基于μC/OS-Ⅱ和ARM處理器的高精度超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 引言

超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而用于距離測量。利用超聲波檢測往往較迅速、方便、計(jì)算簡單、易于實(shí)時(shí)控制，且測量精度能達(dá)到工業(yè)實(shí)用要求，因此在移動(dòng)機(jī)器人的研制中得到廣泛應(yīng)用。移動(dòng)機(jī)器人要在未知和不確定環(huán)境下運(yùn)行，必須具備自動(dòng)導(dǎo)航和避障功能。超聲波傳感器以其信息處理簡單、速度快和價(jià)格低的特點(diǎn)廣泛用作移動(dòng)機(jī)器人的測距傳感器，實(shí)現(xiàn)避障、定位、環(huán)境建模和導(dǎo)航等功能。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

2．1 超聲波測距原理

2．1．1 超聲波發(fā)生器

超聲波為直線傳播方式，頻率高，反射能力強(qiáng)?？諝庵衅鋫鞑ニ俣葹?40 m／s，容易控制，受環(huán)境影響小。因此采用超生波傳感器作為距離探測的“眼睛”，可用于測距領(lǐng)域的超聲波頻率為20～400 kHz的頻段，空氣介質(zhì)中常用為40 kHz。

2．1．2 壓電式超聲波發(fā)生器原理

壓電式超聲波發(fā)生器實(shí)際上利用壓電晶體的諧振工作。超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)有2個(gè)壓電晶片和1個(gè)共振板。當(dāng)它的兩電極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電品片振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)就成為超聲波接收器。

2．1．3 超聲波測距原理

超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，碰到障礙物就立即返回。超聲波接收器收到反射波立即停止計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中的傳播速度為340 m／s。系統(tǒng)中，超聲波測距采用檢測超聲波往返時(shí)間的方法。由于時(shí)間長度與聲音通過的距離成正比，當(dāng)超聲波發(fā)射極發(fā)出一個(gè)短暫的脈沖波時(shí)，計(jì)時(shí)開始；當(dāng)超聲波接收端接收到第1個(gè)返回波脈沖后，計(jì)時(shí)立即停止。根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，可計(jì)算發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離(s)，即：s=340t／2。這就是所謂的時(shí)間差測距法。

2．2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用μC／OS-lI操作系統(tǒng)，系統(tǒng)將軟件劃分為4個(gè)功能模塊：回波A/D采集模塊， LED顯示和按鍵處理模塊，LCD顯示模塊，報(bào)警、存儲(chǔ)及串口處理模塊。其中，回波A/D采集模塊用于采樣，保存實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；LED顯示和按鍵處理模塊用于處理采樣數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換成有實(shí)際意義的參數(shù)：LCD顯示模塊是將各種參數(shù)在LED顯示；而報(bào)警、存儲(chǔ)及串口處理模塊主要是實(shí)時(shí)處理相應(yīng)數(shù)據(jù)。圖1為系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體框圖。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3．1 LPC2138微控制器簡介

LPC2138內(nèi)嵌512 KB的高速Flash存儲(chǔ)器和32 KB的RAM，具有豐富的外設(shè)資源：2個(gè)32位定時(shí)器(帶捕獲、比較通道)，2個(gè)10位8路A／D轉(zhuǎn)換器，1個(gè)10位D／A轉(zhuǎn)換器，PWM通道，47路 GPIO，9個(gè)邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷，具有獨(dú)立電源和時(shí)鐘的RTC，多個(gè)串行接口(UART、I2C、SPI、SSP)。它內(nèi)含向量中斷控制器，可配置中斷優(yōu)先級(jí)和向量地址．片內(nèi)Boot裝載程序可實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)應(yīng)用編程(ISP／IAP)，通過片內(nèi)PLL可實(shí)現(xiàn)60 MHz的CPU操作頻率，具有空閑和掉電2種低功耗模式，并可通過外部中斷喚醒，圖2為LPC2138的整體結(jié)構(gòu)圖。

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3．2 超聲波發(fā)射電路

超聲波發(fā)射電路是南超聲波發(fā)射器T和PWM產(chǎn)生的40 kHz頻率信號(hào)、驅(qū)動(dòng)(或激勵(lì))電路等組成。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用ARM中的PWM模塊產(chǎn)生高精度的40 kHz的頻率信號(hào)，然后通過南74HC00等組成的驅(qū)動(dòng)電路，最后將發(fā)射信號(hào)送到超聲波發(fā)射器T。對(duì)于放射探頭T，選用發(fā)射頻率為40kHz的一種，該類型現(xiàn)在應(yīng)用較普遍，電路也簡單，只需給發(fā)射端40 kHz的脈沖，發(fā)射探頭即不斷發(fā)送超聲波。具體硬件電路如圖3所示。

其中超聲波發(fā)射和接收采用φ15的超聲波換能器TCT40-10F1(T發(fā)射)和TCT40-10S1(R接收)，其中心頻率為40 kHz，安裝時(shí)應(yīng)保持兩換能器中心軸線平行并相距4~8 cm。

若將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來，則可提高抗干擾能力。根據(jù)不同測量范圍要求，可適當(dāng)調(diào)整與接收換能器并聯(lián)的濾波電容器C4，以獲得合適的接收靈敏度和抗干擾能力。

3．3 超聲波接收電路

超聲波接收電路由以MC3403為核心的三級(jí)濾波放大電路和二極管的倍壓穩(wěn)流電路等組成。處理好的回波信號(hào)被送到ARM的A／D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行A／D采樣，從而觸發(fā)得到返回的時(shí)間。德州儀器公司的MC3403的具體引腳配置如圖4所示。超聲波接收電路如圖5所示。

5 測量結(jié)果

該系統(tǒng)經(jīng)過反復(fù)調(diào)試后進(jìn)行測試，測量范圍為0．1~4．5m，測量精度為1cm,測量誤差保持在4 cm以下，因此系統(tǒng)性能比較良好。其測試數(shù)據(jù)如表1所示。

6 結(jié)束語

基于ARM和μC／OS—II的超聲波測距系統(tǒng)利用LCD顯示，電路簡單，顯示界面友好，通訊能力強(qiáng)，可擴(kuò)展性好，具有良好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。該系統(tǒng)可運(yùn)用于機(jī)器人智能行走和導(dǎo)航，在汽車電子行業(yè)也有一定的應(yīng)用領(lǐng)域．可配合其他模塊實(shí)現(xiàn)多功能測量,同時(shí)在顯示輸入上可擴(kuò)展觸摸屏功能。