超聲波定性測(cè)距傳感器

此應(yīng)用程序的主要目標(biāo)是使用 Dialog Semiconductor 的SLG47105V設(shè)計(jì)一種超聲波定性距離估計(jì)傳感器。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用高壓 （HV） 宏單元和 GreenPAK 內(nèi)的其他內(nèi)部和外部組件來(lái)與超聲波傳感器交互。

所應(yīng)用的方法基于根據(jù)脈沖反射時(shí)間控制輸出信號(hào)的持續(xù)時(shí)間。發(fā)射器產(chǎn)生具有必要寬度的超聲波脈沖。當(dāng)該脈沖到達(dá)障礙物時(shí)，反射波回波返回接收器。然后可以使用脈寬調(diào)制 （PWM） 對(duì)返回的回波信號(hào)進(jìn)行分類(lèi)。

這種設(shè)計(jì)可用于各種應(yīng)用，例如視障人士的設(shè)備、停車(chē)輔助系統(tǒng)、機(jī)器人和警告系統(tǒng)。

與超聲波觸發(fā)器和接收器的接口

在這個(gè)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，發(fā)射器每 31.25 ms 向超聲波接收器發(fā)送一個(gè)觸發(fā)脈沖。該信號(hào)由 HV 部分放大。GreenPAK 的內(nèi)部組件與模擬比較器 （ACMP） 和外部組件一起，在雙極晶體管上具有最簡(jiǎn)單的放大級(jí)，可放大接收器獲得的信號(hào)。

HV 部分是增加觸發(fā)信號(hào)幅度所必需的。ACMP 和帶有雙極晶體管上最簡(jiǎn)單放大級(jí)的外部部件用于放大接收器信號(hào)。由于系統(tǒng)每 31.25 毫秒進(jìn)行一次測(cè)量，因此很容易看到傳感器測(cè)量距離的差異。

超聲波距離傳感器

發(fā)射器和接收器用于 HC-SR04 傳感器。

發(fā)射器連接到 GreenPAK，它會(huì)生成必要的觸發(fā)信號(hào)（約 10-μs 單次，頻率為 32 Hz）。接收器捕捉到反射波信號(hào)，然后產(chǎn)生PWM輸出信號(hào)，作為測(cè)量距離信息的呈現(xiàn)方式。

框圖如圖 2 所示。

圖 2：GreenPAK 框圖

使用 one-shot 和 HV OUT CTRL 模塊生成輸入觸發(fā)，以放大信號(hào)幅度?；夭ㄐ盘?hào)由 GreenPAK 的 ACMP 和一些外部元件過(guò)濾和放大。然后，使用反相器、延遲和 D 觸發(fā)器模塊創(chuàng)建 PWM 輸出信號(hào)。PWM“HIGH”對(duì)應(yīng)于到被檢測(cè)物體的距離?！癏IGH”越長(zhǎng)，物體越接近。因此，此 PWM 信號(hào)可用于不同的通知方法，例如驅(qū)動(dòng)電機(jī)、LED 和定量距離估計(jì)。

電路設(shè)計(jì)

此設(shè)計(jì)中有四個(gè)主要模塊：發(fā)送器、電荷泵、接收器和 PWM。為了降低電路的功耗，所有模塊都連接到“PWR UP”（當(dāng) PIN 16 為高電平時(shí)）。

對(duì)于這些模塊，使用了兩個(gè)具有以下屬性的振蕩器（圖 3 和圖 4）。

圖 3：OSC0 配置

該振蕩器產(chǎn)生 2.048 kHz/8/8 （32 Hz） 的頻率。

圖 4：OSC1 配置

該振蕩器產(chǎn)生兩個(gè)必要的頻率：25 MHz/12/8 （~260.4 kHz） 和 25 MHz/12/60 （~34.7 kHz）。

完整的設(shè)計(jì)文件可在此處獲得。它是在免費(fèi)的基于 GUI 的GreenPAK Designer 軟件（Go Configure Software Hub 的一部分）中創(chuàng)建的。

發(fā)射機(jī)

該模塊用于為發(fā)射機(jī)創(chuàng)建觸發(fā)信號(hào)。電路圖如圖 5 所示。

圖 5：發(fā)送器模塊電路圖

計(jì)數(shù)器/延遲 （CNT1/DLY1） 塊配置為一次性。該模塊使用 260.4 kHz 的時(shí)鐘來(lái)生成頻率為 32 Hz 的約 10 μs 脈沖觸發(fā)信號(hào)（圖 6）。該信號(hào)進(jìn)入 HV OUT CTRL1 模塊，該模塊與電荷泵模塊一起將幅度放大至 ~9 V。引腳 9 和 10 用作發(fā)送器的輸出。

圖 6：觸發(fā)信號(hào)

電荷泵

該模塊用于放大觸發(fā)信號(hào)幅度。電路圖如圖 7 所示。

圖 7：電荷泵模塊電路圖

半橋 HV OUT CTRL0 由 5V 直流電壓 （POR） 供電。260.4 kHz 振蕩器用于產(chǎn)生半波倍壓器電路所需的方波信號(hào)（交流電壓）。最終電壓取決于所選二極管 D1 和 D2 的電壓降（小于 10 V）。

接收者

該模塊用于接收、放大和過(guò)濾回波信號(hào)。電路圖如圖 8 所示。

圖 8：接收器電路圖

在 GreenPAK 之前，回波信號(hào)進(jìn)入雙極晶體管上最簡(jiǎn)單的放大器級(jí)，然后將其放大（圖 9）。然后回波信號(hào)到達(dá) CMP1 塊，在此處選擇有用信號(hào)。這個(gè)反相信號(hào)是接收器的輸出（PIN 14）。接收器信號(hào)（PIN 14，GPIO1）僅用于測(cè)試。對(duì)于最終 PCB，使用 PWM 輸出（PIN 15，SCL/GPIO2）。

圖 9：全電路設(shè)計(jì)

如圖 9 所示，有一個(gè)電位器 R5。需要該電位器來(lái)調(diào)整 CMP1 閾值（幾毫伏）以獲得傳感器的合適靈敏度。

脈寬調(diào)制

這個(gè)塊是創(chuàng)建接收信號(hào)感知方式所必需的。此外，還需要進(jìn)一步的信號(hào)處理及其應(yīng)用（圖 10）。

主要思想是創(chuàng)建一個(gè)方波信號(hào)，從觸發(fā)信號(hào)到回波信號(hào)開(kāi)始，該信號(hào)為 HIGH。隨著回波信號(hào)相位的變化，根據(jù)與障礙物的距離，HIGH PWM 的持續(xù)時(shí)間也會(huì)發(fā)生變化。

圖 10：PWM 電路設(shè)計(jì)

在電路測(cè)試期間，接收器從 0 到 ~20 cm 捕獲來(lái)自發(fā)射器的寄生信號(hào)。為了跳過(guò)這個(gè)無(wú)用的信號(hào)，添加了延遲 CNT3/DLY3 模塊的配置。典型的延遲時(shí)間約為 1.18 ms。

印刷電路板設(shè)計(jì)

這是該應(yīng)用的建議 PCB 設(shè)計(jì)（圖 11 和 12），它基于圖 9 中的原理圖。此外，還有工作原型的照片（圖 13 和 14）。

圖 11：頂部

圖 12：底部

圖 13：頂面照片

圖 14：底部照片

測(cè)試

為了測(cè)試設(shè)計(jì)，電路連接到 5 V （VDD） 并且 PWR UP 設(shè)置為高電平。

測(cè)量距離結(jié)果示例如下：圖 15 中的 100 厘米，圖 16 中的 200 厘米，圖 17 中的 300 厘米，圖 18 中的 400 厘米。示波器屏幕截圖顯示了發(fā)射器信號(hào)（PIN 9， HV_GPO2_HD）、接收器信號(hào) （PIN 14， GPIO1） 和 PWM （PIN 15， SCL/GPIO2）。

圖 15：電路測(cè)試測(cè)量距離在約 100 cm 范圍內(nèi)

圖 16：電路測(cè)試測(cè)量距離在約 200 cm 范圍內(nèi)

圖 17：電路測(cè)試測(cè)量距離在約 300 cm 范圍內(nèi)

圖 18：電路測(cè)試測(cè)量距離在約 400 cm 范圍內(nèi)

從這些圖中可以看出，接收器從 0 到 ~20 cm 捕獲來(lái)自發(fā)射器的寄生信號(hào)（這些毛刺以紅色圈出）。

結(jié)果證明該電路按預(yù)期工作，GreenPAK模塊能夠作為超聲波定性測(cè)距傳感器的控制模塊。它測(cè)量的距離從 20 厘米到大約 400 厘米。

結(jié)論

本文介紹了如何將 HVPAK SLG47105 配置為控制單元，以驅(qū)動(dòng)換能器并使用 PWM 解釋接收器的回波脈沖輸出，以創(chuàng)建超聲波定性距離估計(jì)傳感器。所描述的超聲波傳感器測(cè)量從 20 厘米到大約 400 厘米的距離。GreenPAK 的內(nèi)部資源（包括 HV、振蕩器、邏輯和 GPIO）易于配置，以實(shí)現(xiàn)該設(shè)計(jì)所需的功能。

審核編輯：郭婷