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图2所示为一种典型的超声距离测量系统。利用发送声音与接收声音之间的时间t来测量距离d： 

其中，CAIR为音速。

在干燥空气中，音速约为 

其中，T 为温度，单位为 °C.

25°C时，CAIR = 346.13 m/s。超声距离测量必须进行温度补偿才能产生精确的结果，因为对于每1°C温度测量误差，速度变化造成的距离测量误差约为距离的0.18%。

媒介的声阻抗Z定义为 

图2. 典型的超声距离测量系统

当声音接触到媒介时，反射量由反射系数R定义： 

其中:
Z1 为空气的声阻抗。
Z2 为媒介的声阻抗。

液体或固体的声阻抗远远高于空气声阻抗，因此，R ~ 1，大部分声音都会被反射。
在典型的系统中，首先驱动超声发射器，然后以发射器的谐振频率发射一个短脉冲。然后，接收器监听回声。探测到回声时，处理器测量时间间隔，并计算距离。

在脉冲发射过程中，必须禁用接收器，直到脉冲衰减为止。这一时间称为消隐时间，可防止发射器对接收器造成影响。系统可以测量的最小距离dMIN取决于消隐时间长度t _BLANK。 

系统可以测量的最大距离取决于接收器电路的灵敏度。系统的分辨率取决于定时器的分辨率。


电路工作原理 

超声陶瓷发射器是由Pro- Wave电子公司制造的400ST160。最大驱动电压为20 V rms (57 V p-p)，谐振频率为40 kHz。发射器由 ADP3629 双通道MOSFET驱动器驱动，后者连接到18 V ADP1613 升压电源。这将产生一个36 V p-p差分驱动信号。ADP3629 由 ADuC7126 精密模拟微控制器的PWM0和PWM1输出驱动。当PWM输出被禁用时，输出为高电平，结果使ADP3629 强制输出到地。

当用40 kHz脉冲序列驱动陶瓷发射器时，将以40 kHz的自谐振频率产生一个声波。当40 kHz驱动信号消失时，发射器停止谐振大约需要1 ms的时间。这就要求消隐间隔为2 ms左右，以防止接收器误触发。

ADuC7126 精密模拟微控制器搭载ARM7TDMI内核，126 kB 闪存和32 kB SRAM。ADuC7126 也含有片上精密模拟外设，包括12位ADC、温度传感器、基准电压源和12位DAC。对ADuC7126编程可控制时序功能和读数功能，并执行温度补偿。发射信号与接收信号之间的时间通过工作时钟频率为41 MHz的ADuC7126 内部定时器来确定。 .

接收器包括一个Pro-Wave 400SR160接收器，其后是一个双级放大器和一个窗口比较器。整个电路充当一个40 kHz带通滤波器，其中，C10/R6、C16/R10、C30/R15||R17和C31/R16||R18为高通部分，U8A (C13/R4)和U8B (C21/R12)为低通部分。每级均针对40 kHz的−3 dB带宽而调谐过。每级在40 kHz时算出的增益如下:

• C10/R6, HPF: 0.696
• U8A, LPF: 20.4
• C16/R10, HPF: 0.691
• U8B, LPF: −19.4
• C30/R15||R17: 0.694, C31/R16||R18: 0.701

40 kHz时，从接收器传感器到比较器级输入端的总增益为上述值之积，约为132或42.4 dB。

U8B增益级的输出驱动一个配置为窗口比较器的 ADCMP670双通道比较器。用于设定窗口电压上下限的偏置电压由分频器R15/R17和R16/R18决定。+INA和−INB下的标称窗口电压分别为427.1 mV和371.4 mV。相应的窗口宽度为55.7 mV。窗口的阈值电压由ADCMP670的400 mV内部基准电压设定。当比较器输入信号在任一方向超过窗口阈值时，输出INT信号变低。任一方向若发生25 mV的变化，将触发INT，相当于约25 mV/132 = 189 μV的输入变化。

电路工作方式如下:

1. 微处理器使能中断输入。
2. 生成40 kHz PWM传输脉冲序列。
3. 接收器检测到传输，INT变低。
4. ADuC7126 内部定时器捕捉到中断时间。
5. 发射脉冲停止。
6. 中断输入在2 ms的消隐周期内禁用。
7. 中断输入使能。
8. 检测到回声信号时，INT变低。
9. 定时器捕捉到中断时间。
10. 用中断时间差计算距离
11. 用片内ADC对内部温度传感器的输出进行数字化，实施温度补偿。
12. 结果显示在液晶显示屏上。

来自窗口比较器的中断信号不会由微处理器处理，但由ADuC7126内部定时器捕捉。这样可最大限度地减少软件延迟，而且41.77 MHz定时器可提供23.9 ns的分辨率。

ADuC7126 有一个经过校准的片内温度传感器和12位ADC，可以用于温度补偿。另外，ADuC7126有一个由 AD8541 缓冲的片内高精度基准电压源，用于生成高精度窗口比较器阈值电压和AD8692增益级的共模电压。


窗口比较器设计

有些超声接收器利用由可变增益放大器(VGA)驱动的PLL来检测回声，图1所示接收器则用一个高增益双级放大器和一个窗口比较器，把40 kHz正弦发射信号以及随后接收到回声信号转换成数字中断。

ADCMP670是一款精密双通道比较器，搭载一个400 mV基准电压源，有一个反相输入和一个同相输入，适合用作窗口比较器。窗口比较器为回声信号的上升沿和下降产生中断。

在25°C的标准大气中，空气中的40 kHz超声波长为

如果40 kHz回声探测误差为1周期，则相应的距离误差约为8.65 mm/2 = 4.32 mm。

选择正确的阈值电压对于电路的正常运行至关重要。如果窗口电压差太大，则灵敏度下降。另一方面，如果窗口电压太小，则电路可能因噪声产生错误中断。

ADCMP670双通道比较器（3.3 V电源；0°C至+70°C）的+INA阈值必须大于409 mV，−INB阈值必须小于383.5 mV。在最差条件下，如果不能满足这些条件，则窗口比较器将无法正常工作。

因此，在选择+INA和−INB偏置电压和对应的分频器电阻R15、R16、R17、R18时必须考虑下列因素： 

1. ADuC7126 2.5 V基准电压源的初始精度(2.5 V ±5 mV)和温度变化(15 ppm/°C)
2. AD8541在温度范围内的最大失调电压(7 mV)
3. 偏置电阻R15、R16、R17、R18的初始容差(1%)和温度系数(100 ppm/°C)。

假设温度范围为25°C±50°C，则最低和最高基准电压为： 

为了防止窗口比较器出现杂散触发问题，ADCMP670输入偏置电压必须符合下列条件： 

为了降低系统成本，R15、R16、R17、R18要选择1%、100 ppm/°C的E24型电阻。

在50°C的温度范围内，1%的电阻值还可以变化0.5%。因此，R15:R17和R16:R18两个比值可能比最差条件下的标称值高或低3%。

对于ADCMP670的V _+INA引脚： 

对于ADCMP670的V _−INB引脚： 

假设电阻和基准电压均为标称值，V _+INA = 427.1 mV，V _−INB = 371.4 mV，则窗口电压约为55.7 mV。

选择C30和C31的值时，需使它们分别与R15||R17和R16||R18形成40 kHz高通滤波器。


基准电压缓冲器电路

ADuC7126的基准输出只拥有5 µA的驱动能力，因此必须进行缓冲才能用在电路中。选择AD8541的原因在于功耗低(45 µA)，并且支持单电源供电。

AD8541驱动一个用于存储电荷和抵制瞬变的10 µF大去耦电容。因此，必须正确补偿运算放大器以维持稳定性。在驱动容性负载时，多数轨到轨输出运算放大器都要求进行某种补偿，因为其输出级的阻抗一般高于传统的发射极跟随器级或源跟随器级。

电路中使用的补偿网络由R13、R14和C29构成。关于选择正确器件值的方法详见下列参考资料：运算放大器驱动容性负载（应用工程师问答——25），《模拟对话》31-2，ADI公司 和 避免因容性负载而出现不稳定的实用技术（应用工程师问答——32），《模拟对话》38-2，ADI公司。

电源电路

图1中的电路采用+6 V外部单电源或壁式电源适配器供电。5 V和3.3 V电源分别在ADP7104-5和ADP7104-3.3 LDO的基础上开发而来。

ADP3629超声发射器驱动器需要的18 V电源由图3所示 ADP1613升压电路提供。该设计基于可下载的ADP161x升压稳压器设计工具，该工具是 ADIsimPower提供的多种实用电源管理设计工具之一。 

图3. ADP1613 升压稳压器电路

印刷电路板(PCB)布局考量

受ADuC7126 的时钟速率以及接收器电路高灵敏度的影响，必须采用优秀的PCB布局、接地和去耦技术。有关接地和去耦的详细情况，请参阅指南 MT-031和指南 MT-101。 .

有关EVAL-CN0343-EB1Z 评估板的完整原理图、布局文件、Gerber文件和物料清单可在 CN0343设计支持包中找到。 

 

图4. EVAL-CN0343-EB1Z PCB的顶视图和底视图

图5. LCD读数示例软件操作

EVAL-CN0343-EB1Z 预加载了进行距离测量需要的代码。代码在CN0343设计支持包的CN0343-SourceCode.zip中，网址：http://www.analog.com/CN0343-DesignSupport。

用户界面由6个按键构成，如图4所示。

这些按钮的默认功能如下： 

S1: 上
S2: 左
S3: 右
S6: 下
S4: 确定
S5: 取消

A上电后，液晶显示屏会显示欢迎画面，约持续3秒： 

ADI公司
EVAL-CN0343-EB1Z

在欢迎画面以后，电路进入工作模式，显示主页画面，其中显示目标距离和温度。显示的温度是ADuC7126测量的温度。针对测得的温度对距离测量值进行校正。

距离: X.XXX m
温度: YY.Y°C

按确定键，使处理器进入菜单状态。上、下、左和右四个键各自显示不同的菜单项，分别为“校准温度”(Calibrate Temperature)、“RS-485接口波特率”(RS-485 Interface Baud Rate)和“RS-485接口地址”(RS-485 Interface Address)。

要显示需要的菜单项，比如“校准温度”：

校准
温度?

按确定键，将显示下列内容：

传感器: XX.X°C
设为: YY.Y°C

设定温度值（最高±50°C）通过下列方式设置：用左和右键选择数字，然后用上和下键加大或减小该数字。对各温度数重复此过程。

通过设定温度功能，用户可以对ADuC7126内部传感器测量到的温度值进行补偿，使其与实际测得的空气温度保持一致，以提高测量精度。

输入所需温度偏移量以后，按 确定 键.

注意，随时 取消键都可取消当前操作，并返回上一屏幕

RS-485波特率设置范围为75 Hz至250 kHz，RS-485地址范围为1至255。

默认系统设置为：温度偏移量：0°C；RS-485波特率：115200；RS-485地址：1。

有关ADuC7176实际源代码的更多信息可在CN0343设计支持包中找到，网址：http://www.analog.com/CN0343-DesignSupport。

需要以下设备： 

• EVAL-CN0343-EB1Z电路板
• 6 V电源或壁式电源适配器(EVAL-CFTL-6V-PWRZ )
• CN0343源代码：http://www.analog.com/CN0343-DesignSupport

设置 

把6 V电源(EVAL-CFTL-6V-PWRZ)连接到EVAL-CN0343-EB1Z电路板J1。

连接EVAL-CFTL-6V-PWRZ以打开电源，把EVAL-CN0343-EB1Z板放在目标前方，距离为50厘米至10米，确保超声传感器U3和U4面对目标。目标的表面必须较大、光滑且不吸声。

确保在传感器约60的圆锥角范围内无物体。目标表面必须与传感器垂直。

要在独立模式下使用EVAL-CN0343-EB1Z，只需连接电源即可。要在网络模式下使用评估板，把带RS-485接口的PC连接到J2。引脚1（靠近J1）为信号B，引脚2为GND，引脚3为信号A。

把EVAL-CN0343-EB1Z和PC设为相同的RS-485波特率以后，用PC发送查询xxx\r\n，其中，命令xxx为CN0343十进制地址，\r\n为回车符。CN0343以地址、温度和距离信息回复该命令。

 

针对原型开发的连接 

根据设计，EVAL-CN0343-EB1Z需用EVAL-CFTL-6V-PWRZ 6 V壁式电源适配器电源供电。在独立工作模式中，只需要连接电源。

在网络模式下，带RS-485接口的任意器件都可从EVAL-CN0343-EB1Z读取结果。允许的最大数字地址为255。

图6所示为典型的PC连接示意图，其中采用的是RS-485至RS-232适配器。

图6. 在网络模式下使用EVAL-CN0343-EB1Z 时的连接示意图

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