3. 信号发射：超声波发射电路设计、驱动信号生成（PWM）、发射角度与波束控制

好，咱们进入第三讲。信号发射这块，说白了就是怎么让超声波探头“喊”出去，还得喊得准、喊得远。

我个人习惯把发射电路比作一个“大力士”——它得把微弱的电信号，放大到足以推动压电陶瓷振动的程度。你想想看，MCU的GPIO口输出个3.3V，能干啥？啥也干不了。所以，驱动电路是第一步。

3.1 超声波发射电路设计

常见的发射电路，核心就是一个半桥或全桥驱动。我早期做项目时，图省事直接用三极管搭了个单管驱动，结果发射距离死活上不去。后来换成专用的MOSFET半桥，效果立竿见影。

这里给出一个典型的电路结构：

MCU PWM输出 → 电平转换/隔离 → 半桥驱动器 → 匹配网络 → 超声波换能器

几个关键点：

• 驱动电压：一般需要12V~24V。电压越高，发射功率越大，但换能器也有耐压限制。我常用的40kHz换能器，标称耐压20Vpp，我一般给到18V左右，留点余量。
• 匹配网络：换能器在谐振频率附近呈容性，需要串联一个电感来抵消容抗。这个电感值怎么算？公式很简单：L = 1 / ( (2πf)² × C )。f是谐振频率，C是换能器静态电容。我在项目中遇到过匹配没做好，发射效率低一半的情况，后来用阻抗分析仪扫了一遍才找到最佳点。
• 隔离：驱动电路的高压部分，最好和MCU低压部分用光耦或磁耦隔离开。不是为了别的，就怕哪天炸管子，高压窜回MCU，整个板子就废了。

3.2 驱动信号生成（PWM）

驱动信号怎么来？当然是用MCU的定时器输出PWM。这里有个小技巧：用两个PWM通道，相位相差180度，分别驱动半桥的上下管。这样就能在换能器两端得到幅值翻倍的电压。

以STM32为例，配置一个定时器输出互补PWM：

// 伪代码示例
TIM_HandleTypeDef htim1;
htim1.Instance = TIM1;
htim1.Init.Prescaler = 0;          // 不分频
htim1.Init.Period = 200;           // 72MHz / 200 = 360kHz? 不对，这是为了得到40kHz
// 等等，这里要算清楚：72MHz / (200+1) / 2 = 179.1kHz，不对
// 正确配置：Period = 72MHz / 40kHz / 2 - 1 = 899
htim1.Init.Period = 899;           // 得到40kHz
htim1.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_CENTERALIGNED1; // 中心对齐模式

// 配置通道1和通道1N为互补输出
TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC;
sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
sConfigOC.Pulse = 450;             // 50%占空比
sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;
sConfigOC.OCNPolarity = TIM_OCNPOLARITY_LOW;
sConfigOC.OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE;
HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim1, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1);

嗯，这里要注意：死区时间。上下管切换时，必须留一点时间让一个管子完全关断，另一个再开通。否则上下管直通，瞬间短路烧管子。我一般设1~2微秒的死区，对于40kHz来说足够了。

3.3 发射角度与波束控制

好了，信号发出去了。但怎么让它往特定方向走？这就涉及到波束控制。

单个换能器的波束角是固定的，一般是40°~80°。想改变方向？得用相控阵。说白了，就是多个换能器排成一排，每个的发射时间错开一点点。这个时间差，就决定了波束的偏转角度。

公式很简单：

延时 Δt = d × sin(θ) / c

其中d是阵元间距，θ是目标偏转角，c是声速（340m/s）。

举个例子：假设阵元间距d=8.5mm（半波长），想让波束偏转30°，那么延时：

Δt = 0.0085 × sin(30°) / 340 ≈ 12.5微秒

这个延时，用MCU的定时器就能精确产生。我做过一个8阵元的相控阵，每个通道独立延时，效果还不错。

但要注意：栅瓣问题。阵元间距如果大于半波长，就会出现多余的波束，干扰定位。我刚开始没注意这个，结果测出来的角度全是错的。后来查资料才明白，阵元间距必须≤λ/2。

波束控制的另一个维度是聚焦。通过调整各阵元的延时，让波束在某个距离上汇聚。这有点像相机的自动对焦。聚焦能提高该距离上的分辨率，但会牺牲其他距离的性能。

我一般这样设计发射策略：

1. 搜索模式：宽波束发射，覆盖大范围，快速检测目标是否存在。
2. 跟踪模式：窄波束发射，精确对准目标，提高测距精度。
3. 扫描模式：波束逐角度扫描，构建环境地图。

这三种模式，通过修改PWM的延时参数就能切换，非常灵活。

3.4 本章知识体系

下面这张图，把发射部分的核心逻辑串起来了：

这张图把发射系统的三个核心模块串起来了：MCU生成PWM，驱动电路放大，换能器发射。下半部分则是波束控制的三个关键参数。你照着这个框架去设计，基本不会跑偏。

好了，发射部分就讲这么多。记住一句话：发射是定位的基础，发射做不好，后面接收和处理全是白搭。我见过太多人花大把时间优化算法，结果发射电路没调好，信号都出不去，算法再牛也没用。