基于DSP的超聲波測距模塊標準化SCI接口設計

張 磊，董改花，賈利英，李海曹

(1.蘇州經貿職業技術學院，江蘇 蘇州 215009； 2.太原十六中，山西 太原 030021)

0 引言

超聲波傳感器測距計算簡單、成本低、能實時控制且不受周圍惡劣環境影響，在測量精度上完全能達到工業應用的要求。但是，目前大多數超聲波測距控制是用單片機作為微處理器進行測距，常用單片機51系列主頻僅有12 MHz，單片機采集數據速率不足以滿足一些上層對速度要求較高的先進控制系統，嚴重地影響了上層算法控制的實施。目前上層控制系統從下層測距模塊采集的數據值通常采用一些通用的性能比較好的標準化串口， 比如SCI串口、eCAN口、SPI接口[1]等。

由于DSP芯片其CPU主頻高達150 MHz，完全能夠滿足上層控制系統對數據采集速率的需求，本文選用了TI公司生產的TMS320F2812 DSP為微處理器，利用型號為HC-SR04的超聲波傳感器進行測距，對其進行SCI標準化接口設計。

1 總體設計方案

SCI(Serial Communication Interface，串口通信接口)[2]為一對一的全雙工異步通信，是具有接收與發送的異步串口。其中RS232是SCI串行通信的一種物理接口電氣標準，適合短距離(小于20 m)兩個設備間通信。超聲波傳感器測距模塊SCI標準化總體設計方案架構如圖1所示。

從圖1看出，超聲波測距電路作為傳感器輸入信號，經過微處理器TMS320F2812 DSP對信號處理之后，輸出適合SCI串口的通用標準信號，該信號通過USB轉RS232適配器傳到上位機。

2 測距原理

傳感器輸入選用超聲波傳感器HC-SR04，其控制原理簡單，測距范圍為20 mm～4 000 mm，測量范圍廣。在使用HC-SR04超聲波模塊來測量周圍障礙物距離時，將至少為10 μs的高電平施加在超聲波電路板的Trig腳，就會在反饋Echo引腳接收到一個高電平，其測量距離由下式計算[3]：

(1)

且

v=331.4+0.607T.

(2)

其中：L為超聲波到障礙物間的距離，m；t為超聲波發射與接收的時間差，s；v為超聲波在空氣中的傳播速度，m/s；T為測量時的實際溫度。

式(2)是聲波在空氣中傳播的速度對實際環境溫度的矯正值[4]，這里的t即為HC-SR04的Echo腳輸出高電平的時間長，只要程序測量出此時間長即可以求出傳感器與障礙物之間的距離，為避障控制采集到相應的距離數據。

圖1 超聲波測距模塊標準化SCI串口設計方案

3 超聲波測距標準化SCI接口設計

3.1 標準化SCI接口硬件電路設計

SCI標準化硬件電路接線圖見圖2。本系統采用了超聲波傳感器HC-SR04，TMS320F2812 DSP芯片的通用IO口GPIOA0輸出至少10 μs脈沖信號給Trig引腳，反饋引腳Echo收到一個高電平，將此高電平輸出給DSP芯片通用IO口GPIOF0進行計時。GPIOA0口為功能引腳PWM1，GPIOF0口為功能引腳SPISIMOA，將其功能口均更改設置為普通IO口，GPIOA0口為輸出，GPIOF0口為輸入。

RS232線路驅動收發器MAX3232是3.3 V電源的一個多通道收發器，其連接線路簡單、可靠性高，故而受到大家的青睞。由于是SCI接口標準化設計，必須使用DSP芯片GPIO功能引腳SCIRXDA和SCITXDA，此引腳分別為GPIOF4與GPIOF5。SCITXDA與SCIRXDA分別接MAX3232的T1IN腳和R1OUT腳，MAX3232的T1OUT和R1IN分別接RS232串口的對應引腳RX和TX。

圖2 超聲波傳感器控制模塊SCI標準化硬件電路

本模塊設計將障礙物距離通過SCI的一種RS232電氣標準串口USB轉RS232適配器傳到上位機，同時用四位七段數碼管顯示。

3.2 標準化SCI接口軟件設計

SCI標準化軟件設計主要步驟如下：

(1) 配置GPIO端口初始化。SCI標準化將所有使用的通用GPIO口進行初始化，改變其功能及初始值。具體初始化思路見圖3。

(2) SCI波特率的配置。本論文選用的是SCIA模塊，對其進行初始化，采用SCI通信的數據格式為8位數據位、1位停止位、無極性校驗，波特率為19 200

Baud，SCIHBAUD為0，SCILBAUD為0xF3，同時使能SCIA發送和接收。

(3) SCI模塊發送和接收。當SCI模塊接收緩沖器SCIRXBUF內有數據時，其標志位RXRDY為高，當數據被讀走后，RXRDY自動清零。同理，當發送緩沖器SCITXBUF為空時，其標志位TXRDY為高，當CPU將數據寫入SCITXBUF后，TXRDY自動清零。通過查詢SCIRXST寄存器的RXRDY標志位來確認接收準備是否就緒，查詢SCICTL2寄存器的TXRDY標志位來確認發送準備是否就緒。

(4) 超聲波測距主程序。根據超聲波測距原理，本超聲波傳感器控制模塊采用TMS320F2812 DSP芯片內定時器T0中斷進行處理。定時T0中斷時，主要負責發送觸發傳感器HC-SR04工作的脈沖，接收反饋電平并計算其電平持續的時間長度。通過式(1)和式(2)計算超聲波到障礙物的距離，將距離值通過四位七段數碼管顯示。發送數據主要程序如下：

if((SciaTx_Ready() == 1))

{SciaRegs.SCITXBUF = Sci_VarRx[1];

while(!SciaTx_Ready()) {}

SciaRegs.SCITXBUF = Sci_VarRx[2]; }

3.3 試驗結果

為驗證超聲波控制模塊SCI標準化接口的實際測距能力，利用TMS320F2812 DSP開發板進行編程調試，利用該開發板SCI標準化接口，通過USB轉RS232與SCI標準串口連接，將實測距離值上傳到上位機。在試驗中人為設置障礙物的距離，圖4中四位數碼管顯示此時障礙物的實際測量距離為310 mm。

圖5為上傳到上位機上的障礙物距離值，顯示出的結果為311 mm，同時系統自動將其轉為十六進制數據，311 mm轉成十六進制數為137 H。

圖3 SCI標準化GPIO初始化思路圖4超聲波SCI標準化模塊測距圖5上位機現場數據采集

由于本超聲波傳感器控制SCI接口模塊在測量過程中受到周圍環境的噪聲干擾，因此實際測量值與上位機數據采集之間存在一定的誤差，相對誤差為0.3%，完全滿足實際應用要求。測距時要求不能帶電連接，否則影響超聲波電路板的正常工作。

4 結語

本文以高頻處理器TMS320F2812 DSP為核心，對通用超聲波傳感器電路HC-SR04進行SCI標準化接口設計，經試驗驗證與上位機通信系統可靠、功耗低、抗干擾能力強，方便上位機進行數據實時采集。