2014 十一月

小型超声波距离测量系统的参考设计

保持距离!

TDK与ELMOS半导体公司联合开发了一种紧凑型超声波泊车辅助的参考设计。该设计结合了ELMOS芯片集和爱普科斯 (EPCOS) EP6系列变压器,可确保超声波信号与传感器阻抗相匹配。

超声波泊车辅助 (UPA) 的核心是ELMOS E524.1x芯片,该芯片包含了产生超声波信号及评估回声的所有电子元件。其功能由A/D转换器、集成微控制器和EEPROM完成。UPA模块真正实现了单芯片解决方案,结构极其紧凑。UPA采用20引脚封装,尺寸仅为5 mm × 5 mm,插入高度为0.9 mm。E524.1x系列芯片集工作电压为7 V DC至18 V DC,可驱动电流高达496 mA的变压器。UPA模块通过另外集成的LIN2.1接口(本地互连网络)与汽车电源系统进行通信,测量距离为15 cm至500 cm,工作温度范围可扩展为−40 °C 至 +105 °C。

新的参考设计具有以下特点:1. 利用一个压电传感器来发送和接收超声波信号;2. 超声波脉冲的频率可预调为30 kHz至80 kHz;3. 数字滤波可对接收信号进行非常精确的评估,从而无需对外部元件进行复杂的校准和微调;4. 通过芯片的GPIO引脚可选择是否需要温度补偿;5. 关键程序都已存储在系统ROM中,因此展示板工作极其简单;6. 采用LIN-USB转换器和PC安装软件等配套产品。

由于集成度高,与以前的解决方案相比,该设计几乎无需外部分立元件。因此,单芯片模块不仅尺寸紧凑,且可靠性更高,采购和物流成本也更低。图1显示了带关键元件的基本设计。

图1:超声波距离测量参考设计的电路图

由于包括总线连接在内的所有功能都在单个芯片集上实现,因此最大限度减少了外部连接。

除了芯片集,另一个重要元件是爱普科斯 (EPCOS) 变压器 (TR1)【订购代码为B78416A2232A003(图2)】。该变压器属于EP6系列,是带铁氧体磁芯的SMD元件,磁芯将芯片发出的超声波信号与传感器阻抗匹配。输出DRV1和DRV2可连接至地线,从而产生对称信号。相应地,变压器的主绕组围绕中心抽头对称缠绕,其中抽头连接至本地储能装置(RSUP_TD和CSUP_TD)。

爱普科斯 (EPCOS) 变压器的变压比为1:1:8.82,可最佳匹配传感器阻抗,且次级绕组的电感值为3 mH (52 kHz, 1 V, 25 °C) ,所有电气属性与ELMOS芯片完美协调。由于尺寸紧凑,爱普科斯 (EPCOS) EP6平台现在已成为超声波距离测量技术的全球标准,且EP6变压器的变压比和阻抗可匹配所有常用传感器。

图2:用于超声波应用的爱普科斯 (EPCOS) EP6变压器

用于超声波应用的爱普科斯 (EPCOS) 变压器的尺寸仅为7.6 mm × 8.8 mm × 7.1 mm,可实现高度节省空间的设计。凭借优异的封装技术,该元件具有卓越机械强度,非常适合汽车应用。

用于LIN总线的简单噪声抑制

ELMOS芯片有个直连LIN总线的接口,可兼容最新通信标准。LIN是专为机动车辆的智能传感器和执行器的高性价比通信而设计,无需CAN和FlexRay带宽及多样性就可使用。LIN网络包含一个主从结构,1个主设备,多达16个从设备,其异步串行信号的最大传输速率是20 kbit/s,电压值为0.7 V DC和12 V DC。与CAN 和FlexRay不同,LIN不采用差分工作模式,因此不存在通用模式干扰。不过,该总线系统需要完善的噪声抑制措施,然后配合分立电感器一起可实现高性价比解决方案。

TDK集团的NLV25和NLCV25系列电感器可满足上述应用要求。这些电感器尺寸为2.5 mm × 2.0 mm × 1.8 mm,电感值为0.1 µH至100 µH,工作温度范围为−40 °C至+105 °C。此外,爱普科斯 (EPCOS) SIMID 1812或1210系列电感器也是很好的选择,这2个系列电感器的电感值为0.0082 µH至1000 µH,可耐受温度高达+145 °C。

新型TDK 3线馈通滤波器是专为抑制电源引线的噪声而设计,结构坚固,尺寸大小为EIA 0603 (1.6 × 0.8 mm²)至EIA 1206 (3.2 × 1.6 mm²),额定电压为10 V至100 V时,电容值范围为22 pF至1 µF,可耐受温度高达+125 °C,可耐受电流能力强(高达10 A)。

以上所描述的参考设计不仅能帮助驾驶员安全泊车,还可用于液体、粉末和颗粒等填充水平测量的工业应用。此外,距离测量的单芯片电路也适用于机器人领域。

图3:用于距离测量的ELMOS展示板

展示板包括LIN-USB转换器和用于Windows PC安装的软件。

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