基于PSoC的超聲相控陣高精度測距系統(tǒng)的研究

路宜明+楊濟民

摘 要： 基于傳統(tǒng)的超聲相控陣測距系統(tǒng)設計了一種新型測距系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用Cypress公司所生產(chǎn)的嵌入式芯片PSoC5為主控制器，其豐富的內(nèi)部功能模塊完全能夠滿足系統(tǒng)的設計需求。與傳統(tǒng)的超聲相控陣測距系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)節(jié)約PCB硬件資源，提高設計效率，降低功耗。實驗研究表明，該測距系統(tǒng)具有指向性強，精確度高的特點。

關鍵詞： PSoC； 超聲相控陣； 測距系統(tǒng)； 主控制器

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）22?0128?03

Research of ultrasonic phased array high?accuracy ranging system based on PSoC

LU Yi?ming， YANG Ji?min

（College of Physics and Electronic Science， Shandong Normal University， Jinan 250014， China）

Abstract： A new type of ranging system was designed based on the traditional ultrasonic phased array ranging system. The embedded chip PSoC5 which is produced by Cypress Company is used as the primary controller. Its internal function modules can completely meet the design requirements of the system. Compared with the traditional ultrasonic phased array ranging system， this system can save more PCB hardware resources， improve the design efficiency and reduce power consumption more obviously. The experimental results show that the ranging system has the characteristics of strong directivity and high accuracy.

Keywords： PSoC； ultrasonic phased array； ranging system； master controller

超聲相控陣測距具有能量集中，指向性強的特點，不易受外界電磁波、煙霧等環(huán)境因素的干擾[1?2]，而且原理簡單、易操作、成本低，因此在現(xiàn)代生活中超聲波的應用越來越廣泛。PSoC是美國著名半導體廠商Cypress公司推出的可編程化系統(tǒng)單芯片[3]，其集成了微控制器以及嵌入式系統(tǒng)中通常圍繞微控制器周圍的模擬及數(shù)字子系統(tǒng)。一個PSoC芯片上采用一個微控制器，集成了100多種外設功能，具有提高設計效率、節(jié)省PCB硬件資源、降低材料成本、降低功耗等優(yōu)點。本文設計了以PSoC5為核心的超聲相控陣高精度測距系統(tǒng)，介紹了具體功能模塊的設計實現(xiàn)。

1 超聲相控陣的介紹

超聲相控陣是由多個相互獨立的超聲換能器組成的陣列，每個換能器都能向前方發(fā)射超聲波，當超聲波遇到障礙物時便被反射回來，由接收換能器接收并轉(zhuǎn)換成電信號[4?6]。由于每個換能器距離障礙物的距離不同，如果換能器同時發(fā)射超聲波時，超聲波到達障礙物的時間不同，相位不同，能量有可能會減弱。因此，要實現(xiàn)超聲波到達障礙物時相位完全一致，必須按照一定的時序規(guī)則控制每個換能器發(fā)射超聲波。以一元線陣為例，如果要實現(xiàn)在空間P點聚焦，必須讓距離P點遠的換能器先發(fā)射，距離近的換能器延遲一定時間再發(fā)射，這樣才能保證每個換能器的超聲波到達P點時相位一致，能量得到疊加加強。一元超聲相控陣發(fā)射聚焦如圖1所示。

圖1 發(fā)射聚焦

2 PSoC5芯片

本文所設計的系統(tǒng)以PSoC5為核心。PSoC5是美國著名半導體廠商Cypress公司推出的可編程化系統(tǒng)單芯片 [7]，主要包含CPU硬核、多種不同類型的存儲、模擬子系統(tǒng)和數(shù)字子系統(tǒng)。PSoC5使用了ARM 的Cortex?M3核，它是一個低功耗的32位中央處理單元，具有三級流水線結(jié)構(gòu)、支持Thumb?2指令集、易于使用、編程和調(diào)試等特性。模擬子系統(tǒng)主要包括可配置的開關電容、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器、能夠選擇連接到可配置的LUT輸出的比較器、可編程增益放大器等。數(shù)字子系統(tǒng)主要包括可配置的通用數(shù)字塊（Universal Digital Block，UDB）、最多32位的定時器、計數(shù)器等。作為一種新型嵌入式系統(tǒng)設計平臺，使用PSoC進行嵌入式系統(tǒng)設計具有以下3個方面的優(yōu)點：

（1） 精確度高。由于PSoC內(nèi)集成了模擬和數(shù)字子系統(tǒng)，比一般單獨設計的系統(tǒng)精確度高，穩(wěn)定性好；

（2） 提高設計效率。PSoC內(nèi)部集成了許多嵌入式系統(tǒng)中圍繞CPU硬核的外圍電路，設計人員可以直接調(diào)用，不再需要單獨設計；

（3） 降低元件成本。由于基于PSoC平臺的嵌入式系統(tǒng)的功能多樣性，以前需要用很多元件才能實現(xiàn)的系統(tǒng)，現(xiàn)在使用一個PSoC芯片就可以實現(xiàn)；

（4） 硬件加速。PSoC能在硬件和軟件之間進行權(quán)衡，使嵌入式系統(tǒng)達到最大的效率和性能。

PSoC5的設計基于Cypress Creator軟件平臺，包括硬件設計流程和軟件設計流程，具體如圖2所示。

圖2 PSoC5設計流程

3 系統(tǒng)組成

本文設計的超聲相控陣測距系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖如圖3所示。整個系統(tǒng)由PSoC5芯片、超聲換能器陣列、外圍電路組成。超聲換能器陣列是由2×4個換能器在平面上組成二維矩形發(fā)射陣列和發(fā)射陣列旁放置的一個接收換能器組成。首先PWM產(chǎn)生一系列方波發(fā)送給發(fā)射電路經(jīng)功率放大后激勵發(fā)射換能器陣列對前方特定區(qū)域聚焦掃描，聚焦后的超聲波遇到障礙物反射回來，反射回來的超聲波由接收換能器接收，經(jīng)過超聲波接收處理模塊處理后進行檢波，最后通過模擬?數(shù)字轉(zhuǎn)換后進行相關信號分析處理得出障礙物結(jié)論。

圖3 系統(tǒng)框圖

4 系統(tǒng)模塊設計

4.1 PWM產(chǎn)生驅(qū)動方波

利用PSoC內(nèi)實例化的脈沖寬度調(diào)制器（Pulse Width Modulation，PWM）模塊，產(chǎn)生40K脈沖方波驅(qū)動超聲換能器發(fā)射超聲波。圖4和圖5分別是PWM模塊及其配置。

圖4 PWM模塊

圖5 PWM模塊的配置

4.2 超聲波發(fā)射放大電路

由于PWM的輸出功率有限，PWM產(chǎn)生的驅(qū)動方波信號無法直接驅(qū)動超聲換能器發(fā)射超聲波，因此在PWM和超聲換能器之間添加了功率放大電路。如圖6所示，在PSoC5片外設計了以MOSFET和升壓變壓器T1構(gòu)成的功率放大電路，PWM產(chǎn)生的激勵脈沖方波經(jīng)過功率放大后驅(qū)動超聲換能器。

圖6 發(fā)射電路

4.3 超聲波接收電路

遇到障礙物反射回來的超聲波經(jīng)接收換能器轉(zhuǎn)換為電信號，但僅為mV量級，為能對回波信號進行有效處理，需要經(jīng)過放大電路放大到伏量級。PSoC5內(nèi)帶有例化的可編程增益放大器，能被配置成同相比例放大模式。通過調(diào)整2個電阻的大小來改變增益。本文采用可編程增益放大器有效地將mV量級信號放大到V量級。超聲波在傳播過程中會帶來大量的噪聲，同相比例放大電路也會將噪聲放大，這給系統(tǒng)的精度造成巨大影響，因此必須對回波信號進行帶通濾波濾除噪聲。 PSoC5內(nèi)帶有例化數(shù)字濾波器模塊，能被配置成帶通濾波器。超聲回波信號經(jīng)過放大后進行帶通濾波，之后送至下級的檢波電路。超聲波接收電路如圖7所示。

圖7 接收電路

超聲回波信號經(jīng)過帶通濾波后將進行檢波。在PSoC5片外設計檢波電路，如圖8所示。經(jīng)過檢波后，送至PSoC片內(nèi)進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，保存。

5 實驗結(jié)果分析

實驗表明，利用PSoC5所設計的超聲相控陣測距系統(tǒng)很大程度上提高了硬件電路的精確度，節(jié)約了PCB硬件電路資源，降低了成本，而且應用Cypress Creator軟件設計平臺，使得系統(tǒng)設計更加簡單，對于電路的修改更加便捷，提高了設計效率。

圖8 檢波電路

如圖9所示，由接收換能器接收到的反射回波信號經(jīng)過同相比例放大電路放大、帶通濾波器濾波后，回波信號電壓得到有效的放大，噪聲得到了有效的濾除。

圖9 經(jīng)過處理的回波信號

實驗結(jié)果分析表明超聲相控陣測距系統(tǒng)指向性更強，探測的精度大大的提高，能夠達到±1 cm，測量誤差大大減小，不超過3 cm，具有良好的性能，完全能夠應用到日常生產(chǎn)生活測距中，具有很高的實用價值。

注：本文通訊作者為楊濟民。

參考文獻

[1] 馮諾.超聲手冊[M].南京：南京大學出版社，1999.

[2] 李雯雯，楊濟民，厲彥忠.基于超聲相控陣的機器人避障設計[J].山東科學，2011，24（3）：75?77.

[3] 何賓.可編程片上系統(tǒng)PSoC設計指南[M].北京：化學工業(yè)出版社，2011.

[4] 厲彥忠，楊濟民，李雯雯.基于STM32的超聲相控陣導盲系統(tǒng)的設計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（16）：14?16.

[5] 董培強.高精度超聲相控陣驅(qū)動系統(tǒng)研究[D].北京：北京交通大學，2008.

[6] 趙連睿，楊濟民，李振江，等.基于Cortex?M4的超聲相控陣探測系統(tǒng)的設計[J].山東科學，2013，26（2）：88?91.

[7] 何賓.Cortex?M3可編程片上系統(tǒng)原理及應用[M].北京：化學工業(yè)出版社，2012.

圖2 PSoC5設計流程

3 系統(tǒng)組成

本文設計的超聲相控陣測距系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖如圖3所示。整個系統(tǒng)由PSoC5芯片、超聲換能器陣列、外圍電路組成。超聲換能器陣列是由2×4個換能器在平面上組成二維矩形發(fā)射陣列和發(fā)射陣列旁放置的一個接收換能器組成。首先PWM產(chǎn)生一系列方波發(fā)送給發(fā)射電路經(jīng)功率放大后激勵發(fā)射換能器陣列對前方特定區(qū)域聚焦掃描，聚焦后的超聲波遇到障礙物反射回來，反射回來的超聲波由接收換能器接收，經(jīng)過超聲波接收處理模塊處理后進行檢波，最后通過模擬?數(shù)字轉(zhuǎn)換后進行相關信號分析處理得出障礙物結(jié)論。

圖3 系統(tǒng)框圖

4 系統(tǒng)模塊設計

4.1 PWM產(chǎn)生驅(qū)動方波

利用PSoC內(nèi)實例化的脈沖寬度調(diào)制器（Pulse Width Modulation，PWM）模塊，產(chǎn)生40K脈沖方波驅(qū)動超聲換能器發(fā)射超聲波。圖4和圖5分別是PWM模塊及其配置。

圖4 PWM模塊

圖5 PWM模塊的配置

4.2 超聲波發(fā)射放大電路

由于PWM的輸出功率有限，PWM產(chǎn)生的驅(qū)動方波信號無法直接驅(qū)動超聲換能器發(fā)射超聲波，因此在PWM和超聲換能器之間添加了功率放大電路。如圖6所示，在PSoC5片外設計了以MOSFET和升壓變壓器T1構(gòu)成的功率放大電路，PWM產(chǎn)生的激勵脈沖方波經(jīng)過功率放大后驅(qū)動超聲換能器。

圖6 發(fā)射電路

4.3 超聲波接收電路

遇到障礙物反射回來的超聲波經(jīng)接收換能器轉(zhuǎn)換為電信號，但僅為mV量級，為能對回波信號進行有效處理，需要經(jīng)過放大電路放大到伏量級。PSoC5內(nèi)帶有例化的可編程增益放大器，能被配置成同相比例放大模式。通過調(diào)整2個電阻的大小來改變增益。本文采用可編程增益放大器有效地將mV量級信號放大到V量級。超聲波在傳播過程中會帶來大量的噪聲，同相比例放大電路也會將噪聲放大，這給系統(tǒng)的精度造成巨大影響，因此必須對回波信號進行帶通濾波濾除噪聲。 PSoC5內(nèi)帶有例化數(shù)字濾波器模塊，能被配置成帶通濾波器。超聲回波信號經(jīng)過放大后進行帶通濾波，之后送至下級的檢波電路。超聲波接收電路如圖7所示。

圖7 接收電路

超聲回波信號經(jīng)過帶通濾波后將進行檢波。在PSoC5片外設計檢波電路，如圖8所示。經(jīng)過檢波后，送至PSoC片內(nèi)進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，保存。

5 實驗結(jié)果分析

實驗表明，利用PSoC5所設計的超聲相控陣測距系統(tǒng)很大程度上提高了硬件電路的精確度，節(jié)約了PCB硬件電路資源，降低了成本，而且應用Cypress Creator軟件設計平臺，使得系統(tǒng)設計更加簡單，對于電路的修改更加便捷，提高了設計效率。

圖8 檢波電路

如圖9所示，由接收換能器接收到的反射回波信號經(jīng)過同相比例放大電路放大、帶通濾波器濾波后，回波信號電壓得到有效的放大，噪聲得到了有效的濾除。

圖9 經(jīng)過處理的回波信號

實驗結(jié)果分析表明超聲相控陣測距系統(tǒng)指向性更強，探測的精度大大的提高，能夠達到±1 cm，測量誤差大大減小，不超過3 cm，具有良好的性能，完全能夠應用到日常生產(chǎn)生活測距中，具有很高的實用價值。

注：本文通訊作者為楊濟民。

參考文獻

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[2] 李雯雯，楊濟民，厲彥忠.基于超聲相控陣的機器人避障設計[J].山東科學，2011，24（3）：75?77.

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[6] 趙連睿，楊濟民，李振江，等.基于Cortex?M4的超聲相控陣探測系統(tǒng)的設計[J].山東科學，2013，26（2）：88?91.

[7] 何賓.Cortex?M3可編程片上系統(tǒng)原理及應用[M].北京：化學工業(yè)出版社，2012.

圖2 PSoC5設計流程

3 系統(tǒng)組成

本文設計的超聲相控陣測距系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖如圖3所示。整個系統(tǒng)由PSoC5芯片、超聲換能器陣列、外圍電路組成。超聲換能器陣列是由2×4個換能器在平面上組成二維矩形發(fā)射陣列和發(fā)射陣列旁放置的一個接收換能器組成。首先PWM產(chǎn)生一系列方波發(fā)送給發(fā)射電路經(jīng)功率放大后激勵發(fā)射換能器陣列對前方特定區(qū)域聚焦掃描，聚焦后的超聲波遇到障礙物反射回來，反射回來的超聲波由接收換能器接收，經(jīng)過超聲波接收處理模塊處理后進行檢波，最后通過模擬?數(shù)字轉(zhuǎn)換后進行相關信號分析處理得出障礙物結(jié)論。

圖3 系統(tǒng)框圖

4 系統(tǒng)模塊設計

4.1 PWM產(chǎn)生驅(qū)動方波

利用PSoC內(nèi)實例化的脈沖寬度調(diào)制器（Pulse Width Modulation，PWM）模塊，產(chǎn)生40K脈沖方波驅(qū)動超聲換能器發(fā)射超聲波。圖4和圖5分別是PWM模塊及其配置。

圖4 PWM模塊

圖5 PWM模塊的配置

4.2 超聲波發(fā)射放大電路

由于PWM的輸出功率有限，PWM產(chǎn)生的驅(qū)動方波信號無法直接驅(qū)動超聲換能器發(fā)射超聲波，因此在PWM和超聲換能器之間添加了功率放大電路。如圖6所示，在PSoC5片外設計了以MOSFET和升壓變壓器T1構(gòu)成的功率放大電路，PWM產(chǎn)生的激勵脈沖方波經(jīng)過功率放大后驅(qū)動超聲換能器。

圖6 發(fā)射電路

4.3 超聲波接收電路

遇到障礙物反射回來的超聲波經(jīng)接收換能器轉(zhuǎn)換為電信號，但僅為mV量級，為能對回波信號進行有效處理，需要經(jīng)過放大電路放大到伏量級。PSoC5內(nèi)帶有例化的可編程增益放大器，能被配置成同相比例放大模式。通過調(diào)整2個電阻的大小來改變增益。本文采用可編程增益放大器有效地將mV量級信號放大到V量級。超聲波在傳播過程中會帶來大量的噪聲，同相比例放大電路也會將噪聲放大，這給系統(tǒng)的精度造成巨大影響，因此必須對回波信號進行帶通濾波濾除噪聲。 PSoC5內(nèi)帶有例化數(shù)字濾波器模塊，能被配置成帶通濾波器。超聲回波信號經(jīng)過放大后進行帶通濾波，之后送至下級的檢波電路。超聲波接收電路如圖7所示。

圖7 接收電路

超聲回波信號經(jīng)過帶通濾波后將進行檢波。在PSoC5片外設計檢波電路，如圖8所示。經(jīng)過檢波后，送至PSoC片內(nèi)進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，保存。

5 實驗結(jié)果分析

實驗表明，利用PSoC5所設計的超聲相控陣測距系統(tǒng)很大程度上提高了硬件電路的精確度，節(jié)約了PCB硬件電路資源，降低了成本，而且應用Cypress Creator軟件設計平臺，使得系統(tǒng)設計更加簡單，對于電路的修改更加便捷，提高了設計效率。

圖8 檢波電路

如圖9所示，由接收換能器接收到的反射回波信號經(jīng)過同相比例放大電路放大、帶通濾波器濾波后，回波信號電壓得到有效的放大，噪聲得到了有效的濾除。

圖9 經(jīng)過處理的回波信號

實驗結(jié)果分析表明超聲相控陣測距系統(tǒng)指向性更強，探測的精度大大的提高，能夠達到±1 cm，測量誤差大大減小，不超過3 cm，具有良好的性能，完全能夠應用到日常生產(chǎn)生活測距中，具有很高的實用價值。

注：本文通訊作者為楊濟民。

參考文獻

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[2] 李雯雯，楊濟民，厲彥忠.基于超聲相控陣的機器人避障設計[J].山東科學，2011，24（3）：75?77.

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