TDK ICU-20201长距离超声波飞行时间测距传感器深度解析

在电子设备不断追求小型化、低功耗和高性能的今天，TDK的ICU - 20201长距离超声波飞行时间（ToF）测距传感器无疑是一款引人注目的产品。它在消费电子、工业自动化、机器人等众多领域都有着广泛的应用前景。作为一名电子工程师，今天就带大家深入了解这款传感器。

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产品概述

ICU - 20201是一款微型、超低功耗的长距离超声波ToF收发器。它基于Chirp的专利MEMS技术，将标称85kHz的压电微机械超声换能器（PMUT）与第二代超低功耗片上系统（SoC）集成在一个微型、可回流焊接的封装中。这种集成化的设计不仅减小了产品尺寸，还降低了功耗，提高了系统的整体性能。

设备信息

封装规格

ICU - 20201采用3.5 x 3.5 x 1.26 mm的LGA封装，LID开口为1 - Hole，并且符合RoHS和绿色环保标准。这种小巧的封装形式使得它在空间有限的应用场景中也能轻松集成。

引脚描述

PIN	NAME	DESCRIPTION
1	GND	Ground
2	SCLK	SPI Interface Clock (from external SPI host) CPOL = 1, CPHA = 1
3	MOSI	MCU Out Sensor In serial data (from external SPI host)
4	MISO	MCU In Sensor Out serial data (to external SPI host)
5	CS_B	SPI Chip Select (active - low, from external SPI host)
6	INT1	Interrupt Request Open Drain Input/Output 1
7	INT2	Interrupt Request Open Drain Input/Output 2
8	GND	Ground
9	LFCLK	External Input/Output Low Frequency Reference Clock - 32.768kHz typical (optional)
10	MUTCLK	External Input/Output 16x Operating Frequency Reference Clock (optional)
11	GND	Ground
12	VDD	Digital Logic Supply. Suggest common connection to AVDD. If not connected locally to AVDD, bypass with a 0.1μF capacitor close to VDD & GND pad.
13	AVDD	Analog Power Supply. Bypass with a 0.1μF capacitor close to AVDD & GND pad.
14	VDDIO	I/O Power Supply. Bypass with a 1.0μF capacitor close to VDDIO & GND pad.

电气特性

绝对最大额定值

了解传感器的绝对最大额定值对于正确使用和保护传感器至关重要。例如，AVDD/VDD到GND的电压范围为 - 0.3V到2.2V，VDDIO到GND的电压范围为 - 0.3V到4.0V等。在设计电路时，必须确保各项参数在这些额定值范围内，否则可能会导致传感器损坏。

超声波收发器特性

• 供电电压：模拟电源AVDD、数字电源VDD和I/O电源VDDIO都有特定的工作范围，如AVDD为1.71 - 1.89V，VDD为1.71 - 1.89V，VDDIO为1.71 - 3.63V。
• 工作频率：超声发射通道的工作频率fop为70kHz。
• 测量范围：最大测量范围可达5m（针对墙壁目标），最小测量范围为0.2m。不同的目标类型和测量条件会对测量范围产生影响。
• 电流消耗：在不同的测量速率和测量范围下，电流消耗也有所不同。例如，1样本/秒、1m最大范围时电流消耗为18μA，而25样本/秒、5m最大范围时电流消耗为300μA。

SPI时序特性

无论是4线SPI模式还是3线SPI模式，都有相应的时钟频率、时钟周期、建立时间和保持时间等参数要求。例如，SCLK时钟频率最大可达13MHz，CS_B建立时间和保持时间均为80ns。在设计SPI通信电路时，必须严格按照这些时序要求进行设计，以确保通信的稳定性。

工作原理

超声波换能器

ICU - 20201内部的PMUT位于设备顶部声学端口的正下方，它既可以发射超声波，也可以接收超声波。在发射过程中，高电压脉冲序列施加到PMUT上，使其向设备前方的空气中发射声波；在接收过程中，撞击到PMUT上的声波会产生小电流，经过放大、数字化后存储在片上存储器中。TDK的专利频率锁定算法确保了发射和接收的工作频率fop与PMUT频率相匹配，优化了发射和接收灵敏度。

测量过程

测量状态机（MSM）是超声波收发器测量过程的核心。一旦被MCU触发，MSM会从存储器中获取专门的指令并执行，这些指令包括发射、接收、计数和文件结束（EOF）等命令。多个指令组成一个测量队列，定义了收发器要进行的测量。通常，倒数第二个指令是设置了DONE_IEN位的接收指令，最后一个指令是EOF。测量结束后，MCU会唤醒并处理I/Q数据或将其转发给主机进行处理。

I/Q基带数据

接收到的信号经过放大、数字化和下变频处理后，得到I/Q基带数据。I信号是与余弦解调器同相的分量，Q信号是与正弦解调器同相的分量。I/Q数据包含了信号的幅度和相位信息，许多算法通过计算幅度来检测目标，在某些应用中，相位数据也可以提供额外的信息。I/Q数据的采样率由ODR设置决定，可以是fop/32、fop/16、fop/8、fop/4或fop/2。

测距原理

超声波脉冲从PMUT传播到目标并返回所需的时间称为飞行时间（ToF）。通过测距算法计算ToF，再乘以声速并除以2，就可以得到目标的距离。声速在空气中约为343m/s，虽然声速不是恒定的，但在一定范围内是稳定的，能够保证测量精度在百分之几的误差范围内。

低功耗系统设计

ICU - 20201具有多种低功耗特性。片上实时时钟（RTC）设置采样率并为ToF测量提供参考，在正常操作期间，主机处理器无需向传感器提供任何刺激，直到传感器产生唤醒中断，主机处理器才会从低功耗模式中唤醒。此外，INT1和INT2两个通用输入/输出引脚可以作为系统唤醒源，当检测到目标时，中断引脚可以配置为唤醒主机。

时钟校准

ICU - 20201有3个内部时钟，分别是LFCLK、MUTCLK和CPUCLK。LFCLK标称频率为30kHz，可以通过脉冲定时器外设进行测量，也可以通过LFCLK引脚输入已知频率的低频时钟。一旦知道LFCLK频率，就可以使用频率定时器外设测量MUTCLK和CPUCLK的频率。CPUCLK标称频率为40MHz，可以进行调整以提高算法运行时间的一致性。MUTCLK是操作频率fop的16倍，通常在1.12MHz至1.52MHz范围内。SonicLib C驱动程序提供了测量LFCLK频率的方法，通过配置脉冲定时器和操作INT1引脚来实现。

应用场景

消费电子

在消费电子领域，ICU - 20201可用于低功耗用户存在检测。例如，当用户靠近设备时，设备可以自动唤醒，从而节省电量。

停车场传感器

用于车辆计数的停车场传感器可以利用ICU - 20201的精确测距功能，准确统计停车场内的车辆数量。

智能门锁

智能门锁可以实现靠近唤醒功能，当用户接近门锁时，门锁自动唤醒并进行身份验证，提高了使用的便利性。

机器人和无人机

在机器人和无人机中，ICU - 20201可用于避障和墙壁跟随、地面高度测量等功能，确保设备的安全运行。

设备操作模式

自由运行模式

在自由运行模式下，ICU - 20201以用户指定的测量速率自主运行，该速率可以从内部LFCLK或外部LFCLK引脚获取。当有新的测距样本可用时，INT1或INT2引脚会被拉低，主机处理器可以通过SPI接口读取样本数据。需要注意的是，在使用内部LFCLK的自由运行模式下，设备范围内不应有其他ICU - 20201，否则可能会发生干扰。

硬件触发模式

在硬件触发模式下，INT1/2引脚之一用于触发测量的开始。ICU - 20201在被触发前处于空闲状态，触发后，测量将相对于INT引脚的下降沿以确定的延迟开始。这种模式对于同步多个ICU - 20201收发器非常有用，主机控制器可以通过各个收发器的INT引脚精确协调测量时间。

软件触发模式

在软件触发模式下，主机处理器通过SPI写入来触发测量的开始。测量完成后，INT1或INT2引脚会被拉低。虽然可以通过同时选择多个ICU - 20201并进行写入来同步测量开始，但为了获得最佳性能，建议使用硬件触发模式。

共存问题及解决方案

当多个ICU - 20201在彼此距离小于10m且频率相近时，可能会相互干扰，导致接收到的I/Q数据中包含来自其他收发器的脉冲。为了确保多个ICU - 20201能够在同一空间内共存，可以采用以下两种方法：

• 使用由晶体时钟驱动的定时器的硬件触发模式。
• 使用向LFCLK引脚输入晶体时钟的自由运行模式，并对ICU - 20201进行适当配置。

PCB设计建议

回流焊接

具体的PCB回流焊接建议可参考应用笔记AN - 000159 CH101和CH201超声波收发器处理和组装指南。

典型工作电路

无论是单收发器操作还是多收发器操作，都有相应的典型工作电路示例。在设计电路时，可以参考这些示例，并注意电容的选择和连接方式，以确保电路的稳定性和性能。

PCBA布局

PCB布局应尽量对称，避免在收发器占位内的顶部金属层上放置过孔或走线。PCB焊盘和连接走线应对称，焊盘高度和宽度应与收发器焊盘高度和宽度相等，焊料掩膜开口应比PCB焊盘高度和宽度大0.1mm。此外，收发器在PCB上的放置应避免靠近热点（如微处理器）和机械应力点（如按钮和螺丝）。

总结

TDK的ICU - 20201长距离超声波ToF测距传感器以其微型化、超低功耗、高精度测距等优点，在众多应用领域展现出了强大的竞争力。作为电子工程师，我们在设计过程中需要深入了解其电气特性、工作原理和应用要求，合理选择操作模式，解决共存问题，并按照PCB设计建议进行设计，以充分发挥该传感器的性能，为产品的成功开发提供保障。你在使用类似传感器的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。