信号笔电路优化及相关软件设计

信号笔的基本功能是由信号笔的驱动电路驱动信号笔上的超声传感器和两个红外二极管，发出超声和红外信号。信号笔的工作原理框图如图12-18所示。

图12-18　信号笔的原理框图

12.4.1 电源电路和波形电路

电源芯片采用的是Texas Instruments公司生产的TPS76033电源芯片。采用TPS76033稳压芯片可将电池提供的电压转换为3.3 V的稳定电压，这样在电池电压低于4.5 V时也能使信号笔工作在正常状态，给整个电路提供稳定的工作电压。芯片内部结构图如图12-19所示，引脚图如图12-20所示，表12-1是各引脚的定义。

图12-19　TPS76033内部结构图

图12-20　TPS76033引脚图

表12-1　TPS76033引脚说明

TPS76033的输入电压范围是3.5～16 V，根据信号笔实际功耗情况选用三节1.5 V的纽扣电池供电。但在测试过程中发现，信号笔的工作时间短，耗电量大的问题十分明显。信号笔处于工作状态时电流值为500μA，省电状态（不发红外、超声信号）时的电流为150μA；电池容量为45 mA，在TPS76033的数据手册中查到，该芯片的静态电流是90～115μA。该芯片固有性质造成信号笔处于省电状态时的静态电流也比较大，所以，为了达到待电时间长的目标，需要更换电源芯片。

最终采用了Microchip公司生产的MCP1701A，这是一款低压差、正压调节器。最突出的特点是静态电流只有2.0μA，满足了省电要求。而且该芯片是3引脚，SOT-2A封装，体积比TPS76033小，外接电路也更简单（如图12-21所示）。

图12-21　MCP1701A引脚及外接电路图

经实际测试可知，静态电流减小到120μA，虽有所减小，但仍存在问题，没有根本解决耗电量大的问题。

波形电路主要由PIC12C508单片机的GP0口和GP1口发出脉冲信号，作为信号笔笔头超声、红外传感器的驱动信号。其引脚图如图12-22所示。单片机PIC12C508的GP0口发出脉宽为480μs、周期为17 ms的脉冲信号，作为超声传感器的驱动信号；GP1口发出脉宽为240μs、周期为17 ms的脉冲信号，作为红外二极管的驱动信号。两种驱动信号先后发送，时序图如12-23所示。

图12-22　PIC12C508引脚图

图12-23　信号笔的信号时序图

12.4.2 驱动电路

超声信号由驱动电路驱动笔头套件上的超声传感器发出80 k Hz的超声信号。笔头上选用的超声传感器是容性负载，相当于电容，电路图中的电感L㊣与超声传感器组成并联谐振，其谐振频率为f 1=80 k Hz（与超声传感器固有谐振频率80 k Hz一致），这样产生80 k Hz的交变电压激励中心频率f 0为80 k Hz的超声传感器，以使超声传感器获得较高的灵敏度。已知超声传感器的电容值C=166 p F，由公式

可得L㊣=18 m H，所以选用18 m H的直插电感。此电感体积较大，在信号笔PCB布局时有一定影响。电感除了在谐振电路中起到作用，还起到升压作用，升压后的电压峰峰值达到450 V，使信号笔具有较强的输出功率，利于信号接收器接收超声、红外信号。这里采用的三极管必须选用高速的开关管，这样就能使单片机PIC12C508发出的脉冲信号作为传感器的驱动信号。作为传感器驱动的脉冲信号，其宽度必须达到一定的要求。由于谐振回路对脉冲所含的80 k Hz的频率分量谐振，而脉冲宽度与脉冲所含各频率分量的功率大小直接相关。同时脉冲太宽，信号笔的功率太大，电池寿命短，使信号笔使用时间大大缩短；脉冲宽度太窄，脉冲所含80 k Hz信号能量小，造成信号笔发射功率不足。所以本电路选用的脉冲宽度为480μs。

信号笔全向发射的超声信号，一部分经过直线路径传输到信号接收器并被系统采集作为时延信号，一部分未被信号接收器接收而损失掉，另外可能还有一部分信号经过白板系统以外的障碍物反射再被信号接收器接收并被时延提取电路提取作为时延输入单片机。最后一部分信号经反射后传输到信号接收器，当被提取作信号笔时延，就会造成系统定位错误。由于信号笔周期性的发射超声波和红外脉冲，在一个发射周期内，信号接收器一定是最先接收到红外信号，此时将接收超声信号A、B的CCP模块使能。一个周期内接收到两个超声信号，沿直线路径传输超声脉冲串会最先被信号接收器接收到，而反射的信号会后到达。所以在接收到先到达的超声信号后关闭这一路的CCP模块，反射的超声信号就不会被错误当成时延信息提取，可以得到正确的时延信息。

信号接收器最先接收到红外信号，此时打开定时器开始计时，当信号接收器接收到超声信号A，此时与接收到的红外信号的时间间隔为τ㊣1，即将该时延作为信号笔所发的超声波到接收器A的时延（超声信号假定为接收器A接收到的信号）；信号接收器接收到超声信号B的时间与接收到红外信号的时间间隔为τ2，即为信号笔所发的超声波到接收器㊣B的时延（超声信号假定为接收器B接收到的信号）。如何提取精确的时延τ1、τ2㊣是系统的关键所在。