超声波传感器芯片的两种解决方案

超声波传感想必大家已经很熟悉了，这种基于超声波的传感方式用途广泛，在生活中的很多领域都发挥着作用。超声波传感器就是根据超声波的一些特性制造出来的，内部的换能晶片受到电压的激励而发生振动产生超声波，然后完成对超声波的发射和接收。

 

超声波传感器的组成说起来也没有那么复杂，发送器和换能器构成发送部分，放大电路和换能器构成接收部分，然后结合控制部分与电源部分就能完成传感器大致的功能。在这些组成部分里，超声波的控制用高档单片机就可以实现。在声波发生器中单片机作为整个电路的主控芯片运行，配合D/A转换器和IGBT功率模块来实现脉宽调制。可以看到普通的单片机已经可以基本完成超声波控制。这只是基本实现了控制，可能对于某些高频电路要求而言，普通单片机的处理速度还是会有些慢。

 

MSP430系列集成式解决方案

 

普通的MCU既然不能完全满足需求，那该怎么办呢？先看看TI的MSP430系列，MSP430系列专门针对超声波应用做了加强。MSP430系列MCU，特别是其中的MSP430FR604x和MSP430FR504x系列，给超声波传感提供了一种低成本的单芯片解决方案。这个系列具有集成的超声波传感模拟前端，易于使用且可灵活用于开发各种应用。其独特的波形捕获技术与高速ADC可以实现低功耗的高精度测量。

 

（TI）

 

以MSP430FR5043为例，该器件专为超声波水表、热量计和燃气表而设计。在整个针对超声波应用的器件里，都集成了超声波传感解决方案（USS_A）模块，可针对多种流速提供高精度测量。USS_A高度集成，需要的外部组件极少，因而有助于实现超低功耗计量并降低系统成本。

 

USS_A模块囊括了可编程脉冲发生器（PPG）和具有低阻抗输出驱动器的物理接口（PHY），尽可能做到最佳的传感器激励和准确的阻抗匹配效果，从而在零流量漂移 (ZFD) 方面达到最佳。

 

为了实现精确的信号采集，USS_A模块里还集成了可编程增益放大器（PGA）和高速12位 8Msps Σ-Δ ADC。在水为介质的环境中，该器件的差分飞行时间精度为±12.5ps，在500：1的宽动态范围内精度为±1%。在气体介质中，差分飞行时间精度为±250ps，同时可在流速高达12000升/小时的条件下实现±1%的精度，具有200:1的宽动态范围。

 

MSP430FR5043器件采用低功耗加速器（LEA），实现了基于高速ADC的信号采集以及后续优化数字信号处理，为电池供电型计量提供了一款超低功耗、高精度的计量解决方案应用。这种整体功耗超低MSP系统架构，能使整个超声波传感器系统降低能耗的同时提升性能。

 

ADI专项分立式解决方案

 

ADI没有像TI那样做针对超声波应用的整个控制器功能集成，采用了分立式的解决方案。虽然不是打包成一块芯片，但是针对每一项应用，每颗器件都可谓功能强大。

 

（ADI）

 

从发射端，ADI就给出了基于AD9106的四通道方案，通过这款四通道，180MSPS的12位任意波形发生器，精确控制发射信号来增强流量计性能，同时该配置还可以节省大量流量计空间。

 

在接收前端上，AFE选用了高集成的八通道AD9670，可以大幅提升性能。VGA上则有着AD3388和AD8332两个选项。第一个能提供最高的动态范围，第二个可以做到最低的噪声。可以根据实际需求酌情选择。

 

DAC上则选取了AD5681R这款单通道的12位精密DAC，该DAC集成了基准电压，是一个不错的小尺寸方案。温度传感器选取了常见的全集成式数字温度传感器，既简单又精确，用于温度补偿再合适不过。

 

处理器使用了400MHz的ADS9-BF70x，该DSP自带1MB的SRAM，片内还内置了加密加速器，是一款支持多种工业接口的处理器。给出这种方案还有一种考量应该是看中了该款DSP 400MHz时小于100mW的功耗，从传感器内部开始降低功耗并降低流量计的自热。

 

从这些分立的器件搭配上不难看出ADI对于超声波应用很看重低功耗，同时对空间的严格把控也可见一斑。在每一个器件的选取上不仅考虑到了高精度，还都尽可能在尺寸上做减法。

 

小结

 

不论是全集成式的芯片解决方案还是分立式的方案，都尽可能往低功耗和低成本在做。ADI虽然没有将这些分立器件整合成SoC，但从方案中尽可能减小尺寸的做法也能看到超声波传感芯片小型化的发展方向。