可精確測(cè)距的低成本超聲子系統(tǒng)

處理超聲接收脈沖的接收器結(jié)構(gòu)如圖4所示，可按照下列計(jì)算步驟確定元件值。

圖4 脈沖接收器結(jié)構(gòu)

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

2 利用兩極運(yùn)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(shè)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(shí)提供高通濾波。放大器還具有可調(diào)節(jié)的輸入阻抗，以便從傳感器獲得最大功率(傳感器的數(shù)據(jù)手冊(cè)通常提供相應(yīng)參數(shù))。

第1級(jí)(OP1)增益設(shè)置為100，經(jīng)過(guò)第1級(jí)放大之后的噪聲電平必須控制在可接受的范圍內(nèi)。

3 利用MAX4329中的另一路運(yùn)放構(gòu)建第2級(jí)反相放大器，由于第1級(jí)放大器和第2級(jí)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(shí)會(huì)拾取高頻噪聲，因此第2級(jí)放大器可以配置成低通濾波器，從而使兩級(jí)放大器共同構(gòu)成一個(gè)1階帶通濾波器。

4 第2級(jí)放大器輸出信號(hào)必須足夠大，送入施密特觸發(fā)器后轉(zhuǎn)換成40kHz的方波信號(hào)。也可以利用MAX4329的第3個(gè)運(yùn)算放大器構(gòu)建施密特觸發(fā)器，施密特觸發(fā)器的滯回電壓由下式計(jì)算。

滯回電壓=VccR7/（R7+R8）=160mV，Vcc=6V。

5 直流偏置電壓設(shè)置為Vcc/2，電池放電時(shí)可以跟蹤電池電壓，始終保持最大動(dòng)態(tài)范圍，通過(guò)電阻分壓器得到該電壓。選擇電阻時(shí)需要注意，過(guò)小的電阻會(huì)導(dǎo)致靜態(tài)電流過(guò)大，很快將電池能量耗盡；電阻過(guò)大時(shí)，會(huì)引入較大噪聲。但熱噪聲可以通過(guò)陶瓷旁路電容C3濾出，連接在電阻分壓器之后的運(yùn)算放大器OP4為偏置電壓提供一個(gè)低阻節(jié)點(diǎn)并滿(mǎn)足施密特觸發(fā)器的工作電流要求。

回波檢測(cè)與距離計(jì)算

一旦捕獲到回波信號(hào)，微控制器可以檢測(cè)脈沖信號(hào)并根據(jù)延時(shí)計(jì)算距離。檢測(cè)脈沖時(shí)，定時(shí)器B處于捕獲模式(見(jiàn)圖5)。

圖5 微控制器中的定時(shí)器B

將EXENB設(shè)置為1使能定時(shí)器的捕獲功能，超聲接收機(jī)的輸出應(yīng)該送入定時(shí)器的TBB引腳，利用TBPS[2:0]位設(shè)置定時(shí)器的時(shí)鐘頻率。第一次IR中斷使能定時(shí)器，TBB引腳從1到0的跳變使定時(shí)器B的計(jì)數(shù)值(TBV)傳輸?shù)讲东@寄存器(TBR)并置位EXFB標(biāo)志。如果使能，EXFB標(biāo)志置位還可以產(chǎn)生一次中斷。

TBR寄存器的數(shù)值包含了發(fā)射脈沖與接收脈沖之間所經(jīng)歷的定時(shí)器時(shí)鐘數(shù)，根據(jù)時(shí)鐘周期即可計(jì)算出歷時(shí)時(shí)間。這個(gè)延遲時(shí)間內(nèi)還包括了系統(tǒng)的延遲時(shí)間，計(jì)算發(fā)送與接收傳感器之間的距離時(shí)需要考慮這一因素。

傳感器應(yīng)用電路

系統(tǒng)中可以使用兩種類(lèi)型的傳感器配置，具體選擇取決于物理架構(gòu)。

圖6(a)使用獨(dú)立的TX和RX傳感器

圖6(b)單傳感器系統(tǒng)中

采用獨(dú)立的TX、RX傳感器時(shí)，微控制器的IR驅(qū)動(dòng)器連接到一個(gè)外部放大器，用于驅(qū)動(dòng)超聲TX。接收端，RX的超聲信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)(通過(guò)放大器和比較器實(shí)現(xiàn))，然后將該信號(hào)送到微控制器的16位定時(shí)器輸入端(見(jiàn)圖6a)。共用同一傳感器時(shí)，利用變壓器提高輸出信號(hào)的幅度(見(jiàn)圖6b)。