一種高精度超聲波多路同步測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引言
    超聲波測(cè)距作為一種非接觸性的檢測(cè)方法，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、可靠性高、價(jià)格低廉、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，如液位測(cè)量，修路過(guò)程中路面平整檢測(cè)，汽車倒車?yán)走_(dá)，機(jī)器人輔助視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)等。但因超聲波在空氣中傳播時(shí)受到諸如環(huán)境溫度、濕度、風(fēng)速等影響，傳統(tǒng)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)精度普遍較低。文獻(xiàn)[4]采用了在系統(tǒng)中增加硬件溫度補(bǔ)償模塊僅在一定程度上可以避免因環(huán)境溫度變化帶來(lái)的測(cè)量誤差。文獻(xiàn)[5，6]中采用小波等處理算法，也并不能彌補(bǔ)系統(tǒng)本質(zhì)上的缺陷。因此，研究了一種控制精度高，適用范圍寬的高精度多路同步超聲波測(cè)距系統(tǒng)。

1 超聲波測(cè)距工作原理與結(jié)構(gòu)
1．1 工作原理
    諧振頻率高于20 kHz的聲波被稱為超聲波。超聲波測(cè)距的基本工作原理是：發(fā)射探頭發(fā)出超聲波，在介質(zhì)中傳播遇到障礙物反射后再通過(guò)介質(zhì)返回到接收探頭，測(cè)出超聲波從發(fā)射到接收所需的時(shí)間，然后根據(jù)介質(zhì)中的聲速，利用公式S=0．5ct就能算得從探頭到障礙物的距離，式中：S為所測(cè)的距離，c為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度．￡為超聲波從發(fā)到收所經(jīng)過(guò)的時(shí)間。
1．2 超聲波測(cè)距系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)
    一般情況下，超聲波測(cè)距系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    系統(tǒng)常采用頻率為40 kHz的方波信號(hào)由單片機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生。為了避免溫度對(duì)聲波傳播速度的影響，都采用溫度補(bǔ)償以適應(yīng)在不同環(huán)境下正常工作的需求。時(shí)間的精確測(cè)量可由單片機(jī)內(nèi)部單獨(dú)的計(jì)數(shù)器完成，也可由外部的計(jì)時(shí)電路完成。

2 多路同步超聲波測(cè)距系統(tǒng)
    系統(tǒng)由單片機(jī)、FPGA模塊、6對(duì)收發(fā)同體的超聲波換能器、功率放大電路、回波高增益放大電路、帶通濾波電路以及比較整形電路等組成。系統(tǒng)組成框圖如圖2。

    本系統(tǒng)中。單片機(jī)系統(tǒng)與FPGA系統(tǒng)是測(cè)距儀的核心部件，用來(lái)協(xié)調(diào)各部分元件工作。單片機(jī)控制器單元主要是啟動(dòng)超聲波發(fā)射與計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)的同步以及接收到回波后對(duì)其計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器的值進(jìn)行處理等運(yùn)算。FPGA單元主要用來(lái)產(chǎn)生超聲波的發(fā)射脈沖頻率125 kHz與計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器的頻率(>170 kHz)，通過(guò)微控制器MCU來(lái)啟動(dòng)超聲波的發(fā)射，F(xiàn)PGA發(fā)射一定數(shù)量(這里選擇8至10)的脈沖串之后，停止發(fā)射同時(shí)啟動(dòng)計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，超聲波途經(jīng)障礙物返回。當(dāng)超聲波換能器接收到回波信號(hào)之后，將其信號(hào)送入FPGA內(nèi)部，用來(lái)控制計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器的停止，將所得的計(jì)數(shù)值送入單片機(jī)。第一路到第五路超聲波換能器用于測(cè)量距離，測(cè)量距離的五路超聲波換能器按等間距分別安裝在測(cè)距儀的固定板上，系統(tǒng)采用收發(fā)同體的探頭，其波束角很小，有效的保證了各探頭到被測(cè)物體的垂直測(cè)量距離。第六路超聲波換能器安裝在測(cè)距儀的左側(cè)，在測(cè)距儀的右側(cè)安裝一塊標(biāo)準(zhǔn)檔板，較準(zhǔn)確的測(cè)量當(dāng)時(shí)環(huán)境下的聲速，用于溫度補(bǔ)償?？刂苹蝻@示模塊用于調(diào)整平衡或輸出顯示測(cè)量距離的目的。
2．1 發(fā)射電路
    發(fā)射電路如圖3(a)所示。發(fā)射電路將接收到的方波脈沖信號(hào)送入乙類推挽放大電路，用其輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)CMOS管，接著將其脈沖信號(hào)加到高頻脈沖變壓器進(jìn)行功率放大，使幅值增加到100多伏，最后將放大的脈沖方波信號(hào)加到超聲波換能器上產(chǎn)生頻率為125 kHz的超聲波并將其發(fā)射出去。
2．2 接收電路
    接收電路由OP37構(gòu)成的兩級(jí)運(yùn)放電路，TL082構(gòu)成的二階帶通濾波電路以及LM393構(gòu)成的比較電路三部分組成。因本系統(tǒng)頻率較高，回波信號(hào)非常弱，為毫伏級(jí)，因此設(shè)計(jì)成兩級(jí)放大電路，第一級(jí)放大100倍，第二級(jí)放大50倍，共放大5 000倍左右。

    另外考慮到本系統(tǒng)要適應(yīng)各種復(fù)雜的工作環(huán)境，因此設(shè)計(jì)了由TL082構(gòu)成的高精度帶通濾波電路，以供回波信號(hào)放大后進(jìn)行進(jìn)一步濾波，將濾波后的信號(hào)輸入到LM393構(gòu)成的比較器反相輸入端，與基準(zhǔn)電壓相比較，并且對(duì)其比較輸出電壓進(jìn)行限幅，將其電壓接至D觸發(fā)器，比較器將經(jīng)過(guò)放大后的交流信號(hào)整形出方波信號(hào)，將其接至FPGA，啟動(dòng)接收模塊計(jì)數(shù)，達(dá)到脈沖串設(shè)定值時(shí)，關(guān)閉計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。
2．3 FPGA內(nèi)部各組成模塊設(shè)計(jì)
    FPGA主要實(shí)現(xiàn)125 kHz的超聲波的發(fā)射與接收以及六路超聲波從發(fā)射到接收之間時(shí)間的測(cè)量。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。

    FPGA主要由發(fā)射模塊、順序執(zhí)行計(jì)數(shù)器、數(shù)據(jù)選擇器、計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器與接收模塊五部分組成。其中：發(fā)射模塊完成脈沖串的發(fā)射與計(jì)數(shù)器的啟動(dòng)，主要由96分頻器、發(fā)射脈沖串計(jì)數(shù)器和發(fā)射脈沖串的控制器三部分組成。順序執(zhí)行計(jì)數(shù)器模塊主要由六與非門、計(jì)數(shù)器和非門組成。
    所有的接收模塊接收完數(shù)據(jù)后，通過(guò)與非門及非門輸出高電平(FINISH端口)，以觸發(fā)單片機(jī)使單片機(jī)處于接收數(shù)據(jù)狀態(tài)，單片機(jī)發(fā)出信號(hào)使順序執(zhí)行計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值每次加1，輸出端口便是相應(yīng)的計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器，單片機(jī)便從相應(yīng)的計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器中讀取計(jì)數(shù)值。數(shù)據(jù)選擇器與順序執(zhí)行計(jì)數(shù)器完成計(jì)數(shù)值數(shù)據(jù)的讀取。
    計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器模塊主要完成測(cè)量脈沖發(fā)出去到接收到的時(shí)間間隔和脈沖的計(jì)數(shù)，主要由啟動(dòng)與關(guān)閉計(jì)數(shù)器控制、12分頻器、16位計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器、二選一數(shù)據(jù)選擇器及8位數(shù)據(jù)鎖存器組成(見(jiàn)圖5)。接收模塊主要接收回波信號(hào)和關(guān)閉計(jì)數(shù)器，當(dāng)接收模塊接收到信號(hào)以后，便啟動(dòng)計(jì)數(shù)，達(dá)到計(jì)數(shù)值，就輸出高電平，用來(lái)關(guān)閉計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。為防止信號(hào)串?dāng)_，在信號(hào)發(fā)射時(shí)，CUAN端輸入高電平，對(duì)其信號(hào)進(jìn)行屏蔽。

3 結(jié)果
    經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室調(diào)試，本文給出的基于單片機(jī)與FPGA相結(jié)合的多路同步超聲波測(cè)距系統(tǒng)與其它系統(tǒng)具有如下優(yōu)勢(shì)：
    (1)抗環(huán)境影響因素能力強(qiáng)。在工作環(huán)境中，對(duì)聲速影響的因素很多。如溫度、風(fēng)力，濕度等，系統(tǒng)利用安裝標(biāo)準(zhǔn)校正板的方法能精確測(cè)量當(dāng)時(shí)環(huán)境下的聲速，可以避免因各種環(huán)境因素的變化而造成的誤差。
    (2)采用125 kHz的頻率，同時(shí)采用多路超聲波精確同步測(cè)距。保證了系統(tǒng)的測(cè)量精度。
    (3)采用FPGA與AT89C51結(jié)合的方案，由FPGA來(lái)完成多路超聲波傳播時(shí)間的精確測(cè)量，AT89C51完成信號(hào)的啟動(dòng)以及數(shù)據(jù)的處理。與常規(guī)系統(tǒng)相比，雖然增加了FP-GA硬件，但是系統(tǒng)也舍棄了一些系統(tǒng)所采用的溫度補(bǔ)償模塊，大大提高了系統(tǒng)的精度和系統(tǒng)的靈活性。