基于STM32與MODBUS協(xié)議的超聲波測(cè)距儀設(shè)計(jì)

賀洪江，程 琳

(1．河北工程大學(xué)裝備制造學(xué)院，河北邯鄲 056038；2．河北工程大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，河北邯鄲 056038)

0 引言

超聲波測(cè)距技術(shù)是基于無目視能力的生物(蝙蝠等)防御及捕捉獵物生存的原理，利用超聲波在空氣媒介中傳播，碰到障礙物反射回來的時(shí)間間隔長短及被反射波的強(qiáng)弱判斷障礙物的性質(zhì)和位置的方法[1]。它是一種非接觸式檢測(cè)方式，不受光照度、電磁場(chǎng)、被測(cè)物色彩等因素的影響，信息處理簡單，速度快，成本低[2-4]。在移動(dòng)機(jī)器人避障和定位、液位測(cè)量、物體識(shí)別、汽車防撞等方面有廣泛應(yīng)用。文中采用模塊化設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)一個(gè)基于STM32F103C8T6和CX2016紅外解碼芯片的超聲波測(cè)距儀，通過RS-485總線與主控制器組網(wǎng)，結(jié)合MODBUS協(xié)議，為工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域提供距離信息和輔助視覺信息。

1 整體方案設(shè)計(jì)

測(cè)距控制系統(tǒng)的硬件組成結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 測(cè)距控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

1．1核心控制器

核心控制器采用基于Cortex-M3內(nèi)核的32位增強(qiáng)型閃存微控制器STM32F103C8T6，該芯片主頻和定時(shí)器的頻率可高達(dá)72 MHz，定時(shí)器的高分辨率為測(cè)量的高精度提供了保證。超聲波的發(fā)射選用定時(shí)器PWM功能來驅(qū)動(dòng)，回波信號(hào)的接收選用定時(shí)器的輸入捕獲功能。開始測(cè)距時(shí)，定時(shí)器開啟的同時(shí)啟動(dòng)PWM和輸入捕獲，能完全消除啟動(dòng)發(fā)射和啟動(dòng)計(jì)時(shí)之間的偏差，從而提高測(cè)量精度。同時(shí)其內(nèi)部自帶溫度傳感器，豐富的片上資源簡化了系統(tǒng)硬件，同時(shí)降低了系統(tǒng)功耗。

1．2測(cè)距方法

1．3總線的選擇

考慮到超聲波測(cè)距儀一般連接在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，與主控制器距離可能較遠(yuǎn)，并且組網(wǎng)后測(cè)距儀之間不需要通信，因此選用RS-485總線方式。RS-485總線支持多點(diǎn)連接，且采用平衡發(fā)送和差分接收，抗共模干擾能力強(qiáng)，即抗噪聲干擾性好，與上位機(jī)之間通訊時(shí)通信速率較高。其最大傳輸距離可以達(dá)到1 200 m，適合遠(yuǎn)距離傳輸。還具有可靠性高、性能價(jià)格比高等優(yōu)點(diǎn)。

2 硬件設(shè)計(jì)

超聲波測(cè)距儀的硬件設(shè)計(jì)包括測(cè)距最小系統(tǒng)、發(fā)射電路、接收電路、通信接口電路等。

2．1測(cè)距最小系統(tǒng)

測(cè)距儀的最小系統(tǒng)如圖2所示，核心控制器為STM32F103C8T6。

圖2 測(cè)距最小系統(tǒng)

2．2發(fā)射電路

超聲波發(fā)射電路由超聲波激勵(lì)電路和超聲波發(fā)射探頭2個(gè)部分組成，如圖3所示。其工作原理為：由STM32的高級(jí)定時(shí)器TIM1輸出40 kHz的激勵(lì)脈沖信號(hào)，經(jīng)P26引腳(網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)SEND)輸入至升壓單元。

升壓單元由一對(duì)復(fù)合管和脈沖變壓器組成。復(fù)合管有很高的電流放大系數(shù)，脈沖變壓器將5 V電壓升至12 V．脈沖信號(hào)經(jīng)放大、升壓后輸出，經(jīng)激發(fā)探頭發(fā)射出超聲波。該電路的優(yōu)點(diǎn)是消除了電路諧振，缺點(diǎn)是需2種電壓。

圖3 超聲波發(fā)射電路

2．3接收電路

超聲波接收電路是超聲波測(cè)距中關(guān)鍵的一部分，如圖4所示。該設(shè)計(jì)選用集成電路CX20106。CX20106是專用的40 kHz紅外信號(hào)接收芯片，具有很高的信號(hào)檢測(cè)靈敏度且能有效減少電路之間的互相干擾，減少電噪聲[5]?？捎脕硗瓿尚盘?hào)的限幅、放大、峰值檢波、帶通濾波和波形整形等功能。其中的前置放大器具有自動(dòng)增益控制功能，能夠保證在超聲傳感器接收近距離內(nèi)輸入信號(hào)很強(qiáng)時(shí)放大器不會(huì)過載，接收較遠(yuǎn)反射信號(hào)輸出微弱電壓時(shí)，放大器有較高的增益。R8可調(diào)節(jié)帶通濾波器的中心頻率，不需要外接電感，可避免外磁場(chǎng)對(duì)電路的干擾，可靠性較高。

圖4 超聲波接收電路

2．4通信接口電路

通信接口電路如圖5所示，電平轉(zhuǎn)換芯片U4選用MAX485，為半雙工通信方式。P1為總線接口端子?？偩€末端接120 Ω的匹配電阻，可吸收總線上的反射信號(hào)，使得正常的傳輸信號(hào)無毛刺，便于遠(yuǎn)距離傳輸。

圖5 通信接口電路

3 軟件設(shè)計(jì)

該測(cè)距系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括：主程序、超聲波發(fā)射子程序、測(cè)距子程序、串口通信子程序等。

3．1軟件設(shè)計(jì)

STM32F103C8T6是該系統(tǒng)的核心和靈魂，由它來控制系統(tǒng)各模塊協(xié)調(diào)工作。STM32具有很高的指令效率和很強(qiáng)的性能，對(duì)中斷事件的響應(yīng)比其他單片機(jī)更迅速，因而具有更高的執(zhí)行效率。其內(nèi)部還帶有硬件除法器，節(jié)約了計(jì)算時(shí)間，提高了程序效率。

測(cè)距軟件的基本流程：首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，通過STM32的PWM模塊產(chǎn)生40 kHz的脈沖方波，并通過其輸入捕捉模塊捕獲回波信號(hào)。待回波進(jìn)入接收電路，經(jīng)放大/整形等硬件處理后，進(jìn)入核心控制器。調(diào)用溫度測(cè)量子程序和測(cè)距子程序按照公式s=vt/2計(jì)算出被測(cè)距離。最后按實(shí)際需求通過串口通信模塊將測(cè)量結(jié)果傳出。軟件主程序流程如圖6所示。

圖6 主程序流程圖

3．2MODBUS協(xié)議選擇

MODBUS是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備(如DCS、PLC、智能儀表等)中使用很廣泛的一種總線協(xié)議，支持多種電氣接口，如RS-232、RS-485、以太網(wǎng)等。MODBUS協(xié)議采用主從工作方式，允許一臺(tái)主機(jī)和多臺(tái)從機(jī)通信，從機(jī)地址由用戶設(shè)定。

標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS網(wǎng)絡(luò)通信可設(shè)置為2種傳輸模式(ASCII或RTU)。ASCII模式消息中的每個(gè)8B都作為2個(gè)ASCII字符發(fā)送，采用縱向冗長檢測(cè)(LRC)校驗(yàn)。ASCII模式字符發(fā)送的時(shí)間間隔可達(dá)到1 s而不產(chǎn)生錯(cuò)誤，處理信息精確且時(shí)間短，易于測(cè)距儀與上位機(jī)之間的通信傳輸，因此該系統(tǒng)選用ASCII模式。串口通信協(xié)議接收和發(fā)送幀格式如表1所示。

表1 接收和發(fā)送的幀格式

規(guī)定主機(jī)地址為0x00，讀取距離命令為0x0A，如主機(jī)需要1號(hào)模塊(地址為0x01)的距離數(shù)據(jù)則：

主機(jī)發(fā)送：0x3A 0x01 0x0A 0x00 0xF5

0xOD 0xOA

從機(jī)返回：0x3A 0x00 0x0A 0x1

1 0x22 0xC3

0xOD 0xOA

返回幀中：0x11、0x22，為有效數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制時(shí)低位在后，高位在前。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

該測(cè)距儀的測(cè)量范圍為0．4～5 m．根據(jù)設(shè)計(jì)的電路和軟件，測(cè)量數(shù)據(jù)如表2所示，從所測(cè)量的數(shù)據(jù)可得出該測(cè)距儀的測(cè)量誤差基本控制在1%，測(cè)量精度高，能夠滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)需求。

表2 超聲波測(cè)距儀測(cè)量數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語

該系統(tǒng)具有制作簡單，工作穩(wěn)定，硬件成本

低，可進(jìn)行功能擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。通過合理選用STM32F103C8T6和MODBUS通訊協(xié)議組成方案，提高了測(cè)量精度，抗干擾性能得到了較大的改善，完成一次測(cè)量的時(shí)間也縮短，并能及時(shí)向上位機(jī)主控制器提供測(cè)距服務(wù)。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：賀洪江(1964—)，教授，碩士，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)檢測(cè)與控制、傳感器技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。

E-mail：hh6410@126．com

程琳(1985—)，碩士研究生，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)檢測(cè)與控制。

E-mail：chenglin9419@yeah．net