可精確測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)手冊通常提供相應(yīng)參數(shù))。

第1級(OP1)增益設(shè)置為100，經(jīng)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(nèi)。

3 利用MAX4329中的另一路運(yùn)放構(gòu)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(gòu)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(fā)器后轉(zhuǎn)換成40kHz的方波信號。也可以利用MAX4329的第3個運(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，電池放電時可以跟蹤電池電壓，始終保持最大動態(tài)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(dǎo)致靜態(tài)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(yùn)算放大器OP4為偏置電壓提供一個低阻節(jié)點(diǎn)并滿足施密特觸發(fā)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(jù)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(shè)置為1使能定時器的捕獲功能，超聲接收機(jī)的輸出應(yīng)該送入定時器的TBB引腳，利用TBPS[2:0]位設(shè)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(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)歷的定時器時鐘數(shù)，根據(jù)時鐘周期即可計算出歷時時間。這個延遲時間內(nèi)還包括了系統(tǒng)的延遲時間，計算發(fā)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(yīng)用電路

系統(tǒng)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(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，微控制器的IR驅(qū)動器連接到一個外部放大器，用于驅(qū)動超聲TX。接收端，RX的超聲信號經(jīng)過放大后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(通過放大器和比較器實現(xiàn))，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)。