超声波定性测距传感器

此应用程序的主要目标是使用 Dialog Semiconductor 的SLG47105V设计一种超声波定性距离估计传感器。该系统设计使用高压 （HV） 宏单元和 GreenPAK 内的其他内部和外部组件来与超声波传感器交互。

所应用的方法基于根据脉冲反射时间控制输出信号的持续时间。发射器产生具有必要宽度的超声波脉冲。当该脉冲到达障碍物时，反射波回波返回接收器。然后可以使用脉宽调制 （PWM） 对返回的回波信号进行分类。

这种设计可用于各种应用，例如视障人士的设备、停车辅助系统、机器人和警告系统。

与超声波触发器和接收器的接口

在这个设计的系统中，发射器每 31.25 ms 向超声波接收器发送一个触发脉冲。该信号由 HV 部分放大。GreenPAK 的内部组件与模拟比较器 （ACMP） 和外部组件一起，在双极晶体管上具有最简单的放大级，可放大接收器获得的信号。

HV 部分是增加触发信号幅度所必需的。ACMP 和带有双极晶体管上最简单放大级的外部部件用于放大接收器信号。由于系统每 31.25 毫秒进行一次测量，因此很容易看到传感器测量距离的差异。

超声波距离传感器

发射器和接收器用于 HC-SR04 传感器。

发射器连接到 GreenPAK，它会生成必要的触发信号（约 10-µs 单次，频率为 32 Hz）。接收器捕捉到反射波信号，然后产生PWM输出信号，作为测量距离信息的呈现方式。

框图如图 2 所示。

图 2：GreenPAK 框图

使用 one-shot 和 HV OUT CTRL 模块生成输入触发，以放大信号幅度。回波信号由 GreenPAK 的 ACMP 和一些外部元件过滤和放大。然后，使用反相器、延迟和 D 触发器模块创建 PWM 输出信号。PWM“HIGH”对应于到被检测物体的距离。“HIGH”越长，物体越接近。因此，此 PWM 信号可用于不同的通知方法，例如驱动电机、LED 和定量距离估计。

电路设计

此设计中有四个主要模块：发送器、电荷泵、接收器和 PWM。为了降低电路的功耗，所有模块都连接到“PWR UP”（当 PIN 16 为高电平时）。

对于这些模块，使用了两个具有以下属性的振荡器（图 3 和图 4）。

图 3：OSC0 配置

该振荡器产生 2.048 kHz/8/8 （32 Hz） 的频率。

图 4：OSC1 配置

该振荡器产生两个必要的频率：25 MHz/12/8 （~260.4 kHz） 和 25 MHz/12/60 （~34.7 kHz）。

完整的设计文件可在此处获得。它是在免费的基于 GUI 的GreenPAK Designer 软件（Go Configure Software Hub 的一部分）中创建的。

发射机

该模块用于为发射机创建触发信号。电路图如图 5 所示。

图 5：发送器模块电路图

计数器/延迟 （CNT1/DLY1） 块配置为一次性。该模块使用 260.4 kHz 的时钟来生成频率为 32 Hz 的约 10 µs 脉冲触发信号（图 6）。该信号进入 HV OUT CTRL1 模块，该模块与电荷泵模块一起将幅度放大至 ~9 V。引脚 9 和 10 用作发送器的输出。

图 6：触发信号

电荷泵

该模块用于放大触发信号幅度。电路图如图 7 所示。

图 7：电荷泵模块电路图

半桥 HV OUT CTRL0 由 5V 直流电压 （POR） 供电。260.4 kHz 振荡器用于产生半波倍压器电路所需的方波信号（交流电压）。最终电压取决于所选二极管 D1 和 D2 的电压降（小于 10 V）。

接收者

该模块用于接收、放大和过滤回波信号。电路图如图 8 所示。

图 8：接收器电路图

在 GreenPAK 之前，回波信号进入双极晶体管上最简单的放大器级，然后将其放大（图 9）。然后回波信号到达 CMP1 块，在此处选择有用信号。这个反相信号是接收器的输出（PIN 14）。接收器信号（PIN 14，GPIO1）仅用于测试。对于最终 PCB，使用 PWM 输出（PIN 15，SCL/GPIO2）。

图 9：全电路设计

如图 9 所示，有一个电位器 R5。需要该电位器来调整 CMP1 阈值（几毫伏）以获得传感器的合适灵敏度。

脉宽调制

这个块是创建接收信号感知方式所必需的。此外，还需要进一步的信号处理及其应用（图 10）。

主要思想是创建一个方波信号，从触发信号到回波信号开始，该信号为 HIGH。随着回波信号相位的变化，根据与障碍物的距离，HIGH PWM 的持续时间也会发生变化。

图 10：PWM 电路设计

在电路测试期间，接收器从 0 到 ~20 cm 捕获来自发射器的寄生信号。为了跳过这个无用的信号，添加了延迟 CNT3/DLY3 模块的配置。典型的延迟时间约为 1.18 ms。

印刷电路板设计

这是该应用的建议 PCB 设计（图 11 和 12），它基于图 9 中的原理图。此外，还有工作原型的照片（图 13 和 14）。

图 11：顶部

图 12：底部

图 13：顶面照片

图 14：底部照片

测试

为了测试设计，电路连接到 5 V （VDD） 并且 PWR UP 设置为高电平。

测量距离结果示例如下：图 15 中的 100 厘米，图 16 中的 200 厘米，图 17 中的 300 厘米，图 18 中的 400 厘米。示波器屏幕截图显示了发射器信号（PIN 9， HV_GPO2_HD）、接收器信号 （PIN 14， GPIO1） 和 PWM （PIN 15， SCL/GPIO2）。

图 15：电路测试测量距离在约 100 cm 范围内

图 16：电路测试测量距离在约 200 cm 范围内

图 17：电路测试测量距离在约 300 cm 范围内

图 18：电路测试测量距离在约 400 cm 范围内

从这些图中可以看出，接收器从 0 到 ~20 cm 捕获来自发射器的寄生信号（这些毛刺以红色圈出）。

结果证明该电路按预期工作，GreenPAK模块能够作为超声波定性测距传感器的控制模块。它测量的距离从 20 厘米到大约 400 厘米。

结论

本文介绍了如何将 HVPAK SLG47105 配置为控制单元，以驱动换能器并使用 PWM 解释接收器的回波脉冲输出，以创建超声波定性距离估计传感器。所描述的超声波传感器测量从 20 厘米到大约 400 厘米的距离。GreenPAK 的内部资源（包括 HV、振荡器、逻辑和 GPIO）易于配置，以实现该设计所需的功能。

审核编辑：郭婷