一種34位MCU超聲相控陣導(dǎo)盲系統(tǒng)設(shè)計
引言
根據(jù)世界衛(wèi)生組織公布的數(shù)據(jù),全世界目前有3 000多萬人目盲,其中約有18%是中國人。針對盲人行動不便的情況,本文介紹了一種基于超聲相控陣的盲人避障系統(tǒng)。
本文綜合超聲波的導(dǎo)盲設(shè)計,采用超聲相控陣技術(shù)對障礙物進行探測,核心控制器件STM32為ST公司推出的基于CORTEX內(nèi)核的32位MCU,具有豐富的外設(shè)和強大的數(shù)據(jù)處理能力。通過它對外圍電路的控制,及其強大的信號處理能力,實瑰障礙物的探測以及環(huán)境的判斷。
1 系統(tǒng)組成及原理
本設(shè)計是利用意法半導(dǎo)體有限公司推出的基于CORTEX 內(nèi)核的高性能 32 位 MCU,STM32F103RBT6為核心硬件。多個超聲探頭按照一定規(guī)則組成的超聲相控陣,通過芯片與探頭及外圍電路共同組成的信號發(fā)送與識別系統(tǒng)完成導(dǎo)盲避障功能。系統(tǒng)工作原理方框示意圖如圖1所示。
系統(tǒng)采用超聲相控陣以多發(fā)一收的形式完成障礙探測。具體方案如下:超聲信號的工作頻率是40 kHz,首先STM32F103RBT6 MCU產(chǎn)生40 kHz的方波信號,工作時各個探頭按照預(yù)定的延遲時間依次發(fā)送5個周期的方波信號。根據(jù)不同的延時時間,超聲相控陣發(fā)出的信號能夠在前方9個點實現(xiàn)不同情況的聚焦。這9個點分布于超聲相控陣前方的左、中、右3個方向上,每個方向有上、中、下3個點。其中左右以及上下方向的偏轉(zhuǎn)角度設(shè)為30°。聚焦深度為1.5 m。信號從發(fā)射到在聚焦點返回,所需時間約為8.8 ms。所以發(fā)送完信號后經(jīng)過8 ms的延遲,打開接收通道的開關(guān),開始接收回波信號。由于回波比較微弱,所以先將信號進行放大,將其放大為單片機能夠識別的信號。經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后進行存儲,之后進行相關(guān)的信號分析與處理工作,從而實現(xiàn)相控陣掃描。
2 超聲相控陣的介紹
超聲相控陣換能器由多個相互獨立的壓電晶片組成陣列,按照一定的規(guī)則和時序用電子系統(tǒng)控制激發(fā)各個晶片單元,來調(diào)整焦點的位置和聚焦的方向。相控陣換能器最顯著的特點是可以靈活、便捷而有效地控制聲束形狀和聲壓分布。其聲束角度、焦柱位置、焦點尺寸及位置在一定范圍內(nèi)連續(xù)、動態(tài)可調(diào)。無需聲透鏡便可實現(xiàn)聲束聚焦,從而可以靈活有效地控制聲束,實現(xiàn)區(qū)域掃描探測;相控陣技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)理想的聲束聚焦;采用同樣幅度的電壓驅(qū)動每個陣元,聚焦區(qū)域的實際聲場強度遠(yuǎn)大于常規(guī)的超聲波技術(shù);在分辨力、信噪比、障礙檢出率等方面有明顯的優(yōu)越性。