带IO-Link接口的工业4.0就绪型超声测距传感器参考设计

本方案是一个工业4.0就绪的参考设计，采用IO-Link控制接口，含有一个M12安装的超声测距传感器，适合工厂和工业自动化应用中的苛刻环境物体检测和距离测量，结果不受被测物体颜色、透明度和表面特性以及外部环境的影响。主要特征包括：

-测距范围：10-30cm （300kHz）；30cm-5m （58kHz）

-分辨率：大约1mm （300kHz）；大约1cm （58kHz）

-非接触式检测

-可用于位移发射机、液位发射机、物流机器人、工业机器人、无人机等。

方案特点

超声技术在工业及汽车领域应用非常广泛，其中超声传感器用于发射和接收超声波段的声波信号，测量原理是大家常说的飞行时间（ToF）。其中，压电换能器是超声波传感器的关键元件，负责将电信号转换成超声波信号。该信号透过媒体，在撞到目标物体后返回压电换能器，换能器再将这个返回的超声波信号转化为电信号。

图1. 基于PGA460的超声测距传感器原理图

系统中，PGA460为可编程增益放大器（PGA），在一个DSP核心内集成了换能器驱动器、信号调理器，用以驱动和读取压电换能器；TIOL111收发器负责IO-Link接口以工业、双向、点对点的通信，让方案达到工业4.0就绪要求。

图2. 基于PGA460的超声测距传感器电路图

方案使用中心抽头变压器为换能器提供电压，PGA460内部的两个低侧开关以推挽模式工作，控制变压器的两个初级线圈的ON and OFF。由于初级线圈的电流变化率，变压器的次级线圈将产生一个电压，把这个电压施加在换能器。初级线圈电流方向变化，将在次级线圈产生相反极性的电压，这也有效倍增了次级线圈上的电压峰峰值（peak-to-peak voltage）。

PGA460必须与外接的换能器配对使用。外接变压器或p-channel MOSFET应满足换能器的输入电压要求，其额定饱和电流应等于或大于PGA460已配置的驱动电流极限。

为测试设计效果，方案采用Murata A58MF14-7N and MA300D1-1换能器，可设计师任意选择更合适的换能器替代品，获得更具吸引力的BOM价值。

MA300D1-1技术规范：

工作温度：–20oC to 70oC

结构：防水设计

中心频率：300kHz

总敏感度：1.5~4.0 VP-P

电容值：1300pF±20%

最大输入电压：50VP-P

驱动波数：5个周期

驱动周期： 300Hz

MA58MF14-7N技术规范

工作温度：–20oC to 85oC

结构：防水设计

中心频率：58kHz

总敏感度：大于1VOP

电容值：1400pF±20%

最大输入电压：120VP-P

驱动波数：20个脉冲，或小于20ms以上间隔，不能使用DC电压。

中心抽头变压器也要与换能器配对使用，用来将DC电压转换成高频正弦AC电压。中心抽头施加有DC电压，按照匝数比大小，放大到变压器的次级。本方案采用的变压器－换能器组合为：变压器为B78416A2232A003、750317161用于MA58MF14-7N换能器，变压器B78416A2386A003和750316928用以MA300D1-1换能器。

图3. 用于超声换能器的中心抽头型变压器引脚

本方案测试中使用的变压器有B78416A2232A003、750317161、B78416A2386A003和750316928，具体技术参数如下：

B78416A2232A003

主体电感：L（4–6） 3mH （52kHz， 1V， +25°C）

电感偏差：±10% at +25°C

匝数比：1:1：8.42

工作频率：52kHz

测试电压：VTEST 200VAC

工作温度：–40°C … +85°C

750317161

主体电感：L （4–6） 3mH （58kHz， 1V， +25°C）

电感偏差：±10% at +25°C

匝数比：1:1： 8.42

工作频率：58kHz

测试电压：VTEST 200VAC 1min

工作温度：–40°C … +125°C

78416A2386A003

主体电感：L （4–6） 0.23mH （50kHz， 100mV， +25°C）

电感偏差：±8% at +25°C

匝数比：1:1：9

工作频率：300kHz

测试电压：VTEST 200VAC

工作温度：–40°C … +85°C

750316928

主体电感：L（4–6） 0.24mH（10kHz， 100mV， +25°C）

电感偏差：±8% at +25°C

匝数比：1:1：9

工作频率：300kHz

测试电压：VTEST 500VAC 1min

工作温度：–40°C … +125°C

如果工程师选择了不同的换能器，就必须更换成对应的变压器。驱动器PGA460的推荐外围元件参数如图4。

图4. 换能器驱动器PGA460的外围元件推荐参数

芯齐齐BOM分析

本参考设计着眼工业4.0，核心BPM元器件TVS3300YZFR、PGA460TPWRQ1、LM5166DRCR、MSP430FR5959IRHAR、TIOL111均来自TI。

图5. 基于PGA460的超声测距传感器BOM表

PGA460是高度集成的片上系统超声波换能器驱动器和配有先进DSP内核的信号调理器。PGA460设有补充性低侧驱动器对，可以在基于变压器的拓扑中使用升压变压器，或者在直接驱动拓扑中使用外部高侧FET，来驱动换能器。PGA460可接收和调理反射回波信号，以进行可靠的物体检测。PGA460采用PW0016A封装，可用于超声波雷达、距离和位置感测、存在和接近检测，以及无人机和机器人着陆协助以及障碍物检测等应用。

LM5166采用10引脚3mm×3mm VSON封装，是一款易用紧凑型3–65V超低IQ同步降压转换器，可在宽输入电压和负载电流范围内提供高效率。该转换器可简化方案，同时优化目标应用性能，可以调节电流限制设定值来优化电感器选择，从而满足特定的负载电流要求。TIOL111是具有集成浪涌保护功能的IO-Link收发器，接口类型3-Wire，电源电压7-36V，输出电流350mA。

图6 基于PGA460的超声测距传感器电路板

方案发射头采用标准引脚，具体由连接器J1决定，如M12，PCB宽度为8.9mm，适合管状外形。右侧的直角连接器J3适合频率高达500kHz的各种换能器，变压器T1需按换能器参数配对选择。如果尺寸太大，可将其放置在PCB背面，可选直角引脚的EP5封装变压器，750317181和750317196，它们的电气性能是一样的。PCB背面的J2直角4脚连接器用于MSP430FR5959的编程和除错。

审核编辑：汤梓红