超聲波感測(cè)，從MCU到DSP

在工業(yè)和汽車領(lǐng)域，超聲波是一種很常見(jiàn)的用來(lái)感測(cè)物體的手段，不管是工業(yè)領(lǐng)域的機(jī)器人傳感還是汽車領(lǐng)域的ADAS應(yīng)用，都能找到超聲波技術(shù)的應(yīng)用。和其他為人熟知的接近傳感技術(shù)例如光學(xué)ToF以及毫米波相比，超聲波感測(cè)的成本是最低的。對(duì)于固體障礙物以及透明表面，超聲波能有效地檢測(cè)，即便是在充滿煙霧的環(huán)境中，超聲波仍然能很好地檢測(cè)環(huán)境中的物體。成本低廉加上對(duì)于某些場(chǎng)景有效的感測(cè)能力，超聲波一直在接近傳感技術(shù)上占有一定地位。

幾種接近感測(cè)技術(shù)的簡(jiǎn)單比較

上面說(shuō)到和其他為人熟知的接近傳感技術(shù)例如光學(xué)ToF以及毫米波相比，超聲波感測(cè)的成本是最低的。這里說(shuō)成本最低沒(méi)有算上紅外，基于簡(jiǎn)單紅外技術(shù)的感測(cè)響應(yīng)快，成本也很低，但是由于紅外的非線性特征以及對(duì)目標(biāo)反射率的依賴，有很多受限的地方。隨著技術(shù)升級(jí)，PIR技術(shù)也大幅提升了紅外接近傳感的性能。

現(xiàn)階段很多紅外接近傳感IC中都內(nèi)置了高精度算法單元，國(guó)產(chǎn)廠商像納芯微，晶華微等等都有此類產(chǎn)品，高精算法單元的加入使得紅外傳感IC能夠有效地區(qū)分開(kāi)檢測(cè)信號(hào)與干擾信號(hào)，加強(qiáng)了對(duì)目標(biāo)的感知同時(shí)成本也不高。只是說(shuō)在工業(yè)和汽車領(lǐng)域的接近感測(cè)中，紅外仍然會(huì)比較受限。

光學(xué)ToF技術(shù)原理和超聲波類似，早期的ToF設(shè)備由于對(duì)頻率和精度的要求極高，又受限于體積和成本?，F(xiàn)在在CMOS芯片上實(shí)現(xiàn)光脈沖相位的測(cè)量已經(jīng)不是難事，小型模塊帶來(lái)了更高的感測(cè)能力。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)不用多說(shuō)，我們主要看它和超聲波相比局限在哪。在明亮的照明條件，煙霧或霧氣環(huán)境中光學(xué)ToF技術(shù)存在比超聲波更大的局限性，這些環(huán)境使光接收器難以檢測(cè)到發(fā)射光。

基于雷達(dá)和激光雷達(dá)的技術(shù)旨在提供多點(diǎn)云陣列，已不局限于單一的飛行時(shí)間測(cè)量，比其他感測(cè)技術(shù)要昂貴許多。

超聲波感測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

一個(gè)超聲波感測(cè)系統(tǒng)，包括換能器或超聲波傳感器、用于驅(qū)動(dòng)發(fā)射機(jī)并調(diào)節(jié)接收信號(hào)的模擬前端以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器。在工業(yè)和汽車應(yīng)用都要求器件智能化的現(xiàn)階段，額外的信號(hào)處理能力也是系統(tǒng)必需的。模擬前端部分負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)傳感器，以及放大和過(guò)濾接收到的回波數(shù)據(jù)，以為進(jìn)一步處理做好準(zhǔn)備。信號(hào)處理要么完全由分立式或AFE解決方案中的控制單元完成，要么在ASSP解決方案中通過(guò)其芯片內(nèi)智能特性在控制單元與集成的DSP之間分擔(dān)。

此前的專用模擬集成超聲波控制芯片大大簡(jiǎn)化了控制線路。由于模擬集成超聲波控制芯片中阻容元件的存在，這也成為了模擬控制電路的固有缺陷，元件參數(shù)的精度和一致性等問(wèn)題一直存在。數(shù)字化控制興起后，在很大程度上消除了溫度漂移等常規(guī)模擬調(diào)節(jié)器難以克服的缺點(diǎn)，更是減少了元器件的數(shù)目大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)中的硬件結(jié)構(gòu)。單片機(jī)已經(jīng)基本完成了數(shù)字超聲波控制，MSP430系列，STM32系列都在其中有很廣泛的應(yīng)用。而應(yīng)用DSP或者FPGA在一些高頻電路中也是常見(jiàn)的選擇，例如ADI的ADSP-BF70x系列，TI的PGA460系列，都配置了強(qiáng)勁的DSP內(nèi)核來(lái)提供智能化的處理能力。

超聲波系統(tǒng)不同的驅(qū)動(dòng)

對(duì)于大多數(shù)集成式的超聲波系統(tǒng)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，都會(huì)有一個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器，由低側(cè)驅(qū)動(dòng)器組成或采用H橋配置的FET組成。以正弦波或者方波的中心頻率驅(qū)動(dòng)傳感器，可以獲得更好的感測(cè)效果。

輸出驅(qū)動(dòng)器由低側(cè)驅(qū)動(dòng)器組成用于在變壓器模式下驅(qū)動(dòng)變壓器，采用H橋配置的FET組成用于直接驅(qū)動(dòng)。兩種驅(qū)動(dòng)方式需要根據(jù)所選傳感器的最大電流限值確定。直接驅(qū)動(dòng)相對(duì)來(lái)說(shuō)成本更低，是一些短距離感測(cè)的開(kāi)放式超聲波應(yīng)用的首選，用較小的驅(qū)動(dòng)電壓即可實(shí)現(xiàn)更大的聲壓級(jí)（SPL），但容易受損。變壓器模式更適合密閉式超聲波傳感，這種驅(qū)動(dòng)能夠給密閉式超聲波傳感最大限度地提高SPL，弊端是因此帶來(lái)的傳感器校準(zhǔn)會(huì)更麻煩一些。

小結(jié)

模擬前端加數(shù)字信號(hào)處理器的高集成度方案是目前比較受歡迎的超聲波感測(cè)方案，但從整個(gè)行業(yè)來(lái)看，不論是全集成式的芯片還是分立式的方案，都盡可能減小尺寸的做法也能看到超聲波傳感IC小型化的發(fā)展方向。

超聲波傳感器呈現(xiàn)出數(shù)字化和智能化特點(diǎn)也很突出，越來(lái)越強(qiáng)大的信號(hào)處理能力被安置在芯片上，近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)物體檢測(cè)的數(shù)字信號(hào)處理都在DSP內(nèi)核中使用時(shí)間變化閾值完成。這種額外的信號(hào)處理能力，使超聲波測(cè)量的數(shù)據(jù)更加智能化。