超声波传感器芯片的两种解决方案

MSP430系列MCU，特别是MSP430FR604x和MSP430FR504x系列，为超声波传感提供了低成本的单芯片解决方案。超声波传感解决方案(USS_A)模块集成在整个超声波应用设备中，可以为各种流速提供高精度测量。

我们必须熟悉超声波传感。这种基于超声波的传感方法应用广泛，在生活的许多领域都发挥着作用。超声波传感器是根据超声波的某些特性制造的。内部换能晶片受电压激励振动，产生超声波，完成超声波的发射和接收。

超声波传感器的组成并不那么复杂。发送机和换能器构成发送部分，放大电路和换能器构成接收部分，然后结合控制部分和电源部分完成传感器的一般功能。在这些组成部分中，超声波控制可以通过高档单片机实现。在声波发生器中，单片机作为整个电路的BAV99主控芯片运行，配合D/A转换器和IGBT功率模块实现脉宽调制。可以看出，普通单片机已经基本完成了超声波控制。这只是基本的控制，对于一些高频电路的要求，普通单片机的处理速度可能会有点慢。

MSP430系列集成解决方案

既然普通MCU不能完全满足需求，我们该怎么办？让我们来看看TI的MSP430系列。MSP430系列专门加强了超声波应用。MSP430系列MCU，特别是MSP430FR604x和MSP430FR504x系列，为超声波传感提供了低成本的单芯片解决方案。该系列具有集成的超声波传感模拟前端，易于使用，可灵活用于开发各种应用。其独特的波形捕获技术和高速ADC可以实现低功耗的高精度测量。

以MSP430FR5043为例，该设备专为超声波水表、热量计和燃气表设计。超声波传感解决方案(USS_A)模块集成在整个超声波应用设备中，可以为各种流速提供高精度测量。USS_A高度集成，需要的外部部件很少，有助于实现超低功耗测量，降低系统成本。

USS_A模块包括具有低阻抗输出驱动器的可编程脉冲发生器(PPG)和物理接口(PHY)，以实现最佳的传感器激励和准确的阻抗匹配效果，从而实现零流量漂移(ZFD)。

为了实现准确的信号采集，USS_A模块还集成了可编程增益放大器(PGA)和高速12位8Mspsσ-δADC。在水为介质的环境下，该装置的差分飞行时间精度为±12.5ps，在500:1的宽动态范围内为±1%。在气体介质中，差分飞行时间精度为±250ps，在流速高达12000升/小时的情况下，可实现±1%的精度，具有200:1的宽动态范围。

MSP430FR5043设备采用低功耗加速器(LEA)，实现了基于高速ADC的信号采集和数字信号处理的后续优化，为电池供电计量提供了超低功耗、高精度的计量解决方案应用。这种超低功耗MSP系统架构可以降低整个超声波传感器系统的能耗，提高性能。

ADI专项分立式解决方案

ADI不像TI那样集成超声波应用的整个控制器功能，而是采用分立式解决方案。虽然不是打包成芯片，但每个设备对于每个应用都有很强的功能。

从发射端，ADI给出了基于AD9106的四通道方案。通过这个四通道，180MSPS的12个任意波形发生器可以准确控制发射信号，提高流量计的性能。同时，该配置还可以节省大量的流量计空间。

在接收前端，AFE选择了高集成的八通道AD9670，可以大大提高性能。VGA有两个选项:AD3388和AD8332。第一个可以提供最高的动态范围，第二个可以达到最低的噪音。可根据实际需要选择。

DAC选择了单通道AD5681R的12位精密DAC，集成了基准电压，是一个很好的小尺寸方案。温度传感器选用普通的全集成数字温度传感器，简单准确，适合温度补偿。

处理器采用400MHzADS9-BF70x，DSP自带1MBSRAM，片内还内置加密加速器，是一种支持多种工业界面的处理器。另一个考虑因素是，当DSP400MHz小于100mW时，从传感器内部降低功耗和流量计自热。

从这些分离器件的搭配不难看出，ADI非常重视超声波应用的低功耗，也可以看出对空间的严格控制。每个设备的选择不仅考虑了高精度，而且尽可能减少了尺寸。

小结

无论是全集成芯片解决方案还是分立方案，都尽可能低功耗、低成本。虽然ADI没有将这些分离器件集成到SOC中，但从方案中尽可能减小尺寸的做法中，我们也可以看到超声波传感器芯片小型化的发展方向。