DE19721835A1 - Schaltungsanordnung zum Betreiben eines Abstandssensors, insbesondere eines Ultraschallsensors - Google Patents

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.