QProx QTM1001AS：一款功能强大的传感器模块

在电子设计领域，传感器模块的性能和功能直接影响着产品的质量和应用范围。QProx QTM1001AS作为一款先进的传感器模块，具备众多独特的特性和功能，为工程师们提供了丰富的设计选择。本文将详细介绍QTM1001AS的特点、使用方法以及相关技术细节。

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快速上手

QTM1001AS预加载了设置，可轻松在两种模式下启动：

• 基本BG模式（预设灵敏度）：先将QTM通过连接器连接到电源和金属电极，接通电源且电极附近无物体时，按下“BG”按钮至少1.6秒后松开，LED会先持续亮3/4秒，然后微弱闪烁。此时将手或物体靠近电极，检测到物体时LED会明亮闪烁。
• 基本OBJ模式（示例学习）：同样连接电源和电极，将物体（或手）放在希望传感器检测的位置，按下“OBJ”按钮至少1.6秒后松开，LED会先持续亮3/4秒，然后微弱或明亮闪烁（若未闪烁，需长按“OBJ”）。移开物体后，当物体回到校准位置时，传感器会进行检测。

输出电路与连接器布线

输出电路

QTM具有同时的PNP和NPN输出。PNP高电压（引脚8）通常连接到电源（引脚7），但在某些情况下，为实现逻辑电平兼容性，可连接到+5V或其他电压。NPN_OUT可使用外部上拉电阻，也可通过两个10K电阻实现内部上拉，以节省外部元件。需要注意的是，PNP和NPN输出都有10欧姆的串联电阻用于限流，但输出不适合短路条件，短路可能会造成不可修复的损坏。此外，模块内部有串联二极管，可防止电源反接造成的内部损坏。XBG和XOBJ镜像两个按钮，工作电压范围为+3至+20V，为“高电平有效”，且不应同时为高电平。它们可由逻辑电平（特别是CMOS逻辑）或继电器触点驱动，若由TTL逻辑电平驱动，需连接1K至4.7K的上拉电阻到+5V电源，以确保TTL电平高于+3V。

连接器布线

QTM的12孔用户连接器布局包括顶部的可能为用户安装的IDC类型和底部的12引脚边缘连接器。各引脚功能明确，如SENSE用于连接电极，SHIELD可用于同轴电缆屏蔽或作为信号接地等。信号输出NPN_OUT和PNP_OUT应仅作为逻辑驱动，额定最大电流为100mA，连接感性负载时需通过外部二极管钳位保护。模拟输出是0至+5V范围的信号，由CMOS运算放大器缓冲，应连接到高阻抗负载以确保电压准确性。

主要特性

可编程性与存储

QTM可通过E2评估板的克隆方法进行完全编程，具有EEPROM永久设置和校准内存，支持即时开启模式。

多样输出

具备Mosfet开漏输出、PNP晶体管输出、模拟输出（原始或处理后）以及LED状态指示灯。

灵活驱动与参数设置

拥有可变扩展频谱驱动、可变脉冲宽度驱动、可变突发长度、可变突发间距、可变灵敏度、可变滞后、可变参考点偏移、双路径模拟增益选择、窗口或传统检测阈值、非对称阈值等。

智能补偿与过滤

支持自动背景漂移补偿、自动定时校准存储、自动延迟重新校准，具备多种非线性和线性过滤功能，如固有箱式过滤、中值过滤、数字箱式过滤和事件延迟过滤等。

其他特性

还具有脉冲拉伸输出、外部校准线、用户定义连接器、封装坚固、采用100%表面贴装技术、2500pF负载能力、5飞法分辨率、ESD保护驱动输出、防潮或检测能力以及对杂散静电场的免疫能力。

新增特性

与E2相比，QTM1001AS有多项新特性：

• 自动BG、BG/OBJ和OBJ模式，无需预编程设置，通过两个按钮的按键序列自动确定操作模式。
• 电荷/传输脉冲宽度以7种设置进行数字合成，无需宽度设置电位器。
• 在200us突发速率下具有更多功能，包括完整的检测模式处理选项。
• 可根据需要以用户可设置的速率自动将校准数据存储到内部EEPROM。
• 具备非对称阈值窗口，负阈值可与正阈值不同设置。
• 非对称最大导通时间处理，负阈值事件的“超时”时间可长可短于正阈值事件。
• 错误处理功能，可检测单突发中的短路并标记输出激活或禁止，检测低信号水平并标记输出激活，在重新校准时强制输出激活。
• 输出脉冲拉伸功能，可将输出脉冲延长至最长10秒。
• 具备HeartBeat输出选项，适用于关键任务应用。
• 模拟输出支持原始模拟和数字处理（过滤）的模拟输出，包括3种计算模拟形式：绝对值、正差分、负差分和绝对差分。
• 信号具有高稳定性（30ppm漂移/°C）。

冲突解决与克隆过程

冲突解决

QTM不执行E2上的冲突解决功能，使用时需注意不要超过某些组合的指导设置。不过，可通过E2的“后门”功能绕过冲突解决，将非法设置写入EEPROM，然后克隆到QTM。

克隆过程

QTM可通过E2板进行克隆编程，有两种克隆方法：

• 通过EEPROM移除克隆：关闭电源，从E2移除EEPROM并插入克隆适配器，将适配器与QTM的克隆垫连接，按下“OBJ”按钮，LED闪烁表示克隆成功。克隆后可能需要重新校准传感器。
• 通过电缆克隆：将克隆电缆一端连接到E2，另一端连接到克隆适配器，设置E2的设置，将适配器与QTM连接，按下“OBJ”按钮，LED闪烁表示克隆成功。同样，克隆后可能需要重新校准。

数据验证模式

序列号为QT070173及更高的单元具有数据验证模式，可查看内部设置表的内容。通过同时按下两个按钮（或同时激活XOBJ和XBG）并接通电源来激活该模式，LED会以闪烁方式显示设置。验证模式可自行终止，也可通过短暂中断电源提前结束。在验证模式下，按住“OBJ”按钮2秒可强制使用工厂默认设置。

操作模式

BG、BG/OBJ和OBJ模式

QTM有两种主要校准模式：

• “正常”模式（BG模式）：传感器使用检测阈值设置，默认模式下触发BG会导致重新校准，参考点和阈值水平会重新居中。
• “学习”模式：传感器忽略检测阈值，通过示例学习。包括BG/OBJ和OBJ两种变体。BG/OBJ模式适用于需要连续背景漂移补偿的示例学习校准，OBJ模式适用于检测产生大信号且处理要求不高的物体。

各模式使用时机

• OBJ模式：用于检测产生大信号且处理要求不高的物体，触发OBJ会自动设置阈值并存储到内部EEPROM。
• BG/OBJ模式：结合了BG和OBJ模式的特点，需要先触发BG进行背景校准，再触发OBJ设置阈值。
• BG模式：允许更高级的处理功能，如“接近陷阱”，同时支持漂移补偿，需要通过EEPROM设置阈值。

各模式详细信息

• BG模式：与QProx E2的“按钮模式”设置为“0”时的模式相同，阈值水平来自检测阈值[0]，滞后由[1]定义。数据锁定功能会影响启动时的校准行为。
• BG/OBJ模式：进入该模式需先在已知背景信号水平下触发BG，再在目标信号存在时触发OBJ。数据锁定开启时，校准数据会存储以便后续启动使用。
• OBJ模式：通过在目标信号存在时触发OBJ进入，阈值由当前信号水平确定，滞后值可根据检测阈值设置或强制为零。OBJ模式不考虑背景参考水平，无法进行背景漂移补偿。

数据锁定与漂移存储

数据锁定允许传感器存储参考校准和阈值设置，以及BG/OBJ和OBJ模式设置。开启数据锁定后，传感器会在触发BG或OBJ或自动重新校准时保存校准数据。漂移存储模式使QTM1001AS定期保存漂移补偿后的参考水平，可设置保存间隔，但内部EEPROM有写入寿命限制。设置[F]为“1”可允许数据锁定但禁止定时漂移存储，运动模式则禁用数据锁定和定时漂移存储。

LED功能

LED是多功能指示器，可显示信号健康状况、输出状态、错误条件和按钮反馈。运行且未检测到物体时，LED微弱闪烁；检测到物体时，LED明亮闪烁；按下按钮时，LED熄灭；长按按钮切换操作模式时，LED在释放后会先明亮亮起3/4秒；校准时，LED通常熄灭；发生错误时，LED常亮；克隆操作成功时，LED缓慢闪烁；校准错误时，LED会闪烁错误代码。

功能描述

检测阈值（灵敏度）

检测阈值是影响灵敏度的因素之一，设定了检测发生的“触发点”。在BG模式下，若“G”开启，可实现非对称阈值和处理；在OBJ模式下，检测阈值可用于创建滞后，而非用于阈值目的。

滞后

QTM1001AS有多种滞后选项，在传统信号检测模式下，可选择0、50、25或12.5%的阈值滞后。在OBJ模式下，滞后量由检测阈值[0]表示。

参考偏移

参考偏移决定传感器校准点的位置，通常将参考设置在8位ADC范围的中间（0x70）较为合理，但在某些情况下，可根据信号和漂移的方向调整偏移值。在OBJ模式下，按下OBJ按钮时参考偏移将强制为0x70。

放大器增益

放大器增益决定传感器控制器获取信号的增益路径，有低增益和高增益两种选择，与E2不同的是，QTM的放大器增益会影响输出模拟信号路径的增益。

脉冲宽度

脉冲宽度通过数字合成设置，影响突发期间的QT周期数，突发长度可设置为4至64个脉冲，突发长度越大，传感器越灵敏，但补偿和抑制背景电容负载的能力会降低。

突发长度、突发间距、随机化和漂移率

突发长度、突发间距和随机化会影响传感器的性能。突发长度越大，传感器越灵敏，但在200us和500us突发间距时可能需要减小。随机化可减少相关电噪声导致的误检测。漂移率设置传感器基线参考允许漂移的速率，以跟踪缓慢的环境变化。

滤波器

包括中值滤波器和箱式平均滤波器。中值滤波器可消除电脉冲噪声误差，在200us突发速率时应关闭，否则会出现严重的定时误差。箱式平均滤波器可抑制噪声，但会减慢响应时间。

检测积分器

检测积分器用于在实际输出之前积分或计数检测事件的持续时间，可抑制大的瞬态事件，也可作为噪声滤波器。

最大导通时间

最大导通时间决定检测允许存在的最长时间，超过该时间传感器会进行重新校准。有默认和运动两种重新校准方法，在OBJ模式下，最大导通时间有效禁用。

检测模式

检测模式定义了检测的构成以及检测期间其他功能的行为，可允许检测增加和/或减少的信号，支持漂移补偿，并可使最大导通时间计时器在未产生输出但超过“隐藏”阈值时运行。

校准控制

校准控制包括两个选项：校准错误时显示错误代码和参考漂移到边界时重新校准。

漂移存储/数据锁定/运动模式

该设置控制传感器是否将校准数据存储到内部EEPROM，是否存储参考漂移数据，以及是否进入快速“运动”模式。

非对称窗口

非对称窗口设置控制是否使用负处理功能，开启后可实现更复杂的自动重新校准和“接近陷阱”功能。

错误处理

错误处理可在电极短路、信号水平低或重新校准时触发输出激活，LED在错误处理事件期间会常亮。

输出拉伸

输出拉伸可使输出比正常情况延长指定的秒数，设置为零可关闭拉伸功能。

负检测阈值和负最大导通时间

负检测阈值和负最大导通时间仅在特定条件下用于负向信号，可实现强大的自动自我校准功能。

模拟模式

模拟模式控制模拟输出引脚的功能，有原始模拟、合成模拟、正差分、负差分和绝对差分五种选项。

HeartBeat选项

HeartBeat选项可确保传感器的正常运行，允许主机设备监控传感器的DSP操作、硬件功能、电极完整性和传感信号范围。HB信号是一个窄的5us脉冲，间隔10ms至15ms，在传感器正常运行时持续脉冲。可通过简单的RC低通网络过滤HB脉冲，也可将其分离到脉冲检测器中进行单独监控。

信号流程

信号流程包括硬件和信号处理元素，输出不一定在检测时激活，内部处理会继续进行。参考发生器可允许参考“漂移”或强制重新校准，参考漂移补偿通常在检测事件时被抑制。

附录

PCB尺寸

提供了PCB的尺寸信息，以厘米和英寸为单位。

规格

包括绝对最大额定值、推荐操作条件、电路细节、信号处理参数、增益图表和直流规格等，为设计和使用提供了详细的参考。

定制化

QTM1001AS可根据不同应用进行定制，例如调整特定的定时和信号处理参数，或修改默认设置以避免克隆。还可为特定应用添加全新的功能，具体定制选项可咨询Quantum。

QProx QTM1001AS传感器模块以其丰富的功能和灵活的配置，为电子工程师在设计各种应用时提供了强大的支持。通过深入了解其特性和使用方法，工程师们可以充分发挥该模块的优势，实现更高效、更智能的设计。你在使用QTM1001AS过程中遇到过哪些有趣的问题或挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验。