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

所應(yīng)用的方法基于根據(jù)脈沖反射時間控制輸出信號的持續(xù)時間。發(fā)射器產(chǎn)生具有必要寬度的超聲波脈沖。當(dāng)該脈沖到達(dá)障礙物時，反射波回波返回接收器。然后可以使用脈寬調(diào)制 （PWM） 對返回的回波信號進(jìn)行分類。

這種設(shè)計可用于各種應(yīng)用，例如視障人士的設(shè)備、停車輔助系統(tǒng)、機(jī)器人和警告系統(tǒng)。

與超聲波觸發(fā)器和接收器的接口

在這個設(shè)計的系統(tǒng)中，發(fā)射器每 31.25 ms 向超聲波接收器發(fā)送一個觸發(fā)脈沖。該信號由 HV 部分放大。GreenPAK 的內(nèi)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(fā)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(tǒng)每 31.25 毫秒進(jìn)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(fā)射器和接收器用于 HC-SR04 傳感器。

發(fā)射器連接到 GreenPAK，它會生成必要的觸發(fā)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(chǎn)生PWM輸出信號，作為測量距離信息的呈現(xiàn)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(fā)，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(fā)器模塊創(chuàng)建 PWM 輸出信號。PWM“HIGH”對應(yīng)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(qū)動電機(jī)、LED 和定量距離估計。

電路設(shè)計

此設(shè)計中有四個主要模塊：發(fā)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(dāng) 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(chǎn)生 2.048 kHz/8/8 （32 Hz） 的頻率。

圖 4：OSC1 配置

該振蕩器產(chǎn)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(shè)計文件可在此處獲得。它是在免費(fèi)的基于 GUI 的GreenPAK Designer 軟件（Go Configure Software Hub 的一部分）中創(chuàng)建的。

發(fā)射機(jī)

該模塊用于為發(fā)射機(jī)創(chuàng)建觸發(fā)信號。電路圖如圖 5 所示。

圖 5：發(fā)送器模塊電路圖

計數(shù)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(fā)信號（圖 6）。該信號進(jìn)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(fā)送器的輸出。

圖 6：觸發(fā)信號

電荷泵

該模塊用于放大觸發(fā)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(chǎn)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(jìn)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(dá) 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(shè)計

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

脈寬調(diào)制

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

主要思想是創(chuàng)建一個方波信號，從觸發(fā)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(jù)與障礙物的距離，HIGH PWM 的持續(xù)時間也會發(fā)生變化。

圖 10：PWM 電路設(shè)計

在電路測試期間，接收器從 0 到 ~20 cm 捕獲來自發(fā)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(shè)計

這是該應(yīng)用的建議 PCB 設(shè)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(shè)計，電路連接到 5 V （VDD） 并且 PWR UP 設(shè)置為高電平。

測量距離結(jié)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(fā)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(nèi)

圖 16：電路測試測量距離在約 200 cm 范圍內(nèi)

圖 17：電路測試測量距離在約 300 cm 范圍內(nèi)

圖 18：電路測試測量距離在約 400 cm 范圍內(nèi)

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

結(jié)果證明該電路按預(yù)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(jié)論

本文介紹了如何將 HVPAK SLG47105 配置為控制單元，以驅(qū)動換能器并使用 PWM 解釋接收器的回波脈沖輸出，以創(chuàng)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(nèi)部資源（包括 HV、振蕩器、邏輯和 GPIO）易于配置，以實現(xiàn)該設(shè)計所需的功能。

審核編輯：郭婷