基于PSoC的超声相控阵高精度测距系统的研究

路宜明+杨济民

摘 要： 基于传统的超声相控阵测距系统设计了一种新型测距系统。该系统采用Cypress公司所生产的嵌入式芯片PSoC5为主控制器，其丰富的内部功能模块完全能够满足系统的设计需求。与传统的超声相控阵测距系统相比，该系统节约PCB硬件资源，提高设计效率，降低功耗。实验研究表明，该测距系统具有指向性强，精确度高的特点。

关键词： PSoC； 超声相控阵； 测距系统； 主控制器

中图分类号： TN911?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）22?0128?03

Research of ultrasonic phased array high?accuracy ranging system based on PSoC

LU Yi?ming， YANG Ji?min

（College of Physics and Electronic Science， Shandong Normal University， Jinan 250014， China）

Abstract： A new type of ranging system was designed based on the traditional ultrasonic phased array ranging system. The embedded chip PSoC5 which is produced by Cypress Company is used as the primary controller. Its internal function modules can completely meet the design requirements of the system. Compared with the traditional ultrasonic phased array ranging system， this system can save more PCB hardware resources， improve the design efficiency and reduce power consumption more obviously. The experimental results show that the ranging system has the characteristics of strong directivity and high accuracy.

Keywords： PSoC； ultrasonic phased array； ranging system； master controller

超声相控阵测距具有能量集中，指向性强的特点，不易受外界电磁波、烟雾等环境因素的干扰[1?2]，而且原理简单、易操作、成本低，因此在现代生活中超声波的应用越来越广泛。PSoC是美国著名半导体厂商Cypress公司推出的可编程化系统单芯片[3]，其集成了微控制器以及嵌入式系统中通常围绕微控制器周围的模拟及数字子系统。一个PSoC芯片上采用一个微控制器，集成了100多种外设功能，具有提高设计效率、节省PCB硬件资源、降低材料成本、降低功耗等优点。本文设计了以PSoC5为核心的超声相控阵高精度测距系统，介绍了具体功能模块的设计实现。

1 超声相控阵的介绍

超声相控阵是由多个相互独立的超声换能器组成的阵列，每个换能器都能向前方发射超声波，当超声波遇到障碍物时便被反射回来，由接收换能器接收并转换成电信号[4?6]。由于每个换能器距离障碍物的距离不同，如果换能器同时发射超声波时，超声波到达障碍物的时间不同，相位不同，能量有可能会减弱。因此，要实现超声波到达障碍物时相位完全一致，必须按照一定的时序规则控制每个换能器发射超声波。以一元线阵为例，如果要实现在空间P点聚焦，必须让距离P点远的换能器先发射，距离近的换能器延迟一定时间再发射，这样才能保证每个换能器的超声波到达P点时相位一致，能量得到叠加加强。一元超声相控阵发射聚焦如图1所示。

图1 发射聚焦

2 PSoC5芯片

本文所设计的系统以PSoC5为核心。PSoC5是美国著名半导体厂商Cypress公司推出的可编程化系统单芯片 [7]，主要包含CPU硬核、多种不同类型的存储、模拟子系统和数字子系统。PSoC5使用了ARM 的Cortex?M3核，它是一个低功耗的32位中央处理单元，具有三级流水线结构、支持Thumb?2指令集、易于使用、编程和调试等特性。模拟子系统主要包括可配置的开关电容、模/数转换器、数/模转换器、能够选择连接到可配置的LUT输出的比较器、可编程增益放大器等。数字子系统主要包括可配置的通用数字块（Universal Digital Block，UDB）、最多32位的定时器、计数器等。作为一种新型嵌入式系统设计平台，使用PSoC进行嵌入式系统设计具有以下3个方面的优点：

（1） 精确度高。由于PSoC内集成了模拟和数字子系统，比一般单独设计的系统精确度高，稳定性好；

（2） 提高设计效率。PSoC内部集成了许多嵌入式系统中围绕CPU硬核的外围电路，设计人员可以直接调用，不再需要单独设计；

（3） 降低元件成本。由于基于PSoC平台的嵌入式系统的功能多样性，以前需要用很多元件才能实现的系统，现在使用一个PSoC芯片就可以实现；

（4） 硬件加速。PSoC能在硬件和软件之间进行权衡，使嵌入式系统达到最大的效率和性能。

PSoC5的设计基于Cypress Creator软件平台，包括硬件设计流程和软件设计流程，具体如图2所示。

图2 PSoC5设计流程

3 系统组成

本文设计的超声相控阵测距系统的系统框图如图3所示。整个系统由PSoC5芯片、超声换能器阵列、外围电路组成。超声换能器阵列是由2×4个换能器在平面上组成二维矩形发射阵列和发射阵列旁放置的一个接收换能器组成。首先PWM产生一系列方波发送给发射电路经功率放大后激励发射换能器阵列对前方特定区域聚焦扫描，聚焦后的超声波遇到障碍物反射回来，反射回来的超声波由接收换能器接收，经过超声波接收处理模块处理后进行检波，最后通过模拟?数字转换后进行相关信号分析处理得出障碍物结论。

图3 系统框图

4 系统模块设计

4.1 PWM产生驱动方波

利用PSoC内实例化的脉冲宽度调制器（Pulse Width Modulation，PWM）模块，产生40K脉冲方波驱动超声换能器发射超声波。图4和图5分别是PWM模块及其配置。

图4 PWM模块

图5 PWM模块的配置

4.2 超声波发射放大电路

由于PWM的输出功率有限，PWM产生的驱动方波信号无法直接驱动超声换能器发射超声波，因此在PWM和超声换能器之间添加了功率放大电路。如图6所示，在PSoC5片外设计了以MOSFET和升压变压器T1构成的功率放大电路，PWM产生的激励脉冲方波经过功率放大后驱动超声换能器。

图6 发射电路

4.3 超声波接收电路

遇到障碍物反射回来的超声波经接收换能器转换为电信号，但仅为mV量级，为能对回波信号进行有效处理，需要经过放大电路放大到伏量级。PSoC5内带有例化的可编程增益放大器，能被配置成同相比例放大模式。通过调整2个电阻的大小来改变增益。本文采用可编程增益放大器有效地将mV量级信号放大到V量级。超声波在传播过程中会带来大量的噪声，同相比例放大电路也会将噪声放大，这给系统的精度造成巨大影响，因此必须对回波信号进行带通滤波滤除噪声。 PSoC5内带有例化数字滤波器模块，能被配置成带通滤波器。超声回波信号经过放大后进行带通滤波，之后送至下级的检波电路。超声波接收电路如图7所示。

图7 接收电路

超声回波信号经过带通滤波后将进行检波。在PSoC5片外设计检波电路，如图8所示。经过检波后，送至PSoC片内进行模/数转换，保存。

5 实验结果分析

实验表明，利用PSoC5所设计的超声相控阵测距系统很大程度上提高了硬件电路的精确度，节约了PCB硬件电路资源，降低了成本，而且应用Cypress Creator软件设计平台，使得系统设计更加简单，对于电路的修改更加便捷，提高了设计效率。

图8 检波电路

如图9所示，由接收换能器接收到的反射回波信号经过同相比例放大电路放大、带通滤波器滤波后，回波信号电压得到有效的放大，噪声得到了有效的滤除。

图9 经过处理的回波信号

实验结果分析表明超声相控阵测距系统指向性更强，探测的精度大大的提高，能够达到±1 cm，测量误差大大减小，不超过3 cm，具有良好的性能，完全能够应用到日常生产生活测距中，具有很高的实用价值。

注：本文通讯作者为杨济民。

参考文献

[1] 冯诺.超声手册[M].南京：南京大学出版社，1999.

[2] 李雯雯，杨济民，厉彦忠.基于超声相控阵的机器人避障设计[J].山东科学，2011，24（3）：75?77.

[3] 何宾.可编程片上系统PSoC设计指南[M].北京：化学工业出版社，2011.

[4] 厉彦忠，杨济民，李雯雯.基于STM32的超声相控阵导盲系统的设计[J].现代电子技术，2011，34（16）：14?16.

[5] 董培强.高精度超声相控阵驱动系统研究[D].北京：北京交通大学，2008.

[6] 赵连睿，杨济民，李振江，等.基于Cortex?M4的超声相控阵探测系统的设计[J].山东科学，2013，26（2）：88?91.

[7] 何宾.Cortex?M3可编程片上系统原理及应用[M].北京：化学工业出版社，2012.

图2 PSoC5设计流程

3 系统组成

本文设计的超声相控阵测距系统的系统框图如图3所示。整个系统由PSoC5芯片、超声换能器阵列、外围电路组成。超声换能器阵列是由2×4个换能器在平面上组成二维矩形发射阵列和发射阵列旁放置的一个接收换能器组成。首先PWM产生一系列方波发送给发射电路经功率放大后激励发射换能器阵列对前方特定区域聚焦扫描，聚焦后的超声波遇到障碍物反射回来，反射回来的超声波由接收换能器接收，经过超声波接收处理模块处理后进行检波，最后通过模拟?数字转换后进行相关信号分析处理得出障碍物结论。

图3 系统框图

4 系统模块设计

4.1 PWM产生驱动方波

利用PSoC内实例化的脉冲宽度调制器（Pulse Width Modulation，PWM）模块，产生40K脉冲方波驱动超声换能器发射超声波。图4和图5分别是PWM模块及其配置。

图4 PWM模块

图5 PWM模块的配置

4.2 超声波发射放大电路

由于PWM的输出功率有限，PWM产生的驱动方波信号无法直接驱动超声换能器发射超声波，因此在PWM和超声换能器之间添加了功率放大电路。如图6所示，在PSoC5片外设计了以MOSFET和升压变压器T1构成的功率放大电路，PWM产生的激励脉冲方波经过功率放大后驱动超声换能器。

图6 发射电路

4.3 超声波接收电路

遇到障碍物反射回来的超声波经接收换能器转换为电信号，但仅为mV量级，为能对回波信号进行有效处理，需要经过放大电路放大到伏量级。PSoC5内带有例化的可编程增益放大器，能被配置成同相比例放大模式。通过调整2个电阻的大小来改变增益。本文采用可编程增益放大器有效地将mV量级信号放大到V量级。超声波在传播过程中会带来大量的噪声，同相比例放大电路也会将噪声放大，这给系统的精度造成巨大影响，因此必须对回波信号进行带通滤波滤除噪声。 PSoC5内带有例化数字滤波器模块，能被配置成带通滤波器。超声回波信号经过放大后进行带通滤波，之后送至下级的检波电路。超声波接收电路如图7所示。

图7 接收电路

超声回波信号经过带通滤波后将进行检波。在PSoC5片外设计检波电路，如图8所示。经过检波后，送至PSoC片内进行模/数转换，保存。

5 实验结果分析

实验表明，利用PSoC5所设计的超声相控阵测距系统很大程度上提高了硬件电路的精确度，节约了PCB硬件电路资源，降低了成本，而且应用Cypress Creator软件设计平台，使得系统设计更加简单，对于电路的修改更加便捷，提高了设计效率。

图8 检波电路

如图9所示，由接收换能器接收到的反射回波信号经过同相比例放大电路放大、带通滤波器滤波后，回波信号电压得到有效的放大，噪声得到了有效的滤除。

图9 经过处理的回波信号

实验结果分析表明超声相控阵测距系统指向性更强，探测的精度大大的提高，能够达到±1 cm，测量误差大大减小，不超过3 cm，具有良好的性能，完全能够应用到日常生产生活测距中，具有很高的实用价值。

注：本文通讯作者为杨济民。

参考文献

[1] 冯诺.超声手册[M].南京：南京大学出版社，1999.

[2] 李雯雯，杨济民，厉彦忠.基于超声相控阵的机器人避障设计[J].山东科学，2011，24（3）：75?77.

[3] 何宾.可编程片上系统PSoC设计指南[M].北京：化学工业出版社，2011.

[4] 厉彦忠，杨济民，李雯雯.基于STM32的超声相控阵导盲系统的设计[J].现代电子技术，2011，34（16）：14?16.

[5] 董培强.高精度超声相控阵驱动系统研究[D].北京：北京交通大学，2008.

[6] 赵连睿，杨济民，李振江，等.基于Cortex?M4的超声相控阵探测系统的设计[J].山东科学，2013，26（2）：88?91.

[7] 何宾.Cortex?M3可编程片上系统原理及应用[M].北京：化学工业出版社，2012.

图2 PSoC5设计流程

3 系统组成

本文设计的超声相控阵测距系统的系统框图如图3所示。整个系统由PSoC5芯片、超声换能器阵列、外围电路组成。超声换能器阵列是由2×4个换能器在平面上组成二维矩形发射阵列和发射阵列旁放置的一个接收换能器组成。首先PWM产生一系列方波发送给发射电路经功率放大后激励发射换能器阵列对前方特定区域聚焦扫描，聚焦后的超声波遇到障碍物反射回来，反射回来的超声波由接收换能器接收，经过超声波接收处理模块处理后进行检波，最后通过模拟?数字转换后进行相关信号分析处理得出障碍物结论。

图3 系统框图

4 系统模块设计

4.1 PWM产生驱动方波

利用PSoC内实例化的脉冲宽度调制器（Pulse Width Modulation，PWM）模块，产生40K脉冲方波驱动超声换能器发射超声波。图4和图5分别是PWM模块及其配置。

图4 PWM模块

图5 PWM模块的配置

4.2 超声波发射放大电路

由于PWM的输出功率有限，PWM产生的驱动方波信号无法直接驱动超声换能器发射超声波，因此在PWM和超声换能器之间添加了功率放大电路。如图6所示，在PSoC5片外设计了以MOSFET和升压变压器T1构成的功率放大电路，PWM产生的激励脉冲方波经过功率放大后驱动超声换能器。

图6 发射电路

4.3 超声波接收电路

遇到障碍物反射回来的超声波经接收换能器转换为电信号，但仅为mV量级，为能对回波信号进行有效处理，需要经过放大电路放大到伏量级。PSoC5内带有例化的可编程增益放大器，能被配置成同相比例放大模式。通过调整2个电阻的大小来改变增益。本文采用可编程增益放大器有效地将mV量级信号放大到V量级。超声波在传播过程中会带来大量的噪声，同相比例放大电路也会将噪声放大，这给系统的精度造成巨大影响，因此必须对回波信号进行带通滤波滤除噪声。 PSoC5内带有例化数字滤波器模块，能被配置成带通滤波器。超声回波信号经过放大后进行带通滤波，之后送至下级的检波电路。超声波接收电路如图7所示。

图7 接收电路

超声回波信号经过带通滤波后将进行检波。在PSoC5片外设计检波电路，如图8所示。经过检波后，送至PSoC片内进行模/数转换，保存。

5 实验结果分析

实验表明，利用PSoC5所设计的超声相控阵测距系统很大程度上提高了硬件电路的精确度，节约了PCB硬件电路资源，降低了成本，而且应用Cypress Creator软件设计平台，使得系统设计更加简单，对于电路的修改更加便捷，提高了设计效率。

图8 检波电路

如图9所示，由接收换能器接收到的反射回波信号经过同相比例放大电路放大、带通滤波器滤波后，回波信号电压得到有效的放大，噪声得到了有效的滤除。

图9 经过处理的回波信号

实验结果分析表明超声相控阵测距系统指向性更强，探测的精度大大的提高，能够达到±1 cm，测量误差大大减小，不超过3 cm，具有良好的性能，完全能够应用到日常生产生活测距中，具有很高的实用价值。

注：本文通讯作者为杨济民。

参考文献

[1] 冯诺.超声手册[M].南京：南京大学出版社，1999.

[2] 李雯雯，杨济民，厉彦忠.基于超声相控阵的机器人避障设计[J].山东科学，2011，24（3）：75?77.

[3] 何宾.可编程片上系统PSoC设计指南[M].北京：化学工业出版社，2011.

[4] 厉彦忠，杨济民，李雯雯.基于STM32的超声相控阵导盲系统的设计[J].现代电子技术，2011，34（16）：14?16.

[5] 董培强.高精度超声相控阵驱动系统研究[D].北京：北京交通大学，2008.

[6] 赵连睿，杨济民，李振江，等.基于Cortex?M4的超声相控阵探测系统的设计[J].山东科学，2013，26（2）：88?91.

[7] 何宾.Cortex?M3可编程片上系统原理及应用[M].北京：化学工业出版社，2012.