當(dāng)前位置:首頁(yè) > 嵌入式 > 嵌入式硬件


可精確測(cè)距的低成本超聲子系統(tǒng)

超聲測(cè)距原理


超聲傳感器電路比較簡(jiǎn)單,在系統(tǒng)中負(fù)責(zé)發(fā)送超聲脈沖流,然后采集回波信號(hào)。器件發(fā)出的脈沖信號(hào)在空氣中傳輸,直到碰到一個(gè)目標(biāo)物體并在此處產(chǎn)生反射回波。超聲傳感器通過(guò)檢測(cè)這些回波,并計(jì)算出發(fā)射脈沖與接收脈沖之間的時(shí)間差,從而確定脈沖波形的傳輸距離。發(fā)射脈沖的頻率范圍為40~200kHz,多數(shù)情況下使用40~50kHz頻率范圍的脈沖。


用于發(fā)射脈沖信號(hào)并檢測(cè)回波信號(hào)的硬件電路稱為超聲傳感器。有兩種類型的超聲傳感器:靜電超聲傳感器和壓電超聲傳感器。靜電型類似于一個(gè)電容器,由固定極板和移動(dòng)極板組成。固定極板通常采用鋁,移動(dòng)極板則采用帶有一層較薄鍍金層的聚酰亞胺。聚酰亞胺的作用類似于一個(gè)絕緣層,當(dāng)信號(hào)(典型頻率為50kHz)作用在兩個(gè)極板時(shí),金箔被吸向背板,產(chǎn)生超聲突發(fā)信號(hào)。


壓電型是利用壓電效應(yīng)產(chǎn)生并測(cè)量超聲脈沖。傳感器將晶體或陶瓷材料黏接在金屬殼或椎體上,發(fā)射脈沖時(shí),信號(hào)(通常為40kHz)激勵(lì)晶體,使壓電材料擴(kuò)張或收縮,從而產(chǎn)生超聲突發(fā)信號(hào)?;夭ㄐ盘?hào)將使壓電材料震動(dòng),產(chǎn)生信號(hào)輸出。

計(jì)算距離


距離計(jì)算非常簡(jiǎn)單,對(duì)于一個(gè)理想系統(tǒng),一旦脈沖發(fā)射并檢測(cè)到回波后,即可利用下式計(jì)算距離。
距離=(傳輸時(shí)間×聲速)/2


但是,實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)需要考慮延時(shí)偏差(零距離下系統(tǒng)的響應(yīng)延時(shí)),上述公式修改為:
距離=((傳輸時(shí)間–系統(tǒng)延時(shí)偏差)×聲速)/2


對(duì)應(yīng)于空氣溫度(Ta)的聲速(C)可以按照下式計(jì)算,單位為m/s。
C=331+0.606×Ta


另外,還需要考慮溫度的測(cè)量精度。


步程計(jì)設(shè)計(jì)


為了構(gòu)建一個(gè)類似于步程計(jì)的便攜系統(tǒng),可以選擇MAXQ610等低功耗微控制器,以節(jié)省計(jì)算功耗——其工作在12MIPS時(shí)電流只有3.75mA——停止模式下僅消耗200nA電流。控制器能夠工作在較寬的電壓范圍(1.7~3.6V),可在較長(zhǎng)的電池放電過(guò)程中支持系統(tǒng)供電(見圖1)。

圖1 用類似于MAXQ610的微控制器構(gòu)建的系統(tǒng)


微控制器和輔助電路用于完成發(fā)送、接收超聲脈沖的主要功能,脈沖發(fā)生器提供載頻等于傳感器諧振頻率的突發(fā)式超聲脈沖,回波檢測(cè)電路用于檢測(cè)反射信號(hào)。


許多應(yīng)用中,發(fā)射和接收電路位于同一電路板,共用同一傳感器。這種情況下,微控制器可以產(chǎn)生突發(fā)信號(hào)并處理接收到的回波。而在步程計(jì)中,發(fā)射器安裝在一只腳上,接收器則安裝在另一只腳上。這種情況下,需要單獨(dú)提供產(chǎn)生突發(fā)脈沖的電路,而微控制器將處理收到的發(fā)射信號(hào)并計(jì)算距離。獨(dú)立的發(fā)射電路利用555定時(shí)器即可實(shí)現(xiàn),隨后將詳細(xì)介紹這部分電路。首先討論微控制器是如何產(chǎn)生脈沖信號(hào)。

產(chǎn)生超聲脈沖


利用微控制器的紅外(IR)定時(shí)器可以產(chǎn)生超聲脈沖信號(hào)。定時(shí)器可以方便地編程脈沖頻率和持續(xù)時(shí)間(見圖2)。紅外時(shí)鐘(IRCK)頻率等于fSYS/2IRDIV[1:0]。其中,IRDIV[1:0]可以設(shè)置成1、2、4或8,IRCAH字節(jié)定義載波的高電平時(shí)間(按照IR輸入時(shí)鐘周期數(shù)定義),而IRCAL字節(jié)定義載波的低電平時(shí)間。

圖2 MAXQ610微控制器內(nèi)部的紅外模塊定時(shí)器


IRTXPOL定義開啟/空閑狀態(tài)和IRTX引腳的載波極性,IRDATA決定是否在下一個(gè)IRMT載波周期將載波發(fā)生器輸出送至IRTX引腳。IRDATA=1時(shí),載波在下一個(gè)IRMT周期輸出到IRTX引腳;IRDATA=0,IRTX引腳在下一個(gè)IRMT周期為空閑狀態(tài)。


在本例的開始,設(shè)置IRDATA=0使能IR定時(shí)器,載波時(shí)鐘不會(huì)出現(xiàn)在IRTX引腳。當(dāng)IRV寄存器倒計(jì)數(shù)使IRV達(dá)到0時(shí),設(shè)置IRDATA=1使載頻信號(hào)在下一載波時(shí)鐘輸出到IRTX引腳。同時(shí),IRV寄存器重新裝載IRMT的數(shù)值。


在步程計(jì)設(shè)計(jì)中,突發(fā)脈沖發(fā)生器位于發(fā)送傳感器中,可以利用555定時(shí)器實(shí)現(xiàn)該功能。由555定時(shí)器構(gòu)成簡(jiǎn)單的振蕩器,振蕩頻率為40kHz,占空比為50%(見圖3)。選擇40kHz頻率的主要原因是傳感器在該頻率處增益最大。555定時(shí)器輸出與超聲傳感器連接在一起。

圖3 一種基于555定時(shí)器、簡(jiǎn)單的突發(fā)模式超聲發(fā)生器

處理接收到的回波信號(hào)


處理超聲接收脈沖的接收器結(jié)構(gòu)如圖4所示,可按照下列計(jì)算步驟確定元件值。

圖4 脈沖接收器結(jié)構(gòu)


1 確定增益,保證接收傳感器在指定發(fā)送傳感器和接收器條件下能夠提供足夠的信號(hào)擺幅。本例中,采用1000倍增益。


2 利用兩極運(yùn)算放大器提供1000倍的增益,采用反相放大器以獲得較好的共模性能:


① 偏置電壓由同相放大器設(shè)置。


② 建立偏置電壓允許接收傳感器交流耦合至放大器,同時(shí)提供高通濾波。放大器還具有可調(diào)節(jié)的輸入阻抗,以便從傳感器獲得最大功率(傳感器的數(shù)據(jù)手冊(cè)通常提供相應(yīng)參數(shù))。


第1級(jí)(OP1)增益設(shè)置為100,經(jīng)過(guò)第1級(jí)放大之后的噪聲電平必須控制在可接受的范圍內(nèi)。


3 利用MAX4329中的另一路運(yùn)放構(gòu)建第2級(jí)反相放大器,由于第1級(jí)放大器和第2級(jí)放大器之間具有相同的直流偏置電平,兩極之間不需要交流耦合。放大器配置為反相放大時(shí)會(huì)拾取高頻噪聲,因此第2級(jí)放大器可以配置成低通濾波器,從而使兩級(jí)放大器共同構(gòu)成一個(gè)1階帶通濾波器。


4 第2級(jí)放大器輸出信號(hào)必須足夠大,送入施密特觸發(fā)器后轉(zhuǎn)換成40kHz的方波信號(hào)。也可以利用MAX4329的第3個(gè)運(yùn)算放大器構(gòu)建施密特觸發(fā)器,施密特觸發(fā)器的滯回電壓由下式計(jì)算。


滯回電壓=VccR7/(R7+R8)=160mV,Vcc=6V。


5 直流偏置電壓設(shè)置為Vcc/2,電池放電時(shí)可以跟蹤電池電壓,始終保持最大動(dòng)態(tài)范圍,通過(guò)電阻分壓器得到該電壓。選擇電阻時(shí)需要注意,過(guò)小的電阻會(huì)導(dǎo)致靜態(tài)電流過(guò)大,很快將電池能量耗盡;電阻過(guò)大時(shí),會(huì)引入較大噪聲。但熱噪聲可以通過(guò)陶瓷旁路電容C3濾出,連接在電阻分壓器之后的運(yùn)算放大器OP4為偏置電壓提供一個(gè)低阻節(jié)點(diǎn)并滿足施密特觸發(fā)器的工作電流要求。

回波檢測(cè)與距離計(jì)算


一旦捕獲到回波信號(hào),微控制器可以檢測(cè)脈沖信號(hào)并根據(jù)延時(shí)計(jì)算距離。檢測(cè)脈沖時(shí),定時(shí)器B處于捕獲模式(見圖5)。

圖5 微控制器中的定時(shí)器B


將EXENB設(shè)置為1使能定時(shí)器的捕獲功能,超聲接收機(jī)的輸出應(yīng)該送入定時(shí)器的TBB引腳,利用TBPS[2:0]位設(shè)置定時(shí)器的時(shí)鐘頻率。第一次IR中斷使能定時(shí)器,TBB引腳從1到0的跳變使定時(shí)器B的計(jì)數(shù)值(TBV)傳輸?shù)讲东@寄存器(TBR)并置位EXFB標(biāo)志。如果使能,EXFB標(biāo)志置位還可以產(chǎn)生一次中斷。


TBR寄存器的數(shù)值包含了發(fā)射脈沖與接收脈沖之間所經(jīng)歷的定時(shí)器時(shí)鐘數(shù),根據(jù)時(shí)鐘周期即可計(jì)算出歷時(shí)時(shí)間。這個(gè)延遲時(shí)間內(nèi)還包括了系統(tǒng)的延遲時(shí)間,計(jì)算發(fā)送與接收傳感器之間的距離時(shí)需要考慮這一因素。

傳感器應(yīng)用電路


系統(tǒng)中可以使用兩種類型的傳感器配置,具體選擇取決于物理架構(gòu)。

圖6(a)使用獨(dú)立的TX和RX傳感器

圖6(b)單傳感器系統(tǒng)中


采用獨(dú)立的TX、RX傳感器時(shí),微控制器的IR驅(qū)動(dòng)器連接到一個(gè)外部放大器,用于驅(qū)動(dòng)超聲TX。接收端,RX的超聲信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)(通過(guò)放大器和比較器實(shí)現(xiàn)),然后將該信號(hào)送到微控制器的16位定時(shí)器輸入端(見圖6a)。共用同一傳感器時(shí),利用變壓器提高輸出信號(hào)的幅度(見圖6b)。

本站聲明: 本文章由作者或相關(guān)機(jī)構(gòu)授權(quán)發(fā)布,目的在于傳遞更多信息,并不代表本站贊同其觀點(diǎn),本站亦不保證或承諾內(nèi)容真實(shí)性等。需要轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系該專欄作者,如若文章內(nèi)容侵犯您的權(quán)益,請(qǐng)及時(shí)聯(lián)系本站刪除。
換一批
延伸閱讀

9月2日消息,不造車的華為或?qū)⒋呱龈蟮莫?dú)角獸公司,隨著阿維塔和賽力斯的入局,華為引望愈發(fā)顯得引人矚目。

關(guān)鍵字: 阿維塔 塞力斯 華為

倫敦2024年8月29日 /美通社/ -- 英國(guó)汽車技術(shù)公司SODA.Auto推出其旗艦產(chǎn)品SODA V,這是全球首款涵蓋汽車工程師從創(chuàng)意到認(rèn)證的所有需求的工具,可用于創(chuàng)建軟件定義汽車。 SODA V工具的開發(fā)耗時(shí)1.5...

關(guān)鍵字: 汽車 人工智能 智能驅(qū)動(dòng) BSP

北京2024年8月28日 /美通社/ -- 越來(lái)越多用戶希望企業(yè)業(yè)務(wù)能7×24不間斷運(yùn)行,同時(shí)企業(yè)卻面臨越來(lái)越多業(yè)務(wù)中斷的風(fēng)險(xiǎn),如企業(yè)系統(tǒng)復(fù)雜性的增加,頻繁的功能更新和發(fā)布等。如何確保業(yè)務(wù)連續(xù)性,提升韌性,成...

關(guān)鍵字: 亞馬遜 解密 控制平面 BSP

8月30日消息,據(jù)媒體報(bào)道,騰訊和網(wǎng)易近期正在縮減他們對(duì)日本游戲市場(chǎng)的投資。

關(guān)鍵字: 騰訊 編碼器 CPU

8月28日消息,今天上午,2024中國(guó)國(guó)際大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)博覽會(huì)開幕式在貴陽(yáng)舉行,華為董事、質(zhì)量流程IT總裁陶景文發(fā)表了演講。

關(guān)鍵字: 華為 12nm EDA 半導(dǎo)體

8月28日消息,在2024中國(guó)國(guó)際大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)博覽會(huì)上,華為常務(wù)董事、華為云CEO張平安發(fā)表演講稱,數(shù)字世界的話語(yǔ)權(quán)最終是由生態(tài)的繁榮決定的。

關(guān)鍵字: 華為 12nm 手機(jī) 衛(wèi)星通信

要點(diǎn): 有效應(yīng)對(duì)環(huán)境變化,經(jīng)營(yíng)業(yè)績(jī)穩(wěn)中有升 落實(shí)提質(zhì)增效舉措,毛利潤(rùn)率延續(xù)升勢(shì) 戰(zhàn)略布局成效顯著,戰(zhàn)新業(yè)務(wù)引領(lǐng)增長(zhǎng) 以科技創(chuàng)新為引領(lǐng),提升企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力 堅(jiān)持高質(zhì)量發(fā)展策略,塑強(qiáng)核心競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)...

關(guān)鍵字: 通信 BSP 電信運(yùn)營(yíng)商 數(shù)字經(jīng)濟(jì)

北京2024年8月27日 /美通社/ -- 8月21日,由中央廣播電視總臺(tái)與中國(guó)電影電視技術(shù)學(xué)會(huì)聯(lián)合牽頭組建的NVI技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟在BIRTV2024超高清全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展研討會(huì)上宣布正式成立。 活動(dòng)現(xiàn)場(chǎng) NVI技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)...

關(guān)鍵字: VI 傳輸協(xié)議 音頻 BSP

北京2024年8月27日 /美通社/ -- 在8月23日舉辦的2024年長(zhǎng)三角生態(tài)綠色一體化發(fā)展示范區(qū)聯(lián)合招商會(huì)上,軟通動(dòng)力信息技術(shù)(集團(tuán))股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱"軟通動(dòng)力")與長(zhǎng)三角投資(上海)有限...

關(guān)鍵字: BSP 信息技術(shù)
關(guān)閉
關(guān)閉