超声波（隐声）通信技术实现和应用

徐松 潘绍明 柯宝中

摘要： 针对目前超声波测距系统在硬件设计方面的不足，介绍了一种超声波通信格式并为超声波测距系统设计了由前置放大、带通滤波、主放大器、比较整形等组成的信号调理系统。选用STC12C5A60S2单片机作为超声波信号发生主控芯片，通过设置时钟频率和独立波特率发生器（ BRT）的8位自动重装计数初值产生40KHZ频率的方波信号。声波信号通过一系列的信号调理电路，最终单片机通过检测主放大器和比较整形电路的INT信号来识别是否有超声波信号到达。分析超声波测距结果，可以看出本设计可以很好地应用于声波信号测距系统。同时针对声波传输环境造成的测量盲区和硬件电路造成的延时还需要进一步优化。

【关键词】超声波 通信 信号调理 测距

声波通信作为一种高效隐秘的信息通信技术，随着工业领域和军事技术的发展需求，实用性和可用性日趋明显。相对于红外、激光等对外界环境要求较高的测距方法，超声波信号可以在光线阴暗、有烟尘的环境下有效传播。目前，声波通信技术已经在精确室内定位、海洋探测、车辆定位等方面有着广泛应用。文献[1]设计实现了一种低盲区、低功耗、高精度、小尺寸的超声测距系统。该系统采用增益可编程的反射波信号检测方法进行多次的增益校正，比较器扑捉到首个反射波信号前沿，通过计算发射波和首个反射波之间的时间差可以计算出精度较高的距离值。文献[2]采用了温度传感器DS18820实时采集温度数据，提取温度变化值，然后根据温度值与超声波对应的关系及时修正波速来减少温度的变化造成的超声波测距系统的误差。测试结果表明：系统能够有效的避免温度的变化对测距系统造成误差，其测量精度达到1%。

上述方法在排除外部干扰因素和声波信号检测方面做了改进，在硬件设计方面的研究涉及较少，本文主要从硬件设计方面对超声波测距系统进行设计和改进。通过分析超声波通信原理及通信格式，针对超声波从发射到接受的整个过程，设计了信号调理电路，确保超声波信号的发送和接受过程有效实现。通过实际测试，并对数据进行误差分析，验证超声波测距系统设计的有效性，并对超声波测距系统产生误差的原因进行了分析。

1 超声波的数据通信原理

超声波的数据通信原理如图1所示，采用超声波作为信号传输，幅移键控（ AmplitudeShift Keying，ASK）方法进行调制[3]，高电平表示无载波，低电平表示有载波。发送节点利用超声波传感器的压电效应，在其两端发射一定压差的40kHz频率的方波信号[4]，单片机通过电压控制其震动而产生一定数量的发射脉冲，从而发出超声波脉冲。

虽然在发射节点有十几伏的压电脉冲，但是由于超声在传输的过程当中，随着传输的距离增大，信号衰减也按指数增大，到了接收节点时只有几到十几毫伏了。因此在接收节点设置了前置放大把信号和噪声一起放大，再通过带通滤波把噪声信号过滤、然后通过主放大把信号放大到一定幅度，最后通过整形比较、检波解调后由信号接收端的单片机进行处理就可以得到相应的数字量。

2 通信格式

超声波的数据通信格式如图2所示，由前导码、8位数据、8位数据反码和数据停止位组成。前导码由900 us低电平和450 us的高电平组成。有载波输出电平，代表数据1，持续时间为100 us，无载波输出高电平，代表数据O，持续时间也是100 us，停止位300 us。这样完成8位数据的通信时间需要3.25 ms，可以满足隐蔽的超声信息通信要求。

3 硬件电路

3.1 超声波发射电路

超声波发射利用压电效应[5-6]，在传感器两端发射40 KHz频率的一定压差方波信号，从而发射出超声波信号。从单片机射出脉冲信号峰值为O到5V，电压值比较小，不能激发出比较强的超声波信号。为此超声波发射电路利用MAX232内部双路电荷泵电压泵，可以产生+12 v和-12 v电压，能将单片机的低电平ov转换成12V的高电平，将高电平转换成-12V的电压，这样提升了方波的峰值，从而提高了超声波信号的发射强度。

如图3所示，单片机的引脚P15接TlIN，P14接T21N。当P15为低电平时，TlOUT输出12V，P14为高电平时，T20UT输出-12V电压，这样在传感器两端形成24V的压差。同样，P15为高电平时，TlOUT输出-12V，P14为低电平时，T20UT输出12V电压，传感器两端有-24V的电压。通过程序控制P15和P14引脚电平就可以发射出很强的峰峰值超声波信号，这样超声波的传输距离更远，信号更强。

3.2 超声波接收电路

3.2.1 前置放大电路

虽然超声波发射器通过几十伏的电压激发出超声波，但是在空气中传播随着距离的增加会慢慢衰减，到接收端的时候可能会只有几毫伏的电压，为此在前端设置了前置放大电路[7]。

前置放大电路如图4所示。前置放大电路的作用就是将接收到的微弱信号放大成足够大的输出电压，为后续的滤波器提供比较合适的电压。为此设计的前置放大器采用单电源供电，在运放的同相端接5V的中點电压，反相放大75倍，放大后的波形将在SV范围内波动，这样可以保证放大后的交流信号质量，不至于产生信号失真。

3.2.2带通滤波电路

通过前置放大的信号会把信号和噪声一起放大，为此设计一个中心频率为40 kHz的带通滤波器，抑制噪声干扰信号，使得有效信号通过滤波器。如图5所示，带通滤波器采用无限增益带通滤波器的原理[8]，减小C2可抬升中心频率的值，反之减小中心频率，减小C3也可抬升中心频率，反之可减小中心频率反馈的窄带。调整电容电阻到合适的大小就可以将带通滤波器的中心频率设置为40 kHz。带通滤波器的参考电压和前置放大电路一样通过lkQ的电阻接SV电源实现的。

3.2.3 主放大和比较整形电路

滤波后的信号通过主放大器放大7 5倍输入给整形比较电路.如图6所示。采用运放LMC6034的一个运放来做比较器[9-10]，从主放大器进来的信号进入运放的同相端和反相端进行比较。反相端通过11 kQ的电阻接到5V，另外通过3.3 MQ的电阻和lnF的电容并联后接地。当主放大器没有信号到达时候，01为截止状态，INT输出高电平；当有信号到达时，在比较器的同相端信号叠加，从而输出高电平，01导通，INT输出低电平。单片机通过检测INT信号来识别是否有超声波信号到达。在极短的时间，连续中断几次，认为是同一数据，再根据前面讲的通信格式，就可以解析出相应的声波数据。

4 测试流程与结果分析

系统的主控芯片采用STC12C5A60S2单片机，，通过单片机控制超声波模块（HC-SR04）发出超声波信号。编程实现特定格式声波信号，利用定时器、计数器对超声波信号的收发过程进行控制。实验中单片机P1.2口产生特定格式的40kHZ声波，驱动超声波发射模块，经过一系列的声波调理电路，在Pl.l的超声波接收模塊检测到声波信号，实现超声波特定号发射和接收过程。测试流程图如图7。

通过上述测距流程在实验室测得数据如表1所示。

选取不同距离记录了11组测试结果，可以得知超声波测距结果与实际设定的距离之间有一定的差距，这主要由于声波信号调理电路的设计合理性和测试环境复杂性等因素造成，但是在1米到3米范围内总体相对误差在5%以内，且随测距长度的增加误差会有所减小。

5 结语

本文所述的超声波通信技术，针对超声波信号传输过程中的声波强度衰减、声波信号失真等现象，设计了前置放大、带通滤波、比较整形等硬件电路，通过对测试结果进行分析，可以看出本设计可以很好地应用于声波信号传输过程。但是对于复杂环境中测量盲区和硬件电路造成的延时还需要进一步优化。

参考文献

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