TDK ICU-20201長(zhǎng)距離超聲波飛行時(shí)間測(cè)距傳感器深度解析

在電子設(shè)備不斷追求小型化、低功耗和高性能的今天，TDK的ICU - 20201長(zhǎng)距離超聲波飛行時(shí)間（ToF）測(cè)距傳感器無疑是一款引人注目的產(chǎn)品。它在消費(fèi)電子、工業(yè)自動(dòng)化、機(jī)器人等眾多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景。作為一名電子工程師，今天就帶大家深入了解這款傳感器。

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產(chǎn)品概述

ICU - 20201是一款微型、超低功耗的長(zhǎng)距離超聲波ToF收發(fā)器。它基于Chirp的專利MEMS技術(shù)，將標(biāo)稱85kHz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。這種集成化的設(shè)計(jì)不僅減小了產(chǎn)品尺寸，還降低了功耗，提高了系統(tǒng)的整體性能。

設(shè)備信息

封裝規(guī)格

ICU - 20201采用3.5 x 3.5 x 1.26 mm的LGA封裝，LID開口為1 - Hole，并且符合RoHS和綠色環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。這種小巧的封裝形式使得它在空間有限的應(yīng)用場(chǎng)景中也能輕松集成。

引腳描述

電氣特性

絕對(duì)最大額定值

了解傳感器的絕對(duì)最大額定值對(duì)于正確使用和保護(hù)傳感器至關(guān)重要。例如，AVDD/VDD到GND的電壓范圍為 - 0.3V到2.2V，VDDIO到GND的電壓范圍為 - 0.3V到4.0V等。在設(shè)計(jì)電路時(shí)，必須確保各項(xiàng)參數(shù)在這些額定值范圍內(nèi)，否則可能會(huì)導(dǎo)致傳感器損壞。

超聲波收發(fā)器特性

• 供電電壓：模擬電源AVDD、數(shù)字電源VDD和I/O電源VDDIO都有特定的工作范圍，如AVDD為1.71 - 1.89V，VDD為1.71 - 1.89V，VDDIO為1.71 - 3.63V。
• 工作頻率：超聲發(fā)射通道的工作頻率fop為70kHz。
• 測(cè)量范圍：最大測(cè)量范圍可達(dá)5m（針對(duì)墻壁目標(biāo)），最小測(cè)量范圍為0.2m。不同的目標(biāo)類型和測(cè)量條件會(huì)對(duì)測(cè)量范圍產(chǎn)生影響。
• 電流消耗：在不同的測(cè)量速率和測(cè)量范圍下，電流消耗也有所不同。例如，1樣本/秒、1m最大范圍時(shí)電流消耗為18μA，而25樣本/秒、5m最大范圍時(shí)電流消耗為300μA。

SPI時(shí)序特性

無論是4線SPI模式還是3線SPI模式，都有相應(yīng)的時(shí)鐘頻率、時(shí)鐘周期、建立時(shí)間和保持時(shí)間等參數(shù)要求。例如，SCLK時(shí)鐘頻率最大可達(dá)13MHz，CS_B建立時(shí)間和保持時(shí)間均為80ns。在設(shè)計(jì)SPI通信電路時(shí)，必須嚴(yán)格按照這些時(shí)序要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，以確保通信的穩(wěn)定性。

工作原理

超聲波換能器

ICU - 20201內(nèi)部的PMUT位于設(shè)備頂部聲學(xué)端口的正下方，它既可以發(fā)射超聲波，也可以接收超聲波。在發(fā)射過程中，高電壓脈沖序列施加到PMUT上，使其向設(shè)備前方的空氣中發(fā)射聲波；在接收過程中，撞擊到PMUT上的聲波會(huì)產(chǎn)生小電流，經(jīng)過放大、數(shù)字化后存儲(chǔ)在片上存儲(chǔ)器中。TDK的專利頻率鎖定算法確保了發(fā)射和接收的工作頻率fop與PMUT頻率相匹配，優(yōu)化了發(fā)射和接收靈敏度。

測(cè)量過程

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。一旦被MCU觸發(fā)，MSM會(huì)從存儲(chǔ)器中獲取專門的指令并執(zhí)行，這些指令包括發(fā)射、接收、計(jì)數(shù)和文件結(jié)束（EOF）等命令。多個(gè)指令組成一個(gè)測(cè)量隊(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。測(cè)量結(jié)束后，MCU會(huì)喚醒并處理I/Q數(shù)據(jù)或?qū)⑵滢D(zhuǎn)發(fā)給主機(jī)進(jìn)行處理。

I/Q基帶數(shù)據(jù)

接收到的信號(hào)經(jīng)過放大、數(shù)字化和下變頻處理后，得到I/Q基帶數(shù)據(jù)。I信號(hào)是與余弦解調(diào)器同相的分量，Q信號(hào)是與正弦解調(diào)器同相的分量。I/Q數(shù)據(jù)包含了信號(hào)的幅度和相位信息，許多算法通過計(jì)算幅度來檢測(cè)目標(biāo)，在某些應(yīng)用中，相位數(shù)據(jù)也可以提供額外的信息。I/Q數(shù)據(jù)的采樣率由ODR設(shè)置決定，可以是fop/32、fop/16、fop/8、fop/4或fop/2。

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，再乘以聲速并除以2，就可以得到目標(biāo)的距離。聲速在空氣中約為343m/s，雖然聲速不是恒定的，但在一定范圍內(nèi)是穩(wěn)定的，能夠保證測(cè)量精度在百分之幾的誤差范圍內(nèi)。

低功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)

ICU - 20201具有多種低功耗特性。片上實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）設(shè)置采樣率并為ToF測(cè)量提供參考，在正常操作期間，主機(jī)處理器無需向傳感器提供任何刺激，直到傳感器產(chǎn)生喚醒中斷，主機(jī)處理器才會(huì)從低功耗模式中喚醒。此外，INT1和INT2兩個(gè)通用輸入/輸出引腳可以作為系統(tǒng)喚醒源，當(dāng)檢測(cè)到目標(biāo)時(shí)，中斷引腳可以配置為喚醒主機(jī)。

時(shí)鐘校準(zhǔn)

ICU - 20201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，可以通過脈沖定時(shí)器外設(shè)進(jìn)行測(cè)量，也可以通過LFCLK引腳輸入已知頻率的低頻時(shí)鐘。一旦知道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)整以提高算法運(yùn)行時(shí)間的一致性。MUTCLK是操作頻率fop的16倍，通常在1.12MHz至1.52MHz范圍內(nèi)。SonicLib C驅(qū)動(dòng)程序提供了測(cè)量LFCLK頻率的方法，通過配置脈沖定時(shí)器和操作INT1引腳來實(shí)現(xiàn)。

應(yīng)用場(chǎng)景

消費(fèi)電子

在消費(fèi)電子領(lǐng)域，ICU - 20201可用于低功耗用戶存在檢測(cè)。例如，當(dāng)用戶靠近設(shè)備時(shí)，設(shè)備可以自動(dòng)喚醒，從而節(jié)省電量。

停車場(chǎng)傳感器

用于車輛計(jì)數(shù)的停車場(chǎng)傳感器可以利用ICU - 20201的精確測(cè)距功能，準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)停車場(chǎng)內(nèi)的車輛數(shù)量。

智能門鎖

智能門鎖可以實(shí)現(xiàn)靠近喚醒功能，當(dāng)用戶接近門鎖時(shí)，門鎖自動(dòng)喚醒并進(jìn)行身份驗(yàn)證，提高了使用的便利性。

機(jī)器人和無人機(jī)

在機(jī)器人和無人機(jī)中，ICU - 20201可用于避障和墻壁跟隨、地面高度測(cè)量等功能，確保設(shè)備的安全運(yùn)行。

設(shè)備操作模式

自由運(yùn)行模式

在自由運(yùn)行模式下，ICU - 20201以用戶指定的測(cè)量速率自主運(yùn)行，該速率可以從內(nèi)部LFCLK或外部LFCLK引腳獲取。當(dāng)有新的測(cè)距樣本可用時(shí)，INT1或INT2引腳會(huì)被拉低，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，在使用內(nèi)部LFCLK的自由運(yùn)行模式下，設(shè)備范圍內(nèi)不應(yīng)有其他ICU - 20201，否則可能會(huì)發(fā)生干擾。

硬件觸發(fā)模式

在硬件觸發(fā)模式下，INT1/2引腳之一用于觸發(fā)測(cè)量的開始。ICU - 20201在被觸發(fā)前處于空閑狀態(tài)，觸發(fā)后，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 - 20201收發(fā)器非常有用，主機(jī)控制器可以通過各個(gè)收發(fā)器的INT引腳精確協(xié)調(diào)測(cè)量時(shí)間。

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寫入來觸發(fā)測(cè)量的開始。測(cè)量完成后，INT1或INT2引腳會(huì)被拉低。雖然可以通過同時(shí)選擇多個(gè)ICU - 20201并進(jìn)行寫入來同步測(cè)量開始，但為了獲得最佳性能，建議使用硬件觸發(fā)模式。

共存問題及解決方案

當(dāng)多個(gè)ICU - 20201在彼此距離小于10m且頻率相近時(shí)，可能會(huì)相互干擾，導(dǎo)致接收到的I/Q數(shù)據(jù)中包含來自其他收發(fā)器的脈沖。為了確保多個(gè)ICU - 20201能夠在同一空間內(nèi)共存，可以采用以下兩種方法：

• 使用由晶體時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的定時(shí)器的硬件觸發(fā)模式。
• 使用向LFCLK引腳輸入晶體時(shí)鐘的自由運(yùn)行模式，并對(duì)ICU - 20201進(jìn)行適當(dāng)配置。

PCB設(shè)計(jì)建議

回流焊接

具體的PCB回流焊接建議可參考應(yīng)用筆記AN - 000159 CH101和CH201超聲波收發(fā)器處理和組裝指南。

典型工作電路

無論是單收發(fā)器操作還是多收發(fā)器操作，都有相應(yīng)的典型工作電路示例。在設(shè)計(jì)電路時(shí)，可以參考這些示例，并注意電容的選擇和連接方式，以確保電路的穩(wěn)定性和性能。

PCBA布局

PCB布局應(yīng)盡量對(duì)稱，避免在收發(fā)器占位內(nèi)的頂部金屬層上放置過孔或走線。PCB焊盤和連接走線應(yīng)對(duì)稱，焊盤高度和寬度應(yīng)與收發(fā)器焊盤高度和寬度相等，焊料掩膜開口應(yīng)比PCB焊盤高度和寬度大0.1mm。此外，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）。

總結(jié)

TDK的ICU - 20201長(zhǎng)距離超聲波ToF測(cè)距傳感器以其微型化、超低功耗、高精度測(cè)距等優(yōu)點(diǎn)，在眾多應(yīng)用領(lǐng)域展現(xiàn)出了強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)力。作為電子工程師，我們?cè)谠O(shè)計(jì)過程中需要深入了解其電氣特性、工作原理和應(yīng)用要求，合理選擇操作模式，解決共存問題，并按照PCB設(shè)計(jì)建議進(jìn)行設(shè)計(jì)，以充分發(fā)揮該傳感器的性能，為產(chǎn)品的成功開發(fā)提供保障。你在使用類似傳感器的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。