November 2014

Referenzdesign für platzsparende Ultraschall-Abstandsmess-Systeme

Abstand halten!

ELMOS Semiconductor hat gemeinsam mit TDK ein Referenzdesign für einen kompakten Ultrasonic Parking Assistant entwickelt. Das System warnt den Fahrer beim Einparken vor der Berührung von Hindernissen. Neben dem ELMOS Chipsatz sorgt ein EPCOS Übertrager der EP6 Serie für die Anpassung des Ultraschallsignals an die Impedanz des Transducers.

Herzstück des Ultrasonic Parking Assistant (UPA) ist der ­ELMOS Chip der Serie E524.1x. Der Chip beinhaltet die gesamte Elektronik für die Erzeugung des Ultraschallsignals sowie die Auswertung des Echos. Dies erfolgt über einen A/D-Wandler, einen integrierten Microcontroller sowie ein EEPROM. Als Ein-Chip-Lösung realisiert, fällt das UPA-Modul besonders kompakt aus. Die Abmessungen des 20-poligen BSC-Gehäuses liegen bei nur 5 × 5 mm2 mit einer Bauhöhe von 0,9 mm. Die Chip-Sätze der Serie E524.1x sind für Betriebsspannungen im Bereich zwischen 7 V DC und 18 V DC ausgelegt und können Transducer mit Strömen von bis zu 496 mA treiben. Über eine zusätzlich integrierte LIN2.1-Schnittstelle (Local Interconnect Network) kommuniziert das UPA-Modul mit dem Bordnetz. Der UPA ist für die Abstandsmessung im Bereich zwischen 15 cm und 500 cm ausgelegt. Der Arbeitstemperaturbereich erstreckt sich von –40 °C bis +105 °C.

In dem neuen Referenzdesign wird für das Senden und Empfangen des Ultraschallsignals ein Piezo­Transducer eingesetzt. Die Frequenz der Ul­traschallimpulse kann zwischen 30 kHz und 80 kHz programmiert werden. Eine sehr präzise Auswertung der empfangenen Signale wird durch die digitale Filterung ermöglicht. Somit erübrigt sich die aufwendige Kalibrierung und ein Trimmen externer Bauelemente. Optional ist auch eine Temperaturkompensation über die GPIO-Pins (General Purpose Input Output) des Chips möglich. Da in einem System-ROM bereits die wichtigsten Routinen abgelegt sind, ist die Inbetriebnahme des Demo-Boards besonders einfach. Zum Lieferumfang des Demo-Boards gehören ein LIN-USB-Konverter sowie die Software, die auf PCs mit dem Betriebssystem Windows installiert werden kann.

Dank der hohen Integrationsdichte kommt dieses Design, im Vergleich zu bisherigen Lösungen, mit relativ wenig externen, diskreten Bauelementen aus. Dadurch bietet das Ein-Chip-Modul nicht nur kompakte Abmessungen, sondern auch eine größere Zuverlässigkeit sowie Vorteile bei Beschaffung und Logistik. Abbildung 1 zeigt das prinzipielle Design mit den wichtigsten Bauelementen.

Abbildung 1: Schaltbild des Referenzdesigns zur Abstandsmessung mit Ultraschall

Da alle erforderlichen Funktionen einschließlich der Busanbindung in einem einzigen Chipsatz realisiert sind, ist die äußere Beschaltung auf ein Minimum reduziert.

Das wichtigste Bauelement neben dem Chipsatz ist der EPCOS Übertrager TR1 mit der Bestellnummer B78416A2232A003 (Abbildung 2). Der EP6-Typ in SMD-Ausführung mit Ferritkern sorgt für die Anpassung des vom Chip abgegebenen Ultraschallsignals an die Impedanz des Transducers. Um ein symmetrisches Signal zu erzeugen, werden die Ausgänge DRV1 und DRV2 abwechselnd auf Masse geschaltet. Aus diesem Grund ist die Primärwicklung des Übertragers symmetrisch mit einer Mittelanzapfung ausgeführt. Diese Anzapfung ist mit einer lokalen Energiereserve (RSUP_TD, CSUP_TD) verbunden.

Das Übersetzungsverhältnis des EPCOS Übertragers liegt bei 1:1:8,82 und ist damit optimal an die Impedanz des Transducers angepasst. Die Induktivität der Sekundärwicklung beträgt 3 mH (52 kHz, 1 V, 25 °C) und die elektrischen Eigenschaften dieses Übertragers sind speziell auf den ELMOS Chip abgestimmt. Aufgrund der kompakten Bauweise setzt die EPCOS EP6-Plattform inzwischen einen weltweiten Standard in der Ultraschalltechnik für die Abstandsmessung. Das Übersetzungsverhältnis und die Impedanzen können auf alle gängigen Transducer angepasst werden.

Abbildung 2: EPCOS EP6-Übertrager für Ultraschall-Anwendungen

Der EPCOS Übertrager für Ultraschall-Anwendungen hat Abmessungen von nur 7,6 × 8,8 × 7,1 mm3 und erlaubt sehr platzsparende Designs. Dank der Kapselung ist das Bauelement mechanisch sehr robust und für den Einsatz in der Automobil-Elektronik geeignet.

Einfache Entstörung für den LIN-Bus

Der ELMOS Chip besitzt eine direkte Schnittstelle zum LIN-Bus und ist kompatibel zum neuesten Standard. LIN ist speziell für die kostengünstige Kommunikation intelligenter Sensoren und Aktoren in Kraftfahrzeugen konzipiert. Das Netzwerk kommt dort zum Einsatz, wo die Bandbreite und Vielseitigkeit von CAN oder FlexRay nicht benötigt wird. Das Prinzip von LIN besteht aus einer Master-Slave-Architektur mit einem Master und bis zu 16 Slaves. Die maximale Übertragungsrate des asynchronen seriellen Si­gnals liegt bei 20 kbit/s, die Spannungslevel liegen bei 0,7 V DC und 12 V DC. Da LIN nicht im differentiellen Modus betrieben wird, so wie CAN oder FlexRay, sind Gleichtaktstörungen ausgeschlossen. Dennoch muss auch bei diesem Bussystem eine ausreichende Störunterdrückung erfolgen. Diese kann kostengünstig mit Einzelinduktivitäten realisiert werden.

Hierfür eignen sich etwa die TDK Induktivitäten der Serien NLV25 und NLCV25. Sie sind in einem Induktivitätsspektrum von 0,1 µH bis 100 µH und für Temperaturen von –40 °C bis +105 °C verfügbar. Diese Bauelemente haben Abmessungen von 2,5 × 2,0 × 1,8 mm3. Auch EPCOS Induktivitäten der Serie SIMID 1812 bzw. 1210 können eingesetzt werden. Sie sind mit Induktivitätswerten von 0,0082 µH bis 1000 µH verfügbar und halten Temperaturen bis maximal 145 °C stand.

Speziell zur Entstörung der Stromversorgungsleitungen wurden neue TDK 3-Leiter-Durchführungsfilter entwickelt. Die neuen robusten Bauelemente sind in den Gehäusegrößen EIA 0603 (1,6 × 0,8 mm²) bis EIA 1206 (3,2 × 1,6 mm²) verfügbar. Sie decken ein Kapazitätsspektrum von 22 pF bis 1 µF bei Nennspannungen von 10 V bis 100 V ab, sind für Temperaturen von bis zu 125 °C ausgelegt und bieten eine hohe Stromtragfähigkeit von bis zu 10 A.

Das beschriebene Referenzdesign eignet sich nicht nur für Einparkhilfen von Fahrzeugen, es kann auch in Industrieanwendungen wie Füllstandsmessungen von Flüssigkeiten oder Pulvern und Granulaten verwendet werden. Auch in der Robotik ergeben sich für diese kompakte Ein-Chip-Schaltung zur Abstandsmessung vielfältige Einsatzmöglichkeiten.

Abbildung 3: ELMOS-Demo-Board zur Abstandsmessung

Zum Lieferumfang des Demo-Boards gehören ein LIN-USB-Konverter sowie die Software, die auf PCs mit dem Betriebssystem Windows installiert werden kann.

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