可精確測(cè)距的低成本超聲子系統(tǒng)

超聲測(cè)距原理

超聲傳感器電路比較簡(jiǎn)單，在系統(tǒng)中負(fù)責(zé)發(fā)送超聲脈沖流，然后采集回波信號(hào)。器件發(fā)出的脈沖信號(hào)在空氣中傳輸，直到碰到一個(gè)目標(biāo)物體并在此處產(chǎn)生反射回波。超聲傳感器通過(guò)檢測(cè)這些回波，并計(jì)算出發(fā)射脈沖與接收脈沖之間的時(shí)間差，從而確定脈沖波形的傳輸距離。發(fā)射脈沖的頻率范圍為40～200kHz，多數(shù)情況下使用40～50kHz頻率范圍的脈沖。

用于發(fā)射脈沖信號(hào)并檢測(cè)回波信號(hào)的硬件電路稱(chēng)為超聲傳感器。有兩種類(lèi)型的超聲傳感器：靜電超聲傳感器和壓電超聲傳感器。靜電型類(lèi)似于一個(gè)電容器，由固定極板和移動(dòng)極板組成。固定極板通常采用鋁，移動(dòng)極板則采用帶有一層較薄鍍金層的聚酰亞胺。聚酰亞胺的作用類(lèi)似于一個(gè)絕緣層，當(dāng)信號(hào)(典型頻率為50kHz)作用在兩個(gè)極板時(shí)，金箔被吸向背板，產(chǎn)生超聲突發(fā)信號(hào)。

壓電型是利用壓電效應(yīng)產(chǎn)生并測(cè)量超聲脈沖。傳感器將晶體或陶瓷材料黏接在金屬殼或椎體上，發(fā)射脈沖時(shí)，信號(hào)(通常為40kHz)激勵(lì)晶體，使壓電材料擴(kuò)張或收縮，從而產(chǎn)生超聲突發(fā)信號(hào)。回波信號(hào)將使壓電材料震動(dòng)，產(chǎn)生信號(hào)輸出。

計(jì)算距離

距離計(jì)算非常簡(jiǎn)單，對(duì)于一個(gè)理想系統(tǒng)，一旦脈沖發(fā)射并檢測(cè)到回波后，即可利用下式計(jì)算距離。
距離=(傳輸時(shí)間×聲速)/2

但是，實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)需要考慮延時(shí)偏差(零距離下系統(tǒng)的響應(yīng)延時(shí))，上述公式修改為：
距離=((傳輸時(shí)間–系統(tǒng)延時(shí)偏差)×聲速)/2

對(duì)應(yīng)于空氣溫度(Ta)的聲速(C)可以按照下式計(jì)算，單位為m/s。
C=331+0.606×Ta

另外，還需要考慮溫度的測(cè)量精度。

步程計(jì)設(shè)計(jì)

為了構(gòu)建一個(gè)類(lèi)似于步程計(jì)的便攜系統(tǒng)，可以選擇MAXQ610等低功耗微控制器，以節(jié)省計(jì)算功耗——其工作在12MIPS時(shí)電流只有3.75mA——停止模式下僅消耗200nA電流。控制器能夠工作在較寬的電壓范圍(1.7～3.6V)，可在較長(zhǎng)的電池放電過(guò)程中支持系統(tǒng)供電（見(jiàn)圖1）。

圖1 用類(lèi)似于MAXQ610的微控制器構(gòu)建的系統(tǒng)

微控制器和輔助電路用于完成發(fā)送、接收超聲脈沖的主要功能，脈沖發(fā)生器提供載頻等于傳感器諧振頻率的突發(fā)式超聲脈沖，回波檢測(cè)電路用于檢測(cè)反射信號(hào)。

許多應(yīng)用中，發(fā)射和接收電路位于同一電路板，共用同一傳感器。這種情況下，微控制器可以產(chǎn)生突發(fā)信號(hào)并處理接收到的回波。而在步程計(jì)中，發(fā)射器安裝在一只腳上，接收器則安裝在另一只腳上。這種情況下，需要單獨(dú)提供產(chǎn)生突發(fā)脈沖的電路，而微控制器將處理收到的發(fā)射信號(hào)并計(jì)算距離。獨(dú)立的發(fā)射電路利用555定時(shí)器即可實(shí)現(xiàn)，隨后將詳細(xì)介紹這部分電路。首先討論微控制器是如何產(chǎn)生脈沖信號(hào)。

產(chǎn)生超聲脈沖

利用微控制器的紅外(IR)定時(shí)器可以產(chǎn)生超聲脈沖信號(hào)。定時(shí)器可以方便地編程脈沖頻率和持續(xù)時(shí)間(見(jiàn)圖2)。紅外時(shí)鐘(IRCK)頻率等于fSYS/2IRDIV[1:0]。其中，IRDIV[1:0]可以設(shè)置成1、2、4或8，IRCAH字節(jié)定義載波的高電平時(shí)間(按照IR輸入時(shí)鐘周期數(shù)定義)，而IRCAL字節(jié)定義載波的低電平時(shí)間。

圖2 MAXQ610微控制器內(nèi)部的紅外模塊定時(shí)器

IRTXPOL定義開(kāi)啟/空閑狀態(tài)和IRTX引腳的載波極性，IRDATA決定是否在下一個(gè)IRMT載波周期將載波發(fā)生器輸出送至IRTX引腳。IRDATA=1時(shí)，載波在下一個(gè)IRMT周期輸出到IRTX引腳；IRDATA=0，IRTX引腳在下一個(gè)IRMT周期為空閑狀態(tài)。

在本例的開(kāi)始，設(shè)置IRDATA=0使能IR定時(shí)器，載波時(shí)鐘不會(huì)出現(xiàn)在IRTX引腳。當(dāng)IRV寄存器倒計(jì)數(shù)使IRV達(dá)到0時(shí)，設(shè)置IRDATA=1使載頻信號(hào)在下一載波時(shí)鐘輸出到IRTX引腳。同時(shí)，IRV寄存器重新裝載IRMT的數(shù)值。

在步程計(jì)設(shè)計(jì)中，突發(fā)脈沖發(fā)生器位于發(fā)送傳感器中，可以利用555定時(shí)器實(shí)現(xiàn)該功能。由555定時(shí)器構(gòu)成簡(jiǎn)單的振蕩器，振蕩頻率為40kHz，占空比為50%(見(jiàn)圖3)。選擇40kHz頻率的主要原因是傳感器在該頻率處增益最大。555定時(shí)器輸出與超聲傳感器連接在一起。

圖3 一種基于555定時(shí)器、簡(jiǎn)單的突發(fā)模式超聲發(fā)生器

處理接收到的回波信號(hào)

處理超聲接收脈沖的接收器結(jié)構(gòu)如圖4所示，可按照下列計(jì)算步驟確定元件值。

圖4 脈沖接收器結(jié)構(gòu)

1 確定增益，保證接收傳感器在指定發(fā)送傳感器和接收器條件下能夠提供足夠的信號(hào)擺幅。本例中，采用1000倍增益。

2 利用兩極運(yùn)算放大器提供1000倍的增益，采用反相放大器以獲得較好的共模性能：

① 偏置電壓由同相放大器設(shè)置。

② 建立偏置電壓允許接收傳感器交流耦合至放大器，同時(shí)提供高通濾波。放大器還具有可調(diào)節(jié)的輸入阻抗，以便從傳感器獲得最大功率(傳感器的數(shù)據(jù)手冊(cè)通常提供相應(yīng)參數(shù))。

第1級(jí)(OP1)增益設(shè)置為100，經(jīng)過(guò)第1級(jí)放大之后的噪聲電平必須控制在可接受的范圍內(nèi)。

3 利用MAX4329中的另一路運(yùn)放構(gòu)建第2級(jí)反相放大器，由于第1級(jí)放大器和第2級(jí)放大器之間具有相同的直流偏置電平，兩極之間不需要交流耦合。放大器配置為反相放大時(shí)會(huì)拾取高頻噪聲，因此第2級(jí)放大器可以配置成低通濾波器，從而使兩級(jí)放大器共同構(gòu)成一個(gè)1階帶通濾波器。

4 第2級(jí)放大器輸出信號(hào)必須足夠大，送入施密特觸發(fā)器后轉(zhuǎn)換成40kHz的方波信號(hào)。也可以利用MAX4329的第3個(gè)運(yùn)算放大器構(gòu)建施密特觸發(fā)器，施密特觸發(fā)器的滯回電壓由下式計(jì)算。

滯回電壓=VccR7/（R7+R8）=160mV，Vcc=6V。

5 直流偏置電壓設(shè)置為Vcc/2，電池放電時(shí)可以跟蹤電池電壓，始終保持最大動(dòng)態(tài)范圍，通過(guò)電阻分壓器得到該電壓。選擇電阻時(shí)需要注意，過(guò)小的電阻會(huì)導(dǎo)致靜態(tài)電流過(guò)大，很快將電池能量耗盡；電阻過(guò)大時(shí)，會(huì)引入較大噪聲。但熱噪聲可以通過(guò)陶瓷旁路電容C3濾出，連接在電阻分壓器之后的運(yùn)算放大器OP4為偏置電壓提供一個(gè)低阻節(jié)點(diǎn)并滿(mǎn)足施密特觸發(fā)器的工作電流要求。

回波檢測(cè)與距離計(jì)算

一旦捕獲到回波信號(hào)，微控制器可以檢測(cè)脈沖信號(hào)并根據(jù)延時(shí)計(jì)算距離。檢測(cè)脈沖時(shí)，定時(shí)器B處于捕獲模式(見(jiàn)圖5)。

圖5 微控制器中的定時(shí)器B

將EXENB設(shè)置為1使能定時(shí)器的捕獲功能，超聲接收機(jī)的輸出應(yīng)該送入定時(shí)器的TBB引腳，利用TBPS[2:0]位設(shè)置定時(shí)器的時(shí)鐘頻率。第一次IR中斷使能定時(shí)器，TBB引腳從1到0的跳變使定時(shí)器B的計(jì)數(shù)值(TBV)傳輸?shù)讲东@寄存器(TBR)并置位EXFB標(biāo)志。如果使能，EXFB標(biāo)志置位還可以產(chǎn)生一次中斷。

TBR寄存器的數(shù)值包含了發(fā)射脈沖與接收脈沖之間所經(jīng)歷的定時(shí)器時(shí)鐘數(shù)，根據(jù)時(shí)鐘周期即可計(jì)算出歷時(shí)時(shí)間。這個(gè)延遲時(shí)間內(nèi)還包括了系統(tǒng)的延遲時(shí)間，計(jì)算發(fā)送與接收傳感器之間的距離時(shí)需要考慮這一因素。

傳感器應(yīng)用電路

系統(tǒng)中可以使用兩種類(lèi)型的傳感器配置，具體選擇取決于物理架構(gòu)。

圖6(a)使用獨(dú)立的TX和RX傳感器

圖6(b)單傳感器系統(tǒng)中

采用獨(dú)立的TX、RX傳感器時(shí)，微控制器的IR驅(qū)動(dòng)器連接到一個(gè)外部放大器，用于驅(qū)動(dòng)超聲TX。接收端，RX的超聲信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)(通過(guò)放大器和比較器實(shí)現(xiàn))，然后將該信號(hào)送到微控制器的16位定時(shí)器輸入端(見(jiàn)圖6a)。共用同一傳感器時(shí)，利用變壓器提高輸出信號(hào)的幅度(見(jiàn)圖6b)。