CN108351403A - 基于核心独立***设备的超声波近程感测***设备 - Google Patents

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Abstract

使用微控制器中的核心独立***设备CIP的集合来实施近程感测功能，而在中央处理器的操作期间无对所述中央处理器的软件开销。脉冲宽度调制PWM***设备生成对超声波发射换能器作用达短持续时间的高频率驱动信号。超声波接收换能器在积分时间窗期间接收反射的超声波脉冲。检测所述接收的脉冲且将其积分为电压值。比较所述积分的电压值和先前的平均电压值，且如果不同，那么生成物体的近程感测信号。还可从所述电压值确定所述物体的方向、距离及速度。

Description

基于核心独立***设备的超声波近程感测***设备
相关专利申请案
本申请案主张2016年3月3日申请的第62/302,933号共同拥有的美国临时专利申请案及2016年9月28日申请的第15/278,984号美国专利申请案的优先权，所述两个申请案出于所有目的而以引用的方式并入本文中。
技术领域
本发明涉及微控制器或***芯片中的***装置，且特定来说，涉及用于近程感测***设备的核心独立***装置。
背景技术
通常，近程感测(检测)***使用被动红外(PIR)检测来确定何时存在物体。PIR检测器的敏感度在高温环境下会减小。当间歇地覆盖IR源时可能会发生误触发。PIR感测***仅报告热能级变化(可能会遗漏静坐着的人)。PIR近程感测***无法提供关于物体的范围的信息。
发明内容
因此，需要一种节省成本且可利用微控制器实施的较佳近程感测方法、***及设备。
根据实施例，一种用于超声波近程感测的方法可包括以下步骤：提供微控制器，所述微控制器具有中央处理器及存储器，及多个核心独立***设备(CIP)，所述多个CIP可包括模/数转换器(ADC)、可配置逻辑单元(CLC)、数据信号调制器(DSM)、硬件限制定时器(HLT)、固定电压参考(FVR)、运算放大器(OPA)、脉冲宽度调制生成器(PWM)及定时器计数器寄存器(TMR)；将超声波发射换能器耦合到所述DSM；及将超声波接收换能器耦合到接收OPA；从所述DSM生成将从所述超声波发射换能器作为超声波脉冲发射的信号；利用所述超声波接收换能器接收反射的超声波脉冲且生成到所述接收OPA的接收信号；利用振幅调制检测器检测所述接收的信号；将所述检测的接收的信号积分为电压值；比较所述电压值和先前电压值；及当所述电压值可不同于所述先前电压值时，生成近程感测信号。
根据所述方法的另外实施例，可包括在积分时间窗内仅对所述检测的信号积分的步骤，其中所述积分时间窗表示物体的距离范围。根据所述方法的另外实施例，所述积分时间窗的开始及停止时间可为可编程的。
根据所述方法的另外实施例，可包括以下步骤：在多个不同积分时间窗内对所述检测的信号积分以产生表示所述不同积分时间窗中的每一者的多个电压值；比较所述多个电压值和表示所述不同积分时间窗中的每一者的多个先前电压值；及当所述多个电压值中的任何一或多者可不同于表示所述不同积分时间窗中的每一者的所述多个先前电压值中的相应者时，生成近程感测信号。
根据所述方法的另外实施例，可包括以下步骤：确定哪些所述积分时间窗可具有近程感测信号；以时间顺序确定可生成哪些所述近程感测信号及其对应积分时间窗；及在时间上比较与第一积分时间窗相关联的第一近程感测信号和与第二积分时间窗相关联的第二近程感测信号，所述第一积分时间窗表示位于较近位置处的物体的近程检测，且所述第二积分时间窗表示位于较远位置处的所述物体的近程检测；其中如果所述第一近程感测信号出现在所述第二近程感测信号之前，那么所述物体可正在移开，且如果所述第二近程感测信号出现在所述第一近程感测信号之前，那么所述物体可正在移近。
根据所述方法的另外实施例，可包括从所述第一近程感测信号与所述第二近程感测信号之间的时间确定所述物体的速度的步骤。根据所述方法的另外实施例，可包括从与表示所述物体的大致距离的积分时间窗相关联的近程感测信号确定所述物体的所述大致距离的步骤。根据所述方法的另外实施例，所述电压值可利用ADC来取样且经存储为其数字表示。
根据另一实施例，一种超声波近程感测装置可包括：微控制器，其可包括中央处理器及存储器，及多个核心独立***设备(CIP)，所述多个CIP可包括模/数转换器(ADC)、可配置逻辑单元(CLC)、数据信号调制器(DSM)、硬件限制定时器(HLT)、固定电压参考(FVR)、运算放大器(OPA)、可编程斜坡生成器(PRG)、脉冲宽度调制生成器(PWM)及定时器计数器寄存器(TMR)；超声波发射换能器，其耦合到所述DSM；及超声波接收换能器，其耦合到接收OPA；其中所述选定CIP可经配置以生成将从所述超声波发射换能器作为超声波脉冲发射的信号，利用所述超声波接收换能器接收表示反射的超声波脉冲的信号，检测所述接收的信号，将所述检测的信号积分为电压值，取样所述电压值，将所述取样的电压值存储为目前电压值，比较所述目前电压值和先前存储的平均电压值，及当所述目前电压值可不同于所述先前存储的平均电压值时，生成近程感测信号。
根据另外实施例，所述CIP生成所述超声波脉冲信号，接收及检测所述反射的超声波脉冲信号，且存储所述目前电压值，而无来自所述微控制器的所述中央处理器的干预。根据另外实施例，所述CLC的逻辑功能可选自由以下各者组成的群组：触发器、NOR门、NAND门、XNOR门、AND门、OR门及XOR门。根据另外实施例，所述CLC包括所述逻辑功能中的至少两者。
根据另外实施例，来自所述DSM的输出可耦合到所述超声波发射换能器；所述PWM可耦合到所述DSM的第一输入；第一CLC可经配置为RS触发器且可具有耦合到所述DSM的第二输入的输出；且第一TMR可具有耦合到所述DSM的所述输出的输入，及耦合到所述第一CLC的复位输入的输出；其中开始信号可耦合到所述第一CLC的设置输入，借此每当所述开始信号可被断言时就可生成超声波脉冲，且所述超声波脉冲可具有由所述第一TMR确定的脉冲持续时间。
根据另外实施例，可包括：峰值电压检测器，其耦合到所述接收OPA的输出；及电压积分器，其具有耦合到所述峰值电压检测器的输出的第一输入及耦合到FVR的第二输入，其中当来自所述峰值电压检测器的电压可大于来自所述FVR的参考电压时，所述电压值增大。
根据另外实施例，所述超声波脉冲可在40kHz下具有从约40个周期到约200个周期的脉冲持续时间。根据另外实施例，所述微控制器可位于单个集成电路封装中。根据另外实施例，所述超声波发射换能器可为至少一个超声波发射换能器，且所述超声波接收换能器可为多个超声波接收换能器。根据另外实施例，所述至少一个超声波发射换能器及所述多个超声波接收换能器可布置在一区域中以进行最佳超声波近程感测操作。根据另外实施例，所述微控制器可在感测至少一个物体的近程之后重新配置成超声波测距装置。根据另外实施例，所述检测的反射的超声波脉冲中的某些超声波脉冲在出现在积分时间窗内时可被积分。根据另外实施例，所述积分时间窗的开始及停止时间可为可编程的。
根据又一实施例，一种微控制器可包括：中央处理单元及存储器；及可配置逻辑单元模块，其经配置以提供第一RS触发器及第二RS触发器、第一定时器及第二定时器、数据信号调制器(DSM)、模/数转换器(ADC)、第一运算放大器、电压参考模块及脉冲宽度调制(PWM)单元；其中所述微控制器可经配置使得PWM信号可馈送到所述DSM，所述DSM生成馈送到外部引脚及所述第一定时器的时钟输入的输出PWM信号，所述第一定时器的输出可馈送到所述第一SR触发器的复位输入，所述第一SR触发器在其设置输入处接收开始信号且提供可反馈到所述DSM的输出信号；其中所述开始信号可进一步馈送到所述第二SR触发器的复位输入，所述第二SR触发器的输出触发所述第二定时器控制所述ADC；且其中所述第一运算放大器可经配置为从超声波接收器接收输出信号且从所述电压参考模块接收电压参考的积分器。
根据另外实施例，所述第一SR触发器的所述输出信号可馈送到可设置所述第二SR触发器且可保持及释放所述积分器的操作的单次定时器。根据另外实施例，可包括可经配置以放大来自所述超声波接收器的输出信号的第二运算放大器。
附图说明
可通过参考结合随图进行下文描述来获得对本发明的更完整理解，其中：
图1说明包括具有多个核心独立***设备(CIP)装置的微控制器的超声波测距***的示意框图；
图2说明根据本发明的特定实例实施例的包括具有多个核心独立***设备(CIP)装置的微控制器的超声波近程感测***的示意框图；
图3说明包括图2中所展示的超声波近程感测装置的微控制器集成电路封装的示意框图；
图4说明根据本发明的教示的接收的超声波能量的积分过程的示意图；
图5说明根据本发明的教示的使用延迟及缩短的积分时间窗进行的接收的超声波能量的积分过程的示意图；
图6说明根据本发明的另一特定实例实施例的与布置在一区域中的多个超声波换能器耦合的近程感测***设备的示意平面图；及
图7说明根据本发明的教示的包括核心独立***设备(CIP)及其可编程互连件的微控制器集成电路封装的示意框图。
虽然本发明容许各种修改及替代形式，但本发明的特定实例实施例已在附图中展示且在本文中详细地描述。然而，应理解，本文中的特定实例实施例的描述并非旨在将本发明限于本文中所揭示的特定形式。
具体实施方式
微控制器是通常包括中央处理单元、存储器、多个输入/输出端口及各种***装置的***芯片。特定来说，可提供各种所谓核心独立***设备(CIP)装置，例如可配置逻辑单元、互补波形/输出生成器、数控振荡器及可编程切换模式控制器。这些装置是由本申请案的受让人制造的微控制器中可用的独特***设备。这些独特***设备允许嵌入式装置工程师简化其设计且创建更富创造性的应用及产品。
核心独立***设备(CIP)是微控制器中无需微控制器的中央处理单元(CPU)支持其操作的***装置，同时可使用CPU来初始化及配置此类***装置。因此，一旦此类CIP装置例如是由CPU配置及开始，CIP装置便独立操作且释放CPU核心的处理能力以用于其它任务。例如，计数器一旦被触发便开始独立于CPU而计数，直接存储器存取控制器在无CPU干预的情况下执行从/到存储器的块传送等等。使用CIP会减少部件计数、制造成本且增加产品的可靠性及通用性。许多产品极大地受益于此类成本节省、增加的通用性及可靠性。一种此类产品可用于超声波近程感测应用。
在第15/278,984号共同拥有的美国专利申请案中，使用微控制器中的核心独立***设备(CIP)的集合来实施测距功能。例如，可使用脉冲宽度调制(PWM)***设备来生成高频率驱动信号，使用计数器来设置PWM驱动信号(脉冲)的持续时间，且使用耦合到比较器的第二定时器来测量从测距信号的物体接收回反射所花费的时间。总的来说，测距***设备允许用户设置位以开始测距，且在测距测量已完成时接收中断。设计的替代方面允许时间相依返回脉冲检测敏感度及/或增益调整。上述可配置超声波测距***设备不会在微控制器中的中央处理器的操作期间用光所述中央处理器的软件开销。超声波测距***设备将芯片上资源用于其大多数功能，且因此需要极少外部组件。超声波测距***设备的设置及遗忘性质可基于以下各者：基于CIP的定时器、信号生成器，及可配置逻辑单元(CLC)。
根据本文中所揭示的各种实施例，超声波近程***可使用超声波发射区段。接收区段可使用积分器来代替比较器。在超声波发射脉冲之后，随着时间的推移而平均化接收器处的超声波能量以得到用于例如房间或外壳的区域的声学指纹机。可使用ADC将结果转换成数字表示，且比较所述结果和用于所述区域(例如房间或外壳)的先前存储的平均近程签章，如果目前值不同于先前近程签章，那么可触发近程警报(例如中断)。因为所述区域中的任何新物体(汽车、卡车等等)或主体(人、动物等等)将改变所述区域的声学，尤其是改变反射及/或吸收超声波，所以接收器中的声学能量的所得积分将改变(增大或减小)。因此，由ADC转换的积分值将不同于先前存储的积分值，由此触发(所述区域、房间或外壳中)近程处的人或新物体的检测。
此类***可生成40kHz到60kHz的声脉冲。对最强超声波能量脉冲的发射与接收之间的时序定时。其它反射太弱或太迟以致无法被测量。人往往会吸收声音而非反射声音。由人携带的一些材料确实反射声音。
正如在例如第15/278,984号共同拥有的美国专利申请案的超声波测距***中一样生成超声波能量脉冲。由积分器替换定时器及阈值比较器。积分器可收集所有能量脉冲返回以创建所述区域的超声波反射指纹。随着物体(例如人、动物、车辆等等)在所述区域中移动，其通过吸收或反射各种超声波前来改变反射。可比较所得超声波反射累积和存储的运行平均值。
根据各种实施例，可使用具有可配置逻辑单元(CLC)模块的微控制器来实施此类超声波近程感测***。例如，可使用由本申请案的受让人制造的包括如上所述的核心独立***设备的相应微控制器。根据各种实施例，CLC模块可包括可配置逻辑单元，所述可配置逻辑单元取决于其配置而提供为SR触发器、J-K触发器、D锁存器、包含AND、OR、XOR等等的各种逻辑门组合。多个此类单元，例如四个单元，可包含在微控制器中且相应可配置单元可经级联以提供一或多个所要逻辑功能。微控制器可进一步包括定时器、数据信号调制器(DSM)模块、运算放大器及PWM模块。
现在参考附图，示意地说明实例实施例的细节。将由相同数字表示附图中的相同元件，且将由具有不同小写字母后缀的相同数字表示类似元件。
参考图1，描绘包括具有多个核心独立***设备(CIP)装置的微控制器的超声波测距装置的示意框图。如在第15/278,984号共同拥有的美国专利申请案中更完整地所描述；微控制器100可包括多个核心独立***设备(CIP)装置，例如但不限制于以下***设备：数据信号调制器(DSM)104、固定电压参考(FVR)110、运算放大器(OPA)112、比较器(CMP)114、硬件限制定时器(HLT)116及122、可配置逻辑单元(CLC)118及126、脉冲宽度调制(PWM)生成器120、捕获比较脉冲宽度调制(CCP)128，及定时器计数器寄存器(TMR)130。所述CLC可包括例如但不限制于四个模块；其中每一模块可经配置为触发器及/或各种逻辑组合，例如NOR、NAND、XNOR、AND、OR、XOR及其它门等等。用户可选择各种内部及外部信号以将输入信号提供给这些模块。输出信号可在内部使用及/或耦合到微控制器100的外部节点(引脚)180到194。此类逻辑核心独立***设备(CIP)允许在无需额外外部装置的情况下添加简单组合及循序逻辑功能。
图1中展示用于超声波范围检测应用的核心独立***设备(CIP)及其示范性互连件。输入节点180处的开始位触发由CLC 118界定的SR触发器。这使来自PWM 120的输出的PWM信号耦合到DSM 104的载波高(CARH)输入。PWM信号穿过DSM 104且耦合到外部驱动器132，外部驱动器132驱动超声波(声学)发射换能器134以生成具有约40kHz频率的超声波脉冲，其中由HLT/TMR 122结合CLC 118确定脉冲持续时间，CLC118使其Q输出耦合到DSM 104的调制(MOD)输入。脉冲持续时间可在40kHz频率下具有例如但不限制于从约40个周期到约200个周期。由DSM 104的输出上的PWM信号激活HLT/TMR 122，且当HLT/TMR 122超时时，复位CLC 118的SR触发器，从而结束来自DSM 104的PWM脉冲。CLC 118的SR触发器的输出处的高到低转变会触发经配置为单次定时器的HLT/TMR 116。此单次定时器(HLT/TMR 116)提供超声波信号发射与接收之间的必要空载时间，因此在接收器操作期间来自超声波发射换能器134元件的残余振荡不会生成错误信号。当单次定时器(HLT/TMR 116)超时时，设置第二SR触发器CLC 126，由此使定时器门TMR 130能够开始计数检测反射的返回超声波信号所花费的时间。当反射的返回超声波信号由超声波接收换能器146接收且由OPA 112放大时，包括二极管148、电阻器150及电容器152的峰值检测器可耦合到CMP 114的输入，所述输入将致使CMP 114的输出启动捕获事件以将来自TMR 130的时间计数存储在CCP128中。此动作还生成中断182，中断182向在微控制器100的中央处理器(未展示)中运行的程序通知接收及捕获超声波脉冲往返所需的时间。如果在CMP 114的输入处未接收到具有充足振幅的DC信号，那么TMR 130的超时将会触发错误中断184(未接收到超声波返回信号)。
因此，可由包括上述CIP***设备的微控制器提供除实际超声波换能器134及146以及一些外部组件之外的整个***。例如，如图1中所展示，仅二极管148、电阻器150、电容器152、超声波发射器驱动器132以及发射换能器134及接收换能器146分别需要作为外部组件。可由微控制器100的CIP***设备提供剩余组件。
参考图2，描绘根据本发明的特定实例实施例的包括具有多个核心独立***设备(CIP)装置的微控制器的超声波近程感测***的示意框图。微控制器200可包括多个核心独立***设备(CIP)装置，例如但不限制于以下***设备：数据信号调制器(DSM)104、固定电压参考(FVR)210、运算放大器(OPA)112及214、模/数转换器(ADC)238、硬件限制定时器(HLT)116及122、可配置逻辑单元(CLC)118及226、脉冲宽度调制(PWM)生成器120，以及定时器计数器寄存器(TMR)230。所述CLC可包括例如但不限制于四个模块；其中每一模块可经配置为触发器及/或各种逻辑组合，例如NOR、NAND、XNOR、AND、OR、XOR及其它门等等。用户可选择各种内部及外部信号以将输入信号提供给这些模块。输出信号可在内部使用及/或耦合到微控制器200的外部节点(引脚)180到194。此类逻辑核心独立***设备(CIP)允许在无需额外外部装置的情况下添加简单组合及循序逻辑功能。
图2中展示用于超声波近程感测应用的核心独立***设备(CIP)及其示范性互连件。输入节点280处的开始位触发CLC模块118中的SR触发器。这使来自PWM 120的输出的PWM信号耦合到DSM 104的载波高(CARH)输入。PWM信号穿过DSM 104且耦合到外部驱动器132，外部驱动器132驱动超声波(声学)发射换能器134以生成具有约40kHz频率的超声波的脉冲，其中由HLT/TMR 122结合CLC 118确定脉冲持续时间，CLC 118使其Q输出耦合到DSM 104的调制(MOD)输入。由DSM 104的输出上的PWM信号激活HLT/TMR 122，且当HLT/TMR 122超时时，复位CLC 118的SR触发器，从而结束来自DSM 104的PWM脉冲。CLC 118的SR触发器的输出处的高到低转变会触发经配置为单次定时器的HLT/TMR 116。此单次定时器(HLT/TMR 116)提供超声波信号发射与接收之间的必要空载时间，因此在接收器操作期间来自超声波发射换能器134元件的残余振荡不会生成错误信号。当单次定时器(HLT/TMR 116)超时时，设置第二SR触发器CLC 226，由此使定时器门TMR 230能够开始计数在接收(多个)反射的返回超声波信号且对其积分时出现“积分窗”的时间。当反射的返回超声波信号由超声波接收换能器146接收且由OPA 112放大时，包括二极管148、电阻器150及电容器152的振幅调制(AM)二极管检测器将提供接收的超声波声学能量给包括OPA 214及电容器248的电压积分器以进行累积。
当积分器输入被拉低时，OPA 214的输出升高以补偿输入偏移。高输出保持得越久，电容器248中的电荷就越大且输出电压就越高。以此方式，负输入产生相对于时间的正积分。当输入高于OPA 214的非反相输入时，会发生同样的情况，但积分是负的。使OPA 214的输出呈三态会停止积分过程。因此，当生成脉冲时，OPA 214呈三态且无任何积分。当启用输出时，积分开始且运行直到OPA 214的输出再次呈三态。结果是能量从开始时间累积到结束时间。通过指定积分的开始及停止时间，可照字面意思指定要积分的单元的范围。因此基本上，可确定用于壳体的指纹，例如从换能器中的3'到5'。通过测量用于多个壳体的指纹，例如1英尺到2英尺、2英尺到3英尺、3英尺到4英尺、4英尺到5英尺及5英尺-6英尺，可通过仅观看变化从外部较远处移动到内部较近处来确定是否有某物朝传感器146移动或移动远离传感器146，且反之亦然。甚至可通过观察壳体之间的变化时间来估计物体移动的速度。可从其中具有物体检测的壳体(积分时间窗)来确定物体的大致距离。
当最终硬件限制定时器(HLT)230超时时，其将触发由ADC 238进行的转换，这会将累积的接收的超声波能量转换为数字值。此数字值可耦合到数字处理器及存储器380(图3)，其中可存储所述数字值且比较所述数字值和运行平均值，如果绝对差(+/-)大于预设积分阈值，那么检测到近程事件，如果绝对差(+/-)小于预设积分阈值，那么可将所述值平均化为运行平均值，且重复近程感测过程。因此，可由包括上述CIP***设备的微控制器200提供除实际超声波换能器134及146以及一些外部组件之外的整个***。例如，如图2中所展示，仅二极管148、电阻器150、电容器152及248、超声波发射器驱动器132以及发射换能器134及接收换能器146分别需要作为外部组件。可由微控制器200的CIP***设备提供剩余组件。
图2中所展示的近程感测***不受环境中的热变化的影响。如果用于区域(房间或外壳)270的声学指纹随着时间的推移而改变，那么平均值仍将允许捕获快速运动。门控积分器允许监测近程处的不同频带。可在具有最小软件开销的情况下利用微控制器中的CIP来实施整个***。
预期到且在本发明的范围内，如图2中所展示的超声波近程感测***设备可适应于重新配置成如图1中所展示的超声波测距***设备，这是因为大多数/模块及功能在这两个***设备之间是基本相同的。可根据需要而可切换地选择用于比较器(CMP)114、CCP128、OPA 214及ADC 238的微控制器。其中在近程感测***设备检测到物体之后，微控制器可切换到超声波测距***设备以获得在近程感测操作期间检测到的物体的更详细位置信息。
参考图3，描绘包括图2中所展示的超声波近程感测装置的微控制器集成电路封装的示意框图。图2中所展示的近程感测***可具备包括集成电路封装及先前CIP的微控制器302且进一步包括中央处理器及存储器380。一旦已(使用图中未展示的配置寄存器)配置CIP，那么其在操作中独立于中央处理器及存储器380，且仅在开始输入及中断输出之后与中央处理器及存储器380交互。各种外部连接节点(引脚)180到194、394可提供在微控制器302集成电路封装上。
参考图4，描绘根据本发明的教示的接收的超声波能量的积分过程的示意图。在积分窗456开始期间，当释放(松开)积分器以开始累积电压电荷直到ADC 238取得此累积电压的样本时，在积分器(OPA 214及电容器248)中对来自AM检测器(二极管148及电容器152)的检测的电压积分。可将来自电压样本的ADC 238的数字表示存储在中央处理器存储器380中且比较所述数字表示和先前电压样本的数字表示。
参考图5，描绘根据本发明的教示的使用延迟及缩短的积分时间窗进行的接收的超声波能量的积分过程的示意图。主要超声波能量反射452a可主导积分器输入，因此可使用延迟及/或减小的积分窗时间而非在超声波反射的整个时间过程内进行积分(图4)。减小的积分窗556仅对超声波反射452d到452h积分，且将忽略超声波反射452a到452及452i。这可防止积分器过载。可在复位时使用延迟定时器来保持积分器，从而使这个强反射无效。第二定时器可触发ADC设置积分的结束。可保持不同窗的平均值以取得用于不同反射频带的指纹。
如果返回的能量在整个范围内积分，那么必须具有充足存储量来保持完整电荷。通过在较小范围内积分，可增大增益及ADC转换的所得分辨率。还可寻找标示某物朝传感器移动或移动远离传感器的窗间干扰。如上所述，还可估计运动的速度。还可检测且潜在地识别围绕传感器移动的多个物体。将移动想象成绊线的同心圆，当某人(或物体)朝中心移动时，绊线将从外部到内部循序点火。
参考图6，描绘根据本发明的另一特定实例实施例的与布置在一区域中的多个超声波换能器耦合的近程感测***设备的示意平面图。近程感测***设备600可耦合到至少一个发射换能器134及多个接收换能器146。多个接收换能器146可经定位以在区域670(房间或外壳)中进行最佳反射的超声波脉冲接收覆盖，且至少一个发射换能器134经定位以进行最佳超声波脉冲发射覆盖。例如，至少一个发射换能器134可定位在中心且经定向以将超声波脉冲发送到区域670的天花板以从天花板反射且由多个接收换能器146接收。多个发射换能器134及接收器换能器146的布置可对奇形怪状房间消除其中的死点有利。至少一个发射换能器134及多个接收换能器146的操作可利用近程感测***设备200进行分时多路复用，且针对房间670的每一不同区域(区)计算及存储超声波接收平均值。
参考图7，描绘根据本发明的教示的包括核心独立***设备(CIP)及其可编程互连件的微控制器集成电路封装的示意框图。整体由数字700表示的微控制器可包括集成电路封装702，集成电路封装702具有可用于功率、接地、输入、输出及输入/输出信号的外部连接节点(引脚)394。如上文更全面地所描述，CIP可使其输入及输出信号在内部连接到其它CIP及/或连接到外部连接节点790。输入/输出(I/O)多路复用器(或切换矩阵)792可经编程以将所要节点794互连到CIP的相应信号输入及输出。互连多路复用器792可经编程以互连CIP之间的信号输入及输出。
微控制器集成电路封装(例如202、302)的外部节点(引脚)180到194、250及394可用于额外组件的外部连接。可利用代码配置器(MCC)以轻易地配置在这个超声波测距检测应用中使用的内部(到微控制器集成电路)CIP的功能。可进一步使用MCC来配置(编程)CIP之间的内部互连件(例如，互连多路复用器792)及/或到CIP的外部集成电路封装连接(例如，I/O多路复用器790)。MCC是用于X IDE的用户易用的***式工具，所述X IDE基于在其图形用户接口(GUI)中制作的设置及选择而生成用于控制且驱动微控制器的***设备的驱动器。参考可在www.microchip.com获得的“代码配置器用户指南”(DS40001725)以获取关于如何安装且建立X IDE中的MCC的进一步信息，所述文件出于所有目的而以引用的方式并入本文中。及是本专利申请案的受让人的Microchip Technology Inc.的注册商标。
如下进一步描述本文中所展示的特定实例实施例中使用的各种CIP：在微芯片(Microchip)数据单“数据信号调制器”DS39744中描述DSM。在微芯片数据单“可配置逻辑单元”DS33949中描述CLC***设备。在微芯片数据单“捕获/比较/PWM/定时器”DS33035中描述CCP(捕获比较、PWM及定时器)***设备。在微芯片数据单“双比较器模块”DS39710中描述比较器***设备。例如，在微芯片数据单“I/O端口”DS70193中描述I/O端口。可使用其它***设备，例如数/模转换器(DAC)、参考电压生成器、可编程增益放大器(PGA)及可编程斜坡生成器(PRG)。所有上述数据单可从本专利申请案的受让人的Microchip Technology Inc.获得，且所述文件出于所有目的而以引用的方式并入本文中。
可在www.microchip.com获得的微芯片应用注释AN1536(最新版本DS00001536B)具有关于在用于测距应用、理论及测距装置应用以及其设计及编程的微控制器中使用核心独立***设备(CIP)的进一步详细的信息，所述文件出于所有目的而以引用的方式并入本文中。

Claims (24)

1.一种用于超声波近程感测的方法，其包括以下步骤：
提供微控制器，所述微控制器具有中央处理器及存储器，及多个核心独立***设备CIP，所述多个CIP包括：
模/数转换器ADC，
可配置逻辑单元CLC，
数据信号调制器DSM，
硬件限制定时器HLT，
固定电压参考FVR，
运算放大器OPA，
脉冲宽度调制生成器PWM，及
定时器计数器寄存器TMR；
将超声波发射换能器耦合到所述DSM；及
将超声波接收换能器耦合到接收OPA；
从所述DSM生成将从所述超声波发射换能器作为超声波脉冲发射的信号；
利用所述超声波接收换能器接收反射的超声波脉冲且生成到所述接收OPA的接收信号；
利用振幅调制检测器检测所述接收的信号；
将所述检测的接收的信号积分为电压值；
比较所述电压值和先前电压值；及
当所述电压值不同于所述先前电压值时，生成近程感测信号。
2.根据权利要求1、4、5、6、7或8中任一权利要求所述的方法，其进一步包括在积分时间窗内仅对所述检测的信号积分的步骤，其中所述积分时间窗表示物体的距离范围。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述积分时间窗的开始及停止时间是可编程的。
4.根据权利要求2、3或8中任一权利要求所述的方法，其进一步包括以下步骤：
在多个不同积分时间窗内对所述检测的信号积分以产生表示所述不同积分时间窗中的每一者的多个电压值；
比较所述多个电压值和表示所述不同积分时间窗中的每一者的多个先前电压值；及
当所述多个电压值中的任何一或多者不同于表示所述不同积分时间窗中的每一者的所述多个先前电压值中的相应者时，生成近程感测信号。
5.根据权利要求4所述的方法，其进一步包括以下步骤：
确定哪些所述积分时间窗具有近程感测信号；
以时间顺序确定生成哪些所述近程感测信号及其对应积分时间窗；及
在时间上比较与第一积分时间窗相关联的第一近程感测信号和与第二积分时间窗相关联的第二近程感测信号，所述第一积分时间窗表示位于较近位置处的物体的近程检测，且所述第二积分时间窗表示位于较远位置处的所述物体的近程检测；
其中
如果所述第一近程感测信号出现在所述第二近程感测信号之前，那么所述物体正在移开，且
如果所述第二近程感测信号出现在所述第一近程感测信号之前，那么所述物体正在移近。
6.根据权利要求5或7中任一权利要求所述的方法，其进一步包括从所述第一近程感测信号与所述第二近程感测信号之间的时间确定所述物体的速度的步骤。
7.根据权利要求5或6中任一权利要求所述的方法，其进一步包括从与表示所述物体的大致距离的积分时间窗相关联的近程感测信号确定所述物体的所述大致距离的步骤。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述电压值是利用所述ADC来取样且经存储为其数字表示。
9.一种超声波近程感测装置，其包括：
微控制器，其包括
中央处理器及存储器，及
多个核心独立***设备CIP，其包括
模/数转换器ADC，
可配置逻辑单元CLC，
数据信号调制器DSM，
硬件限制定时器HLT，
固定电压参考FVR，
运算放大器OPA，
可编程斜坡生成器PRG，
脉冲宽度调制生成器PWM，及
定时器计数器寄存器TMR；
超声波发射换能器，其耦合到所述DSM；及
超声波接收换能器，其耦合到接收OPA；
其中所述选定CIP经配置以
生成将从所述超声波发射换能器作为超声波脉冲发射的信号，
利用所述超声波接收换能器接收表示反射的超声波脉冲的信号，
检测所述接收的信号，
将所述检测的信号积分为电压值，
取样所述电压值，
将所述取样的电压值存储为目前电压值，
比较所述目前电压值和先前存储的平均电压值，及
当所述目前电压值不同于所述先前存储的平均电压值时，生成近程感测信号。
10.根据权利要求9或11到21中任一权利要求所述的超声波近程感测装置，其中所述CIP生成所述超声波脉冲信号，接收及检测所述反射的超声波脉冲信号，且存储所述目前电压值，而无来自所述微控制器的所述中央处理器的干预。
11.根据权利要求9到10或15到21中任一权利要求所述的超声波近程感测装置，其中所述CLC的逻辑功能是选自由以下各者组成的群组：触发器、NOR门、NAND门、XNOR门、AND门、OR门及XOR门。
12.根据权利要求9到11或15到21中任一权利要求所述的超声波近程感测装置，其中所述CLC包括所述逻辑功能中的至少两者。
13.根据权利要求12所述的超声波近程感测装置，其中：
来自所述DSM的输出耦合到所述超声波发射换能器；
所述PWM耦合到所述DSM的第一输入；
第一CLC经配置为RS触发器，且具有耦合到所述DSM的第二输入的输出；且
第一TMR具有耦合到所述DSM的所述输出的输入，及耦合到所述第一CLC的复位输入的输出；
其中开始信号耦合到所述第一CLC的设置输入，借此每当所述开始信号被断言时就生成超声波脉冲，且所述超声波脉冲具有由所述第一TMR确定的脉冲持续时间。
14.根据权利要求13所述的超声波近程感测装置，其进一步包括：
峰值电压检测器，其耦合到所述接收OPA的输出；及
电压积分器，其具有耦合到所述峰值电压检测器的输出的第一输入及耦合到FVR的第二输入，其中当来自所述峰值电压检测器的电压大于来自所述FVR的参考电压时，所述电压值增大。
15.根据权利要求9到14或16到21中任一权利要求所述的超声波近程感测装置，其中所述超声波脉冲在40kHz下具有从约40个周期到约200个周期的脉冲持续时间。
16.根据权利要求9到15或17到21中任一权利要求所述的超声波近程感测装置，其中所述微控制器位于单个集成电路封装中。
17.根据权利要求9到16或18到21中任一权利要求所述的超声波近程感测装置，其中所述超声波发射换能器是至少一个超声波发射换能器，且所述超声波接收换能器是多个超声波接收换能器。
18.根据权利要求17所述的超声波近程感测装置，其中所述至少一个超声波发射换能器及所述多个超声波接收换能器布置在一区域中以进行最佳超声波近程感测操作。
19.根据权利要求9到18或20到21中任一权利要求所述的超声波近程感测装置，其中所述微控制器在感测至少一个物体的近程之后重新配置成超声波测距装置。
20.根据权利要求9到19中任一权利要求所述的超声波近程感测装置，其中所述检测的反射的超声波脉冲中的某些超声波脉冲在出现在积分时间窗内时被积分。
21.根据权利要求20所述的超声波近程感测装置，其中所述积分时间窗的开始及停止时间是可编程的。
22.一种微控制器，其包括
中央处理单元及存储器；及
可配置逻辑单元模块，其经配置以提供
第一RS触发器及第二RS触发器，
第一定时器及第二定时器，
数据信号调制器DSM，
模/数转换器ADC，
第一运算放大器，
电压参考模块，及
脉冲宽度调制PWM单元；
其中所述微控制器经配置使得PWM信号馈送到所述DSM，所述DSM生成馈送到外部引脚及所述第一定时器的时钟输入的输出PWM信号，所述第一定时器的输出馈送到所述第一SR触发器的复位输入，所述第一SR触发器在其设置输入处接收开始信号且提供反馈到所述DSM的输出信号；
其中所述开始信号进一步馈送到所述第二SR触发器的复位输入，所述第二SR触发器的输出触发所述第二定时器控制所述ADC；且
其中所述第一运算放大器经配置为从超声波接收器接收输出信号且从所述电压参考模块接收电压参考的积分器。
23.根据权利要求22或24中任一权利要求所述的微控制器，其中所述第一SR触发器的所述输出信号馈送到设置所述第二SR触发器且保持及释放所述积分器的操作的单次定时器。
24.根据权利要求22或23中任一权利要求所述的微控制器，其进一步包括经配置以放大来自所述超声波接收器的输出信号的第二运算放大器。
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