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超聲波定性測距傳感器

遠風 ? 來源:遠風 ? 作者:遠風 ? 2022-07-26 08:02 ? 次閱讀

此應用程序的主要目標是使用 Dialog Semiconductor 的SLG47105V設計一種超聲波定性距離估計傳感器。該系統設計使用高壓 (HV) 宏單元和 GreenPAK 內的其他內部和外部組件來與超聲波傳感器交互。

所應用的方法基于根據脈沖反射時間控制輸出信號的持續時間。發射器產生具有必要寬度的超聲波脈沖。當該脈沖到達障礙物時,反射波回波返回接收器。然后可以使用脈寬調制 (PWM) 對返回的回波信號進行分類。

這種設計可用于各種應用,例如視障人士的設備、停車輔助系統、機器人和警告系統。

與超聲波觸發器和接收器的接口

在這個設計的系統中,發射器每 31.25 ms 向超聲波接收器發送一個觸發脈沖。該信號由 HV 部分放大。GreenPAK 的內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單的放大級,可放大接收器獲得的信號。

HV 部分是增加觸發信號幅度所必需的。ACMP 和帶有雙極晶體管上最簡單放大級的外部部件用于放大接收器信號。由于系統每 31.25 毫秒進行一次測量,因此很容易看到傳感器測量距離的差異。

超聲波距離傳感器

發射器和接收器用于 HC-SR04 傳感器。

發射器連接到 GreenPAK,它會生成必要的觸發信號(約 10-μs 單次,頻率為 32 Hz)。接收器捕捉到反射波信號,然后產生PWM輸出信號,作為測量距離信息的呈現方式。

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,以放大信號幅度。回波信號由 GreenPAK 的 ACMP 和一些外部元件過濾和放大。然后,使用反相器、延遲和 D 觸發器模塊創建 PWM 輸出信號。PWM“HIGH”對應于到被檢測物體的距離。“HIGH”越長,物體越接近。因此,此 PWM 信號可用于不同的通知方法,例如驅動電機、LED 和定量距離估計。

電路設計

此設計中有四個主要模塊:發送器、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 PIN 16 為高電平時)。

對于這些模塊,使用了兩個具有以下屬性的振蕩器(圖 3 和圖 4)。

圖 3:OSC0 配置

該振蕩器產生 2.048 kHz/8/8 (32 Hz) 的頻率。

圖 4:OSC1 配置

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

完整的設計文件可在此處獲得。它是在免費的基于 GUI 的GreenPAK Designer 軟件(Go Configure Software Hub 的一部分)中創建的。

發射機

該模塊用于為發射機創建觸發信號。電路圖如圖 5 所示。

圖 5:發送器模塊電路圖

計數器/延遲 (CNT1/DLY1) 塊配置為一次性。該模塊使用 260.4 kHz 的時鐘來生成頻率為 32 Hz 的約 10 μs 脈沖觸發信號(圖 6)。該信號進入 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 用作發送器的輸出。

圖 6:觸發信號

電荷泵

該模塊用于放大觸發信號幅度。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 振蕩器用于產生半波倍壓器電路所需的方波信號(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、放大和過濾回波信號。電路圖如圖 8 所示。

圖 8:接收器電路圖

在 GreenPAK 之前,回波信號進入雙極晶體管上最簡單的放大器級,然后將其放大(圖 9)。然后回波信號到達 CMP1 塊,在此處選擇有用信號。這個反相信號是接收器的輸出(PIN 14)。接收器信號(PIN 14,GPIO1)僅用于測試。對于最終 PCB,使用 PWM 輸出(PIN 15,SCL/GPIO2)。

圖 9:全電路設計

如圖 9 所示,有一個電位器 R5。需要該電位器來調整 CMP1 閾值(幾毫伏)以獲得傳感器的合適靈敏度。

脈寬調制

這個塊是創建接收信號感知方式所必需的。此外,還需要進一步的信號處理及其應用(圖 10)。

主要思想是創建一個方波信號,從觸發信號到回波信號開始,該信號為 HIGH。隨著回波信號相位的變化,根據與障礙物的距離,HIGH PWM 的持續時間也會發生變化。

圖 10:PWM 電路設計

在電路測試期間,接收器從 0 到 ~20 cm 捕獲來自發射器的寄生信號。為了跳過這個無用的信號,添加了延遲 CNT3/DLY3 模塊的配置。典型的延遲時間約為 1.18 ms。

印刷電路板設計

這是該應用的建議 PCB 設計(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

測試

為了測試設計,電路連接到 5 V (VDD) 并且 PWR UP 設置為高電平。

測量距離結果示例如下: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射器信號(PIN 9, HV_GPO2_HD)、接收器信號 (PIN 14, GPIO1) 和 PWM (PIN 15, SCL/GPIO2)。

圖 15:電路測試測量距離在約 100 cm 范圍內

圖 16:電路測試測量距離在約 200 cm 范圍內

圖 17:電路測試測量距離在約 300 cm 范圍內

圖 18:電路測試測量距離在約 400 cm 范圍內

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

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

結論

本文介紹了如何將 HVPAK SLG47105 配置為控制單元,以驅動換能器并使用 PWM 解釋接收器的回波脈沖輸出,以創建超聲波定性距離估計傳感器。所描述的超聲波傳感器測量從 20 厘米到大約 400 厘米的距離。GreenPAK 的內部資源(包括 HV、振蕩器、邏輯和 GPIO)易于配置,以實現該設計所需的功能。

審核編輯:郭婷

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