可精确测距的低成本超声子系统 - 工业/测控 - 电子工程师

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作者：Maxim公司 Franco Contadini Milind Gupta 　日期：2009-9-7

<strong>超声测距原理</strong>

超声传感器电路比较简单，在系统中负责发送超声脉冲流，然后采集回波信号。器件发出的脉冲信号在空气中传输，直到碰到一个目标物体并在此处产生反射回波。超声传感器通过检测这些回波，并计算出发射脉冲与接收脉冲之间的时间差，从而确定脉冲波形的传输距离。发射脉冲的频率范围为 40～200kHz，多数情况下使用40～50kHz频率范围的脉冲。

用于发射脉冲信号并检测回波信号的硬件电路称为超声传感器。有两种类型的超声传感器：静电超声传感器和压电超声传感器。静电型类似于一个电容器，由固定极板和移动极板组成。固定极板通常采用铝，移动极板则采用带有一层较薄镀金层的聚酰亚胺。聚酰亚胺的作用类似于一个绝缘层，当信号(典型频率为50kHz)作用在两个极板时，金箔被吸向背板，产生超声突发信号。

压电型是利用压电效应产生并测量超声脉冲。传感器将晶体或陶瓷材料黏接在金属壳或椎体上，发射脉冲时，信号(通常为40kHz)激励晶体，使压电材料扩张或收缩，从而产生超声突发信号。回波信号将使压电材料震动，产生信号输出。

<strong>计算距离</strong>

距离计算非常简单，对于一个理想系统，一旦脉冲发射并检测到回波后，即可利用下式计算距离。

距离=(传输时间×声速)/2

但是，实际应用系统需要考虑延时偏差(零距离下系统的响应延时)，上述公式修改为：

距离=((传输时间–系统延时偏差)×声速)/2

对应于空气温度(Ta)的声速(C)可以按照下式计算，单位为m/s。

C=331+0.606×Ta

另外，还需要考虑温度的测量精度。

<strong>步程计设计</strong>

为了构建一个类似于步程计的便携系统，可以选择MAXQ610等低功耗微控制器，以节省计算功耗——其工作在12MIPS时电流只有 3.75mA——停止模式下仅消耗200nA电流。控制器能够工作在较宽的电压范围(1.7～3.6V)，可在较长的电池放电过程中支持系统供电（见图 1）。


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图1 用类似于MAXQ610的微控制器构建的系统


微控制器和辅助电路用于完成发送、接收超声脉冲的主要功能，脉冲发生器提供载频等于传感器谐振频率的突发式超声脉冲，回波检测电路用于检测反射信号。

许多应用中，发射和接收电路位于同一电路板，共用同一传感器。这种情况下，微控制器可以产生突发信号并处理接收到的回波。而在步程计中，发射器安装在一只脚上，接收器则安装在另一只脚上。这种情况下，需要单独提供产生突发脉冲的电路，而微控制器将处理收到的发射信号并计算距离。独立的发射电路利用555定时器即可实现，随后将详细介绍这部分电路。首先讨论微控制器是如何产生脉冲信号。

<strong>产生超声脉冲</strong>

利用微控制器的红外(IR)定时器可以产生超声脉冲信号。定时器可以方便地编程脉冲频率和持续时间(见图2)。红外时钟(IRCK)频率等于fSYS/2IRDIV[1:0]。其中，IRDIV[1:0]可以设置成1、2、4或8，IRCAH字节定义载波的高电平时间(按照IR输入时钟周期数定义)，而IRCAL字节定义载波的低电平时间。


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图2 MAXQ610微控制器内部的红外模块定时器


IRTXPOL定义开启/空闲状态和IRTX引脚的载波极性，IRDATA决定是否在下一个IRMT载波周期将载波发生器输出送至IRTX 引脚。IRDATA=1时，载波在下一个IRMT周期输出到IRTX引脚；IRDATA=0，IRTX引脚在下一个IRMT周期为空闲状态。

在本例的开始，设置IRDATA=0使能IR定时器，载波时钟不会出现在IRTX引脚。当IRV寄存器倒计数使IRV达到0时，设置IRDATA=1使载频信号在下一载波时钟输出到IRTX引脚。同时，IRV寄存器重新装载IRMT的数值。

在步程计设计中，突发脉冲发生器位于发送传感器中，可以利用555定时器实现该功能。由555定时器构成简单的振荡器，振荡频率为40kHz，占空比为50%(见图3)。选择40kHz频率的主要原因是传感器在该频率处增益最大。555定时器输出与超声传感器连接在一起。


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图3 一种基于555定时器、简单的突发模式超声发生器

<strong>处理接收到的回波信号</strong>

处理超声接收脉冲的接收器结构如图4所示，可按照下列计算步骤确定元件值。


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图4 脉冲接收器结构


1 确定增益，保证接收传感器在指定发送传感器和接收器条件下能够提供足够的信号摆幅。本例中，采用1000倍增益。

2利用两极运算放大器提供1000倍的增益，采用反相放大器以获得较好的共模性能：

① 偏置电压由同相放大器设置。

② 建立偏置电压允许接收传感器交流耦合至放大器，同时提供高通滤波。放大器还具有可调节的输入阻抗，以便从传感器获得最大功率(传感器的数据手册通常提供相应参数)。

第1级(OP1)增益设置为100，经过第1级放大之后的噪声电平必须控制在可接受的范围内。

3 利用MAX4329中的另一路运放构建第2级反相放大器，由于第1级放大器和第2级放大器之间具有相同的直流偏置电平，两极之间不需要交流耦合。放大器配置为反相放大时会拾取高频噪声，因此第2级放大器可以配置成低通滤波器，从而使两级放大器共同构成一个1阶带通滤波器。

4 第2级放大器输出信号必须足够大，送入施密特触发器后转换成40kHz的方波信号。也可以利用MAX4329的第3个运算放大器构建施密特触发器，施密特触发器的滞回电压由下式计算。

滞回电压=VccR7/（R7+R8）=160mV，Vcc=6V。

5 直流偏置电压设置为Vcc/2，电池放电时可以跟踪电池电压，始终保持最大动态范围，通过电阻分压器得到该电压。选择电阻时需要注意，过小的电阻会导致静态电流过大，很快将电池能量耗尽；电阻过大时，会引入较大噪声。但热噪声可以通过陶瓷旁路电容C3滤出，连接在电阻分压器之后的运算放大器OP4为偏置电压提供一个低阻节点并满足施密特触发器的工作电流要求。

<strong>回波检测与距离计算</strong>

一旦捕获到回波信号，微控制器可以检测脉冲信号并根据延时计算距离。检测脉冲时，定时器B处于捕获模式(见图5)。


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图5微控制器中的定时器B


将EXENB设置为1使能定时器的捕获功能，超声接收机的输出应该送入定时器的TBB引脚，利用TBPS[2:0]位设置定时器的时钟频率。第一次IR中断使能定时器，TBB引脚从1到0的跳变使定时器B的计数值(TBV)传输到捕获寄存器(TBR)并置位EXFB标志。如果使能，EXFB标志置位还可以产生一次中断。

TBR寄存器的数值包含了发射脉冲与接收脉冲之间所经历的定时器时钟数，根据时钟周期即可计算出历时时间。这个延迟时间内还包括了系统的延迟时间，计算发送与接收传感器之间的距离时需要考虑这一因素。

<strong>传感器应用电路</strong>

系统中可以使用两种类型的传感器配置，具体选择取决于物理架构。


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图6(a)使用独立的TX和RX传感器


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图6(b)单传感器系统中

采用独立的TX、RX传感器时，微控制器的IR驱动器连接到一个外部放大器，用于驱动超声TX。接收端，RX的超声信号经过放大后转换成数字信号(通过放大器和比较器实现)，然后将该信号送到微控制器的16位定时器输入端(见图6a)。共用同一传感器时，利用变压器提高输出信号的幅度(见图 6b)。

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