Svenska ElektronikForumet

Jag har ett projekt där relativt korta avstånd mellan två små batteridrivna enheter (AVR ATmega i båda) ska vara känt av åtminstone den ena enheten. Ultraljud känns som mest lämpliga tekniken men hur kommer det att fungera i praktiken?
Den principiellt enklaste och renaste metoden borde vara att den bestämmande enheten skickar ut ett kort "blipp" som den andra enheten besvarar med ett likadant "blipp". Tiden mellan "blipparna" motsvarar avståndet. I praktiken tillkommer fördröjningar både vid sändning och mottagning. Både vid sändning och mottagning borde man "förlora" ett ganska stort antal cykler när de elektriska signalerna ska omvandlas till fysiska tryckskillnader och vice versa. Det blir således inga distinkta flanker mellan ultraljud och tystnad. Hur snabbt en mottagen signal detekteras borde även vara beroende av avståndet, -ju kortare avstånd desto högre ljudstyrka och desto snabbare når den mottagna signalen upp till mottagarens minimumnivå.
Om man kan lita på att denna tröghet alltid är densamma borde den gå att kompensera för, men är den en stor del av ultraljudpulsernas restid mellan enheterna blir det dålig precision.

Avstånden jag vill mäta är ca 0,5-5 m och upplösningen behöver inte vara bättre än uppemot någon halvmeter. Det är viktigt att enheterna kan byggas mycket små och strömsnåla, dessutom vill jag att de är absolut knäpptysta för ett människoöra. Jag har för mig att när jag för länge sedan experimenterat väldigt basic med ultraljudskomponenter så har det gått att höra modulationsfrekvensen som svaga knäppningar. Detta kan man rimligen få bort genom att runda till modulationens flanker men då adderar man ytterligare en tröghet i systemet.

För att fungera som ovan måste båda enheterna kunna koppla om mellan sändning och mottagning. Hur gör man det bäst?
Ett alternativ till omkoppling är att bara mäta avståndet i ena riktningen. Sändningen triggas då med IR eller radio, vilket innebär extraprylar, som dock kan användas för mer effektiv datakommunikation.

Det är nog inga problem alls att mäta med ultraljud.

Det enklaste sättet att få ett bra, repeterbart mätresultat är att bara mäta tiden till "peaken" på det mottagna ljudet, så blir det inga större problem med att amplituden kommer att variera med avståndet, dessutom lär den vara väldigt liten.

Ljudet är så pass långsamt att övriga trögheter inte lär vara dominerande, särskilt inte på de långa avstånd.
Har faktiskt precis nu, framför mig på bänken, uppkopplat lite ultraljudsexperiment. Så jag tog en oscilloskopsbild till dig. Kanal 1 (gul) är 40kHz fyrkant på sändarelementet, kanal 2 (blå) är direkt mätt på mottagarelementet.

Höll dem så väl jag kunde, 10cm ifrån varandra och med ljudets hastighet på 340m/s skulle det alltså ta 294µs, vilket stämmer väldigt bra emot när jag kan börja se signalen öka på mottagaren.
Kollar man sen på peaken, som jag har markörer på, så tycks den följa väldigt exakt efter när man SLUTAR sända. Har testat sända olika lång tid (olika antal perioder), och peaken verkar följa när man slutar ganska bra, fram tills man kör så länge att mottagaren hinner uppnå "full signal" hela tiden, men i de fallen så ser man att det börjar dala precis då man slutat sända.

Edit: Och jag kan inte höra det minsta utav min modulering, så det är nog inte särskilt svårt att komma undan. Men det beror säkert på sändarelement och hur hårt man driver det.

Tack för det Klas-Kenny, klart givande! (och så blir jag påmind om varför webbforum är så beroendeframkallande, men det är en helt annan diskussion )

Lite signalanalys har jag nog tid med så att lokalisera peaken låter som en mycket bra idé. Oscilloskopbilden tolkar jag som att ultraljudsmikrofonen har mycket mindre tröghet är jag befarade. Är avståndet så litet som någon decimeter i ovanstående test tror jag mitt projekt kan funka tillräckligt bra utan att söka tidpunkten för maximal signalstyrka, här räcker det att kunna skilja på hela metrar inom en radie av max fem meter.
Om jag läser bilden rätt matas sändaren med 5v fyrkantpuls och mottagaren ger då ca 200mV p-p?

Åtminstone den rörliga enheten behöver vara mycket kompakt och strömsnål och en ultraljudsmik är i sammanhanget en ganska klumpig sak. För att spara utrymme behöver jag en kombinerad drivkrets-mottagare. Är mottagen signal i mV-området gör det kanske inte så mycket om förstärkaren överstyrs. Det går förstås att kortsluta dess ingång mot jord under tiden som sändning sker. Eftersom det kommer finnas mikroprocessor med kristallstyrd realtidsklocka i båda ändor ser jag inget problem i att fördröja svarspulsen en fast tid som är längre än vad ljudhastigheten ger vid det största mätavståndet.

Vill fundera på hur man bättre kan detektera knöliga och distorderade ekon, titta på teorin för signalanpassade filter som började användas med WW2 ubåts-ping och sedan i nästa all signalhantering och demodulering där man i realtid skall kunna avgöra om inkommande kurvform är den förväntade (med vilken sannolikhet) och även rätt i tiden (toppen av sannolikhetskurvan) . - dock det gör också att du bör kunna påverka den utsända signalens frekvens och amplitud så att den får någon form av karaktär under pulsen och då är inte att slå på en sinus en stund för att sedan stänga av, någon av bästa alternativen medans en sin(x)/x, frekvenssvep (WW2 ubåts-ping) eller någon annan typ av modulering klart bättre för att säkrare kunna identifieras över huvudtaget och även noggrannhet i när i tiden det sker.

Snubblade nyligen över detta chip som tydligen skall kunna ge väldigt bra optiska avståndsmätningar på upp till 50cm:

http://www.st.com/st-web-ui/static/acti ... 078006.pdf

Nackdel: Endast 2,8V logik så nivåomvandlare lär krävas.

EDIT: Såg nu att avstånd upp till 5m efterfrågas och då går ju detta bort.

Nä,VL6180 är inte rätt chip för just detta projekt men oerhört intressant ändå så tack för tipset!
Kan tänka mig en rad roliga projekt och experiment redan nu. Finns som breakout-board hos Sparkfun, 15 USD i dess rena form och 25 USD med nivåskiftare om man vill labba direkt mot t.ex. Arduino.
https://www.sparkfun.com/products/12784

Utan nivåskiftare funkar VL6180 upp till 3,6V och drar max 350uA i aktivt läge. Perfekt för något minimalistprojekt som drivs av 3V lithiumcell typ CR2032 där avståndsmätaren bara behöver vara aktiv då och då. Kanske något för att trigga mina minimalistiska armbandsur om den kombineras med någon "råare" teknik som väcker MCU:n ur sleepmode. Armbandsuren beskrivs lite närmare en bit in i denna tråd: http://elektronikforumet.com/forum/view ... =7&t=76221

Till projektet denna tråd handlar om, att grovt mäta avstånd uppemot fem meter ungefär, är förmodliten ToF-principen ovan nämnda VL6180 använder helt rätt. Optisk sikt går knte att förlita sig på och vid närmare eftertanke har ultraljud fysisk storlek och känslighet för vatten/fukt som stora nackdelar. Om ToF kan fungera med ljus ner till centimeternivå borde det kunna fungera ganska bra med radio också. RF-tekniken kan göras fysiskt kompakt och dessutom helt vattentät. En nackdel med RF-baserad ToF kan vara att svängningskretsar precis som ultraljudsmickar har en viss tröghet. På med dekorta avstånd jag vill mäta borde man kunna ha ganska låga Q-värden i resonanskretsarna och ihop med höga frekvenser får man förhoppningsvis bådesnabb respons och låg riktningskänslighet.

Kan det rent av finnas något halvfabrikat eller breakoutmodul att labba med i stället för att behöva ta en snabbkurs i mikrovågsteknik? Jag tänker bl.a. på de GUNN-/IMPATT-dioder (eller vad de nu heter) man t.ex. använder i radar för varuhusdörrar. Om jag fattat den tekniken rätt är sådana diodliknandd komponenter i princip kompletta sändare/mottagare i GHz-området.

Jag har en säkert 30 år gammal varuhusdörröppnare med vågledare/horn av aluminium och i änden på detta sitter bara två små karamikstavar med var sin enpolig anslutning. Ett underliggande kretskort blandar direktsignal med mottagen signal till en LF dopplerton som detekteras och aktiverar ett relä till dörröppnaren. Moderna dörröppnare borde fungera efter samma princip men ha mycket billigare komponenter.

Hmm, slog mig i skrivande stund att jag har ett par moderna dörröppnare någonstans! Tänk om de går att bygga om till en liten mikrovågs datalänk! Då kan de användas både till att pinga avstånd med ToF och föra över data/parametrar.

Dynga! Dörröppnarna är baserade på IR-teknik. Nåja, då slapp jag ännu ett påbörjat halvprojekt...