DSP技術(shù)課程教學(xué)平臺(tái)用超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)＊

盧 貺

（武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院，湖北武漢 430205）

在日常生產(chǎn)生活中，很多場(chǎng)合如：汽車(chē)倒車(chē)、機(jī)器人避障、工業(yè)測(cè)井、水庫(kù)液位測(cè)量等需要自動(dòng)進(jìn)行非接觸測(cè)距，DSP技術(shù)課程教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)課題中也包含了用途廣泛的超聲波測(cè)距功能。超聲波是指頻率大于20kHz的在彈性介質(zhì)中產(chǎn)生的機(jī)械震蕩波，其具有指向性強(qiáng)、能量消耗緩慢、傳播距離相對(duì)較遠(yuǎn)等特點(diǎn)，因此常被用于非接觸測(cè)距。由于超聲波對(duì)光線、色彩和電磁場(chǎng)不敏感，因此超聲波測(cè)距對(duì)環(huán)境有較好的適應(yīng)能力，此外超聲波測(cè)量在實(shí)時(shí)、精度、價(jià)格方面也有很好的折衷［1］。

1 超聲波測(cè)距原理

超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)其兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波信號(hào)時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，就成為超聲波接收器。

超聲波測(cè)距的方法有多種：如往返時(shí)間檢測(cè)法、相位檢測(cè)法、聲波幅值檢測(cè)法。本設(shè)計(jì)采用往返時(shí)間檢測(cè)法測(cè)距。其原理是超聲波傳感器發(fā)射一定頻率的超聲波，借助空氣媒質(zhì)傳播，到達(dá)測(cè)量目標(biāo)或障礙物后反射回來(lái)，經(jīng)反射后由超聲波接收器接收脈沖，其經(jīng)歷的時(shí)間即往返時(shí)間，往返時(shí)間與超聲波傳播的路程的遠(yuǎn)近有關(guān)。測(cè)試傳輸時(shí)間可以得出距離［2］。

超聲波測(cè)距的算法設(shè)計(jì)：超聲波在空氣中傳播速度為每秒鐘340米（15℃時(shí)）。設(shè)S2是聲波返回的時(shí)刻，S1是聲波發(fā)聲的時(shí)刻，S2－S1為一個(gè)時(shí)間差的絕對(duì)值，假定S2－S1＝0.03秒，則有340米／秒×0.03秒＝10.2米。該10.2米距離的時(shí)間里，是超聲波發(fā)出后遇到障礙物返回的距離，超聲波傳感器與障礙物為該距離的一半，有關(guān)系式如式1所示：

式中，L為超聲波傳感器與障礙物的距離；V為超聲波在空氣中的傳播速度；S1為聲波發(fā)聲的時(shí)刻；S2為聲波返回的時(shí)刻。參見(jiàn)圖1的超聲波傳送示意圖。

圖1 超聲波傳送示意圖

在精度要求較高的情況下，需要考慮溫度對(duì)超聲波傳播速度的影響，按式2對(duì)式1中的超聲波傳播速度V加以修正，以減小誤差。

式中，T為實(shí)際溫度，單位為℃；V為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度，單位為m／s（米／秒）。

表1 一些溫度下的聲速

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 DSP系統(tǒng)

DSP系統(tǒng)采用型號(hào)為T(mén)MS320F2812微處理器。TMS320C2000系列是美國(guó)TI公司推出的數(shù)字控制DSP芯片，TMS320F2812為更高性能的改進(jìn)型芯片，進(jìn)一步增強(qiáng)了芯片的接口能力和嵌入式功能，從而拓寬了數(shù)字信號(hào)處理器的應(yīng)用領(lǐng)域，是目前市場(chǎng)上最先進(jìn)、功能最強(qiáng)大的32位定點(diǎn)DSP芯片。它既具有數(shù)字信號(hào)處理能力，又具有強(qiáng)大的事件管理能力和嵌入式控制功能，特別適用于有大批量數(shù)據(jù)處理的測(cè)控場(chǎng)合，如工業(yè)自動(dòng)化控制、電力電子技術(shù)應(yīng)用、智能化儀器儀表及電機(jī)、馬達(dá)伺服控制系統(tǒng)等。該系列DSP處理器具有高速信號(hào)處理和數(shù)字控制功能所必需的體系結(jié)構(gòu)，其指令執(zhí)行速度高達(dá)40MIPS，且大部分的指令都可以在一個(gè)25ns的單周期內(nèi)執(zhí)行完畢。另外，它還具有非常強(qiáng)大的片內(nèi)GPIO端口和其它外圍設(shè)置，可以簡(jiǎn)化外圍電路設(shè)計(jì)，降低系統(tǒng)成本。在DSP技術(shù)課程教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)中，超聲波測(cè)距為其中的一個(gè)子模塊，其設(shè)計(jì)框圖如圖2所示［3］。

圖2 超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

2.2 超聲波電路

超聲波發(fā)射部分是為了讓超聲波發(fā)射換能器向外發(fā)出40kHz左右方波脈沖信號(hào)。40kHz左右方波脈沖信號(hào)來(lái)自DSP系統(tǒng)GPIO編程輸出，由于GPIO端口輸出功率不夠，40kHz方波脈沖信號(hào)分成兩路，輸出到由74ALS04組成的推挽式電路進(jìn)行功率放大，再送給超聲波發(fā)射換能器以聲波形式發(fā)射到空氣中。發(fā)射部分電路如圖3所示。圖中輸出端上拉電阻R8，R9，一方面可以提高反向器74ALS04輸出高電平的驅(qū)動(dòng)能力，另一方面可以增加超聲換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩的時(shí)間。

圖3 超聲波發(fā)送電路

超聲波在空氣中傳播遇到障礙物返回后，由超聲波接收電路進(jìn)行處理，將反射波轉(zhuǎn)換變成電信號(hào)，并進(jìn)行放大、濾波、整形等處理，本設(shè)計(jì)采用索尼公司集成芯片CX20106A，總放大增益為80db，該芯片檢測(cè)到超聲波信號(hào)后，會(huì)傳送一負(fù)脈沖給DSP系統(tǒng)中斷輸入GPIO。CX20106A內(nèi)部電路及引腳功能如圖4所示，接收部分電路如圖5所示［4］。

圖4 CX20106A內(nèi)部電路及引腳功能

2.3 測(cè)溫及信號(hào)放大電路

為了提高系統(tǒng)的測(cè)量精度，本文設(shè)計(jì)了溫度補(bǔ)償電路，如圖6、圖7所示。系統(tǒng)采用National Semiconductor所生產(chǎn)的溫度感測(cè)器LM35，其輸出電壓與攝氏溫標(biāo)呈線性關(guān)系，0℃時(shí)輸出為0V，每升高1℃，輸出電壓增加10mV。

在常溫下，LM35不需要額外的校準(zhǔn)處理即可達(dá)到±1／4℃的準(zhǔn)確率。與控制器連接方便，在單電源工作模式下，測(cè)量范圍為0～＋175℃。根據(jù)實(shí)際溫度的值，利用式2計(jì)算補(bǔ)償聲速。

圖5 超聲波接收電路

圖6 LM35測(cè)溫電路

圖7 測(cè)溫信號(hào)放大電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件總體設(shè)計(jì)

TMS320F2812處理器向GPIO端口發(fā)出控制信號(hào)，啟動(dòng)內(nèi)部定時(shí)器進(jìn)行計(jì)時(shí)。此控制信號(hào)經(jīng)功率放大后作為超聲傳感驅(qū)動(dòng)電路啟動(dòng)信號(hào)，超聲傳感器產(chǎn)生的、遇到障礙物時(shí)返回的高頻振蕩信號(hào)經(jīng)放大（為彌補(bǔ)傳播過(guò)程中信號(hào)的衰減）使超聲傳感驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生高電平脈沖，此電平變化會(huì)引起TMS320F2812外部中斷，在中斷程序內(nèi)獲取定時(shí)器的計(jì)數(shù)值，同時(shí)提取此時(shí)的溫度數(shù)值，根據(jù)式1、式2計(jì)算距離；否則，認(rèn)為傳感器前方探測(cè)范圍內(nèi)無(wú)障礙物。溫度檢測(cè)程序在系統(tǒng)上電后執(zhí)行一次［5］。

3.2 超聲數(shù)據(jù)采集與處理程序

超聲傳感器處理程序軟件設(shè)計(jì)上采用定時(shí)器工作，對(duì)傳感器進(jìn)行計(jì)時(shí)。選擇定時(shí)器的周期比超聲傳感器探測(cè)最大距離所需的時(shí)間稍長(zhǎng)。在定時(shí)器周期開(kāi)始時(shí)，超聲波發(fā)射換能器開(kāi)始工作。在定時(shí)器周期內(nèi)，每個(gè)回波返回，都會(huì)觸發(fā)一次外部中斷（XINT1中斷），在外部中斷處理程序內(nèi)，將超聲波返回時(shí)間進(jìn)行記錄，并將相應(yīng)的超聲傳感器關(guān)閉。外部中斷處理程序非常簡(jiǎn)短，本設(shè)計(jì)只用不到20條指令，并且TMS320F2812指令執(zhí)行速度很快，因而即使因進(jìn)入外部中斷處理程序而延誤了對(duì)后續(xù)回波的處理，但這種延誤的時(shí)間根據(jù)計(jì)算不大于0.5μs，由此引入的距離誤差根據(jù)式一計(jì)算小于83.5×10－6m，誤差非常小，可忽略不計(jì)。當(dāng)定時(shí)器中斷時(shí)，對(duì)于距離大于最大超聲探測(cè)范圍的，沒(méi)有相應(yīng)的時(shí)間記錄，給它們加上超出測(cè)距范圍的標(biāo)志。本設(shè)計(jì)中超聲波傳感器的最大探測(cè)距離為3.5m，因而超聲波探測(cè)的最長(zhǎng)時(shí)間為20.58ms。所以每個(gè)定時(shí)器的周期選為20.6ms。軟件設(shè)計(jì)中涉及到的外部中斷處理程序和定時(shí)器中斷處理程序框圖如圖8和圖9所示［6］。

圖8 外部中斷處理程序

圖9 定時(shí)器中斷處理程序

4 結(jié) 語(yǔ)

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的測(cè)量精度，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了實(shí)地測(cè)量。利用本系統(tǒng)對(duì)0.10～3.50m米范圍進(jìn)行了多次測(cè)試，經(jīng)補(bǔ)償后最大誤差為1cm，線性度、穩(wěn)定性和重復(fù)性都比較好。做為DSP技術(shù)課程教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)中的主要部件，本系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、實(shí)時(shí)LCD顯示、帶溫度補(bǔ)償、抗干擾性能好等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)的誤差主要來(lái)自于發(fā)射探頭發(fā)出的超聲波是呈喇叭狀擴(kuò)散傳播、被測(cè)物的表面不光滑且不一定垂直于兩探頭的軸線而導(dǎo)致所反射回來(lái)的超聲波是從不同點(diǎn)獲得，此外電子元器件自身的時(shí)延、干擾等也造成一定影響?？梢愿鶕?jù)具體場(chǎng)合，選擇合適功率的探頭，以及調(diào)整程序中脈沖的頻率、寬度和個(gè)數(shù)等提高精度或測(cè)量距離，擴(kuò)大系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。

1 劉升平.超聲波測(cè)距系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與研究［J］.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2009，45（25）

2 高飛燕.基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.信息技術(shù)，2005，29（7）

3 韓豐田.TMS320F281xDSP原理及應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2011.

4 吳銀風(fēng).紅外線接收電路CX20106A及其應(yīng)用［J］.無(wú)線電，2004，23（4）

5 王忠勇.DSP原理與應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2009.

6 何莉.基于PIC單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)［J］.壓電與聲光，2004，26（2）