ICU-30201：超遠(yuǎn)距離超聲波飛行時(shí)間測(cè)距傳感器的卓越之選

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，傳感器的性能和特性對(duì)于產(chǎn)品的功能和質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。今天，我們要深入探討一款備受矚目的傳感器——InvenSense的ICU-30201超遠(yuǎn)距離超聲波飛行時(shí)間（ToF）測(cè)距傳感器。

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一、ICU-30201概述

ICU-30201是一款微型、超低功耗、超遠(yuǎn)距離的超聲波飛行時(shí)間（ToF）收發(fā)器。它基于TDK的專利MEMS技術(shù)，將標(biāo)稱53kHz的壓電微機(jī)械超聲換能器（PMUT）與第二代超低功耗片上系統(tǒng)（SoC）集成在一個(gè)微型、可回流焊接的封裝中。

（一）低功耗與易用性設(shè)計(jì)

SoC專為實(shí)現(xiàn)整體低系統(tǒng)功耗和便于與外部主機(jī)處理器配合使用而設(shè)計(jì)。通過定制數(shù)字電路處理和緩沖原始傳感器讀數(shù)，使集成微控制器在不需要時(shí)保持低功耗空閑狀態(tài)。同時(shí)，微控制器可將原始傳感器讀數(shù)處理成高級(jí)信號(hào)，如到附近目標(biāo)的距離或存在事件等，這些信號(hào)可直接被主機(jī)處理器讀取。SoC通過SPI與主機(jī)處理器進(jìn)行通信，在1.8V或3.3V電壓下，最高通信頻率可達(dá)13MHz。

（二）易于集成的特點(diǎn)

該傳感器采用底部端口配置的小型薄封裝，便于集成。它具有單底部端口用于收發(fā)，I/O電壓支持1.8V或3.3V，核心工作電壓為1.8V，13MHz的SPI接口允許以全測(cè)量速率輸出基帶數(shù)據(jù)流，還可選配32kHz參考時(shí)鐘輸入，并有兩個(gè)可編程開漏I/O用于觸發(fā)傳感器或喚醒主機(jī)。此外，平臺(tái)獨(dú)立的軟件驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了一鍵式測(cè)距功能。

（三）高精度測(cè)距與廣泛適用性

ICU-30201能夠?qū)嚯x達(dá)9m的目標(biāo)進(jìn)行精確測(cè)距?；诔暡}沖回波測(cè)量原理，它可在任何光照條件下工作，包括強(qiáng)光直射，并且能夠提供毫米級(jí)精度的測(cè)距結(jié)果，不受目標(biāo)顏色和光學(xué)透明度的影響。其視場(chǎng)角（FoV）可定制，能夠同時(shí)對(duì)視場(chǎng)內(nèi)的多個(gè)物體進(jìn)行測(cè)距。同時(shí)，多種可用算法可進(jìn)一步處理回波信息，以滿足各種應(yīng)用場(chǎng)景的需求。

二、引腳與電氣特性

（一）引腳說明

ICU-30201共有13個(gè)引腳，每個(gè)引腳都有其特定的功能。例如，SCLK為SPI接口時(shí)鐘，MOSI用于MCU輸出傳感器輸入的串行數(shù)據(jù)，MISO則用于MCU輸入傳感器輸出的串行數(shù)據(jù)等。詳細(xì)的引腳描述如下表所示：

（二）電氣特性

1. 絕對(duì)最大額定值：包括電源電壓、數(shù)字I/O引腳電壓、靜電放電（ESD）、閂鎖電流、工作溫度、相對(duì)濕度、連續(xù)輸入電流和焊接溫度等參數(shù)的極限值。例如，AVDD/VDD到GND的電壓范圍為 -0.3V 至 2.2V，VDDIO到GND的電壓范圍為 -0.3V 至 4.0V 等。
2. 超聲波收發(fā)器特性：在特定的工作條件下（AVDD = VDD = 1.8VDC，VDDIO = 3.3V，GND = 0V，TA = +25°C），規(guī)定了模擬電源、數(shù)字電源、IO電源的電壓范圍，以及工作溫度、超聲發(fā)射通道的工作頻率、最大測(cè)量范圍、最小測(cè)量范圍、基帶I/Q輸出采樣率、測(cè)量速率、視場(chǎng)角、電流消耗、空閑電流、測(cè)量延遲和編程時(shí)間等參數(shù)。
3. I/O特性：對(duì)數(shù)字輸入和輸出的電壓、電容、輸出泄漏電流等參數(shù)進(jìn)行了規(guī)定。例如，數(shù)字輸入的高電平輸入電壓VIH不低于0.7 VDDIO，低電平輸入電壓VIL不高于0.3 VDDIO等。
4. SPI時(shí)序特性：分別給出了4線SPI模式和3線SPI模式下的SPI時(shí)鐘頻率、時(shí)鐘低周期、時(shí)鐘高周期、片選信號(hào)設(shè)置時(shí)間和保持時(shí)間、數(shù)據(jù)輸入輸出設(shè)置時(shí)間和保持時(shí)間等參數(shù)的要求。

三、工作原理與詳細(xì)描述

（一）工作原理

ICU-30201是一款自主式數(shù)字輸出超聲波收發(fā)器。其封裝內(nèi)包含壓電微機(jī)械超聲換能器（PMUT）和片上系統(tǒng)（SoC）。SoC控制PMUT以工作頻率fop產(chǎn)生超聲脈沖，這些脈沖在傳感器視場(chǎng)（FoV）內(nèi)的目標(biāo)上反射后，由同一個(gè)PMUT接收。接收到的反射波經(jīng)過放大、數(shù)字化處理后，以I/Q基帶數(shù)據(jù)的形式存儲(chǔ)在片上數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中。片上微控制器（MCU）可以使用軟件定義的算法處理I/Q數(shù)據(jù)以檢測(cè)目標(biāo)，并且這些算法可以進(jìn)行調(diào)整以優(yōu)先檢測(cè)靜止或移動(dòng)目標(biāo)。此外，I/Q數(shù)據(jù)也可以傳輸?shù)礁蟮闹鳈C(jī)或應(yīng)用處理器（AP）進(jìn)行進(jìn)一步處理。

（二）超聲波換能器

PMUT位于設(shè)備底部的聲學(xué)端口正上方，能夠發(fā)射和接收超聲波。在發(fā)射過程中，高電壓脈沖序列施加到PMUT上，使其從ICU-30201底部向空氣中發(fā)射聲波；在接收過程中，撞擊到PMUT上的聲波產(chǎn)生小電流，該電流經(jīng)過放大、數(shù)字化處理后存儲(chǔ)在片上存儲(chǔ)器中。TDK的專利頻率鎖定算法確保發(fā)射和接收的工作頻率fop與PMUT頻率相匹配，從而優(yōu)化發(fā)射和接收靈敏度。

（三）測(cè)量過程

ICU-30201的測(cè)量狀態(tài)機(jī)（MSM）是超聲波收發(fā)器測(cè)量過程的核心。MSM在被MCU觸發(fā)后，從存儲(chǔ)器中獲取專門的指令并執(zhí)行，從而使收發(fā)器執(zhí)行特定的操作。指令包括命令、中斷配置、特定命令配置和長(zhǎng)度等信息。支持的命令包括發(fā)射、接收、計(jì)數(shù)和文件結(jié)束（EOF）。多個(gè)指令組成一個(gè)測(cè)量隊(duì)列，該隊(duì)列定義了收發(fā)器要進(jìn)行的測(cè)量。通常，倒數(shù)第二個(gè)指令是設(shè)置了DONE_IEN位的接收指令，最后一個(gè)指令是EOF。MCU在測(cè)量結(jié)束后喚醒，處理I/Q數(shù)據(jù)或?qū)⑵滢D(zhuǎn)發(fā)給主機(jī)進(jìn)行處理。

（四）I/Q基帶數(shù)據(jù)

接收到的信號(hào)經(jīng)過放大、數(shù)字化處理后，通過數(shù)字載波信號(hào)的正弦和余弦分量下變頻到基帶（直流）。與余弦解調(diào)器同相的信號(hào)分量稱為同相（I），與正弦解調(diào)器同相的信號(hào)分量稱為正交（Q）。I和Q信號(hào)經(jīng)過數(shù)字梳狀濾波器濾波和下采樣后，以較低的采樣率輸出。I/Q基帶數(shù)據(jù)包含信號(hào)的幅度（通過 $sqrt{I^{2}+Q^{2}}$ 計(jì)算）和相位（atan2(Q, I)）信息，這些信息可用于重構(gòu)超聲波信號(hào)。許多算法通過計(jì)算幅度并檢測(cè)幅度數(shù)據(jù)中的上升沿來檢測(cè)回波或其他收發(fā)器的脈沖。在某些應(yīng)用中，相位數(shù)據(jù)可能提供額外的信息，如細(xì)化距離估計(jì)。

（五）測(cè)距原理

超聲波脈沖從PMUT傳播到目標(biāo)并返回所需的時(shí)間稱為飛行時(shí)間（ToF）。通過測(cè)距算法計(jì)算ToF，將其乘以聲速并除以2（考慮往返行程），即可得到目標(biāo)的距離。聲速在空氣中約為343m/s，雖然聲速不是恒定值，但在一定范圍內(nèi)（0.2%/°C）變化穩(wěn)定，能夠提供誤差在百分之幾以內(nèi)的測(cè)量精度。測(cè)距算法通常在I/Q數(shù)據(jù)的幅度（包絡(luò)）中尋找上升沿，由于數(shù)據(jù)在大多數(shù)采樣率下都比較平滑，因此通常使用插值來細(xì)化ToF估計(jì)。通用收發(fā)器（GPT）固件輸出一個(gè)無符號(hào)16位整數(shù)來表示ToF，對(duì)于ODR = 4和fop = 53kHz，ToF的時(shí)間分辨率為 $frac{1}{8 cdot 2^{ODR} f_{op}}$ ，即147ns。

（六）低功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)

ICU-30201具有多種低功耗特性。片上低功耗實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）設(shè)置采樣率并為飛行時(shí)間測(cè)量提供參考。在正常運(yùn)行期間，主機(jī)處理器無需向ICU-30201提供任何刺激，因此主機(jī)處理器可以進(jìn)入最低功耗模式，直到ICU-30201產(chǎn)生喚醒中斷。此外，還有兩個(gè)通用輸入/輸出（INT1和INT2）引腳可作為系統(tǒng)喚醒源，可配置為在檢測(cè)到目標(biāo)時(shí)喚醒主機(jī)。

（七）時(shí)鐘校準(zhǔn)

ICU-30201有3個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘，分別是LFCLK、MUTCLK和CPUCLK。LFCLK標(biāo)稱頻率為30kHz，可以使用脈沖定時(shí)器外設(shè)進(jìn)行測(cè)量，也可以通過LFCLK引腳輸入一個(gè)32.768kHz（或其他已知頻率）的低頻時(shí)鐘。一旦確定了LFCLK頻率，就可以使用頻率定時(shí)器外設(shè)測(cè)量MUTCLK和CPUCLK的頻率。CPUCLK標(biāo)稱頻率為40MHz，可以進(jìn)行調(diào)整以提高不同ICU-30201之間算法運(yùn)行時(shí)間的一致性。MUTCLK通過數(shù)字控制為工作（發(fā)射和接收）頻率fop的16倍，通常為800kHz。SonicLib C驅(qū)動(dòng)程序提供了測(cè)量LFCLK、CPUCLK和MUTCLK頻率的方法，以確保準(zhǔn)確的飛行時(shí)間測(cè)量。

（八）設(shè)備配置

在初始上電時(shí)，必須通過SPI接口使用SonicLib C驅(qū)動(dòng)程序?qū)CU-30201的程序文件加載到片上存儲(chǔ)器中。GPT固件使ICU-30201能夠?qū)崿F(xiàn)自主測(cè)距操作，同時(shí)也支持硬件觸發(fā)，適用于需要多個(gè)收發(fā)器的應(yīng)用。用戶還可以使用ICU-30201 EVK根據(jù)自己的應(yīng)用需求定制芯片配置。

四、應(yīng)用場(chǎng)景與操作模式

（一）典型操作特性

在特定的工作條件下（AVDD = VDD = VDDIO = 1.8VDC，GND = 0V，TA = +25°C），ICU-30201呈現(xiàn)出特定的波束模式。通過測(cè)量可以得到其典型的波束圖，這對(duì)于了解傳感器在實(shí)際應(yīng)用中的性能和覆蓋范圍非常重要。

（二）SonicLib驅(qū)動(dòng)程序

TDK為ICU-30201提供了一個(gè)與編譯器和微控制器無關(guān)的C驅(qū)動(dòng)程序，大大簡(jiǎn)化了傳感器的集成過程。該驅(qū)動(dòng)程序可以實(shí)現(xiàn)對(duì)連接到主機(jī)處理器一個(gè)或多個(gè)SPI端口上的一個(gè)或多個(gè)ICU-30201的高級(jí)控制，用戶可以通過C函數(shù)調(diào)用對(duì)ICU-30201進(jìn)行編程、配置、觸發(fā)和數(shù)據(jù)讀取，而無需直接與ICU-30201的SPI寄存器進(jìn)行交互。用戶只需要實(shí)現(xiàn)一個(gè)與主機(jī)處理器的SPI硬件和GPIO硬件進(jìn)行通信的I/O層即可。TDK強(qiáng)烈建議所有設(shè)計(jì)都使用該驅(qū)動(dòng)程序。

（三）目標(biāo)檢測(cè)

通過軟件設(shè)置傳感器的滿量程范圍（FSR）和使用聲學(xué)外殼調(diào)整傳感器的視場(chǎng)角，可以優(yōu)化對(duì)物體或人員的檢測(cè)效果。FSR設(shè)置實(shí)際上控制了傳感器在測(cè)量周期中處于監(jiān)聽（接收）階段的時(shí)間，因此會(huì)影響測(cè)量完成所需的時(shí)間。較大的目標(biāo)（如墻壁）比較小的目標(biāo)更容易被檢測(cè)到，因此較小目標(biāo)的有效檢測(cè)范圍會(huì)相對(duì)較短。一般來說，在考慮各種因素的情況下，ICU-30201傳感器可以檢測(cè)到距離其6 - 7m遠(yuǎn)的人員。

（四）設(shè)備操作模式

1. 自由運(yùn)行模式：在自由運(yùn)行測(cè)量模式下，ICU-30201根據(jù)內(nèi)部LFCLK或外部LFCLK引腳提供的時(shí)鐘，以用戶指定的測(cè)量速率自主運(yùn)行。在這種模式下，INT1或INT2引腳配置為輸出。當(dāng)有新的測(cè)距樣本可用時(shí)，ICU-30201將INT引腳拉低，此時(shí)主機(jī)處理器可以通過SPI接口讀取樣本數(shù)據(jù)。需要注意的是，當(dāng)使用內(nèi)部LFCLK處于自由運(yùn)行模式時(shí)，同一范圍內(nèi)不應(yīng)有其他ICU-30201設(shè)備，否則可能會(huì)發(fā)生干擾，因?yàn)槊總€(gè)設(shè)備的測(cè)量速率可能會(huì)略有不同。
2. 硬件觸發(fā)模式：在硬件觸發(fā)模式下，使用INT1/2引腳之一觸發(fā)測(cè)量的開始。ICU-30201在被觸發(fā)之前處于空閑狀態(tài)，當(dāng)INT引腳被拉低時(shí)，測(cè)量將相對(duì)于INT引腳的下降沿以確定的延遲開始。這種模式對(duì)于同步多個(gè)ICU-30201收發(fā)器非常有用，主機(jī)控制器可以使用多個(gè)收發(fā)器的各個(gè)INT引腳來協(xié)調(diào)精確的測(cè)量時(shí)間。一個(gè)INT1/2引腳可以雙向使用，也可以將收發(fā)器配置為在一個(gè)INT引腳接受觸發(fā)信號(hào)，在另一個(gè)INT引腳指示數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好。
3. 軟件觸發(fā)模式：在軟件觸發(fā)模式下，主機(jī)處理器通過SPI向收發(fā)器寫入數(shù)據(jù)來觸發(fā)測(cè)量的開始。當(dāng)測(cè)量完成時(shí)，ICU-30201將INT1或INT2引腳拉低。通過同時(shí)選擇并寫入多個(gè)ICU-30201，也可以使用這種方法同步測(cè)量的開始，但為了獲得最佳性能，建議使用硬件觸發(fā)模式。

（五）多設(shè)備共存

當(dāng)多個(gè)ICU-30201設(shè)備彼此距離小于20m且具有相似的fop時(shí)，它們可能會(huì)接收到彼此發(fā)射的聲波。如果每個(gè)ICU-30201加載了忽略靜止目標(biāo)的算法（如靜態(tài)目標(biāo)拒絕模式或存在固件），并且以精確的測(cè)量速率（如10Hz）觸發(fā)，則多個(gè)ICU-30201可以在同一空間中共存而不會(huì)將其他設(shè)備檢測(cè)為目標(biāo)。為了確保良好的共存性能，建議使用由晶體時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的硬件觸發(fā)模式，或者使用向LFCLK引腳輸入晶體時(shí)鐘并適當(dāng)配置的自由運(yùn)行模式。

（六）PCB回流建議

關(guān)于PCB回流焊接的具體建議，請(qǐng)參考應(yīng)用筆記AN - 000159 CH101和CH201《超聲波收發(fā)器處理和組裝指南》。

（七）3線SPI模式

ICU-30201支持3線SPI模式，其中MOSI和MISO使用同一數(shù)據(jù)線。與ICU-30201的通信始終是單雙工的，即MISO或MOSI之一傳輸數(shù)據(jù)。當(dāng)MISO不活躍時(shí)，其輸出驅(qū)動(dòng)器被禁用并保持高阻態(tài)。因此，要在3線SPI模式下使用ICU-30201，無需特殊配置，只需在ICU-30201封裝附近將MISO和MOSI短接，并將主機(jī)配置為使用單共享數(shù)據(jù)線的3線SPI模式即可。

（八）典型操作電路

文檔提供了單收發(fā)器操作和多收發(fā)器操作的典型電路圖。在單收發(fā)器操作中，虛線連接為可選連接；對(duì)于3線SPI操作，只需在ICU-30201附近將MOSI和MISO短接。在多收發(fā)器操作中，通過為每個(gè)額外的收發(fā)器添加CS_B和INT1引腳，并共享公共的MOSI/MISO/SCLK連接來添加更多的收發(fā)器；同樣，對(duì)于3線SPI操作，只需在ICU-30201附近將MOSI和MISO短接。

（九）推薦的PCBA布局

為了確保ICU-30201的性能，PCB布局應(yīng)遵循以下建議：

1. PCB設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能對(duì)稱。
2. 由于收發(fā)器功耗非常低，不需要大的VDD和GND走線。
3. 不要在收發(fā)器封裝內(nèi)的頂層金屬層上放置過孔或走線。
4. PCB厚度應(yīng)為0.60 +/- 0.08mm，以確保良好的聲學(xué)性能。
5. PCB焊盤和連接走線應(yīng)對(duì)稱。
6. PCB焊盤的高度和寬度應(yīng)與收發(fā)器焊盤的高度和寬度相等。
7. 阻焊層開口應(yīng)比PCB焊盤的高度和寬度大0.1mm。
8. 鉆孔應(yīng)滿足+/-0.08mm（3mil）的公差要求。
9. 收發(fā)器在PCB上的放置應(yīng)避免靠近熱點(diǎn)（如微處理器）和機(jī)械應(yīng)力點(diǎn)（如按鈕和螺絲）。

（十）推薦的焊接曲線

文檔給出了推薦的焊接曲線設(shè)置，包括不同階段的溫度和傳送帶速度。同時(shí)，還規(guī)定了焊膏（SAC305）的相關(guān)參數(shù)，如最大上升斜率、浸泡時(shí)間、回流時(shí)間和峰值溫度等的范圍。

五、封裝與訂購(gòu)信息

（一）封裝信息