可編程超聲波測距系統的設計

瞿俊

【摘 要】超聲波測距系統目前廣泛應用于機械制造、機器人自動導航、建筑測量、泊車輔助系統等工業領域。但傳統的超聲波測距的測距距離和精度，無法滿足現代工業領域的要求。因此設計了一種大量程、高精度的超聲波測距系統。系統具備大量程、可編程增益的特點。實驗表明，本系統設計的超聲波測距系統量程高達10m，波束寬度小于10°，測距精度可以到達1cm，實現了大量程、高精度的測距系統。

【關鍵詞】超聲波測距；ARM Cortex-M4；可編程增益；波束寬度

中圖分類號： TP368，TP319 文獻標識碼： 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研究的不斷深入，超聲波測距應用越來越普及。如今，超聲波測距在倒車雷達上應用隨處可見。倒車雷達是汽車泊車輔助系統，倒車雷達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]。

超聲波測距系統由超聲波傳感器、超聲波發送電路、超聲波接收電路和數字信號處理構成。本系統研究設計了一種大量程、可編程增益的測距系統。系統克服了傳統測距儀測距精度低、測距范圍小等缺點[2]。

1 系統硬件設計

本系統采用ARM Cortex-M4系列芯片作為系統的主控芯片，結合不同的功能模塊實現超聲波測距系統的設計。系統采用ARM作為主控，發射40kHz的脈沖信號，由于超聲波存在衰減現象，超聲波傳感器需要大的驅動功率，通過低邊驅動電路將發送信號放大用于驅動超聲波發送探頭。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行低噪聲放大整形濾波處理，并通過A/D轉換器轉換成數字信號，給主控芯片進行數字信號處理后獲得超聲波回波信號到達的時間[3]。由于超聲波傳輸速度受溫度影響，因此系統增加了溫度補償模塊。為了便于調試，系統還增加了D/A轉換器，用于讀取當前值。系統的硬件總體框架圖如圖1所示。

1.1 主控芯片

本系統選用的主控芯片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 超聲波發射電路

超聲波發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生衰減，對于遠距離的障礙物，在超聲波未達到障礙物時有可能已經衰減，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，無法達到驅動傳感器的要求，因此有必要提高超聲波發射功率。

超聲波發射電路主要包括兩個模塊：低邊驅動電路和中周功率放大電路。低邊驅動電路是由DRV8803構成的，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射功率[4]。

1.2.1 低邊驅動電路

低邊驅動是指通過在用電器或者驅動裝置后，通過閉合地線來實現驅動裝置使能。

DRV8803的工作電壓范圍為8.2V～60V，本系統中工作電壓為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為輸入復位端，高電平有效；nFAULT為輸出錯誤狀態端，當系統過壓、過流時，該引腳會輸出一個低電平信號。系統使用兩路輸入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，中頻信號經中頻變壓器進一步選取信號，然后通過下一級進行放大。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振蕩器對換能器進行阻抗匹配驅動。本系統中中周功率驅動電路如圖4所示。圖中OUTA、OUTB是低邊驅動電路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轉換器、溢出比較器構成[5]。

2 系統軟件設計

系統軟件是基于硬件基礎上設計的，通過對可編程硬件部分進行驅動設計，控制硬件部分的運作，從而實現系統的整體工作。由于本工程設計是基于ARM芯片為主控芯片進行開發設計的，所以驅動的編寫也是基于KEIL軟件實現。

本章主要介紹了系統軟件的整體工作方式和各可編程模塊驅動編寫。主要包括：驅動放大器DRV8803的驅動設計、放大器AD620驅動設計、數模轉換ADC模塊ADS7223驅動設計、用于測試的DAC模塊DAC7554驅動設計、LIN總線接收機TPIC1021驅動設計。

由于系統程序設計是基于ARM cortex-M4內核微控制器所決定并根據該控制器對各外設進行控制而構成的整體軟件設計布局。所以該系統的工作流程如下：主控和各功能外設在供電之后初始化，，通過主控的IO接口模擬PWM發送編碼好的序列值，該PWM輸出為正負互補的兩路輸出，在發送PWM波的同時會初始化并開啟定時器；從而觸發驅動放大器發送正弦波，通過中周模塊的穩頻后，驅動超聲波換能器發送中心頻率為40KHZ的超聲波。電路設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之內仍然沒有回波，則重新發送。若接收到了超聲波，返回波首先被收發一體的換能器接收，連續接收400us后停止接收并通過OP777的一級放大，以及AD620和AD5231構成可編程增益放大器的二級放大，之后經過ADC的數模轉換后，進入數字通路部分，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據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字信號是否符合標準。

當峰值到達的時間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。系統總體流程如圖5所示。

3 接收端信號處理

傳統的超聲波接收電路的接收端的濾波設計為阻容組合濾波，雖然成本低，易于實現，但是其陡峭性不好，且隨著時間的變化，其性能的穩定性受到了元器件老化的極大影響。所以相對于傳統的硬件濾波，軟件濾波則是基于DSP處理技術，由于軟件濾波是采用先將模擬信號數字化，然后再將得到的數字信號用濾波算法進行處理，這種處理方式可以得到精確的濾波器，進一步滿足了超聲波測距系統對于精確度的要求[7]。

本設計通過Matlab的FDAtool開發工具進行濾波器設計。由于接收端接收到超聲波的返回信號，經過ADS7223（ADC模塊）的采樣處理，得到數字信號，即數組陣列（采樣率為1MHZ），經過巴特沃思IIR數字帶通濾波器，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，為了避免包絡檢測的正負抵消，需要加入整流器部分，輸出經過峰值包絡提取器，得到所需的采樣信號的包絡。

4 結語

本文研制的超聲波測距系統，適用于倒車雷達的設計，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，測距的反應速度很快，延時很短，在每一秒內約可以執行50次的測距過程。這個在倒車雷達的應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定性。所以，本設計不僅對倒車系統的多探頭設計提供了基礎，同時為無人機市場的開拓創新打下基石。

【參考文獻】

[1]李啟虎.進入二十一世界的聲納技術[J].應用聲學，2002，21（1）：13-21.

[2]羅忠輝，黃世慶.提高超聲波測距精度的放大[J].機械設計與制造，2005，1：109.

[3]黨宏社.汽車巡航控制用傳感器[J].傳感器技術，2002，21（1）：1-3.

[4]楊勁松，王敏，黃心漢. 超聲波可變閉值測距裝置[J].電子應用技術，1998，7：7-9.

[5]嚴宏穗，宋進，陳敏賢. 超聲波測距在智能機器人開發中的應用[J]. 機電一體化，2001，5：31-34.

[6]馬大猷.現代聲學理論基礎[M].北京：科學出版社，2004.

[7]馮若主編.超聲手冊[M].南京， 南京大學出版社，1999.

[8]劉升平，王劍，葛紅. 超聲波測距系統的開發與研究[J]. 計算機工程與應用，2009，45（25）：78-81.