超聲波傳感器：從模擬控制到數(shù)字控制
說到超聲波傳感器，想必大家已經(jīng)耳熟能詳了。這種頻率高于20000赫茲的聲波方向性極好，幾乎沿直線傳播，而且穿透力強。已經(jīng)被廣泛應用在定位、探測、焊接等方向。超聲波傳感器控制發(fā)展到現(xiàn)在，已經(jīng)從集成控制向著更高頻率，更低能耗和全數(shù)字化的方向發(fā)展。
數(shù)字化控制興起后，在很大程度上消除了溫度漂移等常規(guī)模擬調(diào)節(jié)器難以克服的缺點，有利于參數(shù)的整定和變參數(shù)的調(diào)節(jié)。更重要的是減少了元器件的數(shù)目、大大簡化了系統(tǒng)中的硬件結(jié)構(gòu)，對可靠性而言有了極大的提升。這樣就衍生出了今天的數(shù)字超聲波傳感器。
數(shù)字超聲波控制芯片
數(shù)字超聲波控制用高檔單片機就可以實現(xiàn)。在聲波發(fā)生器中單片機作為整個電路的主控芯片運行，配合D/A轉(zhuǎn)換器和IGBT功率模塊來實現(xiàn)脈寬調(diào)制。單片機已經(jīng)基本完成了數(shù)字超聲波控制。美中不足的是對于高頻電路要求而言，單片機的處理速度還是會有些慢。MSP430系列，STM32系列都廣泛被應用于數(shù)字超聲波控制中。應對更高的需求，數(shù)字超聲波傳感器一般應用DSP或者FPGA。
比較有代表性的數(shù)字超聲波傳感器主控芯片是TI的PGA460系列。這個高集成的系列配備了先進的DSP內(nèi)核。
（圖源：TI）
這個系列具有互補的低壓側(cè)驅(qū)動器對，可接收和調(diào)節(jié)反射回波信號，以實現(xiàn)可靠的物體檢測。這個功能通過一個包括低噪聲放大器以及反饋到ADC的可編程時間變化增益級的模擬前端 實現(xiàn)。
近場和遠場物體檢測的數(shù)字信號處理在 DSP 內(nèi)核中使用時間變化閾值完成，適用于最遠距離達11米的物體檢測記錄事件，覆蓋32到90dB的低噪聲接收。在不使用時，PGA460還可以進入超低靜態(tài)電流低功耗模式以降低功耗。
數(shù)字超聲波傳感器
倍加福數(shù)字超聲波UB系列
對于工控行業(yè)來說，用量最大應該就是倍加福的UB數(shù)字系列了。
（圖源：倍加福官網(wǎng)）
從成型產(chǎn)品更容易看出數(shù)字超聲波傳感器在穩(wěn)定性和可靠性上的優(yōu)勢。上圖是UB6000-30GM，感應范圍最遠覆蓋6米，死區(qū)僅在0 至350 mm。作為大范圍檢測傳感器，響應延遲也只有650ms左右。這在工控6米探測級別的應用中應該是很低的延遲了。
一般模擬控制下的超聲波頻率基本會保持在40K，58K左右，保證飛行衰減不會過大，UB這個系列做了65KHz，在做這么高頻率同時還極可能降低了聲波飛行衰減。
基恩士數(shù)字超聲波FW系列
（圖源：基恩士官網(wǎng)）
基恩士的數(shù)字超聲波FW系列傳感器采用DSP在高穩(wěn)定性上一直表現(xiàn)不俗，尤其在液位探測領域。在該系列中，添加了A.W.S.新算法。A.W.S.是指即使因工件的差異、角度變化、臟污等，導致超聲波的接收狀態(tài)發(fā)生變化，也可消除波動，根據(jù)檢測情況進行合適處理的功能。在可靠性上對比傳統(tǒng)模擬控制超聲波傳感器有了很大的提升。
上圖中的三種型號覆蓋了從50mm*1到1000mm*1的檢測范圍。小范圍檢測的響應速度非?？?，在250ms到300ms之間。超聲波傳感器無可避免會有盲區(qū)，F(xiàn)W系列盲區(qū)大概在2% F.S.。
標準型的溫度誤差控制在了±0.25% F.S./?C*2*3，H10R精確型的溫度誤差則做得更出色，僅為±0.06% F.S./?C*3。
不管是從A.W.S所提供的可靠診斷還是從溫度特性上盡可能做到穩(wěn)定來看，數(shù)字超聲波傳感器盡可能做到了高集成，高穩(wěn)定。
小結(jié)
從目前市面上數(shù)字超聲波傳感器來看，高檔單片機應用最廣，DSP更適合取樣速率較低，軟件更復雜的場合，而FPGA則更適合系統(tǒng)取樣速率需求高，條件操作少的應用。
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