ICU-30201：超遠距離超聲波飛行時間測距傳感器的卓越之選

在電子設計領域，傳感器的性能和特性對于產(chǎn)品的功能和質(zhì)量起著至關重要的作用。今天，我們要深入探討一款備受矚目的傳感器——InvenSense的ICU-30201超遠距離超聲波飛行時間（ToF）測距傳感器。

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一、ICU-30201概述

ICU-30201是一款微型、超低功耗、超遠距離的超聲波飛行時間（ToF）收發(fā)器。它基于TDK的專利MEMS技術，將標稱53kHz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。

（一）低功耗與易用性設計

SoC專為實現(xiàn)整體低系統(tǒng)功耗和便于與外部主機處理器配合使用而設計。通過定制數(shù)字電路處理和緩沖原始傳感器讀數(shù)，使集成微控制器在不需要時保持低功耗空閑狀態(tài)。同時，微控制器可將原始傳感器讀數(shù)處理成高級信號，如到附近目標的距離或存在事件等，這些信號可直接被主機處理器讀取。SoC通過SPI與主機處理器進行通信，在1.8V或3.3V電壓下，最高通信頻率可達13MHz。

（二）易于集成的特點

該傳感器采用底部端口配置的小型薄封裝，便于集成。它具有單底部端口用于收發(fā)，I/O電壓支持1.8V或3.3V，核心工作電壓為1.8V，13MHz的SPI接口允許以全測量速率輸出基帶數(shù)據(jù)流，還可選配32kHz參考時鐘輸入，并有兩個可編程開漏I/O用于觸發(fā)傳感器或喚醒主機。此外，平臺獨立的軟件驅(qū)動實現(xiàn)了一鍵式測距功能。

（三）高精度測距與廣泛適用性

ICU-30201能夠?qū)嚯x達9m的目標進行精確測距。基于超聲波脈沖回波測量原理，它可在任何光照條件下工作，包括強光直射，并且能夠提供毫米級精度的測距結果，不受目標顏色和光學透明度的影響。其視場角（FoV）可定制，能夠同時對視場內(nèi)的多個物體進行測距。同時，多種可用算法可進一步處理回波信息，以滿足各種應用場景的需求。

二、引腳與電氣特性

（一）引腳說明

ICU-30201共有13個引腳，每個引腳都有其特定的功能。例如，SCLK為SPI接口時鐘，MOSI用于MCU輸出傳感器輸入的串行數(shù)據(jù)，MISO則用于MCU輸入傳感器輸出的串行數(shù)據(jù)等。詳細的引腳描述如下表所示：

（二）電氣特性

1. 絕對最大額定值：包括電源電壓、數(shù)字I/O引腳電壓、靜電放電（ESD）、閂鎖電流、工作溫度、相對濕度、連續(xù)輸入電流和焊接溫度等參數(shù)的極限值。例如，AVDD/VDD到GND的電壓范圍為 -0.3V 至 2.2V，VDDIO到GND的電壓范圍為 -0.3V 至 4.0V 等。
2. 超聲波收發(fā)器特性：在特定的工作條件下（AVDD = VDD = 1.8VDC，VDDIO = 3.3V，GND = 0V，TA = +25°C），規(guī)定了模擬電源、數(shù)字電源、IO電源的電壓范圍，以及工作溫度、超聲發(fā)射通道的工作頻率、最大測量范圍、最小測量范圍、基帶I/Q輸出采樣率、測量速率、視場角、電流消耗、空閑電流、測量延遲和編程時間等參數(shù)。
3. I/O特性：對數(shù)字輸入和輸出的電壓、電容、輸出泄漏電流等參數(shù)進行了規(guī)定。例如，數(shù)字輸入的高電平輸入電壓VIH不低于0.7 VDDIO，低電平輸入電壓VIL不高于0.3 VDDIO等。
4. SPI時序特性：分別給出了4線SPI模式和3線SPI模式下的SPI時鐘頻率、時鐘低周期、時鐘高周期、片選信號設置時間和保持時間、數(shù)據(jù)輸入輸出設置時間和保持時間等參數(shù)的要求。

三、工作原理與詳細描述

（一）工作原理

ICU-30201是一款自主式數(shù)字輸出超聲波收發(fā)器。其封裝內(nèi)包含壓電微機械超聲換能器（PMUT）和片上系統(tǒng)（SoC）。SoC控制PMUT以工作頻率fop產(chǎn)生超聲脈沖，這些脈沖在傳感器視場（FoV）內(nèi)的目標上反射后，由同一個PMUT接收。接收到的反射波經(jīng)過放大、數(shù)字化處理后，以I/Q基帶數(shù)據(jù)的形式存儲在片上數(shù)據(jù)存儲器中。片上微控制器（MCU）可以使用軟件定義的算法處理I/Q數(shù)據(jù)以檢測目標，并且這些算法可以進行調(diào)整以優(yōu)先檢測靜止或移動目標。此外，I/Q數(shù)據(jù)也可以傳輸?shù)礁蟮闹鳈C或應用處理器（AP）進行進一步處理。

（二）超聲波換能器

PMUT位于設備底部的聲學端口正上方，能夠發(fā)射和接收超聲波。在發(fā)射過程中，高電壓脈沖序列施加到PMUT上，使其從ICU-30201底部向空氣中發(fā)射聲波；在接收過程中，撞擊到PMUT上的聲波產(chǎn)生小電流，該電流經(jīng)過放大、數(shù)字化處理后存儲在片上存儲器中。TDK的專利頻率鎖定算法確保發(fā)射和接收的工作頻率fop與PMUT頻率相匹配，從而優(yōu)化發(fā)射和接收靈敏度。

（三）測量過程

ICU-30201的測量狀態(tài)機（MSM）是超聲波收發(fā)器測量過程的核心。MSM在被MCU觸發(fā)后，從存儲器中獲取專門的指令并執(zhí)行，從而使收發(fā)器執(zhí)行特定的操作。指令包括命令、中斷配置、特定命令配置和長度等信息。支持的命令包括發(fā)射、接收、計數(shù)和文件結束（EOF）。多個指令組成一個測量隊列，該隊列定義了收發(fā)器要進行的測量。通常，倒數(shù)第二個指令是設置了DONE_IEN位的接收指令，最后一個指令是EOF。MCU在測量結束后喚醒，處理I/Q數(shù)據(jù)或?qū)⑵滢D(zhuǎn)發(fā)給主機進行處理。

（四）I/Q基帶數(shù)據(jù)

接收到的信號經(jīng)過放大、數(shù)字化處理后，通過數(shù)字載波信號的正弦和余弦分量下變頻到基帶（直流）。與余弦解調(diào)器同相的信號分量稱為同相（I），與正弦解調(diào)器同相的信號分量稱為正交（Q）。I和Q信號經(jīng)過數(shù)字梳狀濾波器濾波和下采樣后，以較低的采樣率輸出。I/Q基帶數(shù)據(jù)包含信號的幅度（通過 $sqrt{I^{2}+Q^{2}}$ 計算）和相位（atan2(Q, I)）信息，這些信息可用于重構超聲波信號。許多算法通過計算幅度并檢測幅度數(shù)據(jù)中的上升沿來檢測回波或其他收發(fā)器的脈沖。在某些應用中，相位數(shù)據(jù)可能提供額外的信息，如細化距離估計。

（五）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，將其乘以聲速并除以2（考慮往返行程），即可得到目標的距離。聲速在空氣中約為343m/s，雖然聲速不是恒定值，但在一定范圍內(nèi)（0.2%/°C）變化穩(wěn)定，能夠提供誤差在百分之幾以內(nèi)的測量精度。測距算法通常在I/Q數(shù)據(jù)的幅度（包絡）中尋找上升沿，由于數(shù)據(jù)在大多數(shù)采樣率下都比較平滑，因此通常使用插值來細化ToF估計。通用收發(fā)器（GPT）固件輸出一個無符號16位整數(shù)來表示ToF，對于ODR = 4和fop = 53kHz，ToF的時間分辨率為 $frac{1}{8 cdot 2^{ODR} f_{op}}$ ，即147ns。

（六）低功耗系統(tǒng)設計

ICU-30201具有多種低功耗特性。片上低功耗實時時鐘（RTC）設置采樣率并為飛行時間測量提供參考。在正常運行期間，主機處理器無需向ICU-30201提供任何刺激，因此主機處理器可以進入最低功耗模式，直到ICU-30201產(chǎn)生喚醒中斷。此外，還有兩個通用輸入/輸出（INT1和INT2）引腳可作為系統(tǒng)喚醒源，可配置為在檢測到目標時喚醒主機。

（七）時鐘校準

ICU-30201有3個內(nèi)部時鐘，分別是LFCLK、MUTCLK和CPUCLK。LFCLK標稱頻率為30kHz，可以使用脈沖定時器外設進行測量，也可以通過LFCLK引腳輸入一個32.768kHz（或其他已知頻率）的低頻時鐘。一旦確定了LFCLK頻率，就可以使用頻率定時器外設測量MUTCLK和CPUCLK的頻率。CPUCLK標稱頻率為40MHz，可以進行調(diào)整以提高不同ICU-30201之間算法運行時間的一致性。MUTCLK通過數(shù)字控制為工作（發(fā)射和接收）頻率fop的16倍，通常為800kHz。SonicLib C驅(qū)動程序提供了測量LFCLK、CPUCLK和MUTCLK頻率的方法，以確保準確的飛行時間測量。

（八）設備配置

在初始上電時，必須通過SPI接口使用SonicLib C驅(qū)動程序?qū)CU-30201的程序文件加載到片上存儲器中。GPT固件使ICU-30201能夠?qū)崿F(xiàn)自主測距操作，同時也支持硬件觸發(fā)，適用于需要多個收發(fā)器的應用。用戶還可以使用ICU-30201 EVK根據(jù)自己的應用需求定制芯片配置。

四、應用場景與操作模式

（一）典型操作特性

在特定的工作條件下（AVDD = VDD = VDDIO = 1.8VDC，GND = 0V，TA = +25°C），ICU-30201呈現(xiàn)出特定的波束模式。通過測量可以得到其典型的波束圖，這對于了解傳感器在實際應用中的性能和覆蓋范圍非常重要。

（二）SonicLib驅(qū)動程序

TDK為ICU-30201提供了一個與編譯器和微控制器無關的C驅(qū)動程序，大大簡化了傳感器的集成過程。該驅(qū)動程序可以實現(xiàn)對連接到主機處理器一個或多個SPI端口上的一個或多個ICU-30201的高級控制，用戶可以通過C函數(shù)調(diào)用對ICU-30201進行編程、配置、觸發(fā)和數(shù)據(jù)讀取，而無需直接與ICU-30201的SPI寄存器進行交互。用戶只需要實現(xiàn)一個與主機處理器的SPI硬件和GPIO硬件進行通信的I/O層即可。TDK強烈建議所有設計都使用該驅(qū)動程序。

（三）目標檢測

通過軟件設置傳感器的滿量程范圍（FSR）和使用聲學外殼調(diào)整傳感器的視場角，可以優(yōu)化對物體或人員的檢測效果。FSR設置實際上控制了傳感器在測量周期中處于監(jiān)聽（接收）階段的時間，因此會影響測量完成所需的時間。較大的目標（如墻壁）比較小的目標更容易被檢測到，因此較小目標的有效檢測范圍會相對較短。一般來說，在考慮各種因素的情況下，ICU-30201傳感器可以檢測到距離其6 - 7m遠的人員。

（四）設備操作模式

1. 自由運行模式：在自由運行測量模式下，ICU-30201根據(jù)內(nèi)部LFCLK或外部LFCLK引腳提供的時鐘，以用戶指定的測量速率自主運行。在這種模式下，INT1或INT2引腳配置為輸出。當有新的測距樣本可用時，ICU-30201將INT引腳拉低，此時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，當使用內(nèi)部LFCLK處于自由運行模式時，同一范圍內(nèi)不應有其他ICU-30201設備，否則可能會發(fā)生干擾，因為每個設備的測量速率可能會略有不同。
2. 硬件觸發(fā)模式：在硬件觸發(fā)模式下，使用INT1/2引腳之一觸發(fā)測量的開始。ICU-30201在被觸發(fā)之前處于空閑狀態(tài)，當INT引腳被拉低時，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-30201收發(fā)器非常有用，主機控制器可以使用多個收發(fā)器的各個INT引腳來協(xié)調(diào)精確的測量時間。一個INT1/2引腳可以雙向使用，也可以將收發(fā)器配置為在一個INT引腳接受觸發(fā)信號，在另一個INT引腳指示數(shù)據(jù)準備好。
3. 軟件觸發(fā)模式：在軟件觸發(fā)模式下，主機處理器通過SPI向收發(fā)器寫入數(shù)據(jù)來觸發(fā)測量的開始。當測量完成時，ICU-30201將INT1或INT2引腳拉低。通過同時選擇并寫入多個ICU-30201，也可以使用這種方法同步測量的開始，但為了獲得最佳性能，建議使用硬件觸發(fā)模式。

（五）多設備共存

當多個ICU-30201設備彼此距離小于20m且具有相似的fop時，它們可能會接收到彼此發(fā)射的聲波。如果每個ICU-30201加載了忽略靜止目標的算法（如靜態(tài)目標拒絕模式或存在固件），并且以精確的測量速率（如10Hz）觸發(fā)，則多個ICU-30201可以在同一空間中共存而不會將其他設備檢測為目標。為了確保良好的共存性能，建議使用由晶體時鐘驅(qū)動的硬件觸發(fā)模式，或者使用向LFCLK引腳輸入晶體時鐘并適當配置的自由運行模式。

（六）PCB回流建議

關于PCB回流焊接的具體建議，請參考應用筆記AN - 000159 CH101和CH201《超聲波收發(fā)器處理和組裝指南》。

（七）3線SPI模式

ICU-30201支持3線SPI模式，其中MOSI和MISO使用同一數(shù)據(jù)線。與ICU-30201的通信始終是單雙工的，即MISO或MOSI之一傳輸數(shù)據(jù)。當MISO不活躍時，其輸出驅(qū)動器被禁用并保持高阻態(tài)。因此，要在3線SPI模式下使用ICU-30201，無需特殊配置，只需在ICU-30201封裝附近將MISO和MOSI短接，并將主機配置為使用單共享數(shù)據(jù)線的3線SPI模式即可。

（八）典型操作電路

文檔提供了單收發(fā)器操作和多收發(fā)器操作的典型電路圖。在單收發(fā)器操作中，虛線連接為可選連接；對于3線SPI操作，只需在ICU-30201附近將MOSI和MISO短接。在多收發(fā)器操作中，通過為每個額外的收發(fā)器添加CS_B和INT1引腳，并共享公共的MOSI/MISO/SCLK連接來添加更多的收發(fā)器；同樣，對于3線SPI操作，只需在ICU-30201附近將MOSI和MISO短接。

（九）推薦的PCBA布局

為了確保ICU-30201的性能，PCB布局應遵循以下建議：

1. PCB設計應盡可能對稱。
2. 由于收發(fā)器功耗非常低，不需要大的VDD和GND走線。
3. 不要在收發(fā)器封裝內(nèi)的頂層金屬層上放置過孔或走線。
4. PCB厚度應為0.60 +/- 0.08mm，以確保良好的聲學性能。
5. PCB焊盤和連接走線應對稱。
6. PCB焊盤的高度和寬度應與收發(fā)器焊盤的高度和寬度相等。
7. 阻焊層開口應比PCB焊盤的高度和寬度大0.1mm。
8. 鉆孔應滿足+/-0.08mm（3mil）的公差要求。
9. 收發(fā)器在PCB上的放置應避免靠近熱點（如微處理器）和機械應力點（如按鈕和螺絲）。

（十）推薦的焊接曲線

文檔給出了推薦的焊接曲線設置，包括不同階段的溫度和傳送帶速度。同時，還規(guī)定了焊膏（SAC305）的相關參數(shù)，如最大上升斜率、浸泡時間、回流時間和峰值溫度等的范圍。

五、封裝與訂購信息

（一）封裝信息