可编程超声波测距系统的设计

瞿俊

【摘 要】超声波测距系统目前广泛应用于机械制造、机器人自动导航、建筑测量、泊车辅助系统等工业领域。但传统的超声波测距的测距距离和精度，无法满足现代工业领域的要求。因此设计了一种大量程、高精度的超声波测距系统。系统具备大量程、可编程增益的特点。实验表明，本系统设计的超声波测距系统量程高达10m，波束宽度小于10°，测距精度可以到达1cm，实现了大量程、高精度的测距系统。

【关键词】超声波测距；ARM Cortex-M4；可编程增益；波束宽度

中图分类号： TP368，TP319 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）09-0008-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.09.003

Design of Programmable Ultrasonic Range-Finding System

QU Jun

（Institute of Plasma Physics Chinese Academy of Sciences， Hefei 230031， China）

【Abstract】Now ultrasonic range-finding system has widely applied in many industrial areas， such as mechanical manufacture， automatic robot navigation， construction measurement and parking assistance systems. But the precision and range-finding of traditional ultrasonic range-finding system can not be fit for requirements of modern industry. A large ranges and high precision of ultrasonic range-finding system has been developed. The system contains the characters of large range， programmable gain amplifier. Experiment indicated that this ultrasonic ranging system can measure distance in 10m， accuracy high to 1cm， and the width of beam is less than ±5o ， this system can perform with a wide range of distance and high precision.

【Key words】Ultrasonic range-finding；Acorn RISC Machine；Programmable gain amplifier； Width of beam0 引言

近年来，随着超声波测距技术研究的不断深入，超声波测距应用越来越普及。如今，超声波测距在倒车雷达上应用随处可见。倒车雷达是汽车泊车辅助系统，倒车雷达的测距精度直接影响到汽车泊车或者倒车过程中的安全问题，利用安装在汽车上的超声波传感器，探测障碍物，并实时显示障碍物距离，类似于汽车眼睛，确保汽车行驶中的安全[1]。

超声波测距系统由超声波传感器、超声波发送电路、超声波接收电路和数字信号处理构成。本系统研究设计了一种大量程、可编程增益的测距系统。系统克服了传统测距仪测距精度低、测距范围小等缺点[2]。

1 系统硬件设计

本系统采用ARM Cortex-M4系列芯片作为系统的主控芯片，结合不同的功能模块实现超声波测距系统的设计。系统采用ARM作为主控，发射40kHz的脉冲信号，由于超声波存在衰减现象，超声波传感器需要大的驱动功率，通过低边驱动电路将发送信号放大用于驱动超声波发送探头。超声波遇到障碍物后反射回来，超声波接收探头接收到回波信号后，因为回波信号衰减严重，回波为mv级的微小信号，并且存在噪声干扰，因此回波处理电路需要将回波信号进行低噪声放大整形滤波处理，并通过A/D转换器转换成数字信号，给主控芯片进行数字信号处理后获得超声波回波信号到达的时间[3]。由于超声波传输速度受温度影响，因此系统增加了温度补偿模块。为了便于调试，系统还增加了D/A转换器，用于读取当前值。系统的硬件总体框架图如图1所示。

1.1 主控芯片

本系统选用的主控芯片ARM Cortex-M4微控制器，工作电压为5V，外部晶振电路分为12M和32.768K，晶振原理图如图2所示。图中X32_IN和X32K_OUT是32.768K晶振的输入输出端，R12、C12、C13分别是电容电阻，在电路图中均不上键。XT1_IN和XT1_OUT分别是12M晶振的输入输出端，起振电容C16、C18为20pF，图2中Y1、Y2均为无源晶振。

1.2 超声波发射电路

超声波发射电路的好坏直接影响到超声波测距的作用距离。因超声波在空气空传播时会發生衰减，对于远距离的障碍物，在超声波未达到障碍物时有可能已经衰减，无法传送回波信号，主控芯片输出的40KHz的PWM波峰峰值只有5V，而且功率很小，无法达到驱动传感器的要求，因此有必要提高超声波发射功率。

超声波发射电路主要包括两个模块：低边驱动电路和中周功率放大电路。低边驱动电路是由DRV8803构成的，主控芯片通过两个输入端口输入两路PWM波形，通过DRV8803放大处理后送到中周放大电路中提高发射功率[4]。

1.2.1 低边驱动电路

低边驱动是指通过在用电器或者驱动装置后，通过闭合地线来实现驱动装置使能。

DRV8803的工作电压范围为8.2V～60V，本系统中工作电压为8.2V，使用2路PWM输入IN1、IN2，幅度相同，相位相反，输出信号发送到中周。其电路图如图3所示。图中VM即为工作电源电压，VCLAMP为输出钳位电压，连接到VM端，nENBL为输入使能端，低电平有效；RESET为输入复位端，高电平有效；nFAULT为输出错误状态端，当系统过压、过流时，该引脚会输出一个低电平信号。系统使用两路输入IN1、IN2和两路输出OUT1、OUT2。

1.2.2 中周功率放大电路

中周也就是中频变压器，中频信号经中频变压器进一步选取信号，然后通过下一级进行放大。从大功率PWM波形中采用大功率LC振荡器提取正弦波信号，并用该LC振荡器对换能器进行阻抗匹配驱动。本系统中中周功率驱动电路如图4所示。图中OUTA、OUTB是低边驱动电路DRV8803的两路输出信号，分别连接到中周T1的初级线圈中1、3引脚上，T1的引脚2连接电源，C21为谐振电容，EC9主要用来滤波，P1为超声波收发一体式探头。

1.3 超声波接收电路

超声波接收电路是整个系统的核心部分。接收电路的性能直接影响到测距的精度和测距范围。超声波在传播过程中呈指数衰减，遇到障碍物反射回来的回波信号非常微弱，一般只有mv级，而且信号中还有噪声干扰，因此对超声波回波信号的处理至关重要。超声波接收电路由第一级低噪声固定增益放大器、第二级可编程增益放大器、A/D转换器、溢出比较器构成[5]。

2 系统软件设计

系統软件是基于硬件基础上设计的，通过对可编程硬件部分进行驱动设计，控制硬件部分的运作，从而实现系统的整体工作。由于本工程设计是基于ARM芯片为主控芯片进行开发设计的，所以驱动的编写也是基于KEIL软件实现。

本章主要介绍了系统软件的整体工作方式和各可编程模块驱动编写。主要包括：驱动放大器DRV8803的驱动设计、放大器AD620驱动设计、数模转换ADC模块ADS7223驱动设计、用于测试的DAC模块DAC7554驱动设计、LIN总线接收机TPIC1021驱动设计。

由于系统程序设计是基于ARM cortex-M4内核微控制器所决定并根据该控制器对各外设进行控制而构成的整体软件设计布局。所以该系统的工作流程如下：主控和各功能外设在供电之后初始化，，通过主控的IO接口模拟PWM发送编码好的序列值，该PWM输出为正负互补的两路输出，在发送PWM波的同时会初始化并开启定时器；从而触发驱动放大器发送正弦波，通过中周模块的稳频后，驱动超声波换能器发送中心频率为40KHZ的超声波。电路设计中有溢出比较部分，若返回波形幅度太大，则直接报警。在超声波遇到障碍物时，会返回，此时，主控会通过外部中断的方式判断超声波是否到来，若50ms之内仍然没有回波，则重新发送。若接收到了超声波，返回波首先被收发一体的换能器接收，连续接收400us后停止接收并通过OP777的一级放大，以及AD620和AD5231构成可编程增益放大器的二级放大，之后经过ADC的数模转换后，进入数字通路部分，最后代入公式计算所测距离，其中，温度传感器会返回温度数据来帮助补偿由于温度变化而带来的速度误差[6]。DAC则用来测试输入主控的数字信号是否符合标准。

当峰值到达的时间T被反馈到CPU中，则通过公式：s=公式（1）

其中s为障碍物到探头的距离，v为空气中的声速，t近似为超声波在空气中的传播时间，近似的程度由算法的延时决定，其中还要加上温度传感器的返回值的影响。系统总体流程如图5所示。

3 接收端信号处理

传统的超声波接收电路的接收端的滤波设计为阻容组合滤波，虽然成本低，易于实现，但是其陡峭性不好，且随着时间的变化，其性能的稳定性受到了元器件老化的极大影响。所以相对于传统的硬件滤波，软件滤波则是基于DSP处理技术，由于软件滤波是采用先将模拟信号数字化，然后再将得到的数字信号用滤波算法进行处理，这种处理方式可以得到精确的滤波器，进一步满足了超声波测距系统对于精确度的要求[7]。

本设计通过Matlab的FDAtool开发工具进行滤波器设计。由于接收端接收到超声波的返回信号，经过ADS7223（ADC模块）的采样处理，得到数字信号，即数组阵列（采样率为1MHZ），经过巴特沃思IIR数字带通滤波器，可以将滤除由于在空气中传播而参杂的高斯噪声，表现在频谱上为分布在低频和高频部分的毛刺[8]。从而得到超声波信号，其中心频率为40KHZ，为了避免包络检测的正负抵消，需要加入整流器部分，输出经过峰值包络提取器，得到所需的采样信号的包络。

4 结语

本文研制的超声波测距系统，适用于倒车雷达的设计，其量程为10米左右，频带宽度为：8.8KHZ，通带范围为30.6KHZ～49.6KHZ，其高宽频带的设计满足实际的需求。其波束的宽度小于10。。且其精度很高为1CM，测距的反应速度很快，延时很短，在每一秒内约可以执行50次的测距过程。这个在倒车雷达的应用中满足了倒车安全需求，同时通过编码的方式提高了超声波信号接收的稳定性。所以，本设计不仅对倒车系统的多探头设计提供了基础，同时为无人机市场的开拓创新打下基石。

【参考文献】

[1]李启虎.进入二十一世界的声纳技术[J].应用声学，2002，21（1）：13-21.

[2]罗忠辉，黄世庆.提高超声波测距精度的放大[J].机械设计与制造，2005，1：109.

[3]党宏社.汽车巡航控制用传感器[J].传感器技术，2002，21（1）：1-3.

[4]杨劲松，王敏，黄心汉. 超声波可变闭值测距装置[J].电子应用技术，1998，7：7-9.

[5]严宏穗，宋进，陈敏贤. 超声波测距在智能机器人开发中的应用[J]. 机电一体化，2001，5：31-34.

[6]马大猷.现代声学理论基础[M].北京：科学出版社，2004.

[7]冯若主编.超声手册[M].南京， 南京大学出版社，1999.

[8]刘升平，王剑，葛红. 超声波测距系统的开发与研究[J]. 计算机工程与应用，2009，45（25）：78-81.