可精確測距的低成本超聲子系統

超聲測距原理

超聲傳感器電路比較簡單，在系統中負責發送超聲脈沖流，然后采集回波信號。器件發出的脈沖信號在空氣中傳輸，直到碰到一個目標物體并在此處產生反射回波。超聲傳感器通過檢測這些回波，并計算出發射脈沖與接收脈沖之間的時間差，從而確定脈沖波形的傳輸距離。發射脈沖的頻率范圍為40～200kHz，多數情況下使用40～50kHz頻率范圍的脈沖。

用于發射脈沖信號并檢測回波信號的硬件電路稱為超聲傳感器。有兩種類型的超聲傳感器：靜電超聲傳感器和壓電超聲傳感器。靜電型類似于一個電容器，由固定極板和移動極板組成。固定極板通常采用鋁，移動極板則采用帶有一層較薄鍍金層的聚酰亞胺。聚酰亞胺的作用類似于一個絕緣層，當信號(典型頻率為50kHz)作用在兩個極板時，金箔被吸向背板，產生超聲突發信號。

壓電型是利用壓電效應產生并測量超聲脈沖。傳感器將晶體或陶瓷材料黏接在金屬殼或椎體上，發射脈沖時，信號(通常為40kHz)激勵晶體，使壓電材料擴張或收縮，從而產生超聲突發信號。回波信號將使壓電材料震動，產生信號輸出。

計算距離

距離計算非常簡單，對于一個理想系統，一旦脈沖發射并檢測到回波后，即可利用下式計算距離。
距離=(傳輸時間×聲速)/2

但是，實際應用系統需要考慮延時偏差(零距離下系統的響應延時)，上述公式修改為：
距離=((傳輸時間–系統延時偏差)×聲速)/2

對應于空氣溫度(Ta)的聲速(C)可以按照下式計算，單位為m/s。
C=331+0.606×Ta

另外，還需要考慮溫度的測量精度。

步程計設計

為了構建一個類似于步程計的便攜系統，可以選擇MAXQ610等低功耗微控制器，以節省計算功耗——其工作在12MIPS時電流只有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)，可在較長的電池放電過程中支持系統供電（見圖1）。

圖1 用類似于MAXQ610的微控制器構建的系統

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

許多應用中，發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，微控制器可以產生突發信號并處理接收到的回波。而在步程計中，發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，需要單獨提供產生突發脈沖的電路，而微控制器將處理收到的發射信號并計算距離。獨立的發射電路利用555定時器即可實現，隨后將詳細介紹這部分電路。首先討論微控制器是如何產生脈沖信號。

產生超聲脈沖

利用微控制器的紅外(IR)定時器可以產生超聲脈沖信號。定時器可以方便地編程脈沖頻率和持續時間(見圖2)。紅外時鐘(IRCK)頻率等于fSYS/2IRDIV[1:0]。其中，IRDIV[1:0]可以設置成1、2、4或8，IRCAH字節定義載波的高電平時間(按照IR輸入時鐘周期數定義)，而IRCAL字節定義載波的低電平時間。

圖2 MAXQ610微控制器內部的紅外模塊定時器

IRTXPOL定義開啟/空閑狀態和IRTX引腳的載波極性，IRDATA決定是否在下一個IRMT載波周期將載波發生器輸出送至IRTX引腳。IRDATA=1時，載波在下一個IRMT周期輸出到IRTX引腳；IRDATA=0，IRTX引腳在下一個IRMT周期為空閑狀態。

在本例的開始，設置IRDATA=0使能IR定時器，載波時鐘不會出現在IRTX引腳。當IRV寄存器倒計數使IRV達到0時，設置IRDATA=1使載頻信號在下一載波時鐘輸出到IRTX引腳。同時，IRV寄存器重新裝載IRMT的數值。

在步程計設計中，突發脈沖發生器位于發送傳感器中，可以利用555定時器實現該功能。由555定時器構成簡單的振蕩器，振蕩頻率為40kHz，占空比為50%(見圖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定時器輸出與超聲傳感器連接在一起。

?圖3 一種基于555定時器、簡單的突發模式超聲發生器

處理接收到的回波信號

處理超聲接收脈沖的接收器結構如圖4所示，可按照下列計算步驟確定元件值。

圖4 脈沖接收器結構

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

2? 利用兩極運算放大器提供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，同時提供高通濾波。放大器還具有可調節的輸入阻抗，以便從傳感器獲得最大功率(傳感器的數據手冊通常提供相應參數)。

第1級(OP1)增益設置為100，經過第1級放大之后的噪聲電平必須控制在可接受的范圍內。

3 利用MAX4329中的另一路運放構建第2級反相放大器，由于第1級放大器和第2級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會拾取高頻噪聲，因此第2級放大器可以配置成低通濾波器，從而使兩級放大器共同構成一個1階帶通濾波器。

4 第2級放大器輸出信號必須足夠大，送入施密特觸發器后轉換成40kHz的方波信號。也可以利用MAX4329的第3個運算放大器構建施密特觸發器，施密特觸發器的滯回電壓由下式計算。

滯回電壓=VccR7/（R7+R8）=160mV，Vcc=6V。

5 直流偏置電壓設置為Vcc/2，電池放電時可以跟蹤電池電壓，始終保持最大動態范圍，通過電阻分壓器得到該電壓。選擇電阻時需要注意，過小的電阻會導致靜態電流過大，很快將電池能量耗盡；電阻過大時，會引入較大噪聲。但熱噪聲可以通過陶瓷旁路電容C3濾出，連接在電阻分壓器之后的運算放大器OP4為偏置電壓提供一個低阻節點并滿足施密特觸發器的工作電流要求。

回波檢測與距離計算

一旦捕獲到回波信號，微控制器可以檢測脈沖信號并根據延時計算距離。檢測脈沖時，定時器B處于捕獲模式(見圖5)。

圖5? 微控制器中的定時器B

將EXENB設置為1使能定時器的捕獲功能，超聲接收機的輸出應該送入定時器的TBB引腳，利用TBPS[2:0]位設置定時器的時鐘頻率。第一次IR中斷使能定時器，TBB引腳從1到0的跳變使定時器B的計數值(TBV)傳輸到捕獲寄存器(TBR)并置位EXFB標志。如果使能，EXFB標志置位還可以產生一次中斷。

TBR寄存器的數值包含了發射脈沖與接收脈沖之間所經歷的定時器時鐘數，根據時鐘周期即可計算出歷時時間。這個延遲時間內還包括了系統的延遲時間，計算發送與接收傳感器之間的距離時需要考慮這一因素。

傳感器應用電路

系統中可以使用兩種類型的傳感器配置，具體選擇取決于物理架構。

圖6(a)使用獨立的TX和RX傳感器

圖6(b)單傳感器系統中

采用獨立的TX、RX傳感器時，微控制器的IR驅動器連接到一個外部放大器，用于驅動超聲TX。接收端，RX的超聲信號經過放大后轉換成數字信號(通過放大器和比較器實現)，然后將該信號送到微控制器的16位定時器輸入端(見圖6a)。共用同一傳感器時，利用變壓器提高輸出信號的幅度(見圖6b)。