TDK ICU-20201長距離超聲波飛行時間測距傳感器深度解析

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長距離超聲波飛行時間（ToF）測距傳感器無疑是一款引人注目的產(chǎn)品。它在消費電子、工業(yè)自動化、機器人等眾多領(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、超低功耗的長距離超聲波ToF收發(fā)器。它基于Chirp的專利MEMS技術(shù)，將標稱85kHz的壓電微機械超聲換能器（PMUT）與第二代超低功耗片上系統(tǒng)（SoC）集成在一個微型、可回流焊接的封裝中。這種集成化的設(shè)計不僅減小了產(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)保標準。這種小巧的封裝形式使得它在空間有限的應(yīng)用場景中也能輕松集成。

引腳描述

電氣特性

絕對最大額定值

了解傳感器的絕對最大額定值對于正確使用和保護傳感器至關(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)計電路時，必須確保各項參數(shù)在這些額定值范圍內(nèi)，否則可能會導(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。
• 測量范圍：最大測量范圍可達5m（針對墻壁目標），最小測量范圍為0.2m。不同的目標類型和測量條件會對測量范圍產(chǎn)生影響。
• 電流消耗：在不同的測量速率和測量范圍下，電流消耗也有所不同。例如，1樣本/秒、1m最大范圍時電流消耗為18μA，而25樣本/秒、5m最大范圍時電流消耗為300μA。

SPI時序特性

無論是4線SPI模式還是3線SPI模式，都有相應(yīng)的時鐘頻率、時鐘周期、建立時間和保持時間等參數(shù)要求。例如，SCLK時鐘頻率最大可達13MHz，CS_B建立時間和保持時間均為80ns。在設(shè)計SPI通信電路時，必須嚴格按照這些時序要求進行設(shè)計，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上的聲波會產(chǎn)生小電流，經(jīng)過放大、數(shù)字化后存儲在片上存儲器中。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。

測量過程

測量狀態(tài)機（MSM）是超聲波收發(fā)器測量過程的核心。一旦被MCU觸發(fā)，MSM會從存儲器中獲取專門的指令并執(zhí)行，這些指令包括發(fā)射、接收、計數(shù)和文件結(jié)束（EOF）等命令。多個指令組成一個測量隊列，定義了收發(fā)器要進行的測量。通常，倒數(shù)第二個指令是設(shè)置了DONE_IEN位的接收指令，最后一個指令是EOF。測量結(jié)束后，MCU會喚醒并處理I/Q數(shù)據(jù)或?qū)⑵滢D(zhuǎn)發(fā)給主機進行處理。

I/Q基帶數(shù)據(jù)

接收到的信號經(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信號是與余弦解調(diào)器同相的分量，Q信號是與正弦解調(diào)器同相的分量。I/Q數(shù)據(jù)包含了信號的幅度和相位信息，許多算法通過計算幅度來檢測目標，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。

測距原理

超聲波脈沖從PMUT傳播到目標并返回所需的時間稱為飛行時間（ToF）。通過測距算法計算ToF，再乘以聲速并除以2，就可以得到目標的距離。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，能夠保證測量精度在百分之幾的誤差范圍內(nèi)。

低功耗系統(tǒng)設(shè)計

ICU - 20201具有多種低功耗特性。片上實時時鐘（RTC）設(shè)置采樣率并為ToF測量提供參考，在正常操作期間，主機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，主機處理器才會從低功耗模式中喚醒。此外，INT1和INT2兩個通用輸入/輸出引腳可以作為系統(tǒng)喚醒源，當檢測到目標時，中斷引腳可以配置為喚醒主機。

時鐘校準

ICU - 20201有3個內(nèi)部時鐘，分別是LFCLK、MUTCLK和CPUCLK。LFCLK標稱頻率為30kHz，可以通過脈沖定時器外設(shè)進行測量，也可以通過LFCLK引腳輸入已知頻率的低頻時鐘。一旦知道LFCLK頻率，就可以使用頻率定時器外設(shè)測量MUTCLK和CPUCLK的頻率。CPUCLK標稱頻率為40MHz，可以進行調(diào)整以提高算法運行時間的一致性。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)動程序提供了測量LFCLK頻率的方法，通過配置脈沖定時器和操作INT1引腳來實現(xiàn)。

應(yīng)用場景

消費電子

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

停車場傳感器

用于車輛計數(shù)的停車場傳感器可以利用ICU - 20201的精確測距功能，準確統(tǒng)計停車場內(nèi)的車輛數(shù)量。

智能門鎖

智能門鎖可以實現(xiàn)靠近喚醒功能，當用戶接近門鎖時，門鎖自動喚醒并進行身份驗證，提高了使用的便利性。

機器人和無人機

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

設(shè)備操作模式

自由運行模式

在自由運行模式下，ICU - 20201以用戶指定的測量速率自主運行，該速率可以從內(nèi)部LFCLK或外部LFCLK引腳獲取。當有新的測距樣本可用時，INT1或INT2引腳會被拉低，主機處理器可以通過SPI接口讀取樣本數(shù)據(jù)。需要注意的是，在使用內(nèi)部LFCLK的自由運行模式下，設(shè)備范圍內(nèi)不應(yīng)有其他ICU - 20201，否則可能會發(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)測量的開始。ICU - 20201在被觸發(fā)前處于空閑狀態(tài)，觸發(fā)后，測量將相對于INT引腳的下降沿以確定的延遲開始。這種模式對于同步多個ICU - 20201收發(fā)器非常有用，主機控制器可以通過各個收發(fā)器的INT引腳精確協(xié)調(diào)測量時間。

軟件觸發(fā)模式

在軟件觸發(fā)模式下，主機處理器通過SPI寫入來觸發(fā)測量的開始。測量完成后，INT1或INT2引腳會被拉低。雖然可以通過同時選擇多個ICU - 20201并進行寫入來同步測量開始，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

當多個ICU - 20201在彼此距離小于10m且頻率相近時，可能會相互干擾，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：

• 使用由晶體時鐘驅(qū)動的定時器的硬件觸發(fā)模式。
• 使用向LFCLK引腳輸入晶體時鐘的自由運行模式，并對ICU - 20201進行適當配置。

PCB設(shè)計建議

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)計電路時，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（如微處理器）和機械應(yīng)力點（如按鈕和螺絲）。

總結(jié)

TDK的ICU - 20201長距離超聲波ToF測距傳感器以其微型化、超低功耗、高精度測距等優(yōu)點，在眾多應(yīng)用領(lǐng)域展現(xiàn)出了強大的競爭力。作為電子工程師，我們在設(shè)計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)計建議進行設(shè)計，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？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。