№5 / 2018 / статья 5

PGA460 от Texas Instruments – все для ультразвукового измерения расстояний в одной микросхеме

Евгений Шамин (г. Пенза)

PGA460 производства Texas Instrumentsсистема-на-кристалле, объединяющая в одном корпусе передатчик с выходным драйвером, приемник, АЦП, сигнальный процессор, блок управления, интерфейсы и защиту. Добавляя к этому стандартный внешний микроконтроллер, получаем полноценную систему ультразвукового измерения расстояний.

Наибольшее число применений ультразвуковых технологий, предназначенных для определения расстояний, реализовано для воздушной среды. При этом электрический сигнал преобразуется в ультразвуковые волны, излучаемые в определенном направлении; при наличии на пути распространения волн объекта со свойствами, отличными от воздушной среды, происходит отражение (эхо); отраженные волны принимаются приемником, как показано на рисунке 1. Эта же последовательность действий, но представленная в виде совмещенной временной диаграммы излученного и принятого электрических сигналов, показана на рисунке 2, из которого видно, что при измерениях по этому методу необходимо управление излучаемым сигналом и обработка отраженного сигнала.

Рис. 1. Принцип ультразвуковых измерений

Рис. 1. Принцип ультразвуковых измерений

Рис. 2. Диаграмма электрических сигналов, соответствующая рисунку 1

Рис. 2. Диаграмма электрических сигналов, соответствующая рисунку 1

Расстояние до объекта прямо пропорционально времени от начала излучения ультразвука до прихода отраженного сигнала (формула 1):

$$Расстояние=\frac{Скорость\:звука\times Время\:до\:приема\:отраженного\:сигнала}{2}\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

Обычно для излучения сигнала и его приема используется один и тот же элемент – пьезоэлектрический или электростатический преобразователь электрических сигналов в ультразвук и обратно, хотя в отдельных случаях приемник и передатчик разделены. Преимуществами таких применений являются лучшая чувствительность и управляемость, а также отсутствие слепой зоны, недостатками – усложненная обработка принимаемого сигнала, высокая цена и большие габариты. Выпускаемые ультразвуковые преобразователи подразделяются на изделия с открытой и закрытой конструкциями. При открытой конструкции преобразователя его мембрана не отделена от окружающей среды, поэтому такой преобразователь обладает большей чувствительностью, не требует повышенного напряжения для раскачки, обладает привлекательной ценой, но при этом применяется (без принятия мер защиты) только внутри помещений. У закрытой конструкции преимущества и недостатки в значительной степени зеркальны, и для таких преобразователей необходим дополнительный компонент – повышающий трансформатор для раскачки мембраны. Промышленным стандартом для применения ультразвука при измерении расстояний является частотный диапазон 30…480 кГц. При этом, чем более точными должны быть измерения, тем выше должна быть используемая частота. Например, на частотах 30…80 кГц достижимо разрешение около 1 см, а на частотах 180…480 кГц – около 1 мм. Точность измерений, получаемых таким методом, зависит также от многих других обстоятельств, в том числе – от температуры воздушной среды, поэтому ее необходимо контролировать.

Условно УЗ-технологии можно разделить на предназначенные для точного измерений расстояний от излучателя до объекта и предназначенные для определения наличия объекта в определенном направлении и на определенном расстоянии. К первой части можно отнести системы приземления беспилотных летательных аппаратов, обнаружение возможности столкновения в робототехнике, ультразвуковые парковочные системы автомобилей, а также другие ответственные применения. Ко второй относится множество применений на производстве и в быту.

Для измерения расстояний и локализации объектов могут использоваться и другие технологии. Их сравнительные характеристики  приведены в таблице 1.

Таблица 1. Сравнение измерений, основанных на различных физических принципах

Тип измерений Ультразвуковой Инфракрасный Емкостной Микроволновой
Дистанция, м 0,5…10 0,1…5 до 0,7 < 20
Разрешение, мм 0,1…10 50 0,3…0,5 < 1
Частота волн 40…450 кГц 38 кГц 25 кГц; 0,1…10 МГц 24…77 ГГц
Средняя мощность, мВт 100 <10 2,5 более 1000
Передатчик и приемник Пьезоэлектрический или электростатический преобразователь Инфракрасный излучающий диод и приемный фотодиод Обкладки конденсатора Передающая и приемная антенны
Стойкость к воздействиям окружающей среды Высокая Слабая Слабая Высокая

Как видно из таблицы 1, какой-либо одной технологии, превосходящей другие по всем параметрам для различных требований и условий применения, не существует. Но ультразвуковой способ измерения ни по одному из приведенных параметров не является худшим, соответственно имеет широкую область применения.

Схемотехническая и конструкторская реализация ультразвуковых измерений достаточно сложна. Поэтому появление микросхемы PGA460 производства Texas Instruments, объединившей в одном чипе практически все необходимое, позволяет более просто реализовывать хотя бы схемотехническую часть изделий, использующих измерение расстояний с помощью ультразвука. Как может при этом выглядеть электрическая схема изделия, показано на рисунке 3.

Рис. 3. Вариант схемы подключения PGA460-Q1

Рис. 3. Вариант схемы подключения PGA460

Технические особенности PGA460

Семейство микросхем PGA460 производства компании Texas Instruments – это системы-на-кристалле, содержащие все компоненты, необходимые для разработки полностью интегрированных решений для ультразвуковых измерений. В семейство входит микросхема PGA460TPW для потребительских применений и PGA460TPWQ1, которая  соответствует автомобильной спецификации AEC-Q100, что может быть необходимо для некоторых конечных применений. Диапазон измеряемых с ее помощью расстояний составляет 0,3…10 м, температурный диапазон – -40…105°С.

Функциональная блок-схема PGA460TPW представлена на рисунке 4. В микросхеме имеются следующие основные функциональные узлы: выходной NMOS-драйвер излучателя, усилитель с малым уровнем собственных шумов (<7 нВ/√Гц), сигнальный процессор, 12-битный 1 MS/s SAR аналогово-цифровой преобразователь, блок управления. Вспомогательные узлы: температурный датчик с точностью <5°С, схема защиты выходного каскада от перегрузки, встроенная самодиагностика и другие компоненты. На том же рисунке 4 представлен внешний вид микросхемы – она выпускается в пластиковом миниатюрном корпусе с 16 выводами размером 5,1х6,6 мм.

Рис. 4. Функциональная блок-схема PGA460-Q1

Рис. 4. Функциональная блок-схема PGA460TPW

Напряжение питания для PGA460 может находиться в диапазоне 6…28 В, а потребляемый ток определяется, в основном, мощностью, передаваемой ультразвуковому излучателю, и составляет (максимально) около 500 мА. Для управления PGA460 и получения результатов измерений может быть использован практически любой микроконтроллер, способный поддерживать передачу/прием по USART-интерфейсу с ТТЛ-уровнями 3,3 В или 5 В. Обмен данными также возможен с помощью интерфейсов Time-based interface и One-wire UART interface, которые можно реализовать на свободных выводах общего назначения микроконтроллера. Что касается ультразвукового излучателя, то, в зависимости от решаемых конечным изделием задач, в микросхеме PGA460 предусмотрены два режима его подключения – трансформаторный и прямой (бестрансформаторный), предназначенные для преобразователей закрытой и открытой конструкции соответственно.

Выбрав микроконтроллер и ультразвуковой излучатель для совместной работы с микросхемой PGA460 и определившись с системой питания, необходимо сосредоточиться на конструкции разрабатываемого изделия и программной поддержке управления этой микросхемой, на обработке и представлении результатов ее работы.

При разработке конструкции изделия необходимо решить проблемы, связанные с обеспечением необходимой диаграммы направленности, защиты от помех и внешних воздействий, и воспользоваться рекомендуемой трассировкой печатной платы.

Управляющая программа должна через доступные интерфейсы произвести настройку микросхемы PGA460 для оптимальной работы с используемым ультразвуковым преобразователем и в соответствии с предполагаемой областью применения. Для этого в микросхеме реализованы:

  • выбор рабочей частоты для излучателя в диапазоне 30…80 кГц и контроль напряжения на нем, а также определение периода затухания колебаний в излучателе;
  • выбор одного из 64 уровней мощности излучения с помощью ограничения тока в диапазоне 50…500 мА;
  • управление усилением встроенного малошумящего усилителя посредством сохранения в памяти шести временных сегментов, в каждом из которых коэффициент усиления может изменяться в диапазоне 32…90 дБ. Эти сегменты и величины усиления в них должны соотноситься с временем работы излучателя и временем предполагаемого прихода отраженного сигнала;
  • программируемая до 65,5 мс продолжительность записи принимаемого сигнала;
  • сохранение в памяти 12 масштабируемых пороговых величин с 5-битным разрешением для детектирования объектов, от которых произошло отражение сигнала.

Настроенная микросхема по команде “старт” способна выполнять циклы излучения УЗ и приема отраженного эхо-сигнала. Полученный и обработанный сигнальным процессором результат приема выдается по последовательному интерфейсу. Микроконтроллер должен считать полученные данные и, при необходимости, может запускать следующие циклы измерений. В зависимости от результатов обработки полученных данных микроконтроллер может изменять параметры работы всех внутренних узлов микросхемы PGA460 для получения оптимальных результатов.

Заключение

Для более подробного ознакомления с микросхемами PGA460TPW и PGA460TPWQ1 и получения практического опыта ультразвуковых измерений рекомендуется обзавестись оценочным модулем PGA460 EVM. Он состоит из материнской платы (motherboard) BOOSTXL-PGA460, дочерней платы (daughtercard) BOOSTXL-PGA460 с прикрепленным ультразвуковым датчиком и комплекта разработчика MSP-EXP430F5529LP. Эти три платы собираются в этажерку и по USB-интерфейсу соединяются с ПК, на экране которого, в окне программы PGA460 GUI можно изменять все внутренние настройки микросхемы, запускать циклы измерений и видеть результаты работы.

Наши информационные каналы

О компании Texas Instruments

В середине 2001 г. компании Texas Instruments и КОМПЭЛ заключили официальное дистрибьюторское соглашение, которое явилось результатом длительной и успешной работы КОМПЭЛ в качестве официального дистрибьютора фирмы Burr-Brown. (Как известно, Burr-Brown вошла в состав TI так же, как и компании Unitrode, Power Trend и Klixon). С этого времени компания КОМПЭЛ получила доступ к поставке всей номенклатуры производимых компанией TI компонентов, ...читать далее