引言

　　本文介紹了如何利用MAXQ7667智能SoC (片上系統(tǒng))確定超聲傳感器的諧振頻率和阻尼特性。這些功能有助于診斷傳感器模塊，優(yōu)化系統(tǒng)性能，并且可以在生產(chǎn)過(guò)程中用于校準(zhǔn)。本應(yīng)用筆記并非針對(duì)所有系統(tǒng)泛泛地討論“如何實(shí)現(xiàn)”，而是針對(duì)特定的傳感器模型討論設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)以及特定條件下的性能。利用這些信息，用戶可以大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)測(cè)試。另外，這些測(cè)試假定超聲波反射目標(biāo)與傳感器的距離大于1英尺。

　　測(cè)試裝置

　　本文中的所有測(cè)試數(shù)據(jù)取自MAXQ7667 EV (評(píng)估)板，這些數(shù)據(jù)通過(guò)評(píng)估板的RS-232串口傳送到PC，然后利用Excel表產(chǎn)生曲線圖。傳感器采用隨評(píng)估板提供的40kHz 400EP250。傳感器水平安裝在電路板上，可以方便地在傳感器上加裝其它材料以改變傳感器的性能。這里采用了三種傳感器條件應(yīng)用于各種測(cè)試：清潔干燥的傳感器(正常工作條件)、在傳感器表面注水、傳感器表面附有油漬。

　　圖1至圖3顯示了這些不同條件下傳感器的參數(shù)，可以看到有較大的差異。傳感器表面注水會(huì)降低傳感器的諧振頻率、減小阻尼;油漬的影響則相反，會(huì)提高諧振頻率、并顯著增大阻尼。

　　阻尼測(cè)試

　　阻尼測(cè)試用于測(cè)量傳感器的諧振時(shí)間，測(cè)試非常簡(jiǎn)單，首先產(chǎn)生一個(gè)短脈沖激勵(lì)傳感器，然后監(jiān)測(cè)傳感器輸出，觀察信號(hào)的衰減速度。圖1至圖3給出了三種不同頻率下回波接收通道的阻尼。從三組曲線可以很容易看出油漬會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)阻尼。另外，如果觀察阻尼的細(xì)微變化，這些曲線還顯示了接收頻率的重要作用。

　　由于該測(cè)試非常簡(jiǎn)單，可以在多個(gè)頻率下進(jìn)行測(cè)試。在多個(gè)頻率下進(jìn)行測(cè)試時(shí)，最好保持相對(duì)恒定的激勵(lì)脈沖寬度。利用一個(gè)持續(xù)時(shí)間固定的激勵(lì)窄脈沖，可以消除傳感器能量變化或者在諧振頻率處激勵(lì)傳感器造成的差異。

　　圖1、圖2和圖3中，以25μs的間隔采集LPF (低通濾波器)輸出，傳感器激勵(lì)脈沖寬度近似為6μs。注意，如果只使用一個(gè)頻率并且PLL已處于所要求的頻率，該測(cè)試可以在低于3ms的間隔下進(jìn)行。在兩次測(cè)量之間有充分的時(shí)間觀測(cè)峰值，并檢測(cè)信號(hào)衰減到給定峰值百分比的時(shí)間。如果使用多個(gè)頻率，可能需要額外的測(cè)量時(shí)間，同時(shí)也需要更多時(shí)間使PLL穩(wěn)定到一個(gè)新的頻率。

　　圖1. 利用40kHz中心頻率濾波器時(shí)的阻尼測(cè)量

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　　圖2. 利用35kHz中心頻率濾波器時(shí)的阻尼測(cè)量

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　　圖3. 利用45kHz中心頻率濾波器時(shí)的阻尼測(cè)量

　　掃頻

　　掃頻可以確認(rèn)傳感器的諧振頻率。圖4清楚地顯示了不同外加材料(三種不同測(cè)試條件)對(duì)傳感器諧振頻率的影響。從圖4數(shù)據(jù)可以看出：接收器中心頻率以400Hz的間隔從30kHz變化到50kHz，共計(jì)51個(gè)頻率。對(duì)于51個(gè)頻率的每個(gè)頻率，從激勵(lì)到讀取LPF輸出的時(shí)間間隔相同。診斷時(shí)需要特別注意：從激勵(lì)到讀取LPF數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔必須正確。這個(gè)時(shí)間間隔必須足夠長(zhǎng)，使回波接收通道脫離飽和;但還要足夠短，保證傳感器仍然能夠產(chǎn)生比較強(qiáng)的信號(hào)。似乎單一的固定時(shí)間間隔很難滿足所有條件。例如，從圖2可以明顯看出，如果傳感器有油漬，信號(hào)在正常的傳感器脫離飽和之前就被完全衰減掉。考慮到這種狀況，必須動(dòng)態(tài)調(diào)整從激勵(lì)到測(cè)量LPF輸出的時(shí)間間隔。幸運(yùn)的是阻尼測(cè)試(見(jiàn)下文)可以很容易地確定一個(gè)較好的時(shí)間間隔。

　　為了收集圖4數(shù)據(jù)(即LPF輸出數(shù)據(jù))，阻尼測(cè)試首先在三種不同頻率下進(jìn)行，保存從激勵(lì)到信號(hào)衰減到峰值一半的時(shí)間。三次測(cè)試的最長(zhǎng)時(shí)間間隔將用作掃頻測(cè)試的時(shí)間間隔。這個(gè)過(guò)程確定了能夠保證任何傳感器條件下都可以產(chǎn)生較好的輸出信號(hào)的時(shí)間間隔。

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　　圖4. 三種傳感器測(cè)試條件下的掃頻測(cè)試

　　總之，為了確定從激勵(lì)到測(cè)量的時(shí)間間隔，掃頻測(cè)試之前至少進(jìn)行一次阻尼測(cè)試。掃頻測(cè)試需要比阻尼測(cè)試更長(zhǎng)的時(shí)間。頻率步進(jìn)變化多個(gè)頻點(diǎn)，每個(gè)頻率必須在激勵(lì)傳感器以及進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)量之前建立。這種情況下，整個(gè)測(cè)試大約需要650ms。如果PLL頻率建立時(shí)間較短，或者是減少測(cè)量頻點(diǎn)、降低阻尼測(cè)試次數(shù)，可以縮短測(cè)試時(shí)間。而這些改變會(huì)導(dǎo)致傳感器測(cè)量參數(shù)精度的降低，但能夠滿足絕大多數(shù)應(yīng)用的要求。

　　圖4數(shù)據(jù)顯示了傳感器相當(dāng)寬的諧振頻帶，與傳感器本身的性能相比，這個(gè)諧振帶寬與MAXQ7667的帶通濾波器帶寬的關(guān)系更密切。即便如此，這個(gè)測(cè)試仍然對(duì)確定傳感器的中心頻率非常有用。

　　簡(jiǎn)化測(cè)試條件

　　本應(yīng)用筆記提供的圖表為設(shè)計(jì)人員提供了一個(gè)簡(jiǎn)便的參考，但很難進(jìn)行自動(dòng)診斷。為了簡(jiǎn)化測(cè)試過(guò)程，可以將數(shù)據(jù)減少到幾個(gè)數(shù)值，然后將這些數(shù)值和表格中的參考值進(jìn)行對(duì)比。這些參考值可以按溫度排序。而溫度很容易通過(guò)SAR ADC和熱敏電阻得到。

　　以下程序代碼(附錄A)用于捕獲圖4中的數(shù)據(jù)，該程序還提供了三方面的數(shù)據(jù)，可用于定義傳感器的條件。這些數(shù)據(jù)是：

　　阻尼測(cè)試中，諧振頻率處的LPF峰值數(shù)據(jù)。

　　阻尼時(shí)間，或者是從激勵(lì)到信號(hào)衰減至峰值一半的時(shí)間。

　　中心頻率或諧振頻率，該數(shù)值表示為PLL的建立時(shí)間，是下限PLL建立時(shí)間(信號(hào)為峰值的70%)和上限PLL建立時(shí)間(信號(hào)為峰值的70%)的平均值，其中70%是任意決定的。

　　表1分別顯示了三種傳感器條件下的數(shù)據(jù)。通過(guò)這些數(shù)據(jù)，診斷程序很容易區(qū)分傳感器所處的條件。

　　表1. 各種傳感器工作條件下的數(shù)據(jù)總結(jié) Peak LPF Reading (Counts)Damping Time (μs)Center Frequency (PLL)

　　Dry244771394290

　　Wet247401435150

　　Putty158540323430

　　可以下載用于IAR?編譯器2.12A的完整軟件，如果將評(píng)估板的RS-232串口連接到PC的COM1，運(yùn)行PC程序Transducer_Calibrate_115k2.exe，將會(huì)顯示隨頻率變化的諧振曲線和評(píng)估的諧振頻率(圖5)。

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　　詳細(xì)圖片(PDF, 325kB)

　　圖5. 輸出曲線圖示例

　　附錄A. 軟件例程

　　MAXQ7667傳感器校準(zhǔn)文件

　　// This routine measures the transducer damping at the specified frequency (PLLfreq).

　　// The system timer is used to measure when the LPF output (LPFD) has dropped to 1/2 the peak value.

　　// This is the settling time that will be used later when doing the frequency sweep.

　　unsigned damping_half_time (unsigned PLLfreq, unsigned pulse_width)

　　{

　　unsigned short i;

　　unsigned short peak = 0;

　　unsigned short half_peak = 0;

　　unsigned short temp = 0;

　　SCNT_bit.STIME = 0; // Make sure system timer is off.

　　STIM = 0; // Clear the system timer.

　　SCNT_bit.STDIV = 4; // Set system timer prescale divider to 16 (1μs per cycle).

　　PLLF_bit.PLLF = PLLfreq; // Set the PLL frequency.

　　BPH = pulse_width; // Pulse width = BPH/(receive frequency * 400) when BDIV = 0xC.

　　usWaitTimer2(10000); // Let the PLL settle for 10ms.

　　SCNT_bit.STIME = 1; // Start the system timer.

　　BPH_bit .BSTT = 1; // Send a burst.

　　usWaitTimer2(50); // Wait for LPF to partially settle.

　　RunTimer0_us(20); // Start timer # 1 with a reload time of every 20μs.

　　for (i = 0; i < 200; i++)

　　{

　　temp = LPFD; // Read the output of the lowpass filter.

　　if (temp > 0x2000 && temp > peak) {peak = temp;} // Save the peak value if it is greater than 2000.

　　if (temp < peak/2 && half_peak == 0) // If LPFD is less than half the peak value and the half peak time

　　{ // has not been set, then

　　half_peak = STIM; // save the time it took to reach half the peak value.

　　i = 101; // Half peak found so exit the loop.

　　}

　　while (T2CNB0_bit.TF2 == 0) {} // Wait for timer # 0.

　　T2CNB0_bit.TF2 = 0; // Clear flag.

　　}

　　T2CNA0_bit.TR2 = 0; // Stop timer # 0.

　　return half_peak;

　　}

　　void main()

　　{

　　unsigned short i = 0;

　　unsigned short peak = 0;

　　unsigned short first70 = 0;

　　unsigned short second70 = 0;

　　unsigned short center_pllf;

　　unsigned short wait2measure;

　　unsigned short halfpeak;

　　init();

　　// **********************************

　　// **********************************

　　// Configuration settings

　　echo_receive_gain(0); // Set receiver to minimum gain (allowed values 0-31)

　　Burst_Clock_Divider = 400; // for calculating the burst-frequency in PC-Application.

　　burst_setup(BURST_CLK_PLL, BURST_PULSE_1, BURST_DIV_400, 0, PLL_CLOCK_16MHZ, 0);

　　step_size=10; // Sets the step-size (steps go from 0 to 511).

　　// END configuration settings.

　　// ******************************

　　// ******************************

　　while(1)

　　{

　　// Use the "damping_half_time" routine to measure the time in μs that it takes for the

　　// ringing to drop to half of the peak value. Do this at more than one frequency so that

　　// one of the frequencies will be within range of the transducer.

　　wait2measure = damping_half_time(128, 88); //Measure damping time at 35kHz.

　　halfpeak = damping_half_time(256, 101); //Measure damping time at 40kHz.

　　if (wait2measure < halfpeak) {wait2measure = halfpeak;} // Save the longest time.

　　halfpeak = damping_half_time(384, 113); //Measure damping time at 45kHz.

　　if (wait2measure < halfpeak) {wait2measure = halfpeak;} // Save the longest time.

　　// Repeatedly pulse the transducer with a constant width pulse while sweeping the receiver

　　// frequency. Use the half-time value from the damping test (wait2measure) for the interval

　　// between pulse transmission and reading LPFD (lowpass filter data).

　　PLLF_bit.PLLF = 0; // Start the sweep at 30kHz.

　　BPH = 77; // Pulse ~6.3μs. This value is easy to maintain over frequency.

　　peak = 0;

　　number_of_steps = 0;

　　do // Sweep from 30kHz to 50kHz with step_size * 39.062500kHz.

　　{

　　usWaitTimer2(5000); // Wait 5ms for the frequency to settle.

　　STIM = 0; // Reset the system timer. It controls the Pulse to LPF read time.

　　BPH_bit .BSTT = 1; // Send burst.

　　while(STIM < wait2measure) {} // Wait the specified amount of time for the ringing to dampen.

　　lpfdata[number_of_steps]= LPFD; // Store the LPF reading.

　　if(lpfdata[number_of_steps]> peak) {peak = lpfdata[number_of_steps];} //Save the peak value.

　　number_of_steps++;

　　PLLF_bit.PLLF = number_of_steps * step_size; // Increase the frequency.

　　BPH = 77 + number_of_steps; // Increase the duty cycle to maintain pulse width.

　　} while (PLLF < 512-step_size);

　　// Find the center frequency based on the average of the two frequencies that have a

　　// LPFD reading that is 70% of the peak reading.

　　for (i = 0; i < number_of_steps; i++)

　　{

　　if (lpfdata[i] > peak*0.7)

　　{

　　first70 = i;

　　i = number_of_steps;

　　}

　　}

　　for (i = number_of_steps; i >0; i--)

　　{

　　if (lpfdata[i] > peak*0.7)

　　{

　　second70 = i;

　　i= 1;

　　}

　　}

　　i = (first70 + second70)/2; // i = the loop value at the center frequency.

　　center_pllf = i*step_size; // Set PLLF_bit.PLLF to this value for the resonant frequency.

　　//Remeasure damping using the center frequency.

　　damp_time = damping_half_time(center_pllf, 75);

　　// At this point there are three valuable pieces of information about the transducer.

　　// Peak = the peak value from the frequency sweep.

　　// center_pllf = the PLLF setting at the resonant frequency.

　　// damp_time = time for the resonance to decay to 1/2 the peak value.

　　center_burst_frequency = 16000000/Burst_Clock_Divider*(center_pllf+768)/1024;

　　SendData();

　　} // While(1)

　　} // End Main