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[参考译文] PGA460：超声波距离测量中的器件选择帮助

admin
Guru**** 2558250 points
Other Parts Discussed in Thread: TDC1000, PGA460, DRV8870

请注意，本文内容源自机器翻译，可能存在语法或其它翻译错误，仅供参考。如需获取准确内容，请参阅链接中的英语原文或自行翻译。

https://e2e.ti.com/support/sensors-group/sensors/f/sensors-forum/628579/pga460-help-for-parts-selection-in-ultrasonic-distance-measurement

器件型号：PGA460
主题中讨论的其他部件：TDC1000、 DRV8870

您好！

我需要测量空气中10至30cm 之间的大型物体的距离。 我需要使换能器受到很好的防水、防尘等保护、因此我想将它们粘在外壳内、如有关水位测量的 TDC1000应用手册中所述。 塑料厚度约为3mm。 预期分辨率约为1-5mm。

请在以下方面为我提供帮助：

－选择 TDC1000或 PGA460是否更合适？

－是否最好采用双稳态配置和40kHz 传感器，或采用单静态和200kHz 传感器？

－需要哪种传感器电压？

-您是否有适合此应用的推荐换能器？

提前感谢您的帮助。

此致、

Sam

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    TI__Guru**** 2558250 points
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    user5099503、

    我建议您在单静态高频(180-480kHz)配置中使用 PGA460。
    幸运的是、大多数高频空气耦合传感器都是闭顶式传感器、这意味着它们是密封的、可防止水和灰尘。 这将消除您对塑料外壳的需求。
    高频率换能器通常可实现低于 cm 的分辨率和低于5cm 到+50cm 的可靠范围。

    大多数高频闭顶式传感器平均需要至少50-100Vpp、因此您需要使用兼容的高频变压器。 无论您选择哪种变压器、都必须将中心抽头电压限制为15V。 中心抽头(基于电源)的小电压可低至6V。 您的选项包括：
    1) TDK-EPCOS B78416A2386A003变压器、请通过 en.TDK-EU/.../产品查询联系 TDK-EPCOS 支持
    2) Wurth Electronics 750316928、请联系 Wurth Electronics Midcom Inc. 总部网址：midcom@we-online.com
    在联系这些公司中的任何一家时、请务必提及您正在使用 TI PGA460开发超声波感应解决方案。

    请参阅讨论200kHz 换能器示例的类似文章：
    e2e.ti.com/.../2316984

    有关高频率传感器的完整列表、请参阅 PGA460：空气耦合超声波传感器和变压器列表、网址为：
    e2e.ti.com/.../620399
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    TI__Guru**** 2558250 points
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    尊敬的 Akeem：

    非常感谢你的帮助。 我忘记了在我的设计中使用变压器几乎是不可能的。 那么我想我应该去全桥和30V 电压，您能确认吗？ 根据您的经验，是否有可能低于30V？

    提前感谢您的反馈。 此致

    Sam

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    TI__Guru**** 2558250 points
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    Sam、
    Murata MA300D1-1在9V 高侧基准下使用半桥驱动器进行的初步测试显示、测试范围高达20cm。 我确信、较大的高侧电压将允许高达30cm 的距离。 我尚未充分探索使用桥式驱动器激励高频传感器的方法、但根据传感器的电压要求、半桥或全桥都应该是可以接受的。 我怀疑在使用桥式驱动器时传感器的振铃/衰减时间会延长、但对于高频率传感器、该时间应在等效的10cm 距离内。

    您是否更好地了解将使用哪种高频率换能器(器件型号)？

    我将发布一份文档、其中讨论了使用全桥驱动器时的重要设计注意事项。 我正在等待我们的技术写作人员完成审核、因此本文档将在下周发布。
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    TI__Guru**** 2558250 points
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    Akeem、

    我收到了我的传感器、并对其进行了一些测试、但没有取得任何真正的成功。

    我目前处于双静态半桥配置中、使用 Steminc SMD10T2R111WL 传感器、它们在空气中彼此相隔3cm (当前)、在发送器上连接820R 阻尼电阻。

    基本上，我做了以下工作：

    -删除了 EVK 上的 R32和 R35并焊接了引脚接头(使用半桥部件)
    －使用7V 外部电源启动系统

    启动 GUI
    单击突发频率范围偏移、选择214.8kHz
    -将两个记录时间设置为8.192
    -将 P1脉冲设置为12
    -禁用电流限制
    在实用程序中、选择214.8kHz、单击"写入系数"
    时变增益：所有中间代码
    在 Data Monitor 中、找到了这些内容、我得到的内容如下：

    如何改进设置？

    提前感谢您、

    Sam

    编辑：显然屏幕截图未正确存储、我现在无法重新发布。 为了进行描述、 接收器上没有回波、甚至看不到初始突发。 顺便说一下，您能否向我提供您的全桥文档？ 谢谢

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    TI__Guru**** 2558250 points
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    尊敬的 Sam：

    如果使用双静态半桥配置、则必须使 R35填充零欧姆短路。 不要组装 R34零欧姆短路。 在半桥配置中、发送元件的一个端子(极性传感器的负端子)必须始终接地。 这可能说明您无法看到任何回波的原因。

    如果这不能解决您的错误、您还可以使用示波器探测发射传感器的正极端子、以监控激励电压和波形吗？ 您还可以尝试添加更大的外部电压电源(高达28V)。

    您的上一个帖子未包含图像(必须无法附加)、但现在不需要-让我们看看 R35简短描述是否可以解决您的问题。
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    TI__Guru**** 2558250 points
    请注意，本文内容源自机器翻译，可能存在语法或其它翻译错误，仅供参考。如需获取准确内容，请参阅链接中的英语原文或自行翻译。
    尊敬的 Akeem：

    嗯、为了使 EVM 尽可能完整、我没有移除 Murata SMD 传感器。 我通过移除 R35断开了它、并将传感器的一端连接到 J9引脚2、另一端直接连接到 GND。

    不为此传感器提供最大 Vpp。 您认为28Vpp 还是安全的吗？ 对换能器选择有什么意见？ 这是一个圆盘换能器。

    我使用示波器检查了正极端子、然后看到方波、换能器衰减振铃。

    谢谢！
  • 0
    TI__Guru**** 2558250 points
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    Sam、

    我现在了解您的预期修改。 要在双静态模式下驱动外部传感器、但保持 MA40H1S-R 处于填充状态、请确保已对子卡的默认状态应用以下修改：
    1) 1) Desolder R35以悬空 MA40H1S-R 负极端子
    2)解串 R33 (可选但推荐)、以防止 XDCR 意外加载。 2.0k Ω 可能适合也可能不适合 Steminc SMD10T2R111WL。 如果需要、可以从较大的值(10kOhm)开始。
    3) 3) Desolder R32、以防止只发送信号作为返回信号出现在 INP
    4) 4)将发送传感器的位置端子连接到 J9-1、并将负端子直接接地。
    5) 5)将接收传感器连接到 J11。

    如果这些修改与您的设置相匹配、则您的硬件应该正常。 如果您看到一个方波后跟衰减环、则激励应该成功。 驱动方波的频率是否为214.8kHz？ 此外、我建议您禁用电流限制、以防止对驱动 FET 造成意外损坏。 大多数传感器不需要超过50mA 的电流、因此您可以将启用驱动器电流限制设置为最低设置。 我需要更新我们的文档、以反映这一新的直接驱动建议。

    根据我的经验、高频率传感器通常需要较大的驱动电压、因此我们通常建议与高频率变压器配对(如前所述)。 直接驱动下的28Vpp 应该是安全的、但您可以逐渐检查高达28V 的性能、以查看在增加电压时是否存在任何差异。

    我建议您在发出 BURST+Listen 命令之前、单击 Write Coefficients 按钮是您所做的最后一个更改、以防止在更改任何其他设置时意外重写系数。
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    TI__Guru**** 2558250 points
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    尊敬的 Akeem：

    除了第2点之外、这确实是我所做的、因为当我们移除 R35时、R33仅将40kHz 传感器的引脚连接在一起(不再接地)。

    正如我今天继续调查的结果、我注意到该传感器的共振频率为245 kHz (而非215)。 一段时间后的振铃频率在此频率结束。

    我还注意到、在双稳态配置中、RX 换能器未连接且 TX 换能器上没有阻尼电阻器、强信号耦合到 PGA460的输入端、当 RX 引脚接地或使用阻尼电阻器时、强信号会显著降低。 我放置470R、看起来更好。

    现在、RX 传感器似乎还必须以某种方式进行阻尼、否则会有一个较大的盲区。 以并联方式添加180k 可得到以下结果、其中2个换能器的距离为2cm。

    现在，当我移动传感器时，形状看起来不会改变。 它看起来更像是 EM 耦合、等等。 您是否有经验？

    我还需要感应~10cm 的距离。 您能给我一些提示来改进我的设置吗？

    提前感谢、致以诚挚的问候、

    Sam

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    TI__Guru**** 2558250 points
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    对于以下帖子的人员：

    Steminc SMD10T2R111WL 的衰减时间比大多数高频传感器都长。 由于衰减时间较长、TI 目前不建议在直接驱动模式下使用 Steminc SMD10T2R111WL 进行短距测量。

    有关备选高频传感器、请参阅以下文章中空气耦合传感器和变压器的完整列表：
    e2e.ti.com/.../620399
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    TI__Guru**** 2558250 points
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    尊敬的 Akeem：

    我今天尝试了 Murata MA300D1-1、结果要好得多。 使用5k6阻尼电阻器时、振铃似乎在大约15cm 的距离处停止。

    您是否具有该传感器的相关经验？ 如果是，在阻尼电阻器、数字增益、TVG/AFE 增益方面，您的设置是什么？

    我仍然有很强的噪音(不幸的是、我现在没有图片可附)。

    如果您没有此传感器的设置，您是否可以共享一些类似的配置？

    我使用的是单静态配置、EVK 板处于半桥模式、在该模式下、我使用20V 电压断开了 SMD 传感器、如上所述。

    提前感谢您的反馈。

    Sam

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    TI__Guru**** 2558250 points
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    尊敬的 Sam：

    PGA460 EVM GUI 的重要更新：版本1.0.0.9 (现已推出)不再要求您在更改任何器件设置后重新检查突发频率范围移位并重新编写系数。 在发送突发和/或监听命令之前、GUI 现在会检查是否已选中突发频率范围移位。 如果是、它将自动确保 TVGAIN6寄存器中的等效位为逻辑高电平、并且使用 BPF 系数计算器工具中显示的值更新 BPF 系数。 (无需手动设置和更正 GUI 即可进行高频率评估！)

    我在单静态半桥驱动器模式下评估了 Murata MA300D1-1、该驱动器具有20V 电源电压和24.0k Ω 的 R_DAMP 值。 结果如下：

    存储器映射：

    ;GRGE_USER_MEMSPACE
    00 (USER_DATA1)、00
    01 (USER_DATA2)、00
    02 (USER_DATA3)、00
    03 (USER_DATA4)、00
    04 (USER_Data5)、00
    05 (USER_DATA6)、00
    06 (USER_DATA7)、00
    07 (USER_DATA8)、00
    08 (USER_DATA9)、00
    09 (USER_DATA10)、00
    0A (USER_DATA11)、00
    0b (USER_DATA12)、00
    0C (USER_DATA13)、00
    0D (USER_DATA14)、00
    0E (USER_DATA15)、00
    0f (USER_DATA16)、00
    10 (USER_DATA17)、00
    11 (USER_DATA18)、00
    12 (USER_DATA19)、00
    13 (USER_DATA20)、00
    14 (TVGAIN0)、33
    15 (TVGAIN1)、33
    16 (TVGAIN2)、33
    17 (TVGAIN3)、21
    18 (TVGAIN4)、06
    19 (TVGAIN5)、1C
    1A (TVGAIN6)、81
    1b (INIT_GAIN)、80
    1C (频率)、64
    1D (死区时间)、80
    1E (PULSE_P1)、1F
    1F (PULSE_P2)、1F
    20 (CURR_LIM_P1)、40
    21 (CURR_LIM_P2)、C0
    22 (REC_LENGTH)、00
    23 (FREQ_DIAG)、33
    24 (SAT_FDIAG_TH)、EE
    25 (FVOLT_DEC)、7C
    26 (DECPL_TEMP)、4F
    27 (DSP_SCALE)、00
    28 (TEMP_TRIM)、00
    29 (P1_GAIN_CTRL)、24
    2A (P2_GAIN_CTRL)、24
    2B (EE_CRC)、51
    40 (EE_CNTRL)、00
    41 (BPF_A2_MSB)、56
    42 (BPF_A2_LSB)、72
    43 (BPF_A3_MSB)、F3
    44 (BPF_A3_LSB)、72
    45 (BPF_B1_MSB)、06
    46 (BPF_B1_LSB)、47
    47 (LPF_A2_MSB)、7C
    48 (LPF_A2_LSB)、D3
    49 (LPF_B1_MSB)、01
    4A (LPF_B1_LSB)、97
    4B (TEST_MUX)、00
    4C (DEV_STAT0)、80
    4D (DEV_STAT1)、00
    5F (P1_THR_0)、33
    60 (P1_THR_1)、33
    61 (P1_THR_2)、33
    62 (P1_THR_3)、33
    63 (P1_THR_4)、33
    64 (P1_THR_5)、33
    65 (P1_THR_6)、3A
    66 (P1_THR_7)、12
    67 (P1_THR_8)、C8
    68 (P1_THR_9)、4E
    69 (P1_THR_10)、B6
    6A (P1_THR_11)、B2
    6B (P1_THR_12)、B4
    6C (P1_THR_13)、B4
    6D (P1_THR_14)、B4
    6e (P1_THR_15)、00
    6F (P2_THR_0)、33
    70 (P2_THR_1)、33
    71 (P2_THR_2)、33
    72 (P2_THR_3)、33
    73 (P2_THR_4)、33
    74 (P2_THR_5)、33
    75 (P2_THR_6)、3A
    76 (P2_THR_7)、12
    77 (P2_THR_8)、C8
    78 (P2_THR_9)、4E
    79 (P2_THR_10)、B6
    7A (P2_THR_11)、B2
    7B (P2_THR_12)、B4
    7C (P2_THR_13)、B4
    7D (P2_THR_14)、B4
    7E (P2_THR_15)、00
    7F (THR_CRC)、DE
    EOF

    回波数据转储(从30cm 到10cm)：

    (可通过减小数字增益乘法器值来提高短距离)

    超声波测量结果：

    超声波测量结果：(2017-10-23_162013)
    o1除雾(m)：0.338
    o1宽度(us)：100
    O1放大器：184
    超声波测量结果：(2017-10-23_162015)
    O1除雾器(m)：0.307
    O1宽度(us)：84
    O1放大器：156
    超声波测量结果：(2017-10-23_162015)
    o1除雾(m)：0.282
    O1宽度(us)：92
    O1放大器：158
    超声波测量结果：(2017-10-23_162016)
    O1除雾器(m)：0.270
    O1宽度(us)：128
    O1放大器：176
    超声波测量结果：(2017-10-23_162016)
    o1除雾(m)：0.257
    O1宽度(us)：176
    O1放大器：255
    超声波测量结果：(2017-10-23_162016)
    o1除雾(m)：0.248
    O1宽度(us)：204
    O1放大器：255
    超声波测量结果：(2017-10-23_162017)
    O1除雾器(m)：0.238
    O1宽度(us)：200
    O1放大器：255
    超声波测量结果：(2017-10-23_162017)
    O1除雾器(m)：0.224
    O1宽度(us)：204
    O1放大器：255
    超声波测量结果：(2017-10-23_162017)
    O1除雾器(m)：0.210
    O1宽度(us)：224
    O1放大器：255
    超声波测量结果：(2017-10-23_162018)
    o1除雾(m)：0.198
    O1宽度(us)：184
    O1放大器：255
    超声波测量结果：(2017-10-23_162018)
    o1除雾(m)：0.186
    O1宽度(us)：184
    O1放大器：232
    超声波测量结果：(2017-10-23_162018)
    o1除雾(m)：0.173
    o1宽度(us)：192
    O1放大器：182
    超声波测量结果：(2017-10-23_162019)
    o1除雾(m)：0.162
    O1宽度(us)：180
    O1放大器：176
    超声波测量结果：(2017-10-23_162019)
    o1除雾(m)：0.152
    o1宽度(us)：192
    O1放大器：192
    超声波测量结果：(2017-10-23_162020)
    O1除雾器(m)：0.145
    O1宽度(us)：216
    O1放大器：255
    超声波测量结果：(2017-10-23_162020)
    O1除雾器(m)：0.136
    O1宽度(us)：232
    O1放大器：255
    超声波测量结果：(2017-10-23_162020)
    o1除雾(m)：0.127
    O1宽度(us)：236
    O1放大器：255
    超声波测量结果：(2017-10-23_162021)
    o1除雾(m)：0.116
    O1宽度(us)：240
    O1放大器：200
    超声波测量结果：(2017-10-23_162021)
    o1除雾(m)：0.104
    O1宽度(us)：260
    O1放大器：212
    超声波测量结果：(2017-10-23_162021)
    o1除雾(m)：0.091
    O1宽度(us)：244
    O1放大器：248

  • 0
    TI__Guru**** 2558250 points
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    谢谢 Akeem！ 的确，这比我以前好得多。 现在、我需要绕过价值观、看看哪些是最优的。
    您是否还具有在200-300kHz 频率下通过塑料外壳进行测量的经验？
  • 0
    TI__Guru**** 2558250 points
    请注意，本文内容源自机器翻译，可能存在语法或其它翻译错误，仅供参考。如需获取准确内容，请参阅链接中的英语原文或自行翻译。
    Sam、
    我在通过塑料外壳进行空气耦合测量方面的经验有限、但仅使用低频(30-80kHz)传感器。 我确实取得了一些成功、但我的最大可检测范围被减少到低于仅通过空气捕获的数据的50%。 塑料越薄、检测物体的可能性就越大。

    以下是我对8月份类似 e2e 问题的答复：

    我们尚未进行大量测试、但当回波预计通过空气以外的材料传播时、空气耦合传感器的性能非常差。 由于空气与大多数固体材料的声阻抗不匹配较大、因此大部分能量会反射到换能器所安装的外壳的内表面。 这也是大多数汽车无法将超声波换能器隐藏在保险杠后面的原因、因此传感器必须保持可见。 另一方面、雷达技术能够更有效地通过各种材料进行传播。

    这就是为什么外壳外传感器的性能要好得多、您实际上可以看到回波。 如果您要继续对外壳内的传感器进行实验、我建议您尝试使用各种耦合剂(胶水或环氧树脂)来减少换能器表面与外壳内壁之间可能存在的任何空隙。

    我只能通过塑料和聚碳酸酯成功检测厚度高达0.093英寸的物体。 对于聚碳酸酯、我在表面使用氰基丙烯酸酯安装换能器、并在两侧进行热熔胶。 其他传输介质(玻璃、丙烯酸、钢)出现故障、或需要其他安装技术(有待进一步探讨)。
  • 0
    TI__Guru**** 2558250 points
    请注意，本文内容源自机器翻译，可能存在语法或其它翻译错误，仅供参考。如需获取准确内容，请参阅链接中的英语原文或自行翻译。

    Akeem、

    好的、感谢您提供这些信息。

    我目前正在调查参考设计中基于 DRV8870的全桥、它看起来有一种奇怪的行为。 当我比较输入引脚上的信号时、它具有~40us 的盲时间、在此期间、驱动器不会将任何引脚变为高电平。 您可以从下面的图片中看到它：蓝色的线迹是驱动程序的输入，黄色的线迹是输出。

    我已经在低频和高频下对其进行了测试、时间是相同的、在低频时会产生大约2个脉冲、在高频时会产生15个脉冲。

    您是否经历过类似的行为？

    提前感谢您的反馈

    Sam

  • 0
    TI__Guru**** 2558250 points
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    尊敬的 Sam：

    40us 延迟是由于 DRV8870从睡眠模式唤醒所致。
    如 DRV8870数据表中所述：
    7.3.2睡眠模式
    当 IN1和 IN2引脚在时间 t_sleep (通常为1ms)内均为低电平时、DRV8870器件进入低功耗模式
    睡眠模式、其中输出保持高阻态、器件使用 I_VMSLEEP (μA μ A)电流。 电流量
    在两个输入均为低电平时加电、它立即进入睡眠模式。 IN1或 IN2引脚在 AT 状态下处于高电平之后
    μs 为5 μ s、器件可40~50 μs μ s (t_on)。

    由于在 PGA460-DRV8870全桥参考设计中无法按原样避免这种模式、因此您需要传输更多脉冲、以解决 DRV8870的 t_on 延迟窗口期间缺乏激励的问题。 支持的 PGA460全桥驱动器应用手册将包含有关 DRV8870限制的注释。 幸运的是、大多数传感器用于最大范围的声压级(SPL)会饱和20个脉冲。 因此、当 PGA460最多支持31个脉冲时、n 个空白脉冲的裕度是可用的
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    尊敬的 Akeem：

    好的、好的、感谢您提供的这些信息、我将按照建议进行操作。

    我还有一个问题：在我的设计中，PGA460在通电后需要非常快速地使用。 在使用该单元之前、必须对易失性寄存器进行重新编程。

    对阈值进行编程时、GUI 大约每200ms 写入一次寄存器。 是否可以在更短的时间内对所有易失性寄存器进行编程？ 115200bps 时、对一个寄存器进行编程需要大约500us、这意味着大约25ms。

    谢谢、此致、

    Sam

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    尊敬的 Sam：

    由于 USB 到 PC 的通信、GUI 会引入过多的延迟和时序开销。 我不会将 GUI 作为时序要求的示例。

    要尽快写入所有阈值、我建议您使用批量阈值写入命令(CMD16)。 在115.2kBaud 下、写入时间计算为3.34ms。

    以下是我对 CMD16时序要求的理想计算：

    每个传感器的时序预算    和功能
    同步 1 字节
    地址+命令 1 字节
    校验和 1 字节
    CMD16整数(写) 32 字节
         
    总字节 35. 字节
    总 UART 位(具有1个开始位、2个停止位) 385. 位
    波特率 115200  波特
         
    总 UART 时间(波特率时) 0.003342014 S
      299.2207792 Hz

    当使用逻辑分析仪对该命令进行定时、并使用 PGA460 GUI 的接口模式--> UART -->命令(单地址)--> CMD16 -->运行命令按钮执行 CMD16时、我测量了~3.16ms：

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    感谢 Akeem 提供的信息