ICU-30201：超远距离超声波飞行时间测距传感器的卓越之选

在电子设计领域，传感器的性能和特性对于产品的功能和质量起着至关重要的作用。今天，我们要深入探讨一款备受瞩目的传感器——InvenSense的ICU-30201超远距离超声波飞行时间（ToF）测距传感器。

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一、ICU-30201概述

ICU-30201是一款微型、超低功耗、超远距离的超声波飞行时间（ToF）收发器。它基于TDK的专利MEMS技术，将标称53kHz的压电微机械超声换能器（PMUT）与第二代超低功耗片上系统（SoC）集成在一个微型、可回流焊接的封装中。

（一）低功耗与易用性设计

SoC专为实现整体低系统功耗和便于与外部主机处理器配合使用而设计。通过定制数字电路处理和缓冲原始传感器读数，使集成微控制器在不需要时保持低功耗空闲状态。同时，微控制器可将原始传感器读数处理成高级信号，如到附近目标的距离或存在事件等，这些信号可直接被主机处理器读取。SoC通过SPI与主机处理器进行通信，在1.8V或3.3V电压下，最高通信频率可达13MHz。

（二）易于集成的特点

该传感器采用底部端口配置的小型薄封装，便于集成。它具有单底部端口用于收发，I/O电压支持1.8V或3.3V，核心工作电压为1.8V，13MHz的SPI接口允许以全测量速率输出基带数据流，还可选配32kHz参考时钟输入，并有两个可编程开漏I/O用于触发传感器或唤醒主机。此外，平台独立的软件驱动实现了一键式测距功能。

（三）高精度测距与广泛适用性

ICU-30201能够对距离达9m的目标进行精确测距。基于超声波脉冲回波测量原理，它可在任何光照条件下工作，包括强光直射，并且能够提供毫米级精度的测距结果，不受目标颜色和光学透明度的影响。其视场角（FoV）可定制，能够同时对视场内的多个物体进行测距。同时，多种可用算法可进一步处理回波信息，以满足各种应用场景的需求。

二、引脚与电气特性

（一）引脚说明

ICU-30201共有13个引脚，每个引脚都有其特定的功能。例如，SCLK为SPI接口时钟，MOSI用于MCU输出传感器输入的串行数据，MISO则用于MCU输入传感器输出的串行数据等。详细的引脚描述如下表所示：

PIN	NAME	DESCRIPTION
1	SCLK	SPI Interface Clock (from external SPI host)CPOL=1, CPHA=1
2	MOSI	MCU Out Sensor In serial data (from external SPI host)
3	MISO	MCU In Sensor Out serial data (to external SPI host)
4	CSB	SPI Chip Select (active-low, from external SPI host)
5	GND	Ground - Bottom port ring (shorted with pin #8)
6	MUTCLK	External Input/0utput 16x Operating Frequency Reference Clock (optional)
7	LFCLK	External Input/0utput Low Frequency Reference Clock -32.768kHz typical (optional)
8	GND	Ground - shorted with (shorted with pin #5)
9	AVDD	Analog Power Supply.Connect to externally regulated 1.8V+/-5% supply. Bypass with a 0.1uF capacitor close to AVDD &GND pad.
10	VDD	Digital Logic Supply, Connect to xternally regulated 1.8V+/-5%supply. Suggest common connection to AVDD. If not connected locally to AD, bypass with a 0.1uF capacitor close to VDD & GND pad.
11	VDDIO	V/O Power Supply. Connect to externally reulated 1.8V+-5% or3.3V+/- 10% supply.Bypass with a 1uF capacitor close to VDDIO & GND pad.
12	INT2	Interrupt Request Open Drain Input/Output 2
13	INT1	Interrupt Request Open Drain Input/Output 1

（二）电气特性

1. 绝对最大额定值：包括电源电压、数字I/O引脚电压、静电放电（ESD）、闩锁电流、工作温度、相对湿度、连续输入电流和焊接温度等参数的极限值。例如，AVDD/VDD到GND的电压范围为 -0.3V 至 2.2V，VDDIO到GND的电压范围为 -0.3V 至 4.0V 等。
2. 超声波收发器特性：在特定的工作条件下（AVDD = VDD = 1.8VDC，VDDIO = 3.3V，GND = 0V，TA = +25°C），规定了模拟电源、数字电源、IO电源的电压范围，以及工作温度、超声发射通道的工作频率、最大测量范围、最小测量范围、基带I/Q输出采样率、测量速率、视场角、电流消耗、空闲电流、测量延迟和编程时间等参数。
3. I/O特性：对数字输入和输出的电压、电容、输出泄漏电流等参数进行了规定。例如，数字输入的高电平输入电压VIH不低于0.7 VDDIO，低电平输入电压VIL不高于0.3 VDDIO等。
4. SPI时序特性：分别给出了4线SPI模式和3线SPI模式下的SPI时钟频率、时钟低周期、时钟高周期、片选信号设置时间和保持时间、数据输入输出设置时间和保持时间等参数的要求。

三、工作原理与详细描述

（一）工作原理

ICU-30201是一款自主式数字输出超声波收发器。其封装内包含压电微机械超声换能器（PMUT）和片上系统（SoC）。SoC控制PMUT以工作频率fop产生超声脉冲，这些脉冲在传感器视场（FoV）内的目标上反射后，由同一个PMUT接收。接收到的反射波经过放大、数字化处理后，以I/Q基带数据的形式存储在片上数据存储器中。片上微控制器（MCU）可以使用软件定义的算法处理I/Q数据以检测目标，并且这些算法可以进行调整以优先检测静止或移动目标。此外，I/Q数据也可以传输到更大的主机或应用处理器（AP）进行进一步处理。

（二）超声波换能器

PMUT位于设备底部的声学端口正上方，能够发射和接收超声波。在发射过程中，高电压脉冲序列施加到PMUT上，使其从ICU-30201底部向空气中发射声波；在接收过程中，撞击到PMUT上的声波产生小电流，该电流经过放大、数字化处理后存储在片上存储器中。TDK的专利频率锁定算法确保发射和接收的工作频率fop与PMUT频率相匹配，从而优化发射和接收灵敏度。

（三）测量过程

ICU-30201的测量状态机（MSM）是超声波收发器测量过程的核心。MSM在被MCU触发后，从存储器中获取专门的指令并执行，从而使收发器执行特定的操作。指令包括命令、中断配置、特定命令配置和长度等信息。支持的命令包括发射、接收、计数和文件结束（EOF）。多个指令组成一个测量队列，该队列定义了收发器要进行的测量。通常，倒数第二个指令是设置了DONE_IEN位的接收指令，最后一个指令是EOF。MCU在测量结束后唤醒，处理I/Q数据或将其转发给主机进行处理。

（四）I/Q基带数据

接收到的信号经过放大、数字化处理后，通过数字载波信号的正弦和余弦分量下变频到基带（直流）。与余弦解调器同相的信号分量称为同相（I），与正弦解调器同相的信号分量称为正交（Q）。I和Q信号经过数字梳状滤波器滤波和下采样后，以较低的采样率输出。I/Q基带数据包含信号的幅度（通过 $sqrt{I^{2}+Q^{2}}$ 计算）和相位（atan2(Q, I)）信息，这些信息可用于重构超声波信号。许多算法通过计算幅度并检测幅度数据中的上升沿来检测回波或其他收发器的脉冲。在某些应用中，相位数据可能提供额外的信息，如细化距离估计。

（五）测距原理

超声波脉冲从PMUT传播到目标并返回所需的时间称为飞行时间（ToF）。通过测距算法计算ToF，将其乘以声速并除以2（考虑往返行程），即可得到目标的距离。声速在空气中约为343m/s，虽然声速不是恒定值，但在一定范围内（0.2%/°C）变化稳定，能够提供误差在百分之几以内的测量精度。测距算法通常在I/Q数据的幅度（包络）中寻找上升沿，由于数据在大多数采样率下都比较平滑，因此通常使用插值来细化ToF估计。通用收发器（GPT）固件输出一个无符号16位整数来表示ToF，对于ODR = 4和fop = 53kHz，ToF的时间分辨率为 $frac{1}{8 cdot 2^{ODR} f_{op}}$ ，即147ns。

（六）低功耗系统设计

ICU-30201具有多种低功耗特性。片上低功耗实时时钟（RTC）设置采样率并为飞行时间测量提供参考。在正常运行期间，主机处理器无需向ICU-30201提供任何刺激，因此主机处理器可以进入最低功耗模式，直到ICU-30201产生唤醒中断。此外，还有两个通用输入/输出（INT1和INT2）引脚可作为系统唤醒源，可配置为在检测到目标时唤醒主机。

（七）时钟校准

ICU-30201有3个内部时钟，分别是LFCLK、MUTCLK和CPUCLK。LFCLK标称频率为30kHz，可以使用脉冲定时器外设进行测量，也可以通过LFCLK引脚输入一个32.768kHz（或其他已知频率）的低频时钟。一旦确定了LFCLK频率，就可以使用频率定时器外设测量MUTCLK和CPUCLK的频率。CPUCLK标称频率为40MHz，可以进行调整以提高不同ICU-30201之间算法运行时间的一致性。MUTCLK通过数字控制为工作（发射和接收）频率fop的16倍，通常为800kHz。SonicLib C驱动程序提供了测量LFCLK、CPUCLK和MUTCLK频率的方法，以确保准确的飞行时间测量。

（八）设备配置

在初始上电时，必须通过SPI接口使用SonicLib C驱动程序将ICU-30201的程序文件加载到片上存储器中。GPT固件使ICU-30201能够实现自主测距操作，同时也支持硬件触发，适用于需要多个收发器的应用。用户还可以使用ICU-30201 EVK根据自己的应用需求定制芯片配置。

四、应用场景与操作模式

（一）典型操作特性

在特定的工作条件下（AVDD = VDD = VDDIO = 1.8VDC，GND = 0V，TA = +25°C），ICU-30201呈现出特定的波束模式。通过测量可以得到其典型的波束图，这对于了解传感器在实际应用中的性能和覆盖范围非常重要。

（二）SonicLib驱动程序

TDK为ICU-30201提供了一个与编译器和微控制器无关的C驱动程序，大大简化了传感器的集成过程。该驱动程序可以实现对连接到主机处理器一个或多个SPI端口上的一个或多个ICU-30201的高级控制，用户可以通过C函数调用对ICU-30201进行编程、配置、触发和数据读取，而无需直接与ICU-30201的SPI寄存器进行交互。用户只需要实现一个与主机处理器的SPI硬件和GPIO硬件进行通信的I/O层即可。TDK强烈建议所有设计都使用该驱动程序。

（三）目标检测

通过软件设置传感器的满量程范围（FSR）和使用声学外壳调整传感器的视场角，可以优化对物体或人员的检测效果。FSR设置实际上控制了传感器在测量周期中处于监听（接收）阶段的时间，因此会影响测量完成所需的时间。较大的目标（如墙壁）比较小的目标更容易被检测到，因此较小目标的有效检测范围会相对较短。一般来说，在考虑各种因素的情况下，ICU-30201传感器可以检测到距离其6 - 7m远的人员。

（四）设备操作模式

1. 自由运行模式：在自由运行测量模式下，ICU-30201根据内部LFCLK或外部LFCLK引脚提供的时钟，以用户指定的测量速率自主运行。在这种模式下，INT1或INT2引脚配置为输出。当有新的测距样本可用时，ICU-30201将INT引脚拉低，此时主机处理器可以通过SPI接口读取样本数据。需要注意的是，当使用内部LFCLK处于自由运行模式时，同一范围内不应有其他ICU-30201设备，否则可能会发生干扰，因为每个设备的测量速率可能会略有不同。
2. 硬件触发模式：在硬件触发模式下，使用INT1/2引脚之一触发测量的开始。ICU-30201在被触发之前处于空闲状态，当INT引脚被拉低时，测量将相对于INT引脚的下降沿以确定的延迟开始。这种模式对于同步多个ICU-30201收发器非常有用，主机控制器可以使用多个收发器的各个INT引脚来协调精确的测量时间。一个INT1/2引脚可以双向使用，也可以将收发器配置为在一个INT引脚接受触发信号，在另一个INT引脚指示数据准备好。
3. 软件触发模式：在软件触发模式下，主机处理器通过SPI向收发器写入数据来触发测量的开始。当测量完成时，ICU-30201将INT1或INT2引脚拉低。通过同时选择并写入多个ICU-30201，也可以使用这种方法同步测量的开始，但为了获得最佳性能，建议使用硬件触发模式。

（五）多设备共存

当多个ICU-30201设备彼此距离小于20m且具有相似的fop时，它们可能会接收到彼此发射的声波。如果每个ICU-30201加载了忽略静止目标的算法（如静态目标拒绝模式或存在固件），并且以精确的测量速率（如10Hz）触发，则多个ICU-30201可以在同一空间中共存而不会将其他设备检测为目标。为了确保良好的共存性能，建议使用由晶体时钟驱动的硬件触发模式，或者使用向LFCLK引脚输入晶体时钟并适当配置的自由运行模式。

（六）PCB回流建议

关于PCB回流焊接的具体建议，请参考应用笔记AN - 000159 CH101和CH201《超声波收发器处理和组装指南》。

（七）3线SPI模式

ICU-30201支持3线SPI模式，其中MOSI和MISO使用同一数据线。与ICU-30201的通信始终是单双工的，即MISO或MOSI之一传输数据。当MISO不活跃时，其输出驱动器被禁用并保持高阻态。因此，要在3线SPI模式下使用ICU-30201，无需特殊配置，只需在ICU-30201封装附近将MISO和MOSI短接，并将主机配置为使用单共享数据线的3线SPI模式即可。

（八）典型操作电路

文档提供了单收发器操作和多收发器操作的典型电路图。在单收发器操作中，虚线连接为可选连接；对于3线SPI操作，只需在ICU-30201附近将MOSI和MISO短接。在多收发器操作中，通过为每个额外的收发器添加CS_B和INT1引脚，并共享公共的MOSI/MISO/SCLK连接来添加更多的收发器；同样，对于3线SPI操作，只需在ICU-30201附近将MOSI和MISO短接。

（九）推荐的PCBA布局

为了确保ICU-30201的性能，PCB布局应遵循以下建议：

1. PCB设计应尽可能对称。
2. 由于收发器功耗非常低，不需要大的VDD和GND走线。
3. 不要在收发器封装内的顶层金属层上放置过孔或走线。
4. PCB厚度应为0.60 +/- 0.08mm，以确保良好的声学性能。
5. PCB焊盘和连接走线应对称。
6. PCB焊盘的高度和宽度应与收发器焊盘的高度和宽度相等。
7. 阻焊层开口应比PCB焊盘的高度和宽度大0.1mm。
8. 钻孔应满足+/-0.08mm（3mil）的公差要求。
9. 收发器在PCB上的放置应避免靠近热点（如微处理器）和机械应力点（如按钮和螺丝）。

（十）推荐的焊接曲线

文档给出了推荐的焊接曲线设置，包括不同阶段的温度和传送带速度。同时，还规定了焊膏（SAC305）的相关参数，如最大上升斜率、浸泡时间、回流时间和峰值温度等的范围。

五、封装与订购信息

（一）封装信息