教你用超聲波傳感器玩轉(zhuǎn)停車輔助和入侵檢測(cè)報(bào)警設(shè)計(jì)

多年以來，超聲波傳感器在乘用車上應(yīng)用廣泛如超聲波停車輔助可幫助車輛在低速停車時(shí)檢測(cè)周圍物體。此外，踢腳開啟后備箱和入侵檢測(cè)報(bào)警則是超聲波傳感器的兩個(gè)新興應(yīng)用。如圖1所示。本文將為您詳細(xì)解釋這三種應(yīng)用為何以及如何使用超聲波傳感器。

圖1：用于乘用車中的超聲波傳感器

超聲波停車輔助系統(tǒng)

超聲波停車輔助也被稱為停車輔助系統(tǒng)、停車引導(dǎo)系統(tǒng)和倒車輔助。這些系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)從簡(jiǎn)單地檢測(cè)周圍物體并通過聲音警示駕駛員，到幾乎沒有人為操作的自動(dòng)停車。通常，這些系統(tǒng)擁有4-16個(gè)感應(yīng)器，巧妙地圍繞車身安裝，以提供所需的檢測(cè)覆蓋，如圖2所示。

圖2：使用PGA460-Q1的超聲波停車輔助星型配置

設(shè)計(jì)這些類型應(yīng)用的工程師應(yīng)尋求驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器（發(fā)射器）的集成電路，同時(shí)接收、調(diào)節(jié)和處理確定物體與車輛距離的超聲回波。例如，PGA460-Q1能夠可靠地檢測(cè)距離最遠(yuǎn)為5米的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）桿（用于超聲波停車輔助的聚氯乙烯（PVC）管作為性能標(biāo)準(zhǔn)）。該器件還通過了嚴(yán)格的靜電放電（ESD）和大電流注入（BCI）測(cè)試，即在進(jìn)行超聲波停車輔助系統(tǒng)開發(fā)時(shí)的常規(guī)測(cè)試。

由于原始設(shè)備制造商（OEMs）面臨每輛車需要增加超聲波感應(yīng)器數(shù)量的需求，超聲波停車輔助的成本壓力將在未來數(shù)年持續(xù)增加。而PGA460-Q1則能夠?yàn)楦弋a(chǎn)量的一級(jí)供應(yīng)商提供具有競(jìng)爭(zhēng)力的成本結(jié)構(gòu)。

超聲波停車輔助模塊的常見要求，包括：

從30厘米到5米的物體檢測(cè)的能力。

時(shí)間指令接口（TCI）或者從模塊連接到局部電子控制單元或直接連接到車身控制模塊（BCM）（總線配置）的局域互連網(wǎng)絡(luò)（LIN）通信。

為滿足自動(dòng)駕駛汽車的需求，短距離和長(zhǎng)距離物體檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)將變得更加嚴(yán)格。從2025年開始，超聲波模塊將必須能夠檢測(cè)距離在10厘米到7米的物體。半導(dǎo)體供應(yīng)商在模擬前端（AFE）敏感度和驅(qū)動(dòng)方法的改進(jìn)對(duì)于滿足這些檢測(cè)距離的要求至關(guān)重要。

TCI和LIN是當(dāng)今超聲波停車輔助系統(tǒng)中最常見的兩種通信接口。然而，隨著汽車高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）視覺處理能力的提高，預(yù)計(jì)外圍感應(yīng)器接口（PSI）5、分布式系統(tǒng)接口（DSI）3或控制器局域網(wǎng)（CAN）等更高速協(xié)議將被應(yīng)用來傳送大量的超聲回波數(shù)據(jù)。

踢腳開啟后備箱

踢腳開啟后備箱也稱為智能后備箱開啟系統(tǒng)。該功能使車主將腳放在后保險(xiǎn)杠下方，無需使用雙手，僅需踢腳動(dòng)作就能打開汽車后備箱，如圖3所示。

圖3：踢腳開啟后備箱

傳統(tǒng)的踢腳開啟后備箱系統(tǒng)使用位于保險(xiǎn)杠底部的電容式感應(yīng)條。但許多汽車一級(jí)供應(yīng)商正在探索使用超聲波感應(yīng)技術(shù)在這一應(yīng)用上，一些系統(tǒng)已經(jīng)批量生產(chǎn)。與電容式感應(yīng)相比，超聲波感應(yīng)的優(yōu)勢(shì)是在污垢和水等環(huán)境因素影響下的可靠性和堅(jiān)固性，電容式感應(yīng)對(duì)環(huán)境因素非常敏感，如果車身被弄臟，該功能可能就無法正常使用。

針對(duì)踢腳開啟系統(tǒng)的超聲波解決方案常見要求包括：

從15厘米到1米處檢測(cè)物體的能力

低靜態(tài)電流

在12V汽車電池供電下正常工作

讓我們逐一介紹這些要求。

距離15厘米到1米的物體檢測(cè)

使用超聲波感應(yīng)技術(shù)于踢腳開啟后備箱的挑戰(zhàn)之一是近距離檢測(cè)范圍。超聲波感應(yīng)器精確檢測(cè)近場(chǎng)物體的能力取決于感應(yīng)器的質(zhì)量和傳感器的規(guī)格、驅(qū)動(dòng)方法和設(shè)計(jì)以及接收路徑（AFE和數(shù)字處理）的性能。

高品質(zhì)的傳感器，如Murata的MA58MF14-7N，在傳感器激發(fā)階段具有更穩(wěn)定可靠的衰減或“振鈴”。通過選擇高品質(zhì)的傳感器，可以減少衰減的時(shí)間長(zhǎng)度，更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)衰減的穩(wěn)定性。

傳感器驅(qū)動(dòng)器的方法和設(shè)計(jì)將顯著影響超聲波衰減周期和曲線。在需要近場(chǎng)性能的踢腳開啟后備箱應(yīng)用中，TI建議使用變壓器驅(qū)動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖4是使用PGA460-Q1的變壓器驅(qū)動(dòng)原理圖示例。

圖4：PGA460-Q1變壓器驅(qū)動(dòng)原理圖

當(dāng)使用變壓器增加電源電壓激活傳感器時(shí)，衰減曲線更加穩(wěn)定可測(cè)，使得近距離物體檢測(cè)性能更優(yōu)。

最后，AFE和數(shù)字處理的性能也會(huì)影響近距離和遠(yuǎn)距離的物體檢測(cè)。例如，PGA460-Q1具有低噪聲放大器，配有可編程時(shí)變?cè)鲆婕?jí)，嵌入12位逐次逼近寄存器模數(shù)轉(zhuǎn)換器。低噪聲放大器可以減少接收信號(hào)的噪聲，并且可編程增益放大器的時(shí)變?cè)鲆嫣匦钥梢詫?shí)現(xiàn)對(duì)近場(chǎng)物體應(yīng)用較小增益和對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)物體檢測(cè)應(yīng)用較大增益。您可以將寄存器中的增益曲線設(shè)置存儲(chǔ)在電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器（EEPROM）中。

低靜態(tài)電流

由于踢腳開啟超聲波感應(yīng)器必須在汽車熄火的情況下運(yùn)行，所以系統(tǒng)靜態(tài)電流很重要，是OEM很關(guān)注的性能。PGA460-Q1具有?500μA電流消耗的睡眠模式，可以間歇地使用該模式，使整個(gè)系統(tǒng)的電流消耗達(dá)到必要水平。

在12V汽車電池供電下正常工作

PGA460-Q1器件用于從6V至28V的輸入電壓范圍工作。在踢腳開啟后備箱應(yīng)用中，PGA460-Q1器件直接連接到汽車電池。適當(dāng)?shù)耐獠拷M件保護(hù)措施，例如瞬態(tài)電壓抑制（TVS）二極管有助于保護(hù)器件免受電池瞬態(tài)和反向電池電流的影響。

入侵檢測(cè)報(bào)警

在歐洲，入侵檢測(cè)報(bào)警是消費(fèi)者在購(gòu)車時(shí)的可選設(shè)備或在購(gòu)車后安裝。當(dāng)汽車熄火和?？繒r(shí)，這些報(bào)警器將使用超聲波感應(yīng)器來檢測(cè)車內(nèi)的任何移動(dòng)。該報(bào)警用作主報(bào)警系統(tǒng)的后備系統(tǒng)，如果兒童或?qū)櫸镌谲噧?nèi)移動(dòng)，也會(huì)發(fā)出報(bào)警。根據(jù)由于已經(jīng)有附加的防盜和安全保障，消費(fèi)者時(shí)常會(huì)因其車輛擁有這項(xiàng)功能而獲得保險(xiǎn)折扣。

大多數(shù)系統(tǒng)使用一到兩個(gè)超聲波發(fā)射器和一到兩個(gè)接收器。超聲波感應(yīng)器如PGA460-Q1可以驅(qū)動(dòng)和接收一個(gè)發(fā)射器和一個(gè)接收器，因此可能需要一到兩個(gè)PGA460-Q1器件。

總結(jié)

盡管這三種應(yīng)用場(chǎng)景是最常使用超聲波感應(yīng)器，一級(jí)供應(yīng)商和原始設(shè)備制造商還在開發(fā)鷗翼車門，盲點(diǎn)偵測(cè)系統(tǒng)以及前向主動(dòng)避撞系統(tǒng)等附加應(yīng)用。你還了解其他使用超聲波感應(yīng)器的汽車應(yīng)用嗎？請(qǐng)?jiān)谙路皆u(píng)論。