主機發(fā)射電路112的輸入端接單片機113，主機發(fā)射電路112的輸出 端分別與三態(tài)電平提取電路114和傳感器饋電電路111連接，三態(tài)電平提取電路114的輸出 端接回波處理電路115的輸入端，回波處理電路115的輸出端接單片機113。
傳感器102設有電源電路122、收發(fā)信號隔離電路124、發(fā)射驅動電路125、壓電陶瓷傳 感器128、接收放大電路127、數字信號轉換電路126和三態(tài)信號驅動電路123。電源電路 122的輸入端分別與收發(fā)信號隔離電路124的輸入端和三態(tài)信號驅動電路123的輸出端連接， 電源電路122的輸入端同時通過傳輸線(即主機的信號線)103與主機101連接。收發(fā)信號 隔離電路124的輸出端與發(fā)射驅動電路125的輸入端連接，發(fā)射驅動電路125的輸出端與壓 電陶瓷傳感器128連接。壓電陶瓷傳感器128的輸出端與接收放大電路127輸入端連接，接 收放大電路127的輸出端接三態(tài)信號驅動電路123的輸入端。
傳感器102的電源線和通訊線與主機101的信號線共用1根傳輸線103，主機101通過 信號線(即傳輸線103)給傳感器102提供工作電源。
在饋電態(tài)，主機通過饋電電路持續(xù)向傳感器供電，傳輸線上呈高電位。 在控制態(tài)，主機輸出低電位控制傳感器發(fā)射超聲波，傳輸線上呈低電位。 在接收態(tài)，傳感器輸出中間電位給主機，表示傳感器有接收到反射的超聲波信號，傳輸 線上呈中電位。
參見圖2和3，接收和發(fā)射電路分布在主機和傳感器內，通過傳輸線103和地線104來
連接兩部分電路，傳輸線103即為電源線，也是數據通訊線(即信號線)。單片機113輸出 發(fā)射控制信號，該信號由主機發(fā)射電路112轉換成控制態(tài)，即傳輸線上的電壓小于V2 (參 見圖3)。該電壓信號通過傳輸線103傳輸到傳感器，收發(fā)信號隔離電路124提取超聲波發(fā) 射控制信號，觸發(fā)發(fā)射驅動電路125驅動壓電陶瓷傳感器128向外發(fā)送超聲波，完成了從控 制器即單片機113發(fā)出發(fā)射控制命令到傳感器發(fā)射的一個過程。
壓電陶瓷傳感器128接收到反射的超聲波信號后轉換成微弱的電壓信號，該電壓信號經 接收放大電路127和數字信號轉換電路126后輸出數字信號。該數字信號經三態(tài)信號驅動電 路123轉換成接收態(tài)電壓，也就是電壓在V,和V2之間。該信號經傳輸線103傳輸到主機， 經三態(tài)電平提取電路114提取接收到超聲波信號，該信號經過回波處理電路115后處理成單 片機113易于處理的信號到單片機113處理，該過程完成了一次超聲波信號接收的過程。
當信號線(即傳輸線103)上沒有數據信號時，處于饋電狀態(tài)。饋電電路111給傳感器 提供電源。
傳感器內的信號提取電路124是用來提取超聲波控制信號，提取到的超聲波控制信號 觸發(fā)超聲波發(fā)射電路驅動壓電陶瓷發(fā)射超聲波。所以該提取電路要能很好地屏蔽其他信號， 不引起誤發(fā)射。
圖3給出本實用新型實施例的信號線上的電壓波形，高電位、中電位和低電位3種不同 電位為
1. 高電位A:當電壓大于Vi時，表示主機向傳感器饋電，稱為饋電態(tài)。
2. 中電位B:當電壓在V,與V2之間，表示傳感器接收的信號回傳給主機，稱為接收態(tài)。
3. 低電位C:當電壓小于V2時，表示主機控制傳感器發(fā)射超聲波，稱為控制態(tài)。 在圖3中，地電位為D。
圖4給出一個帶4個傳感器，系統(tǒng)與整車通訊采用CAN總線的一個泊車系統(tǒng)的接線圖， 由于采用了兩線制，簡化了系統(tǒng)的布線。系統(tǒng)由內含發(fā)聲部件的主機201， 4個傳感器202、 203、 204、 205和系統(tǒng)線束206組成。系統(tǒng)電源由電源正端221和電源負端222來提供電源， CAN通訊線231、 232用來與整車數據通訊。傳感器信號線211、 212、 213、 214負責主機 和傳感器信號傳輸和傳感器電源提供。4個傳感器地線連接在一起后通過1根線連接到主機 內部。
圖4的實際工作波形參見圖5的波形301。當電壓大于門限電壓321時，處于饋電態(tài)， 如圖5中的波形313。當電壓在門限321和322之間時，處于接收態(tài)，如圖5中的波形312
和314。當電壓低于門限322時，處于控制態(tài)，如圖5中的波形311。
由于壓電陶瓷超聲波傳感器的特性，在發(fā)射完超聲波信號后壓電陶瓷片還存在微弱的機
械振動，該振動也會認為是接收到超聲波信號，稱此為傳感器余震。波形312就是傳感器發(fā)
射超聲波信號后的余震。
波形314是由傳感器發(fā)射的超聲波信號遇到障礙物反射回來被傳感接收的信號。主機硬
件電路提取該障礙物信號并由軟件來根據超聲波發(fā)射時間和反射波接收時間差來計算障礙
物的距離，其計算公式為
L = vt/2
式中，L是障礙物離傳感器的距離，v是超聲波在空氣中傳播的速度，t是發(fā)射超聲波到接收 到反射波的時間差，就是311和314的時間差。
圖6給出一個應用實例，在圖6中只畫出一個傳感器通道，其他通道類似。
在控制主機電路中，電阻R4作為饋電電路111，電阻R2與R3和三極管Ql組成主機 發(fā)射電路U2。三態(tài)電平提取電路114由比較器U1A和其他外圍元器件組成。電阻R7與 R8和電容C1組成分壓電路，產生三態(tài)電平提取電路114的參考電壓值?；夭ㄌ幚黼娐?15 由電阻R1和電容Cll組成。
傳感器內二極管Dl和電容C4與C5構成傳感器電源電路122。信號收發(fā)隔離電路124 采用穩(wěn)壓二極管ZD1來實現，三極管Q3，中周變壓器T1，電阻R12、 R16、 R19以及電容 C10構成發(fā)射驅動電路125。放大器U2A和反饋電阻R17及外圍電路構成接收放大電路127。 放大器U2B、電阻Rll與R13以及電容C6構成數字信號轉換電路126。三極管Q2和電阻 R9構成三態(tài)信號驅動電路123。接收到回波的電壓由主機內的饋電電阻R4和傳感器內的電 阻R9分壓得到。
當需要發(fā)射超聲波時，單片機輸出固定頻率的方波信號驅動三極管。當單片機輸出高電 平時，三極管Q1導通，傳輸線上處于低電平，為控制態(tài)；當單片機輸出低電平時，三極管 Ql截止，傳輸線上處于高電平，為控制態(tài)，傳輸線上得到如圖5所示的波形311，此波形為 發(fā)射控制信號。當傳輸線上為低電平時(控制態(tài))通過ZD1和R16驅動三極管Q3導通， VCC向C10充電；當傳輸線上為高電平時(饋電態(tài))三極管Q3截止，電容C10通過電阻 R19放電。C10的充放電電流通過中周變壓器的初級線圈，該信號經過變壓器升壓后驅動超 聲波傳感器發(fā)射超聲波。
當接收到反射回來的超聲波時，超聲波傳感器產生微弱的電信號，該電信號經過接收放 大電路127放大后到數字信號轉換電路126轉換成數字信號。當數字信號為高電平時，通過 電阻R10驅動三極管Q2導通，+12V電源電壓經過R4、 R9和Q2到地。傳輸線上的電壓為R4和R9分壓得到的中間電壓，為接收態(tài)。當數字信號為低電平時，三極管Q2截止，傳輸 線上是高電壓為饋電態(tài)。傳輸線上得到如圖5中的波形314，此波形為接收到超聲波回波信 號在傳輸線上的波形。該信號波形經過三態(tài)電平提取電路取出回波信號，經回波處理電路整 形后送單片機輸入口 。單片機通過判斷發(fā)射超聲波和接收到反射回來超聲波的時間差來計算 障礙物離傳感器的距離。
圖6中的主要元器件的參考型號與參考數值參見表1。
表1
編號參考型號或參考參數編號參考型號或參考參數
Rl電阻10K歐姆R20電阻1K歐姆
R2電阻4.7K歐姆Cl陶瓷電容10nF
R3電阻4.7K歐姆C2陶瓷電容10nF
R4電阻470歐姆C3陶瓷電容10nF
R5電阻10K歐姆C4鋁電解電容470uF
R6電阻10K歐姆C5陶瓷電容100nF
R7電阻15K歐姆C6陶瓷電容10nF
R8電阻10K歐姆C7陶瓷電容10nF
R9電阻470歐姆C8陶瓷電容10nF
R10電阻4.7K歐姆C9陶瓷電容lnF
Rll電阻20K歐姆C10陶瓷電容150nF
R12電阻4.7K歐姆Cll陶瓷電容10nF
R13電阻22K歐姆QlPNP三極管2SC1623
R14電阻20K歐姆Q2PNP三極管2SC1623
R15電阻20K歐姆Q3NPN三極管2SA1162
R16電阻1K歐姆Ul比較器LM2903
R17電阻1M歐姆U2放大器OP292
R18電阻1K歐姆ZD17V穩(wěn)壓管
R19電阻100歐姆Tl1:40升壓變壓器
權利要求1.二線三態(tài)泊車輔助裝置，其特征在于設有主機、傳感器和傳輸線；主機用于控制傳感器發(fā)射特定頻率的超聲波，處理傳感器的回波，判斷障礙物的距離；主機設有傳感器饋電電路、主機發(fā)射電路、單片機、三態(tài)電平提取電路和回波處理電路，機發(fā)射電路的輸入端接單片機，主機發(fā)射電路的輸出端分別與三態(tài)電平提取電路和傳感器饋電電路連接，主機發(fā)射電路的輸出端通過信號線與傳感器連接，三態(tài)電平提取電路的輸出端接回波處理電路的輸入端，回波處理電路的輸出端接單片機；傳感器用于在主機控制下發(fā)射超聲波，將接收到的超聲波經過傳感器內部電路處理成三態(tài)數字信號回傳給主機；傳感器設有電源電路、收發(fā)信號隔離電路、發(fā)射驅動電路、壓電陶瓷傳感器、接收放大電路、數字信號轉換電路和三態(tài)信號驅動電路，電源電路的輸入端分別與收發(fā)信號隔離電路的輸入端和三態(tài)信號驅動電路的輸出端連接，電源電路的輸入端通過信號線與主機連接，收發(fā)信號隔離電路的輸出端與發(fā)射驅動電路的輸入端連接，發(fā)射驅動電路的輸出端與壓電陶瓷傳感器連接，壓電陶瓷傳感器的輸出端接接收放大電路的輸入端，接收放大電路的輸出端接數字信號轉換電路的輸入端，數字信號轉換電路的輸出端接三態(tài)信號驅動電路的輸入端；主機到傳感器的饋電線、主機與傳感器之間通訊的信號線共用一根傳輸線。
2. 如權利要求1所述的二線三態(tài)泊車輔助裝置，其特征在于主機到傳感器的饋電線、 主機與傳感器之間通訊的信號線采用復用的方式共用一根傳輸線，與地線一共是2根線。
3. 如權利要求1所述的二線三態(tài)泊車輔助裝置，其特征在于信號線上傳輸信號釆用三 態(tài)數字編碼信號。
4. 如權利要求3所述的二線三態(tài)泊車輔助裝置，其特征在于所述的三態(tài)數字編碼信號 分別用高電位、中電位和低電位3種不同電位表示饋電態(tài)、接收態(tài)和控制態(tài)3種不同的狀態(tài)。
5. 如權利要求4所述的二線三態(tài)泊車輔助裝置，其特征在于所述的高電位表示主機向 傳感器饋電，為饋電態(tài)；中電位表示傳感器接收的信號回傳給主機，為接收態(tài)；低電位表示 主機控制傳感器發(fā)射超聲波，為控制態(tài)。
6. 如權利要求1所述的二線三態(tài)泊車輔助裝置，其特征在于所述的主機設有距離顯示 電路和通訊裝置。
專利摘要二線三態(tài)泊車輔助裝置，涉及一種利用超聲波反射的定位或存在檢測系統(tǒng)。提供一種可解決泊車輔助系統(tǒng)中低成本和高穩(wěn)定性的矛盾，采用二線三態(tài)全數字傳輸設計方案的二線三態(tài)泊車輔助裝置。設有主機、傳感器和傳輸線；主機設有傳感器饋電電路、主機發(fā)射電路、單片機、三態(tài)電平提取電路和回波處理電路。傳感器設有電源電路、收發(fā)信號隔離電路、發(fā)射驅動電路、壓電陶瓷傳感器、接收放大電路、數字信號轉換電路和三態(tài)信號驅動電路，主機到傳感器的饋電線、主機與傳感器之間通訊的信號線共用一根傳輸線。
文檔編號G01S15/08GK201075129SQ20072000749
公開日2008年6月18日 申請日期2007年6月29日 優(yōu)先權日2007年6月29日
發(fā)明者嚴日騫, 劉丁陽, 肖作裕, 陳舜榮, 黃誠標 申請人:廈門吉致電子有限公司