可編程超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計

瞿俊

【摘 要】超聲波測距系統(tǒng)目前廣泛應(yīng)用于機械制造、機器人自動導(dǎo)航、建筑測量、泊車輔助系統(tǒng)等工業(yè)領(lǐng)域。但傳統(tǒng)的超聲波測距的測距距離和精度，無法滿足現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域的要求。因此設(shè)計了一種大量程、高精度的超聲波測距系統(tǒng)。系統(tǒng)具備大量程、可編程增益的特點。實驗表明，本系統(tǒng)設(shè)計的超聲波測距系統(tǒng)量程高達(dá)10m，波束寬度小于10°，測距精度可以到達(dá)1cm，實現(xiàn)了大量程、高精度的測距系統(tǒng)。

【關(guān)鍵詞】超聲波測距；ARM Cortex-M4；可編程增益；波束寬度

中圖分類號： TP368，TP319 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）09-0008-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.09.003

Design of Programmable Ultrasonic Range-Finding System

QU Jun

（Institute of Plasma Physics Chinese Academy of Sciences， Hefei 230031， China）

【Abstract】Now ultrasonic range-finding system has widely applied in many industrial areas， such as mechanical manufacture， automatic robot navigation， construction measurement and parking assistance systems. But the precision and range-finding of traditional ultrasonic range-finding system can not be fit for requirements of modern industry. A large ranges and high precision of ultrasonic range-finding system has been developed. The system contains the characters of large range， programmable gain amplifier. Experiment indicated that this ultrasonic ranging system can measure distance in 10m， accuracy high to 1cm， and the width of beam is less than ±5o ， this system can perform with a wide range of distance and high precision.

【Key words】Ultrasonic range-finding；Acorn RISC Machine；Programmable gain amplifier； Width of beam0 引言

近年來，隨著超聲波測距技術(shù)研究的不斷深入，超聲波測距應(yīng)用越來越普及。如今，超聲波測距在倒車?yán)走_(dá)上應(yīng)用隨處可見。倒車?yán)走_(dá)是汽車泊車輔助系統(tǒng)，倒車?yán)走_(dá)的測距精度直接影響到汽車泊車或者倒車過程中的安全問題，利用安裝在汽車上的超聲波傳感器，探測障礙物，并實時顯示障礙物距離，類似于汽車眼睛，確保汽車行駛中的安全[1]。

超聲波測距系統(tǒng)由超聲波傳感器、超聲波發(fā)送電路、超聲波接收電路和數(shù)字信號處理構(gòu)成。本系統(tǒng)研究設(shè)計了一種大量程、可編程增益的測距系統(tǒng)。系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)測距儀測距精度低、測距范圍小等缺點[2]。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)采用ARM Cortex-M4系列芯片作為系統(tǒng)的主控芯片，結(jié)合不同的功能模塊實現(xiàn)超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計。系統(tǒng)采用ARM作為主控，發(fā)射40kHz的脈沖信號，由于超聲波存在衰減現(xiàn)象，超聲波傳感器需要大的驅(qū)動功率，通過低邊驅(qū)動電路將發(fā)送信號放大用于驅(qū)動超聲波發(fā)送探頭。超聲波遇到障礙物后反射回來，超聲波接收探頭接收到回波信號后，因為回波信號衰減嚴(yán)重，回波為mv級的微小信號，并且存在噪聲干擾，因此回波處理電路需要將回波信號進(jìn)行低噪聲放大整形濾波處理，并通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，給主控芯片進(jìn)行數(shù)字信號處理后獲得超聲波回波信號到達(dá)的時間[3]。由于超聲波傳輸速度受溫度影響，因此系統(tǒng)增加了溫度補償模塊。為了便于調(diào)試，系統(tǒng)還增加了D/A轉(zhuǎn)換器，用于讀取當(dāng)前值。系統(tǒng)的硬件總體框架圖如圖1所示。

1.1 主控芯片

本系統(tǒng)選用的主控芯片ARM Cortex-M4微控制器，工作電壓為5V，外部晶振電路分為12M和32.768K，晶振原理圖如圖2所示。圖中X32_IN和X32K_OUT是32.768K晶振的輸入輸出端，R12、C12、C13分別是電容電阻，在電路圖中均不上鍵。XT1_IN和XT1_OUT分別是12M晶振的輸入輸出端，起振電容C16、C18為20pF，圖2中Y1、Y2均為無源晶振。

1.2 超聲波發(fā)射電路

超聲波發(fā)射電路的好壞直接影響到超聲波測距的作用距離。因超聲波在空氣空傳播時會發(fā)生衰減，對于遠(yuǎn)距離的障礙物，在超聲波未達(dá)到障礙物時有可能已經(jīng)衰減，無法傳送回波信號，主控芯片輸出的40KHz的PWM波峰峰值只有5V，而且功率很小，無法達(dá)到驅(qū)動傳感器的要求，因此有必要提高超聲波發(fā)射功率。

超聲波發(fā)射電路主要包括兩個模塊：低邊驅(qū)動電路和中周功率放大電路。低邊驅(qū)動電路是由DRV8803構(gòu)成的，主控芯片通過兩個輸入端口輸入兩路PWM波形，通過DRV8803放大處理后送到中周放大電路中提高發(fā)射功率[4]。

1.2.1 低邊驅(qū)動電路

低邊驅(qū)動是指通過在用電器或者驅(qū)動裝置后，通過閉合地線來實現(xiàn)驅(qū)動裝置使能。

DRV8803的工作電壓范圍為8.2V～60V，本系統(tǒng)中工作電壓為8.2V，使用2路PWM輸入IN1、IN2，幅度相同，相位相反，輸出信號發(fā)送到中周。其電路圖如圖3所示。圖中VM即為工作電源電壓，VCLAMP為輸出鉗位電壓，連接到VM端，nENBL為輸入使能端，低電平有效；RESET為輸入復(fù)位端，高電平有效；nFAULT為輸出錯誤狀態(tài)端，當(dāng)系統(tǒng)過壓、過流時，該引腳會輸出一個低電平信號。系統(tǒng)使用兩路輸入IN1、IN2和兩路輸出OUT1、OUT2。

1.2.2 中周功率放大電路

中周也就是中頻變壓器，中頻信號經(jīng)中頻變壓器進(jìn)一步選取信號，然后通過下一級進(jìn)行放大。從大功率PWM波形中采用大功率LC振蕩器提取正弦波信號，并用該LC振蕩器對換能器進(jìn)行阻抗匹配驅(qū)動。本系統(tǒng)中中周功率驅(qū)動電路如圖4所示。圖中OUTA、OUTB是低邊驅(qū)動電路DRV8803的兩路輸出信號，分別連接到中周T1的初級線圈中1、3引腳上，T1的引腳2連接電源，C21為諧振電容，EC9主要用來濾波，P1為超聲波收發(fā)一體式探頭。

1.3 超聲波接收電路

超聲波接收電路是整個系統(tǒng)的核心部分。接收電路的性能直接影響到測距的精度和測距范圍。超聲波在傳播過程中呈指數(shù)衰減，遇到障礙物反射回來的回波信號非常微弱，一般只有mv級，而且信號中還有噪聲干擾，因此對超聲波回波信號的處理至關(guān)重要。超聲波接收電路由第一級低噪聲固定增益放大器、第二級可編程增益放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、溢出比較器構(gòu)成[5]。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件是基于硬件基礎(chǔ)上設(shè)計的，通過對可編程硬件部分進(jìn)行驅(qū)動設(shè)計，控制硬件部分的運作，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的整體工作。由于本工程設(shè)計是基于ARM芯片為主控芯片進(jìn)行開發(fā)設(shè)計的，所以驅(qū)動的編寫也是基于KEIL軟件實現(xiàn)。

本章主要介紹了系統(tǒng)軟件的整體工作方式和各可編程模塊驅(qū)動編寫。主要包括：驅(qū)動放大器DRV8803的驅(qū)動設(shè)計、放大器AD620驅(qū)動設(shè)計、數(shù)模轉(zhuǎn)換ADC模塊ADS7223驅(qū)動設(shè)計、用于測試的DAC模塊DAC7554驅(qū)動設(shè)計、LIN總線接收機TPIC1021驅(qū)動設(shè)計。

由于系統(tǒng)程序設(shè)計是基于ARM cortex-M4內(nèi)核微控制器所決定并根據(jù)該控制器對各外設(shè)進(jìn)行控制而構(gòu)成的整體軟件設(shè)計布局。所以該系統(tǒng)的工作流程如下：主控和各功能外設(shè)在供電之后初始化，，通過主控的IO接口模擬PWM發(fā)送編碼好的序列值，該PWM輸出為正負(fù)互補的兩路輸出，在發(fā)送PWM波的同時會初始化并開啟定時器；從而觸發(fā)驅(qū)動放大器發(fā)送正弦波，通過中周模塊的穩(wěn)頻后，驅(qū)動超聲波換能器發(fā)送中心頻率為40KHZ的超聲波。電路設(shè)計中有溢出比較部分，若返回波形幅度太大，則直接報警。在超聲波遇到障礙物時，會返回，此時，主控會通過外部中斷的方式判斷超聲波是否到來，若50ms之內(nèi)仍然沒有回波，則重新發(fā)送。若接收到了超聲波，返回波首先被收發(fā)一體的換能器接收，連續(xù)接收400us后停止接收并通過OP777的一級放大，以及AD620和AD5231構(gòu)成可編程增益放大器的二級放大，之后經(jīng)過ADC的數(shù)模轉(zhuǎn)換后，進(jìn)入數(shù)字通路部分，最后代入公式計算所測距離，其中，溫度傳感器會返回溫度數(shù)據(jù)來幫助補償由于溫度變化而帶來的速度誤差[6]。DAC則用來測試輸入主控的數(shù)字信號是否符合標(biāo)準(zhǔn)。

當(dāng)峰值到達(dá)的時間T被反饋到CPU中，則通過公式：s=公式（1）

其中s為障礙物到探頭的距離，v為空氣中的聲速，t近似為超聲波在空氣中的傳播時間，近似的程度由算法的延時決定，其中還要加上溫度傳感器的返回值的影響。系統(tǒng)總體流程如圖5所示。

3 接收端信號處理

傳統(tǒng)的超聲波接收電路的接收端的濾波設(shè)計為阻容組合濾波，雖然成本低，易于實現(xiàn)，但是其陡峭性不好，且隨著時間的變化，其性能的穩(wěn)定性受到了元器件老化的極大影響。所以相對于傳統(tǒng)的硬件濾波，軟件濾波則是基于DSP處理技術(shù)，由于軟件濾波是采用先將模擬信號數(shù)字化，然后再將得到的數(shù)字信號用濾波算法進(jìn)行處理，這種處理方式可以得到精確的濾波器，進(jìn)一步滿足了超聲波測距系統(tǒng)對于精確度的要求[7]。

本設(shè)計通過Matlab的FDAtool開發(fā)工具進(jìn)行濾波器設(shè)計。由于接收端接收到超聲波的返回信號，經(jīng)過ADS7223（ADC模塊）的采樣處理，得到數(shù)字信號，即數(shù)組陣列（采樣率為1MHZ），經(jīng)過巴特沃思IIR數(shù)字帶通濾波器，可以將濾除由于在空氣中傳播而參雜的高斯噪聲，表現(xiàn)在頻譜上為分布在低頻和高頻部分的毛刺[8]。從而得到超聲波信號，其中心頻率為40KHZ，為了避免包絡(luò)檢測的正負(fù)抵消，需要加入整流器部分，輸出經(jīng)過峰值包絡(luò)提取器，得到所需的采樣信號的包絡(luò)。

4 結(jié)語

本文研制的超聲波測距系統(tǒng)，適用于倒車?yán)走_(dá)的設(shè)計，其量程為10米左右，頻帶寬度為：8.8KHZ，通帶范圍為30.6KHZ～49.6KHZ，其高寬頻帶的設(shè)計滿足實際的需求。其波束的寬度小于10。。且其精度很高為1CM，測距的反應(yīng)速度很快，延時很短，在每一秒內(nèi)約可以執(zhí)行50次的測距過程。這個在倒車?yán)走_(dá)的應(yīng)用中滿足了倒車安全需求，同時通過編碼的方式提高了超聲波信號接收的穩(wěn)定性。所以，本設(shè)計不僅對倒車系統(tǒng)的多探頭設(shè)計提供了基礎(chǔ)，同時為無人機市場的開拓創(chuàng)新打下基石。

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