以核心独立外围设备为基础的超声波测距外围设备的制作方法

相关申请案的交叉参考

本申请案主张2015年9月29日申请的美国临时专利申请案第62/234,362号的优先权，为了所有目的，所述案通过引用并入于本文中。

本发明涉及在微控制器或芯片上系统中的外围装置，且具体来说，涉及用于超声波测距外围设备的核心独立外围装置。

背景技术：

核心独立外围设备(cip)是微控制器或芯片上系统中的外围装置，针对其操作不需要来自微控制器的中央处理单元(cpu)的支持，而cpu可用以初始化且配置此外围装置。因此，一旦(例如)通过cpu配置且启动此cip设备时，此cip设备就针对其它任务独立操作且不使用cpu核心的处理能力。例如，一旦触发计数器，所述计数器就独立于cpu开始计数，直接存储器存取控制器执行往返于存储器的块传送而无需cpu交互等等。使用cip减少零件计数、制造成本且增加产品的可靠性和多功能性。许多产品极大地受益于此类成本节约、增加的多功能性和可靠性。一种此产品可用于超声波测距应用。

技术实现要素：

因此，存在针对包括可在微控制器中提供的具有成本效益的核心独立外围设备(cip)的超声波测距装置的需求。

根据实施例，一种超声波测距测量装置可包括：微控制器，其包括：中央处理器和存储器，多个核心独立外围设备(cip)，所述cip选自由捕获比较脉冲宽度调制(ccp)、比较器(cmp)、可配置逻辑单元(clc)、数据信号调制器(dsm)、硬件限制计时器(hlt)、固定电压参考(fvr)、运算放大器(opa)、可编程斜坡产生器(prg)、脉冲宽度调制产生器(pwm)和计时器计数寄存器(tmr)的任一或多者组成的群组；超声波传输换能器，其耦接到dsm；和超声波接收换能器，其耦接到接收opa；其中所述所选择的cip可经配置以：产生待自所述超声波传输换能器传输为超声波脉冲的信号；使用所述超声波接收换能器接收表示来自对象的所反射超声波脉冲的信号；检测所述所反射超声波脉冲信号；和存储在所述所传输超声波脉冲信号与所述对应所反射超声波脉冲信号之间所接收和所检测的时间。

根据进一步实施例，所述cip可：产生所述超声波脉冲信号；接收且检测所述所反射超声波脉冲信号；和存储在所述所传输超声波脉冲信号与所述对应所反射超声波脉冲之间的时间，而没有自微控制器的中央处理器的介入。根据进一步实施例，clc的逻辑功能可选自由触发器、nor门、nand门、xnor门、and门、or门和xor门组成的群组。根据进一步实施例，clc可包括所述逻辑功能的至少两者。

根据进一步实施例：来自所述dsm的输出可耦接到所述超声波传输换能器；所述pwm可耦接到所述dsm的第一输入；所述第一clc可经配置为rs型触发器且可具有耦接到所述dsm的第二输入的输出；且第一tmr可具有耦接到所述dsm的所述输出的输入，以及耦接到第一clc的复位输入的输出；其中开始信号可耦接到第一clc的置位输入，其中每当断言所述开始信号时可产生超声波脉冲，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。

根据进一步实施例，可包括：峰值电压检测器，其可耦接到所述接收opa的输出；cmp，其可具有第一输入(其耦接到所述峰值电压检测器的输出)和第二输入(其耦接到fvr)，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cmp的输出可自第一逻辑电平改变到第二逻辑电平；和ccp，其可具有耦接到第二tmr的输入，其中在所述cmp输出可自所述第一逻辑电平改变到所述第二逻辑电平时，所述ccp存储来自所述第二tmr的时间计数值；其中在断言所述开始信号后，所述第二tmr可复位回至零时间计数值。

根据进一步实施例，可包括：第三tmr，其可经配置为单次计时器且可耦接在所述第一clc的所述输出与第二clc的置位输入之间；和所述第二clc，其可具有耦接到所述开始信号的复位输入和耦接到所述第二tmr的开始输入的输出；其中在所述第三tmr单次计时器可计时完毕后，所述第二clc可开始所述第二tmr计数。

根据进一步实施例，可包括：当可检测到所反射超声波脉冲时来自所述cmp的所述输出的完成信号；和当未检测到所反射超声波脉冲时来自所述第二tmr的错误信号。根据进一步实施例，到所述接收opa的输入可包括耦接到可具有差分输出的所述超声波接收换能器的差分输入。

根据进一步实施例，可包括：峰值电压检测器，其可耦接到所述接收opa的输出；cmp，其可具有第一输入(其耦接到所述峰值电压检测器的输出)和第二输入(其耦接到prg)，其中当来自所述峰值电压检测器的电压可大于来自所述prg的电压时，所述cmp的输出可自第一逻辑电平改变到第二逻辑电平；和ccp，其可具有耦接到第二tmr的输入，其中在所述cmp可自所述第一逻辑电平改变到所述第二逻辑电平时，所述ccp可存储来自所述第二tmr的时间计数值；其中在断言所述开始信号后，所述第二tmr可复位回至零时间计数值。

根据进一步实施例，来自所述prg的电压可随时间减小，借此在来自所述峰值电压检测器的较低电压下，可导致所述cmp随时间从所述第一逻辑电平改变到所述第二逻辑电平。根据进一步实施例，到所述prg的输入可耦接到fvr。根据进一步实施例，缓冲opa可耦接在所述prg与所述cmp的所述第二输入之间。根据进一步实施例，所述接收opa可为增益可控制opa，且可进一步包括耦接到所述增益可控制opa的增益且控制所述增益可控制opa的所述增益的prg，其中所述prg可导致所述增益可控制opa的所述增益随时间增加，借此增加针对所反射超声波脉冲的接收灵敏度。

根据进一步实施例，一旦所述第二tmr开始计数，所述prg就可开始增加所述接收opa的所述接收灵敏度。根据进一步实施例，所述超声波脉冲可为约40khz。根据进一步实施例，所述微控制器可在单集成电路封装中。

根据进一步实施例，一种用于提供超声波测距测量装置的方法可包括以下步骤：提供微控制器，其可具有中央处理器和存储器，以及多个核心独立外围设备(cip)；自由捕获比较脉冲宽度调制(ccp)、比较器(cmp)、可配置逻辑单元(clc)、数据信号调制器(dsm)、硬件限制计时器(hlt)、固定电压参考(fvr)、运算放大器(opa)、可编程斜坡产生器(prg)、脉冲宽度调制产生器(pwm)和计时器计数寄存器(tmr)的任一或多者组成的群组选择所述(cip)；将超声波传输换能器耦接至所述dsm；和将超声波接收换能器耦接到接收opa；自所述dm产生信号，所述信号待自所述超声波传输换能器传输为超声波脉冲；使用所述超声波接收换能器接收来自对象的所反射超声波脉冲且产生接收信号到所述接收opa；和存储在所述所传输超声波脉冲信号与所述对应所反射超声波脉冲信号之间所接收和所检测的时间。

根据所述方法的进一步实施例，其可包括以下步骤：传输所述超声波脉冲信号；接收并检测所述所反射超声波脉冲；和存储在所传输超声波脉冲信号与所述对应所反射超声波信号之间的所述时间，其完成可没有自所述微控制器的所述中央处理器的介入。

附图说明

通过结合附图参考下列描述可获得对本发明的更完全理解，在附图中：

图1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外围设备(cip)的微控制器的超声波测距装置的示意性框图；

图2说明根据本发明的另一特定实例实施例的包括具有多个核心独立外围设备(cip)的微控制器的超声波测距装置的示意性框图；

图3说明根据本发明的又一特定实例实施例的包括具有多个核心独立外围设备(cip)的微控制器的超声波测距装置的示意性框图；

图4说明包括图1中所展示的超声波测距装置的微控制器集成电路封装的示意性框图；和

图5说明根据本发明的教示的包括核心独立外围设备(cip)和到其的可编程互连的微控制器集成电路封装的示意性框图。

虽然本发明容易以多种修改和替代形式呈现，但其特定实例实施例已在所述图式中展示且在本文中详细描述。但是，应了解，本文中的特定实例实施例的描述不希望将本发明限于本文中揭示的特定形式。

具体实施方式

根据本发明的各种实施例，可使用微控制器中的一组核心独立周围设备(cip)实施测距功能。例如，其可使用：脉冲宽度调制(pwm)外围设备，其用以产生高频驱动信号；计数器，其用以设置pwm驱动信号(脉冲)的持续时间；和第二计时器，其耦接到比较器以测量接收回来自测距信号的对象的反射所花费的时间。整体上，测距外围设备容许用户设置位以开始测距，且当测距测量已完成时接收中断。设计的替代方面容许时间相依返回脉冲检测灵敏度和/或增益调整。根据本文中呈现的各种实施例的解决方案是一种可配置超声波测距外围设备，在其操作期间免除了对微控制器的中央处理器的软件额外负荷。超声波测距外围设备针对其大多数功能使用芯片上的资源且因此需要非常少的外部组件。其设置后不理的特性可基于以cip为基础的计时器、信号产生器和可配置逻辑单元。

现在参考附图，示意性说明实例实施例的细节。在附图中的相同元件将由相同元件符号表示，且类似元件将由具有不同小写字体字母下标的相同元件符号表示。

参考图1，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外围设备(cip)的微控制器的超声波测距装置的示意性框图。大体上由符号100表示的微控制器可包括多个核心独立外围设备(cip)，例如(但不限于)下列外围设备：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、硬件限制计时器(hlt)116和122、可配置逻辑单元(clc)118和126、脉冲宽度调制(pwm)产生器120、捕获比较脉冲宽度调制(ccp)128和计时器计数寄存器(tmr)130。所述clc可包括(例如但不限于)四个模块，其中各模块可经配置为触发器和/或例如nor、nand、xnor、and、or、xor和其它门等等的各种逻辑组合。用户可自各种内部信号和外部信号选择以提供输入信号到这些模块。所述输出信号可内部使用和/或可耦接到微控制器100的外部节点(引脚)180到194。此类逻辑核心独立外围设备容许新增简单组合和顺序逻辑功能而无需额外外部装置。

图1中展示针对超声波测距检测应用的核心独立外围设备(cip)和其示范性互连。根据此实施例，在输入节点180处的开始位触发由clc128界定的sr型触发器。此将来自pwm120的输出的pwm信号耦接到dsm104的载波高(carh)输入。所述pwm信号通过dsm104且耦接到外部驱动器132，外部驱动器132驱动超声波(声波)传输换能器134，以产生具有约40khz的频率的超声波的脉冲，由hlt/tmr122结合具有耦接到dsm104的调制(mod)输入的q型输出的clc118确定脉冲持续时间。通过dsm104的输出上的pwm信号启动hlt/tmr122，且当其超时时，复位clc118的sr型触发器，从而终止来自dsm104的pwm脉冲。在clc118的sr型触发器的输出处的由高到低转变触发hlt/tmr116配置为单次计时器。此单次计时器(hlt/tmr116)提供在超声波信号传输与接收之间的必要死区时间，因此来自超声波传输换能器134元件的残余震荡在接收器操作期间不产生假信号。当单次计时器(hlt/tmr116)超时时，置位第二sr型触发器clc126，借此使计时器门tmr130开始计数检测所反射返回超声波信号所花费的时间。当放大所反射返回超声波信号被接收且通过opa112进行放大时，可将峰值检测器(其包括二极管150、电阻器148和电容器152)耦接到cmp114的输入，此将导致cmp114的输出起始捕获事件，以存储来自ccp128中的tmr130的时间计数。此动作也产生中断182，其向运行于微控制器的中央处理器中的程序通知超声波脉冲的往返所需要的接收和捕获时间。如果在cmp114的输入处未接收充分振幅的dc信号，那么tmr130的超时将触发错误中断184(未接收超声波返回信号)。

现在参考图2，描绘根据本发明的另一特定实例实施例的包括具有多个核心独立外围设备(cip)的微控制器的超声波测距装置的示意性框图。大体上由符号200表示的微控制器可用作超声波测距装置且依与如在图1中所展示和上文所描述的基本上相同的方式运作，惟可编程斜坡产生器(prg)260已经取代图1的fvr110的功能除外。

可使用cmp114比较来自峰值检测器(二极管150、电阻器148和电容器152)的输出电压与来自prg260的接收器参考电压。来自prg260的接收器参考电压提供下降斜坡电压，使得可检测自较长距离反射的较弱接收信号。可通过可耦接到可将缓冲输出提供至cmp114的负输入的单位增益opa254的prg260产生此下降斜坡电压。prg260可经配置以运作为下降斜坡产生器，下降斜坡产生器的时序取决于clc126且其参考电压输入可耦接到固定电压参考fvr210。当复位clc126时，prg260上升到来自fvr210的固定参考电压，且当置位clc126时，prg260输出提供下降斜坡电压。但是，通过prg260产生的下降斜坡电压可持续与长距离检测所需周期相比非常短的时间周期。归因于此，外部电容器256可经由外部连接节点258耦接到opa254输出。外部电容器256的值足够大以针对更佳接收器灵敏性随时间具有足够下降斜坡电压。当峰值检测器输出达到接收器参考电压时，将置位cmp114输出。此事件触发ccp128的捕获模式。来自ccp128的此所捕获值将为超声波脉冲的往返时间的部分。但是，在距离与噪声抗扰性之间存在权衡，因为较低接收器参考电压将使cmp114更易受切换噪声而非所需所反射超声波脉冲的影响。

现在参考图3，描绘根据本发明的又一特定实例实施例的包括具有多个核心独立外围设备(cip)的微控制器的超声波测距装置的示意性框图。大体上由符号300表示的微控制器可用作超声波测距装置且依与如在图1中所展示和上文所描述的基本上相同的方式运作，惟可编程斜坡产生器(prg)360现用以控制可编程增益放大器opa312的增益除外。

在图3中所展示的电路中，来自fvr310的参考电压可耦接到可编程斜坡产生器prg360，再次，可编程斜坡产生器prg360可与外部电容器256耦接以增加与超声波脉冲往返行进时间一致的电压斜坡时间。但是，在可用情况下也可使用内部电容。prg360的输出可耦接到缓冲放大器opa354，其可耦接到可变增益放大器opa312的增益且控制可变增益放大器opa312的增益。但是，在距离与噪声抗扰性之间存在权衡，因为较高增益接收器将使cmp114更易受切换噪声而非所需所反射超声波脉冲的影响。

现参考图4，描绘包括图1中所展示的超声波测距装置的微控制器集成电路封装的示意性框图。图1中所展示的测距装置可具有包括集成电路封装402和前述cip的微控制器400，且进一步包括中央处理器和存储器480。一旦所述cip已经配置(使用未展示的配置寄存器)，所述cip就在操作中独立于中央处理器和存储器480，且仅依据开始输入和中断输入与中央处理器和存储器480交互。可在微控制器400集成电路封装上提供各种外部连接节点(引脚)180到194、494。

现在参考图5，描绘根据本发明的教示的包括核心独立外围设备(cip)和到其的可编程互连的微控制器集成电路封装的示意性框图。大体上由符号500表示的微控制器可包括具有可用于电力、接地、输入、输出以及输入/输出信号的外部连接节点(引脚)594的集成电路封装502。如上文更全面描述，所述cip可具有内部连接到其它cip和/或外部连接节点590的输入和输出信号。输入/输出(i/o)多任务器(或切换矩阵)590可经编程以将所需节点594互连到cip的相应信号输入和输出。互连多任务器592可经编程以互连在cip之间的信号输入和输出。

在图1到5中，微控制器集成电路封装(例如，402、502)的外部节点(引脚)180至194、258和594可用于额外组件的外部连接。可利用代码配置器(mcc)以易于配置在此超声波测距检测应用中使用的内部cip(微控制器集成电路内部)的功能性。mcc可进一步用以配置(编程)cip之间的内部互连(例如，互连多任务器592)和/或至所述cip的外部集成电路封装连接(例如，i/o多任务器590)。mcc是基于在其图形用户界面(gui)做出的设置和选择，产生用于控制并驱动微控制器的外围设备的驱动程序的xide的用户友好性插件工具。如需关于如何在xide中安装并设置mcc的进一步信息，请参考“代码配置器用户指南”(ds40001725)，其可在www.microchip.com中找到，且其全部出于所有目的通过引用并入于本文中。和是本专利申请案的受让人微芯技术有限公司的注册商标。

本文中所展示的在具体实例实施例中使用的各种cip如下进一步描述：在微芯数据表“数据信号调制器”(ds39744)中描述dsm外围设备。在微芯数据表“可配置逻辑单元”(ds33949)中描述clc外围设备。在微芯数据表“捕获/比较/pwm/计时器”(ds33035)中描述ccp(捕获比较、pwm和计时器)外围设备。在微芯数据表“双比较器模块”(ds39710)中描述比较器外围设备。例如，在微芯数据表“i/o端口”(ds70193)中描述i/o端口。可使用其它外围设备，例如数字/模拟转换器(dac)，具体来说，参考电压产生器、可编程增益放大器(pga)以及可编程斜坡产生器(prg)。所有前述相应数据表可自本专利申请案的受让人微芯技术有限公司取得，且都出于所有目的通过引用并入于本文中。

微芯应用注释an1536(最新版本ds00001536b)具有关于针对测距应用、测距装置的理论和应用以及其设计和编程使用微控制器中的核心独立外围设备(cip)的进一步详细信息，且其出于所有目的通过引用并入于本文中。