超声波感测，从MCU到DSP

在工业和汽车领域，超声波是一种很常见的用来感测物体的手段，不管是工业领域的机器人传感还是汽车领域的ADAS应用，都能找到超声波技术的应用。和其他为人熟知的接近传感技术例如光学ToF以及毫米波相比，超声波感测的成本是最低的。对于固体障碍物以及透明表面，超声波能有效地检测，即便是在充满烟雾的环境中，超声波仍然能很好地检测环境中的物体。成本低廉加上对于某些场景有效的感测能力，超声波一直在接近传感技术上占有一定地位。
 
几种接近感测技术的简单比较
 
上面说到和其他为人熟知的接近传感技术例如光学ToF以及毫米波相比，超声波感测的成本是最低的。这里说成本最低没有算上红外，基于简单红外技术的感测响应快，成本也很低，但是由于红外的非线性特征以及对目标反射率的依赖，有很多受限的地方。随着技术升级，PIR技术也大幅提升了红外接近传感的性能。
 
现阶段很多红外接近传感IC中都内置了高精度算法单元，国产厂商像纳芯微，晶华微等等都有此类产品，高精算法单元的加入使得红外传感IC能够有效地区分开检测信号与干扰信号，加强了对目标的感知同时成本也不高。只是说在工业和汽车领域的接近感测中，红外仍然会比较受限。
 
光学ToF技术原理和超声波类似，早期的ToF设备由于对频率和精度的要求极高，又受限于体积和成本。现在在CMOS芯片上实现光脉冲相位的测量已经不是难事，小型模块带来了更高的感测能力。该技术的优点不用多说，我们主要看它和超声波相比局限在哪。在明亮的照明条件，烟雾或雾气环境中光学ToF技术存在比超声波更大的局限性，这些环境使光接收器难以检测到发射光。
 
基于雷达和激光雷达的技术旨在提供多点云阵列，已不局限于单一的飞行时间测量，比其他感测技术要昂贵许多。
 
超声波感测系统设计
 
一个超声波感测系统，包括换能器或超声波传感器、用于驱动发射机并调节接收信号的模拟前端以及模数转换器。在工业和汽车应用都要求器件智能化的现阶段，额外的信号处理能力也是系统必需的。模拟前端部分负责驱动传感器，以及放大和过滤接收到的回波数据，以为进一步处理做好准备。信号处理要么完全由分立式或AFE解决方案中的控制单元完成，要么在ASSP解决方案中通过其芯片内智能特性在控制单元与集成的DSP之间分担。
 

（DSP，ADI）

 
此前的专用模拟集成超声波控制芯片大大简化了控制线路。由于模拟集成超声波控制芯片中阻容元件的存在，这也成为了模拟控制电路的固有缺陷，元件参数的精度和一致性等问题一直存在。数字化控制兴起后，在很大程度上消除了温度漂移等常规模拟调节器难以克服的缺点，更是减少了元器件的数目大大简化了系统中的硬件结构。单片机已经基本完成了数字超声波控制，MSP430系列，STM32系列都在其中有很广泛的应用。而应用DSP或者FPGA在一些高频电路中也是常见的选择，例如ADI的ADSP-BF70x系列，TI的PGA460系列，都配置了强劲的DSP内核来提供智能化的处理能力。
 

（超声波系统框图，TI）

 
超声波系统不同的驱动
 
对于大多数集成式的超声波系统设计来说，都会有一个输出驱动器，由低侧驱动器组成或采用H桥配置的FET组成。以正弦波或者方波的中心频率驱动传感器，可以获得更好的感测效果。
 
输出驱动器由低侧驱动器组成用于在变压器模式下驱动变压器，采用H桥配置的FET组成用于直接驱动。两种驱动方式需要根据所选传感器的最大电流限值确定。直接驱动相对来说成本更低，是一些短距离感测的开放式超声波应用的首选，用较小的驱动电压即可实现更大的声压级（SPL），但容易受损。变压器模式更适合密闭式超声波传感，这种驱动能够给密闭式超声波传感最大限度地提高SPL，弊端是因此带来的传感器校准会更麻烦一些。
 
小结
 
模拟前端加数字信号处理器的高集成度方案是目前比较受欢迎的超声波感测方案，但从整个行业来看，不论是全集成式的芯片还是分立式的方案，都尽可能减小尺寸的做法也能看到超声波传感IC小型化的发展方向。
 
超声波传感器呈现出数字化和智能化特点也很突出，越来越强大的信号处理能力被安置在芯片上，近场和远场物体检测的数字信号处理都在DSP内核中使用时间变化阈值完成。这种额外的信号处理能力，使超声波测量的数据更加智能化。