超聲波（隱聲）通信技術(shù)實現(xiàn)和應(yīng)用

徐松 潘紹明 柯寶中

摘要： 針對目前超聲波測距系統(tǒng)在硬件設(shè)計方面的不足，介紹了一種超聲波通信格式并為超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計了由前置放大、帶通濾波、主放大器、比較整形等組成的信號調(diào)理系統(tǒng)。選用STC12C5A60S2單片機作為超聲波信號發(fā)生主控芯片，通過設(shè)置時鐘頻率和獨立波特率發(fā)生器（ BRT）的8位自動重裝計數(shù)初值產(chǎn)生40KHZ頻率的方波信號。聲波信號通過一系列的信號調(diào)理電路，最終單片機通過檢測主放大器和比較整形電路的INT信號來識別是否有超聲波信號到達。分析超聲波測距結(jié)果，可以看出本設(shè)計可以很好地應(yīng)用于聲波信號測距系統(tǒng)。同時針對聲波傳輸環(huán)境造成的測量盲區(qū)和硬件電路造成的延時還需要進一步優(yōu)化。

【關(guān)鍵詞】超聲波 通信 信號調(diào)理 測距

聲波通信作為一種高效隱秘的信息通信技術(shù)，隨著工業(yè)領(lǐng)域和軍事技術(shù)的發(fā)展需求，實用性和可用性日趨明顯。相對于紅外、激光等對外界環(huán)境要求較高的測距方法，超聲波信號可以在光線陰暗、有煙塵的環(huán)境下有效傳播。目前，聲波通信技術(shù)已經(jīng)在精確室內(nèi)定位、海洋探測、車輛定位等方面有著廣泛應(yīng)用。文獻[1]設(shè)計實現(xiàn)了一種低盲區(qū)、低功耗、高精度、小尺寸的超聲測距系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用增益可編程的反射波信號檢測方法進行多次的增益校正，比較器撲捉到首個反射波信號前沿，通過計算發(fā)射波和首個反射波之間的時間差可以計算出精度較高的距離值。文獻[2]采用了溫度傳感器DS18820實時采集溫度數(shù)據(jù)，提取溫度變化值，然后根據(jù)溫度值與超聲波對應(yīng)的關(guān)系及時修正波速來減少溫度的變化造成的超聲波測距系統(tǒng)的誤差。測試結(jié)果表明：系統(tǒng)能夠有效的避免溫度的變化對測距系統(tǒng)造成誤差，其測量精度達到1%。

上述方法在排除外部干擾因素和聲波信號檢測方面做了改進，在硬件設(shè)計方面的研究涉及較少，本文主要從硬件設(shè)計方面對超聲波測距系統(tǒng)進行設(shè)計和改進。通過分析超聲波通信原理及通信格式，針對超聲波從發(fā)射到接受的整個過程，設(shè)計了信號調(diào)理電路，確保超聲波信號的發(fā)送和接受過程有效實現(xiàn)。通過實際測試，并對數(shù)據(jù)進行誤差分析，驗證超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計的有效性，并對超聲波測距系統(tǒng)產(chǎn)生誤差的原因進行了分析。

1 超聲波的數(shù)據(jù)通信原理

超聲波的數(shù)據(jù)通信原理如圖1所示，采用超聲波作為信號傳輸，幅移鍵控（ AmplitudeShift Keying，ASK）方法進行調(diào)制[3]，高電平表示無載波，低電平表示有載波。發(fā)送節(jié)點利用超聲波傳感器的壓電效應(yīng)，在其兩端發(fā)射一定壓差的40kHz頻率的方波信號[4]，單片機通過電壓控制其震動而產(chǎn)生一定數(shù)量的發(fā)射脈沖，從而發(fā)出超聲波脈沖。

雖然在發(fā)射節(jié)點有十幾伏的壓電脈沖，但是由于超聲在傳輸?shù)倪^程當中，隨著傳輸?shù)木嚯x增大，信號衰減也按指數(shù)增大，到了接收節(jié)點時只有幾到十幾毫伏了。因此在接收節(jié)點設(shè)置了前置放大把信號和噪聲一起放大，再通過帶通濾波把噪聲信號過濾、然后通過主放大把信號放大到一定幅度，最后通過整形比較、檢波解調(diào)后由信號接收端的單片機進行處理就可以得到相應(yīng)的數(shù)字量。

2 通信格式

超聲波的數(shù)據(jù)通信格式如圖2所示，由前導(dǎo)碼、8位數(shù)據(jù)、8位數(shù)據(jù)反碼和數(shù)據(jù)停止位組成。前導(dǎo)碼由900 us低電平和450 us的高電平組成。有載波輸出電平，代表數(shù)據(jù)1，持續(xù)時間為100 us，無載波輸出高電平，代表數(shù)據(jù)O，持續(xù)時間也是100 us，停止位300 us。這樣完成8位數(shù)據(jù)的通信時間需要3.25 ms，可以滿足隱蔽的超聲信息通信要求。

3 硬件電路

3.1 超聲波發(fā)射電路

超聲波發(fā)射利用壓電效應(yīng)[5-6]，在傳感器兩端發(fā)射40 KHz頻率的一定壓差方波信號，從而發(fā)射出超聲波信號。從單片機射出脈沖信號峰值為O到5V，電壓值比較小，不能激發(fā)出比較強的超聲波信號。為此超聲波發(fā)射電路利用MAX232內(nèi)部雙路電荷泵電壓泵，可以產(chǎn)生+12 v和-12 v電壓，能將單片機的低電平ov轉(zhuǎn)換成12V的高電平，將高電平轉(zhuǎn)換成-12V的電壓，這樣提升了方波的峰值，從而提高了超聲波信號的發(fā)射強度。

如圖3所示，單片機的引腳P15接TlIN，P14接T21N。當P15為低電平時，TlOUT輸出12V，P14為高電平時，T20UT輸出-12V電壓，這樣在傳感器兩端形成24V的壓差。同樣，P15為高電平時，TlOUT輸出-12V，P14為低電平時，T20UT輸出12V電壓，傳感器兩端有-24V的電壓。通過程序控制P15和P14引腳電平就可以發(fā)射出很強的峰峰值超聲波信號，這樣超聲波的傳輸距離更遠，信號更強。

3.2 超聲波接收電路

3.2.1 前置放大電路

雖然超聲波發(fā)射器通過幾十伏的電壓激發(fā)出超聲波，但是在空氣中傳播隨著距離的增加會慢慢衰減，到接收端的時候可能會只有幾毫伏的電壓，為此在前端設(shè)置了前置放大電路[7]。

前置放大電路如圖4所示。前置放大電路的作用就是將接收到的微弱信號放大成足夠大的輸出電壓，為后續(xù)的濾波器提供比較合適的電壓。為此設(shè)計的前置放大器采用單電源供電，在運放的同相端接5V的中點電壓，反相放大75倍，放大后的波形將在SV范圍內(nèi)波動，這樣可以保證放大后的交流信號質(zhì)量，不至于產(chǎn)生信號失真。

3.2.2帶通濾波電路

通過前置放大的信號會把信號和噪聲一起放大，為此設(shè)計一個中心頻率為40 kHz的帶通濾波器，抑制噪聲干擾信號，使得有效信號通過濾波器。如圖5所示，帶通濾波器采用無限增益帶通濾波器的原理[8]，減小C2可抬升中心頻率的值，反之減小中心頻率，減小C3也可抬升中心頻率，反之可減小中心頻率反饋的窄帶。調(diào)整電容電阻到合適的大小就可以將帶通濾波器的中心頻率設(shè)置為40 kHz。帶通濾波器的參考電壓和前置放大電路一樣通過lkQ的電阻接SV電源實現(xiàn)的。

3.2.3 主放大和比較整形電路

濾波后的信號通過主放大器放大7 5倍輸入給整形比較電路.如圖6所示。采用運放LMC6034的一個運放來做比較器[9-10]，從主放大器進來的信號進入運放的同相端和反相端進行比較。反相端通過11 kQ的電阻接到5V，另外通過3.3 MQ的電阻和lnF的電容并聯(lián)后接地。當主放大器沒有信號到達時候，01為截止狀態(tài)，INT輸出高電平；當有信號到達時，在比較器的同相端信號疊加，從而輸出高電平，01導(dǎo)通，INT輸出低電平。單片機通過檢測INT信號來識別是否有超聲波信號到達。在極短的時間，連續(xù)中斷幾次，認為是同一數(shù)據(jù)，再根據(jù)前面講的通信格式，就可以解析出相應(yīng)的聲波數(shù)據(jù)。

4 測試流程與結(jié)果分析

系統(tǒng)的主控芯片采用STC12C5A60S2單片機，，通過單片機控制超聲波模塊（HC-SR04）發(fā)出超聲波信號。編程實現(xiàn)特定格式聲波信號，利用定時器、計數(shù)器對超聲波信號的收發(fā)過程進行控制。實驗中單片機P1.2口產(chǎn)生特定格式的40kHZ聲波，驅(qū)動超聲波發(fā)射模塊，經(jīng)過一系列的聲波調(diào)理電路，在Pl.l的超聲波接收模塊檢測到聲波信號，實現(xiàn)超聲波特定號發(fā)射和接收過程。測試流程圖如圖7。

通過上述測距流程在實驗室測得數(shù)據(jù)如表1所示。

選取不同距離記錄了11組測試結(jié)果，可以得知超聲波測距結(jié)果與實際設(shè)定的距離之間有一定的差距，這主要由于聲波信號調(diào)理電路的設(shè)計合理性和測試環(huán)境復(fù)雜性等因素造成，但是在1米到3米范圍內(nèi)總體相對誤差在5%以內(nèi)，且隨測距長度的增加誤差會有所減小。

5 結(jié)語

本文所述的超聲波通信技術(shù)，針對超聲波信號傳輸過程中的聲波強度衰減、聲波信號失真等現(xiàn)象，設(shè)計了前置放大、帶通濾波、比較整形等硬件電路，通過對測試結(jié)果進行分析，可以看出本設(shè)計可以很好地應(yīng)用于聲波信號傳輸過程。但是對于復(fù)雜環(huán)境中測量盲區(qū)和硬件電路造成的延時還需要進一步優(yōu)化。

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