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PGA460常见问题解答(FAQ)和 EVM 故障排除指南
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最后更新日期：2017年3月8日
版本：1.0.0
作者：A. Whitehead
本文档旨在解答用户在评估 PGA460或 PGA460-Q1 EVM 和 GUI 时遇到的最常见问题(FAQ)。 提供了硬件故障排除和软件调试的分步过程。 还讨论了有关提高性能的建议以及防止器件故障、GUI 错误或不当测量技术的最佳做法。
概述
本文档根据入门、硬件安装和设置、软件安装和设置、硬件修改、运行软件、运行硬件和环境因素将常见问题分为多个类别。 如果您的问题未在本文档中列出、请将您的问题发布到 e2e.ti.com 上的超声波感应论坛。 本文档将定期维护和更新。
2. 入门和评估流程
2.1. 我从哪里开始？
要开始评估 PGA460、请购买 PGA460-Q1 EVM、其中包含评估等效于主控制器的满量程超声波模块所需的所有硬件。 硬件准备好后、下载并查看 PGA460-Q1 EVM 快速入门指南。 快速入门指南提供了设置 EVM 硬件和安装 PGA460-Q1 EVM GUI 的分步过程。 除了支持文档外、PGA460 EVM 和 GUI 视频系列六部分 还演示了如何设置、安装和运行评估工具。 引入了基本器件设置、以便在开箱后几分钟内开始捕获回波。 有关 EVM 硬件和 GUI 的详细说明，请参阅 《PGA460-Q1超声波信号调节器 EVM 及传感器用户指南》。
2.2. 在设置 EVM 并验证 GUI 工作后、如何调整解决方案？
要调优超声波传感器解决方案、用户必须了解超声波组件的功能和限制。 PGA460-Q1超声波模块硬件和软件优化 应用手册介绍了有关如何根据目标物体和环境工作条件确定应使用哪种传感器、驱动器和功率组合的详细说明。 在整个评估和组件选择过程中、请参阅 PGA460-Q1常见问题解答(FAQ)和 EVM 故障排除指南 应用手册、以了解高级故障排除和调试。
2.3. 在 EVM 上调整解决方案后，如何从 GUI 移植设置并配置自定义解决方案？
移植解决方案的第一步是使用 GUI 捕获优化的寄存器映射。 GUI 能够保存所有用户 EEPROM 设置以及存储在易失性存储器中的阈值时间和级别。 要使用 GUI 保存寄存器映射、请导航至"Memory Map"选项卡。 在单击 Save Grid (保存网格)图标之前、请确保单击 Read All (读取全部)图标以使用最新的设备设置更新存储器映射页面。 单击"保存网格"图标时、系统将提示用户将带时间戳的寄存器映射网格保存为.txt 文件。 此.txt 文件可用作参考、也可使用 GUI 加载到其他 PGA460器件。
由于 EVM 不是超声波模块的最佳尺寸、 PGA460Q1SFF 参考设计(即将发布)作为 PGA460解决方案的小外形尺寸(SFF)示例提供、并提供三种型号。 此三合一参考设计包含变压器驱动双绞线闭顶式传感器、半桥驱动表面贴装开顶式传感器和全桥驱动径向引线双静态对。 根据 EVM 上优化的传感器和驱动器模式、选择合适的参考设计型号作为定制硬件的起点。
SFF 参考设计将 UART 的 TXD 和 RXD 引脚以及 IO 引脚路由到每个型号上的五引脚连接器。 通常、只有两个 UART 引脚或单个 IO 引脚会路由到模块连接器进行通信。 始终需要电源和接地、因此每个模块的引脚数最少为三个。
图1. PGA460Q1SFF 渲染
有关使用 SFF 型号时典型用例结果的比较、请参阅 PGA460配置和测试结果 应用手册(待发布)。 本应用手册包括 SFF 型号可为各种类型的目标实现的最小和最大范围性能。 每个配置的寄存器映射设置将作为测试的起点和参考。
GUI 主要使用 UART 评估 PGA460。 但是、TCI 和单线 UART 也可用于对 PGA460进行全面编程和评估。 GUI 使用 TI 的 USB2ANY 专有代码从 PC 到 PGA460器件进行通信。 GUI 源代码不可供公众使用。 相反 、应将 PGA460 Energia 库和代码示例以及 PGA460-Q1软件开发指南用作主控制器实现和编程指南的示例。 使用任何 TI LaunchPad 开发套件(包括 PGA460-Q1 EVM 的 MSP-EXP430F5529LP 基础)时、该示例在 Energia IDE 上运行。 因此、PGA460-Q1 EVM 可用于运行 GUI 或 Energia 草图。 修改 Energia sketch 以满足最终解决方案的系统要求。
2.4. 如何为大规模生产编程和系统集成做好准备？
如果系统要求在系统中安装超声波模块之前烧录 PGA460器件的用户 EEPROM 设置，则必须设计定制的批量生产工具来对 EEPROM 模块进行编程。 PGA460-Q1 EVM 中的 MSP-EXP430F5529LP 可用作大规模生产工具的基础、仅需要用户为定制的 PGA460模块外形构建大规模生产 BoosterPack。 可以修改 PGA460 Energia sketch、以便大规模生产工具根据分配给每个模块的 PGA460地址、同时或顺序对多个模块执行批量 EEPROM 写入和刻录。 例如、如果所有模块的星型拓扑系统都具有相同的 UART 地址(主器件中每个模块都具有独立的 UART 通道)、则可以同时对所有模块进行编程。 如果每个模块需要一个不同的总线拓扑系统 UART 地址(每个模块共用一个 UART 通道)、那么这些模块必须被顺序写入。 PGA460 UART 地址在出厂默认设置下为‘0’。
如果系统中的主控制器能够执行批量 EEPROM 写入和烧录命令、则无需使用大规模生产工具、系统中可以安装空白模块。 仅建议将此方法用于星形拓扑、因为 PGA460无法执行菊花链或自动从节点位置检测(SNPD)。 如果需要总线拓扑、则必须在系统中一次对模块进行预编程、安装和编程、或者使用外部开关和主控制信号的支持来实现 SNPD。 有关 PGA460总线 SNPD ON 的实现示例、请参阅第4.14节。
3. 硬件安装和设置
3.1. 如何将分流器放在“Alt 供电模式”跳线块上？
运行 EVM 不需要分流器。 当 PGA460-Q1 EVM 安装在“LP-USB”模式时，建议使用分流器对其进行快速开箱即用评估，并且仅使用计算机或笔记本电脑为 EVM 供电并与之通信。 但是、为 PGA460供电的升压电路将限制变压器驱动模式的远距离性能。 为了实现更可靠的评估形式，请完全卸下分流器(或将分流器保存在跳线块的引脚2-4上)，并使用桶形连接器上的外部电源或三引脚连接器插座为 BOOSTXL-PGA460供电。 “X-EXT”模式不应用于初始评估。 有关 不同功率模式和分流位置的详细信息、请参阅《带传感器的 PGA460-Q1超声波信号调节器 EVM 用户指南》。
3.2. 为什么我的 EVM 消耗的电流为70mA 或高于13mA 的平均静态电流？
如果 EVM 的电流消耗为70mA，则说明您已将 Alt 电源模式跳线块上的“X-EXT”(专用于外部)短路，已连接外部电源，并已使用 USB 将 MSP-EXP430F5529LP 连接到 PC。 在 X-EXT 模式下、USB 无法连接、如果在 X-EXT 模式下正常运行、通常消耗35mA 电流。 如果 USB 已连接、则 USB 端口和板载降压电路均尝试同时为 MSP-EXP430F5529LP 和 BOOSTXL-PGA460供电。 仅当处于标准(无分流器)或“LP-USB”电源模式时，才应连接 USB。 处于非活动或仅监听模式时、BOOSTXL-PGA460主板的电流消耗不应超过13mA。 确保没有其他 BoosterPack 或负载连接到外部电源。 在突发序列期间、预计瞬态电流高达500mA。
3.3. 我可以将任何 LaunchPad 与 BOOSTXL-PGA460配合使用吗？
40引脚 BOOSTXL-PGA460主板与大多数 LaunchPad 开发套件兼容、包括20引脚型号。 通过 UART、TCI 和单线 UART 模式进行通信所需的引脚以及用于设置通信开关状态的 GPIO 控制均可通过20引脚、40引脚和80引脚标准进行访问。 同步模式仅对某些40引脚和80引脚选项启用。 PGA460-Q1 EVM GUI 固件只会加载到 MSP-EXP430F5529LP 上。
图2. BOOSTXL-PGA460 BoosterPack 引脚分配
3.4. 闭顶双绞线换能器从子卡挂起、并且容易向下点。 您建议如何安装带支架或支架的换能器？
最初、请使用 BOOSTXL-PGA460发运箱中的包装海绵作为双绞线传感器的安装材料。 切割一个5厘米 x 5厘米的方形海绵、并用钢笔大小的孔刺穿中心。 将换能器放在海绵孔中。 软海绵状材料是理想的选择、因为它不会加载或抑制传感器外壳的振动机制。 传感器不应使用金属虎钳或夹子固定，将其固定在桌面上，也不应由用户的手指固定，因为这样会降低性能。 与换能器外壳接触的材料越少、性能就越好。 固定双绞线、与换能器后部轻微接触、是固定外壳的替代方法。 对于模块尺寸的解决方案、通常使用橡胶垫圈来固定模块并将其密封到位、并将电路与外向换能器隔离。
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已安装海绵 |
电缆夹住 |
模块 |
图3. 传感器安装选项
3.5. 换能器的针脚极性是否重要？
一些换能器具有引脚极性标记、而另一些则是可逆的(非极性)。 通常、由于导电外壳连接到负极端子、闭顶式传感器具有极性。 当传感器外壳是 ESD 源的放电点时、将负端子接地对于 ESD 的稳健性至关重要。 正极端子处的超声波回波优于负极端子处的回波、因为外壳更有可能拾取环境噪声。 大多数开顶式换能器由于其塑料、非导电或浮动壳体而是非极性的、但某些传感器(例如 Murata MA40H1S-R)确实具有与负极端子共享的导电壳体。 务必阅读传感器数据表，以确定是否必须考虑极性。
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Murata MA58MF14-7N |
Murata MA40H1SR |
图4. 传感器引脚极性示例
3.6. 换能器的面部方向是否重要？
某些换能器在不同的轴上具有不同的覆盖度。 例如、Murata MA58MF14-7N 在水平轴上具有宽视野(FOV)、而在垂直轴上具有窄视野。 同时、Murata MA40H1S-R 在 x 轴、y 轴和 z 轴上具有相同的全向 FOV。 要确定面部方向、通常会提供机械或视觉标记。 Murata MA58MF14-7N 的方向应确保白色环氧开槽背板和后开孔器垂直。
图5. 水平和垂直轴中的 MA58MF14-7N 波束模式
4. 软件安装和设置
4.1. 在安装过程中、没有提示我安装快速入门视频中提到的 MSP430和 Code Composer Studio (CSS)驱动程序。 这些驱动程序文件是否重要？
为了实现 GUI 兼容性，需要使用驱动程序文件将“boostxlpga460-firmware.bat”批处理文件加载到 MSP-EXP430F5529LP 中。 这些驱动程序包括“USB_CDC”、“USB_FET_Win7_8_10_64”和“USB_eZ-RF”，并且只能安装在64位版本的 Windows 7或更高版本上。 在阅读本答案的其余部分之前、请尝试使用 PGA460-Q1 EVM GUI 加载批处理文件。 如果您能够成功加载批处理文件、则驱动程序是在没有提示的情况下安装的、或者 PC 之前安装了相同的驱动程序文件。 如果在安装 PGA460-Q1 EVM GUI 之前已在 PC 上安装了 Code Composer Studio、则可能已经安装了所需的驱动程序文件。
要手动安装必要的驱动程序，请导航至“DocumentsàBOOSTXL -PGA460”或“My DocumentsàBOOSTXL -PGA460”的安装创建目录，然后运行“one_time_setup.bat”。 如果您的 PC 上没有此文件、则 GUI 和关联的文件未正确安装。 如果您没有此文件、请将 GUI 重新安装到您的计算机上。 确保 one_time_batch.bat 文件的位置与“dpinst_64_eng.exe”、“CCS_base”文件夹和“user_files”文件夹的位置和运行方式相同。 要独立安装驱动程序，请访问 https://dev.ti.com/uniflash，如果您还没有 TI 帐户，请创建一个 TI 帐户。 使用 MSP430F5229 LaunchPad 以第一个可用连接名称(即 TI MSP430 USB1)创建新会话。
导航到 Standalone Command Line (独立命令行)选项卡、确保选择了64位操作系统选项、然后单击 Generate package (生成软件包)。 按照 one_time_setup.bat 可执行文件中的说明进行操作。
如果您需要32位版本的驱动程序安装程序、请执行相同的步骤。 有关32位版本的“boostxlpga460-firmware.bat”文件，请通过 E2E 论坛联系 TI 支持。 成功安装驱动程序可能需要管理权限。
4.2. 无法安装“bootstxlpga460-firmware.bat”批处理文件。
图6. 批编程失败提示
如果批处理文件无法安装，请确保 MSP430和 Code Composer Studio (CCS)驱动程序文件在 PGA460-Q1 EVM GUI 安装向导期间或通过“one_time_setup.bat”文件手动安装时成功安装。 有关驱动程序文件安装的其他详细信息，请参阅问题4.1。 必须从包含在 PGA460-Q1 EVM GUI 向导期间安装的“CCS_BASE”和“USER_FILES”的同一目录加载“boostxlpga460-firmware.bat”。 所有上述文件和文件夹都将存储在“DocumentsàBOOSTXL -PGA460”或“My DocumentsàBOOSTXL -PGA460”的安装创建文件夹中。
在初始设置期间、该批处理文件只能在 MSP-EXP430F5529LP 上编程一次。 除非将 LaunchPad 改用于或编程用于 PGA460-Q1 EVM GUI 评估以外的用途、否则用户无需重复批处理文件上传。
4.3. 我无法打开 GUI。 Windows 对话框随即打开，显示“PGA460Q1EVM GUI has stopped working”(PGA460Q1EVM GUI 已停止工作)。
图7. PGA460Q1EVM GUI 打开错误
此问题通常是在安装目录之外运行 GUI 可执行文件的结果。 “PGA460Q1EVM-x.x.x.x.exe”必须从包含“USB2ANY.dll”和“Microsoft.VisualBasic.powerpacks.vs. dll”的同一文件夹中运行。 使用 PGA460-Q1 EVM GUI 安装向导时、这些 DLL 文件的安装路径与可执行文件相同。 GUI 依赖这两个 DLL 文件进行初始化并正常工作。
硬件修改
4.4. 如何在变压器驱动电路上使用不同的换能器？
要在变压器驱动电路上使用不同的换能器、请从 J12插座中取出 Murata MA58MF14-7N。 TI 还建议对 C15处的1500pF 调谐电容器和 R38处的2.7kΩ Ω 阻尼电阻器进行去焊、以使传感器能够自由谐振、而不会意外地发生衰减。 新换能器可以组装在 J12上，也可以组装在变压器驱动的子卡一半上的替代换能器插座的正负标记端子上。 如果新换能器需要调谐电容器和阻尼电阻器、 请参阅 PGA460-Q1超声波模块硬件和软件优化应用手册以获取指导。
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图8. 变压器驱动换能器替代
4.5. 如何在直接驱动电路上使用不同的换能器？
要在直接驱动电路上使用不同的换能器、请从 U7焊盘上卸下 Murata MA40H1S-R。 TI 还建议去除了2.0kΩ Ω 的阻尼电阻器、以使传感器能够自由谐振。 新换能器可以组装在 J9上，也可以组装在子卡直接驱动的一半上的替代换能器插座的正负标记端子上。 如果新换能器需要阻尼电阻器、 请参阅 PGA460-Q1超声波模块硬件和软件优化应用手册以获取指导。 直接驱动的传感器不需要调谐电容器。
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图9. 直接驱动换能器替代
4.6. 我能否在直接驱动电路上驱动闭顶式传感器？
是的、可将闭顶式传感器与直接驱动电路配对使用。 但是、直接驱动电路将无法以最大传输能力有效驱动大多数闭顶式传感器。 由于 PGA460的 OUTA 和 OUTB 引脚的额定绝对最大值为30V，因此在全桥模式下直接驱动电路的电压限制为60Vpp。 驱动器强度的总体损耗可实现更短的可检测范围。
4.7. 我能否驱动变压器驱动电路上的开顶换能器？
不建议将变压器驱动电路用于开顶式传感器、除非传感器的基准电压或中心抽头电压提供的电压非常小。 大多数中心抽头变压器的平均匝数比为1：1：10。 例如、要驱动额定电压为20Vpp 的开顶式传感器、中心抽头电压基准必须为1V。 理论上、为中心抽头提供6V 的最小 PGA460电源电压将产生120Vpp 的换能器驱动电压、这超出了大多数开顶式换能器的典型额定值。 驱动任何超过指定限值的换能器都会损坏换能器的压电膜。
4.8. 如何使子卡使用双静态传感器对(单独的发送器和接收器)？
对于变压器驱动模式、请在 R36上拆分0Ω Ω 电阻器。 这会断开通常与发送器正极端子共享的返回路径。 将仅接收传感器连接到 J14插座。
对于直接驱动模式、请对 R32上的0Ω Ω 电阻器进行去除水。 这会断开通常与发送器正极端子共享的返回路径。 将仅接收传感器连接到 J11插座。
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变压器模式 |
直接模式 |
图10. 在子卡上启用双静态模式
4.9. 如何使子卡在双静态模式下使用全桥直接驱动器？
全桥仅可用于双静态模式、并可通过进行以下硬件更改来启用：
- 拆分 R32上的0Ω Ω 电阻器。 这会断开通常与发送器正极端子共享的返回路径。 将仅接收传感器连接到 J11插座。
- 拆焊 R35上的0Ω Ω 电阻器、并使用相同的0Ω Ω 电阻器组装电阻器 R34。
- 在 R30上组装1kΩ Ω 电阻器。
图11. 全桥双静态模式修改
4.10.如何使子卡在单静态模式下使用全桥直接驱动器？
由于 PGA460的驱动架构、全桥直接驱动模式仅支持双静态模式。 单静态可由变压器驱动或半桥驱动。 如果需要全桥单静态模式、请通过 E2E 论坛联系 TI 支持、并提及此常见问题解答。
4.11.我的电源电压是否与驱动器的电压基准不同？
是的、与通过 OUTA 和 OUTB 引脚的灌电压相比、PGA460的供电电压可以更小或更大。 例如，PGA460的 VPWR 引脚的电压最低为6V，而变压器的中心抽头或直接驱动器的高侧基准电压为30V。 相反，PGA460的 VPWR 引脚最高可提供28V 电压，而变压器的中心抽头或直接驱动器的高侧基准电压为6V (甚至更低)。 请注意、VPWR 过压阈值可设置为最大值28.3V；因此、PGA460 VPWR 引脚无法通过 OUTA 和 OUTB 引脚提供30V 电压。
4.12换能器“喇叭”对光束模式有什么影响？ 如何将超声波能量聚焦到更具前瞻性的方向？
喇叭是换能器的机械附加装置、可人工增加换能器的深度和直径。 通过增加换能器的深度和直径、射束角被限制在更窄、更直接和面向前方的方向。 通过增大光束的方向性、还可以在正向方向传输更多声压级、从而提高传感器的可检测范围。 建议使用喇叭、以最大限度地减小侧凸缘和盲点的范围、同时增强前向性能。 为此、任何换能器都可以安装喇叭。 喇叭只能用于聚焦、不能用于扩大光束角度。
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图12. 喇叭至聚焦视野
4.13.能否使用内部 PGA460稳压器的 IOREG 或 AVDD 电源轨为其他组件或微控制器供电？
AVDD 和 IOREG 稳压器不支持任何外部负载。 AVDD 对负载变化非常敏感、因为它用作精密电压基准、电流偏置和内部时钟。 IOREG 不太敏感、但仍用于为 USART、DECPL 和 TEST 引脚生成电源电压以实现数字功能。 使用内部稳压器提供低功耗将取决于用户的判断力和测试。
4.14. PGA460是否支持菊花链？ 主控制器能否自动区分 PGA460 UART 地址并对其进行编程？
PGA460不支持菊花链自动寻址和自动从节点位置检测(SNPD)。 外部硬件或开关必须与外部主控制器结合使用、以便自动为连接到同一总线的多个 PGA460器件分配地址。 提供的示例可互换 IO 和 TX 引脚。 切换 IO 时、请务必选择额定电压为 VPWR (高达30V)的双向开关。 TX 引脚是一个单向引脚、额定电压为3.3V (默认值)或5.0V。
图13. 主控自动寻址示例
4.15.如何使用单端变压器而不是中心抽头变压器？
要使用单端变压器替代中心抽头变压器、只需使用 OUTA 或 OUTB 引脚。 初级绕组的连接方式为：一端连接到恒定电源轨(如 VPWR)、另一端连接到 OUTA 或 OUTB。 如果使用 OUTA、则 OUTB 将悬空、反之亦然。
单端变压器能够在半个周期内驱动换能器，而换能器的谐振则以相反的方向驱动剩余的半个周期。 因此、与中心抽头变压器相比、单端变压器在产生最大声压级方面的效率略低。 中心抽头变压器可在单端模式下用于更改(减小)匝数比。
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中心抽头 |
单端 |
图14. 变压器连接
5. 运行软件
5.1. 如果物体的距离超过11m、如何检测它？
要检测距离超过11m 的物体、用户必须在初始突发和监听(BAL)命令到期后立即发出 n 个仅监听(LO)命令。
例如、如果目标位于15m 处、则可以使用预设1 (P1)将 BAL 命令设置为最大记录长度65ms (或11.2m 至目标)。 由于 BAL 记录长度到期后必须考虑3.8m 的差异、因此预设2 (P2)必须设置25ms 的最小记录长度(或4.214m 至目标)。 设置预设的适当时间后、主器件会发出 P1 BAL 命令、等待65ms 到期、然后立即发出 P2 LO 命令。 提取超声波测量结果后、必须在距离结果中添加11.2m 的额外电流、以正确捕获15m 物体检测记录。 根据使用的波特率或通信模式、P1 BAL 和 P2 LO 命令之间的后续通信延迟可以忽略不计。 考虑到距离计算中的任何主控制延迟。
要检测22.4m 以外的物体、首先发出 P1 BAL 命令、然后发出 P2 LO 命令和另一个 P2 LO 命令、其中 P2设置的记录长度为11.2m。 除非目标是一个大型、平坦的反射表面、否则难以采集10m 以上的超声波测量值。 因此、对于 BAL 或 LO 单个命令、PGA460的典型最大限制设置为11.2m。
5.2. 如何检测八个以上的物体？ 我是否可以设置阈值、以便在突发突发后的给定时间内忽略振铃衰减纹波或物体？ 如何使用阈值偏移？
当阈值级别设置为255时、可以将阈值映射设置为在记录窗口的任意点忽略超声波活动。 用户可能需要考虑在初始突发和衰减期间将阈值设置为255。 即使在突发窗口期间或强返回峰值等返回数据饱和时、阈值比较器也不会在最大化阈值时触发。
对于阈值水平1-8、只有当阈值水平最大化到248、且阈值偏移设置为最大正值+7时、才能达到255。 此偏移适用于所有1-8级。 对于9-12级、偏移不适用、这些级可被独立设定为255。
图15. 最大限度地提高阈值水平以忽略超声波活动
5.3. 我能否自动设置阈值图？
PGA460不实现自动阈值映射、但主控制器可以实现一个函数、根据无物体突发和监听(NOBAL)配置文件的平均回波数据转储来设置阈值。 应运行并记录 NOBAL 命令的多次迭代(如100)、以收集可靠的本底噪声运行平均值。 然后映射阈值、使所有12个阈值点的时序间隔、以刚好适合相应预设的记录时间长度或超过该时间长度。 这些级别将根据相关级别和后续级别之间的分段的最坏情况值进行设置。 应将8个或更多十进制空格的额外裕量作为缓冲器添加到阈值级别。
图16. 100个 NOBAL 循环后的自动映射阈值
5.4. 能否自动设置时变增益？
PGA460不会实现自动时变增益配置、但主控制器可以实现一个功能、将时变增益曲线作为自动增益控制器进行斜升。 例如，在短距离和远距离数字增益乘法器设置为‘x1’的情况下，可以针对多个迭代(如100)运行无对象只听(nolo)命令，以收集当前设置的固定增益值的平均本底噪声值。 增益可以斜升、这样所有6个 TVG 点的时序都有足够的空间来精确地在各自预设的录制时间长度内或更长的时间长度内进行修复。 由于时变增益在预设1和预设2之间共享、因此可能需要为预设配置最长记录时间的增益、或配置为在每个预设之间动态切换。 这些电平可用于在每个电平之间以5%的速率斜升本底噪声。 例如、初始增益可以将本底噪声设置为255最大值的5%、第一级设置为10%、第二级设置为15%等 最后一个级别(第五个)将设置为255最大值的30%(或77)。 为了利用 PGA460提供的所有增益控制、需要对各种数字增益乘法器重复扫描。
图17. 在100 nolo 环路后 TVG 自动线性拟合
5.5. 能否使用 PGA460-Q1 EVM 的同一 UART 总线评估多个 PGA460器件？
是的，可以将 GUI 设置为与任何 PGA460 UART 地址通信，默认 UART 地址为‘7’中的‘0’。 要与非0 UART 地址通信、请导航至接口模式页面、然后从命令选择框的下拉菜单中选择 UART 接口地址。 要将 UART 地址编程到所选地址、请单击下拉列表下方的 Program to Selected Addr 按钮。 这不会将地址刻录到 EEPROM 存储器中、并且只会写入以更新包含 UART 地址的影子寄存器。 要将新地址刻录到 EEPROM、请导航至测试模式页面、然后单击编程 EEPROM 按钮。 这将确保配置的 PGA460的 UART 地址是新编程的值。
图18. UART 接口地址下拉菜单
如果外部 PGA460连接到 BOOSTXL-PGA460 BoosterPack UART 终端，则可以通过导航至 Window 菜单的 Edit 选项卡并单击 Disable BOOSTXL-PGA460 Communication 选项来禁用与 BOOSTXL-PGA460上安装的 PGA460的通信。 这允许通信命令仍然从 MSP-EXP430F5529LP 发送、但会阻止主器件发出的命令到达板载 PGA460。 这可确保仅联系外部 PGA460器件、以防止数据冲突、前提是板载和外部 PGA460器件共享相同的 UART 地址。
图19. 禁止与 BOOSTXL-PGA460主板上的 PGA460进行通信
5.6. 超声波测量结果数据是随机的、非常短的、始终是最大值、或永远不会更新。
在超声波测量结果可用于任何用途之前、必须根据回波数据转储曲线映射阈值以进行物体检测。 使用中代码阈值时序和电平选项可绕过手动阈值优化的需要。 中间代码选项将阈值设置为固定的50%检测级别。
图20. 中代码阈值时间和电平
如果阈值已适当设置、并且返回的值始终小于1cm、则阈值最初设置过高、但未最大化。 在低模拟增益下、提供给数据比较器的 DSP 输出用于检测突发和衰减窗口期间阈值交叉最初斜升的情况。 因此、回波数据转储等效值不会立即饱和、因为它在模拟域中表示、因此阈值比较器可能会由最初斜升的 DSP 输出错误触发。 为了防止这种误触发、首先将阈值设置为最大值255、增加阈值抗尖峰脉冲时间或降低阈值、使斜升处于高于阈值电平的初始值。 或者、将初始增益设置为一个较大的值、这样斜升被饱和、并且不会触发阈值。
图21. DSP 输出斜坡触发错误正极
最佳做法是在预期的突发和初始衰减窗口期间将 TVG 和/或 SR 数字增益初始化为大值、并在衰减周期的稍后部分将 TVG 从根本上降低为低值、以实现短距离检测。
图22. TVG 最大值到最小值谷底、可使回波数据转储的初始突发饱和
如果阈值始终为最大值、则阈值在整个系统配置中设置得过高、或者未检测到任何物体。 降低阈值电平以强制触发阈值比较器。 强制触发将确认突发和监听命令是否真正执行。
如果超声波测量结果(UMR)未更新、请确保禁用 EE_CNTRL 寄存器的 DATAMUMP_EN 位(默认)。 如果启用了 DATAMUMP_EN 位、则回波数据转储存储器将被填满、并且由于阈值比较器被禁用、UMR 将不会更新。 只能填充回波数据转储存储器、或者捕获超声波测量结果、但不能同时捕获这两个结果。 当 GUI 显示回波数据转储并捕获超声波测量结果时、会按顺序运行两个独立的突发和监听命令。
5.7. 本底噪声在远距离时显著增加。
如果本底噪声超过回波数据转储最大值255的约30%、则会应用过多的增益。 TI 出厂增益将 TVG 提升至90dB、不建议用于初始开箱即用评估；因此、请使用 GUI 定义的长或短 TVG 预设、或将增益范围移动到下一个较低的水平。 尝试将增益保持在一个值上、以将本底噪声保持在255的80分之一以下、从而启用3：1 SNR 调节和适当的阈值映射。 最佳的 SNR 缩放曲线是当本底噪声最小化为255的1、而回波峰值返回几乎饱和到255的254。
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时间变化过多和/或数字增益几乎使本底噪声饱和 |
时间变化和/或数字增益的理想平衡可将本底噪声保持在80水平以下(最高水平的三分之一) |
图23. 本底噪声饱和
5.8. 能否将器件设置从一个 PGA460复制到另一个 PGA460？
要保存 PGA460器件设置(包括用户 EPPROM 空间和易失性阈值映射)，请导航至 GUI 的“内存映射”页面，然后单击“保存网格”图标。 这会将 PGA460存储器的最新值保存到文本(.txt)文件中，该文件可在使用 GUI 时加载到其他 PGA460器件中。 要确保从设备中提取最新的设备设置、请在保存网格之前单击 Read All (读取全部)图标。
要将网格地图文本文件加载到另一个设备，请单击加载网格图标。 如果更新模式设置为立即、则从文本文件加载后、影子寄存器将自动写入。 要刻录加载的 EEPROM 值、请导航至 Test Mode (测试模式)页面、然后单击 Program EEPROM (编程 EEPROM)按钮。
5.9. 我在回波数据转储中看不到任何回波返回峰值。
如果您没有看到任何回波返回、请检查以下各项：
- 记录时间长度是否足以捕获与目标等效的距离？ 如果物体在5m 处、则至少需要30ms 的记录长度。 要确定所需的最小记录长度，请使用右侧面板 GUI 的实用程序选项卡上的飞行时间转换器。
图24. 实用程序选项卡飞行时间转换器
- PGA460驱动和接收频率是否设置为与传感器相同的谐振频率？ 如果换能器以超出其谐振频率或中心频率的频率驱动、则换能器不会产生任何声压级。 大多数换能器通常允许+/-5kHz 驱动和接收漂移，然后 DSP 的带通滤波器不会检测到可测量的返回并将其滤除。
- 您是否提供足够的电压来激励换能器？ 某些换能器需要至少一半的最大驱动电压才能传输可测量的声压级。 例如、额定最大驱动电压为120Vpp 的传感器可能需要至少60Vpp 才能捕获短距离测量值。 以10Vpp 驱动同一传感器可能不会产生任何可用或可检测的声压级。
- VPWR 过压保护是否由于过压状态标记为高电平而禁用驱动器块？ 如果 VPWR 上提供的电压超过 VPWR 过压保护设置设置设置的值、则发送块将被禁用。 要禁用 VPWR 过压保护功能、请将 VPWR_OV_TH 位最大化至等同于28.3V。 VPWR 引脚的电压不应超过28V。
- 您是否设置了足够大的脉冲计数以生成足够的声压级以进行检测？ 随着脉冲数的增加、声压级会逐渐升高。 单个脉冲将难以检测、而脉冲计数为20的脉冲接近生成峰值饱和声压级所需的最大脉冲数。 此外、尤其是对于闭顶式传感器、电流限制不能太低。 否则、等效的峰峰值驱动器电压可能会降至传感器额定最大驱动电压的50%以下。 请参阅 PGA460-Q1超声波模块硬件和软件优化 应用手册、了解有关设置脉冲计数和电流限制的指导、这两者都会影响驱动强度。
- 您的目标是否足够大和/或足够反射、以便返回足够的超声波能量供传感器捕获？ 有关 各种目标类型的重要详细信息、请参阅 PGA460-Q1超声波模块硬件和软件优化应用手册。
- 您是否应用了足够的增益？ 如果您的增益太低、且本底噪声为0、则您可以承受更多的增益。 设置您的增益、使其将本底噪声降至4到10之间的值。 使用 PGA460-Q1超声波模块硬件和软件优化 应用手册、获取有关调整时变增益和数字增益乘法器的指导。
5.10.如何成功使用高频传感器(180-480kHz)与 GUI 配合使用？
要使用高频传感器、请执行以下步骤：
- 在传输块的常规页面上、选中突发频率范围移位框、选择传感器的高频值、然后选择 DSP 的带通滤波器带宽。
- 在"BPF 系数计算器"块右侧面板的"实用程序"选项卡上、检查移位范围、并选择与传感器相同的高频值。 带通滤波器系数值 A2、A3和 B1将根据传感器频率和带通滤波器带宽自动更新。
- 在存储器映射页面上、将计算出的系数值复制到寄存器地址0x41到0x46中、然后将这些值写入以更新 DSP。
启用高频模式时、DSP 不会自动更新、因此必须手动更新系数寄存器。 手动更新系数后、对频率或带通滤波器带宽寄存器的任何更改都将覆盖系数。 因此、只要对这两个寄存器应用了更改、就必须重写系数。 这些系数存储在易失性存储器中、因此不能将这些系数烧写到器件中、并且必须在初始化时写入这些系数以及阈值和最终解决方案。
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步骤1. 更改并设置频率和 BPF-BW 在"常规"页面上 |
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步骤2. 在 BPF 系数计算器上移位并设置频率 |
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步骤3. 将计算器中的系数写入"Memory Map"页面上的相应寄存器 |
图25. 设置和评估高频传感器的步骤
5.11.如何使用超声波测量结果命令中的返回数据计算距离？
PGA460捕获中断时间、并输出与阈值相交时最多八个返回回波的距离等效值、宽度和峰值振幅。 要求解飞行时间、请使用速度=距离/时间。 由于室温下的声速(速度)通常为343m/s、PGA460输出突发突发后阈值以1us 分辨率相交的往返时间、因此与物体的距离计算为速度和单向时间的乘积。 PGA460用于求解以米为单位的距离的特定公式如下：
要考虑突发时间的初始量、以实现更精确的测量：
有关 温度如何改变声速以及如何微调距离计算的速度变量的详细信息、请参阅 PGA460-Q1超声波模块硬件和软件优化应用手册。 板载温度传感器可用于监控器件的本地环境温度。
5.12.在 GUI 上使用单线制 UART (OWU)模式是否有任何限制？
GUI 当前不支持单线制 UART 接口的评估、但硬件可用于未来 GUI 更新。 GUI 能够将 PGA460器件设置为单线 UART 模式、但 GUI 只能传输数据。 设置了 OWU 模式后、GUI 无法处理返回数据。 必须使用外部微控制器来发送和接收数据。 PGA460器件在 OWU 模式下无法恢复为标准 UART 一次。 必须重置 EVM 才能再次在 UART 模式下使用 GUI。
5.13.我无法使用 Energia sketch 检测物体、或者物体距离始终相同。
Energia sketch 使用固定电平阈值和固定电平时间变化增益。 尝试将阈值和 TVG 设置为不同的从最大值百分比水平的各种组合。 选项包括最大值的25%、50%和75%。 如果未检测到物体、请增大增益范围或增益百分比。 如果物体距离始终相同(通常为相同的短距离值)、则增大阈值或减小增益范围或增益百分比。 可能需要对硬编码用户 EEPROM 值进行微调。 硬编码值可在 pga460_USSC.c 库文件中进行修改。
6. 运行硬件和环境因素
6.1. 似乎存在连续噪声源。
如果您使用的是仅监听命令、并且在回波数据转储中记录了较大的本底噪声、则直接区域中可能存在超声波干扰源。 常见干扰源包括基于超声波的室内占位传感器、用于笔记本电脑或工作台设备的交流电源以及自定义硬件上其他用户组件的谐波噪声(例如电机开关噪声)。 尝试通过屏蔽其视场来隔离传感器、仅在 USB 升压电源模式下(在 Alt 电源模式跳线块上安装了 LP-USB)使用笔记本电脑运行 EVM、和/或进入电子安静的房间或户外。
图26. 在具有40kHz 占位传感器的房间中、根据仅监听命令、Murata MA40H1S-R 本底噪声饱和
6.2. 即使在传感器断开连接的情况下、7.7m 处始终存在误报。 为什么 PGA460会在回波数据转储中检测到这种不真实的伪迹？
如果您使用的是 TI 工厂 EEPROM 设置、则从突发时间开始的45.056ms 或相当于7.7m 的距离后、时间去耦模式将启用。 去耦引脚的切换作用是无意的内部噪声源，耦合到模拟前端的返回路径上。 因此、这种切换会将自身描述为假的正回波。 但是、如果变压器持续易受环境噪声的影响、例如在工业用例中、则去耦功能会很有用。 如果您不打算使用时间去耦功能、请将启用时间最大化至65.546ms。 否则、将阈值映射到去耦合产生的峰值周围、该峰值将是固定的且可重复的。 在启用去耦的同时，您可能能够检测到真正的返回对象，也可能无法检测到，因为这将取决于返回的回波强度。
图27. 45.056ms 时的时间去耦切换噪声
6.3. 电机开关噪声似乎耦合到超声波返回路径上、这会增加本底噪声。 如何减轻电机的这种嘈杂负载效应？
在没有螺旋桨的情况下运行电机实际上可能会导致最坏情况下的性能。 通常建议使用负载(在本例中为螺旋桨)来平衡直流电机的驱动扭矩和磁场、以产生适当的电动势。 理论上无负载会产生无限速度、但实际上会产生不可预测的行为。 要降低电机开关产生的噪声、请考虑以下因素：
- 具有 RINP 的外部滤波器
- 优化与 CINP 电容器串联的 RINP 电阻器。 该电阻器的值可以介于100Ω Ω 至3kΩ Ω 之间。 添加串联电阻可改善 PGA460 AFE 返回路径输入的噪声抑制和滤波，而不会影响峰值返回性能。 这种额外的电阻还将提高大电流注入(BCI)的稳健性。
- 脉冲计数
- 对于远距离测量、将脉冲计数增加到最大允许值、以生成峰值返回值和宽度。 20个脉冲是峰值声压级的典型最大值、或闭顶式传感器的允许脉冲计数。 为了进一步增加回波返回的宽度、对于额定值适当的传感器、将脉冲计数最大化到 PGA460支持的31个脉冲的最大计数。
- 传感器驱动电压
- 最大限度地提高传感器的驱动电压、以生成峰值声压级。
- 调优传感器频率
- 微调传感器的频率，以最大限度地提高发出的声压级。 请参阅 PGA460-Q1超声波模块硬件和软件优化 应用手册、查看有关频率对峰值性能影响程度的示例。
- 四层电路板选项
- 附加的接地层将有助于电路板级的噪声抑制。
- 电机开关频率
- 由于影响最大的因素是电机开关频率、因此将电机频率提高到比传感器标称中心频率至少高8kHz 将防止 PGA460本底噪声饱和。 如果开关频率大于谐振频率，则谐波不会干扰传感器的性能。
- 导电屏蔽
- 在超声波外壳的接地和周围使用导电屏蔽层，使噪声被屏蔽层吸收，而不是耦合到超声波模块的电路板、电缆、变压器或传感器上。
- 替代换能器
- 使用超出电机开关谐波或电机开关谐波范围的换能器。
6.4. 在变压器驱动模式下，次级电压表现为失真的正弦波形。 如何清除激励换能器的驱动器信号？
在传感器上形成正弦驱动器最有影响的变量是外部调谐电容器和阻尼电阻值。 有关 选择这些值的详细信息、请参阅 PGA460-Q1超声波模块硬件和软件优化应用报告。 电流限制还会影响驱动器的清洁度。 如果变压器通过初级绕组饱和、则波形的峰值将出现失真。 降低电流限制、直到峰值不再失真、但仍在峰峰峰值振幅中达到最大值。 虽然干净的驱动器是理想选择、但更大的峰峰值失真正弦波形仍会产生更大的声压级。 确保在变压器驱动模式下启用电流限制。
图28. 传感器驱动器波形平滑度
6.5. 我可以听到超声波传感器发出咔嗒声。 这是正常的吗？
在驱动换能器时可能会听到咔嗒声、尤其是在变压器驱动模式下。 这通常表示传感器以支持的最大功率驱动、但也可能表示传感器过驱动。 只要施加电流限制、就不会超过变压器饱和电流、不会超过传感器驱动电压规格、并且脉冲计数有限、就没有理由担心。 噪声主要是换能器激励机制的伪影。
6.6. 如果没有提供数据表、或者没有阻抗增益相位分析器、如何确定换能器的特性？
传感器的频率诊断功能使 PGA460能够在突发后衰减期间测量传感器的谐振频率。 这可用于查找或优化 PGA460驱动频率、以匹配传感器的谐振频率、从而为远距离应用产生最大的声压级。 扫描频率诊断的窗口长度和开始时间参数，以收集传感器谐振的平均表示。 正确设置这些参数还允许将任何驱动器释放到子侧的调整，通常在释放驱动程序后立即观察到这种调整。 有关 PGA460设置频率对回波峰值振幅的影响程度的详细信息，请参阅 PGA460-Q1超声波模块硬件和软件优化。
6.7. USB-Boost 电路是否限制了我的传感器的整体驱动强度？
USB 升压电路的输入受电流限制、因此在发出最大电流(500mA)限制突发和监听命令后、VPWR 上的欠压状态不会被标记为高电平。 由于这种限制预防措施、当通过 USB 升压电路为 BOOSTXL-PGA460供电时、驱动器强度开始饱和至大约350mA。 如果换能器需要超过350mA 的电流来生成最大声压级、则应使用外部电源为 BOOSTXL-PGA460供电。 USB 升压电路非常适合初始中程评估和演示用途、但不应用作优化和校准终端系统的电源、除非终端系统使用相同或相似的升压电路。
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300mA 电流限制 |
500mA 电流限制 |
图29. USB 升压电路的驱动器强度饱和
6.8. 何时应使用禁用电流限制功能？
仅建议在直接驱动模式或高频(180至480kHz)传感器评估中禁用电流限制。 不要禁用变压器驱动模式的电流限制，因为 PGA460的内部 NMOS FET 的额定电流仅为500mA。 通常与 PGA460搭配使用的变压器能够生成2A 的灌电流、而不受限制。
7. 最佳做法
7.1. 笔记本电脑的交流电源提高了本底噪。
使用 USB 升压电路为 PGA460-Q1 EVM 供电时，笔记本电脑的交流电源适配器可能会提高 PGA460的本底噪声。 这最终取决于交流电源适配器的稳定程度。 为防止交流电源适配器可能影响本底噪声、请仅使用电池隔离笔记本电脑并为其供电。
7.2. 如有疑问、请重新启动 GUI 和硬件。
如果 EVM 硬件在 GUI 打开时断开连接或未通电、或 GUI 开始异常响应、TI 建议完全重新启动 GUI、以确保更新 PGA460器件设置并参考最新值。
7.3. 使用小型参考设计作为您系统的解决方案。
由于 EVM 的尺寸较大、因此将 EVM 安装到实际系统以进行测试可能是一项挑战。 为了更好地表示超声波模块的小尺寸、TI 提供了用于系统集成和测试的 PGA460-Q1小型(PGA460Q1SFF)模块型号参考设计。