帶IO-Link接口的工業(yè)4.0就緒型超聲測(cè)距傳感器參考設(shè)計(jì)

本方案是一個(gè)工業(yè)4.0就緒的參考設(shè)計(jì)，采用IO-Link控制接口，含有一個(gè)M12安裝的超聲測(cè)距傳感器，適合工廠和工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用中的苛刻環(huán)境物體檢測(cè)和距離測(cè)量，結(jié)果不受被測(cè)物體顏色、透明度和表面特性以及外部環(huán)境的影響。主要特征包括：

-測(cè)距范圍：10-30cm （300kHz）；30cm-5m （58kHz）

-分辨率：大約1mm （300kHz）；大約1cm （58kHz）

-非接觸式檢測(cè)

-可用于位移發(fā)射機(jī)、液位發(fā)射機(jī)、物流機(jī)器人、工業(yè)機(jī)器人、無(wú)人機(jī)等。

方案特點(diǎn)

超聲技術(shù)在工業(yè)及汽車(chē)領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，其中超聲傳感器用于發(fā)射和接收超聲波段的聲波信號(hào)，測(cè)量原理是大家常說(shuō)的飛行時(shí)間（ToF）。其中，壓電換能器是超聲波傳感器的關(guān)鍵元件，負(fù)責(zé)將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成超聲波信號(hào)。該信號(hào)透過(guò)媒體，在撞到目標(biāo)物體后返回壓電換能器，換能器再將這個(gè)返回的超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。

圖1. 基于PGA460的超聲測(cè)距傳感器原理圖

系統(tǒng)中，PGA460為可編程增益放大器（PGA），在一個(gè)DSP核心內(nèi)集成了換能器驅(qū)動(dòng)器、信號(hào)調(diào)理器，用以驅(qū)動(dòng)和讀取壓電換能器；TIOL111收發(fā)器負(fù)責(zé)IO-Link接口以工業(yè)、雙向、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信，讓方案達(dá)到工業(yè)4.0就緒要求。

圖2. 基于PGA460的超聲測(cè)距傳感器電路圖

方案使用中心抽頭變壓器為換能器提供電壓，PGA460內(nèi)部的兩個(gè)低側(cè)開(kāi)關(guān)以推挽模式工作，控制變壓器的兩個(gè)初級(jí)線圈的ON and OFF。由于初級(jí)線圈的電流變化率，變壓器的次級(jí)線圈將產(chǎn)生一個(gè)電壓，把這個(gè)電壓施加在換能器。初級(jí)線圈電流方向變化，將在次級(jí)線圈產(chǎn)生相反極性的電壓，這也有效倍增了次級(jí)線圈上的電壓峰峰值（peak-to-peak voltage）。

PGA460必須與外接的換能器配對(duì)使用。外接變壓器或p-channel MOSFET應(yīng)滿足換能器的輸入電壓要求，其額定飽和電流應(yīng)等于或大于PGA460已配置的驅(qū)動(dòng)電流極限。

為測(cè)試設(shè)計(jì)效果，方案采用Murata A58MF14-7N and MA300D1-1換能器，可設(shè)計(jì)師任意選擇更合適的換能器替代品，獲得更具吸引力的BOM價(jià)值。

MA300D1-1技術(shù)規(guī)范：

工作溫度：–20oC to 70oC

結(jié)構(gòu)：防水設(shè)計(jì)

中心頻率：300kHz

總敏感度：1.5~4.0 VP-P

電容值：1300pF±20%

最大輸入電壓：50VP-P

驅(qū)動(dòng)波數(shù)：5個(gè)周期

驅(qū)動(dòng)周期： 300Hz

MA58MF14-7N技術(shù)規(guī)范

工作溫度：–20oC to 85oC

結(jié)構(gòu)：防水設(shè)計(jì)

中心頻率：58kHz

總敏感度：大于1VOP

電容值：1400pF±20%

最大輸入電壓：120VP-P

驅(qū)動(dòng)波數(shù)：20個(gè)脈沖，或小于20ms以上間隔，不能使用DC電壓。

中心抽頭變壓器也要與換能器配對(duì)使用，用來(lái)將DC電壓轉(zhuǎn)換成高頻正弦AC電壓。中心抽頭施加有DC電壓，按照匝數(shù)比大小，放大到變壓器的次級(jí)。本方案采用的變壓器－換能器組合為：變壓器為B78416A2232A003、750317161用于MA58MF14-7N換能器，變壓器B78416A2386A003和750316928用以MA300D1-1換能器。

圖3. 用于超聲換能器的中心抽頭型變壓器引腳

本方案測(cè)試中使用的變壓器有B78416A2232A003、750317161、B78416A2386A003和750316928，具體技術(shù)參數(shù)如下：

B78416A2232A003

主體電感：L（4–6） 3mH （52kHz， 1V， +25°C）

電感偏差：±10% at +25°C

匝數(shù)比：1:1：8.42

工作頻率：52kHz

測(cè)試電壓：VTEST 200VAC

工作溫度：–40°C … +85°C

750317161

主體電感：L （4–6） 3mH （58kHz， 1V， +25°C）

電感偏差：±10% at +25°C

匝數(shù)比：1:1： 8.42

工作頻率：58kHz

測(cè)試電壓：VTEST 200VAC 1min

工作溫度：–40°C … +125°C

78416A2386A003

主體電感：L （4–6） 0.23mH （50kHz， 100mV， +25°C）

電感偏差：±8% at +25°C

匝數(shù)比：1:1：9

工作頻率：300kHz

測(cè)試電壓：VTEST 200VAC

工作溫度：–40°C … +85°C

750316928

主體電感：L（4–6） 0.24mH（10kHz， 100mV， +25°C）

電感偏差：±8% at +25°C

匝數(shù)比：1:1：9

工作頻率：300kHz

測(cè)試電壓：VTEST 500VAC 1min

工作溫度：–40°C … +125°C

如果工程師選擇了不同的換能器，就必須更換成對(duì)應(yīng)的變壓器。驅(qū)動(dòng)器PGA460的推薦外圍元件參數(shù)如圖4。

圖4. 換能器驅(qū)動(dòng)器PGA460的外圍元件推薦參數(shù)

芯齊齊BOM分析

本參考設(shè)計(jì)著眼工業(yè)4.0，核心BPM元器件TVS3300YZFR、PGA460TPWRQ1、LM5166DRCR、MSP430FR5959IRHAR、TIOL111均來(lái)自TI。

圖5. 基于PGA460的超聲測(cè)距傳感器BOM表

PGA460是高度集成的片上系統(tǒng)超聲波換能器驅(qū)動(dòng)器和配有先進(jìn)DSP內(nèi)核的信號(hào)調(diào)理器。PGA460設(shè)有補(bǔ)充性低側(cè)驅(qū)動(dòng)器對(duì)，可以在基于變壓器的拓?fù)渲惺褂蒙龎鹤儔浩鳎蛘咴谥苯域?qū)動(dòng)拓?fù)渲惺褂猛獠扛邆?cè)FET，來(lái)驅(qū)動(dòng)換能器。PGA460可接收和調(diào)理反射回波信號(hào)，以進(jìn)行可靠的物體檢測(cè)。PGA460采用PW0016A封裝，可用于超聲波雷達(dá)、距離和位置感測(cè)、存在和接近檢測(cè)，以及無(wú)人機(jī)和機(jī)器人著陸協(xié)助以及障礙物檢測(cè)等應(yīng)用。

LM5166采用10引腳3mm×3mm VSON封裝，是一款易用緊湊型3–65V超低IQ同步降壓轉(zhuǎn)換器，可在寬輸入電壓和負(fù)載電流范圍內(nèi)提供高效率。該轉(zhuǎn)換器可簡(jiǎn)化方案，同時(shí)優(yōu)化目標(biāo)應(yīng)用性能，可以調(diào)節(jié)電流限制設(shè)定值來(lái)優(yōu)化電感器選擇，從而滿足特定的負(fù)載電流要求。TIOL111是具有集成浪涌保護(hù)功能的IO-Link收發(fā)器，接口類(lèi)型3-Wire，電源電壓7-36V，輸出電流350mA。

圖6 基于PGA460的超聲測(cè)距傳感器電路板

方案發(fā)射頭采用標(biāo)準(zhǔn)引腳，具體由連接器J1決定，如M12，PCB寬度為8.9mm，適合管狀外形。右側(cè)的直角連接器J3適合頻率高達(dá)500kHz的各種換能器，變壓器T1需按換能器參數(shù)配對(duì)選擇。如果尺寸太大，可將其放置在PCB背面，可選直角引腳的EP5封裝變壓器，750317181和750317196，它們的電氣性能是一樣的。PCB背面的J2直角4腳連接器用于MSP430FR5959的編程和除錯(cuò)。

審核編輯：湯梓紅