近距離高精度超聲波測距儀的研制

1、第十七屆中國過程控制會議論文集近距離高精度超聲波測距儀的研制樊卿華 ，葉樺（東南大學自動控制系，江蘇 南京 210096）摘要：本文提出了一種MCU+CPLD+帶通濾波電路結合門檻值法和過零比較法的超聲波測距實現(xiàn)方法，由MCU完成控制和數(shù)據處理工作，CPLD專司測距數(shù)據采樣任務，帶通濾波放大電路有效的濾除干擾信號對系統(tǒng)的影響，門檻值法結合過零比較法實現(xiàn)對回波的精確捕捉，從而實現(xiàn)了測距系統(tǒng)的高精度測量。關鍵詞：超聲波測距；復雜可編程邏輯器件；帶通濾波；門檻值法；過零比較法0 引 言近年來，隨著工業(yè)自動化生產和裝配過程中自動識別的需要，出現(xiàn)了很多測距的原理和方法。根據其信息載體的不同可歸納為光學方

2、法、無線電方法和超聲波方法。前兩者在某些地方有局限性。相比之下，超聲波方法在這些方面具有突出的優(yōu)點：(1)超聲波對色彩、光照度不敏感，可用于測量透明及漫反射性差的物體(如玻璃、拋光體)；(2)對外界光線和電磁場不敏感，可用于黑暗、有灰塵或煙霧、電磁干擾強、有毒等惡劣環(huán)境中；(3)超聲波傳感器結構簡單、體積小、費用低，信息處理簡單可靠，易于小型化和集3成。本文提出了一種MCU+CPLD+帶通濾波放大電路的解決方案，比起傳統(tǒng)的單片機+部分模擬電路方法有效的提高了系統(tǒng)精度和抗干擾能力。傳統(tǒng)的單片機+部分模擬電路的方法完全依靠單片機定時器來完成定時任務，假設單片機采用12M晶振，系統(tǒng)反應時間在幾個S至

3、幾十個S之間，換算程距離就是幾個毫米甚至幾個厘米的誤差，這種誤差不能滿足精確測距的要求。而本系統(tǒng)采用復雜可編程邏輯器件CPLD來專司測距任務，系統(tǒng)反應時間在nS級，有效地提高了系統(tǒng)精度，滿足了精確測距要求。而且應用CPLD來設計電路有著很大的靈活性，我們可以在CPLD內實現(xiàn)比較復雜的濾波算法，從而提高系統(tǒng)性能。由于CPLD內部是Flash結構，內部電路擦寫方便，便于對系統(tǒng)進行升級換代，所以在中小規(guī)模電路中有著良好的應用前景。 超聲波測距原理目前，超聲測距所采用的基本方法有兩種：飛行時間測量法、超聲多普勒法。超聲多普勒法是利用多普勒效應工作的。當超聲波入射到運動著的目標物體上，超聲波被目標物體所

4、反射。根據多普勒原理，反射波的頻率相對于入射波將產生正比于目標物體速度的頻率偏移，測出反射波的頻率偏移，得到目標物體的運動速度，若己知目標物體的起始位置，將運動速度對時間進行積分，就可以求出目標物體與超聲換能器間的距離。超聲多普勒法存在著一個嚴重的缺點，若目標物體靜止或其運動非常緩慢，它將無法進行距離測量。飛行時間測量法通過確定測量發(fā)射信號與接收信號的飛行時間間隔來實現(xiàn)距離測量。因此被測距離可表示為：s=1vt 2s 待測距離；v 信號飛行速度；t 飛行時間；距離測量的精度取決于飛行時間t的測量精度。飛行時間法一般可以分為三類：脈沖回波法、相移法和線性調頻法。在脈沖回波法中，t是脈沖由發(fā)射器發(fā)

5、出時刻與回波返回接收時刻之間的時間差；在相移法中，t是由發(fā)射器發(fā)出的連續(xù)周期信號與接受器接受到的回波信號間的相位差換算而來的；線性調頻法則是通過發(fā)射相對時間線性調頻的信號，再測量接受到的信號與發(fā)射信號的頻差來換算出信號的飛行時間t。其中脈沖回波法在測量環(huán)境適應性、抗干擾能力以及測量速度等方面有許多獨特之處，而后兩種方法作者簡介：樊卿華（1979-），男，河北石家莊人，碩士研究生，模式識別與智能系統(tǒng).472第十七屆中國過程控制會議論文集雖然測量精度較高，但抗干擾能力差，電路復雜，成本較高。因此，目前超聲測距多采用脈沖回波法。本系統(tǒng)采用脈沖回波法進行測量。 12 系統(tǒng)硬件設計系統(tǒng)硬件結構框圖如圖1

6、所示。圖1 系統(tǒng)總體功能框圖 系統(tǒng)上電以后單片機初始化系統(tǒng)的各個模塊。初始化工作完成以后單片機向CPLD發(fā)出測距指令，啟動CPLD工作。CPLD接收到單片機指令后發(fā)出超聲波探頭驅動信號，同時啟動高速計數(shù)器使其開始計數(shù)。探頭驅動信號經驅動電路放大以后加至發(fā)射探頭，由發(fā)射探頭發(fā)出超聲波。回波信號經放大電路和整形觸發(fā)電路處理后進入CPLD，并由CPLD中的回波捕捉電路捕獲。當CPLD捕捉到回波信號以后立即停止高速計數(shù)器工作并向單片機發(fā)出測距結束中斷，由單片機讀取高速計數(shù)器的計數(shù)數(shù)據。單片機由溫度補償數(shù)據和高速計數(shù)數(shù)據經數(shù)字濾波算法后計算出當前距離值并將運算結果寫入CPLD顯示模塊。CPLD顯示模塊控

7、制數(shù)碼管顯示電路顯示當前測距結果。通訊模塊和人機接口模塊完成和外界的交互功能。電源模塊負責給整個系統(tǒng)供電2. 單片機模塊單片機模塊是系統(tǒng)的核心控制模塊，控制系統(tǒng)各個模塊協(xié)調工作，并完成數(shù)據處理和數(shù)字濾波任務，但是它不直接控制測距過程。核心測距任務由CPLD模塊來實現(xiàn)，利用其極快的反應時間實現(xiàn)高精度測量。2.2 CPLD模塊CPLD模塊完成系統(tǒng)具體的測距數(shù)據采樣工作。CPLD模塊由時序發(fā)生器模塊、檢波模塊、高速計數(shù)模塊、顯示控制模塊、雙向數(shù)據通道和接口電路模塊組成。時序發(fā)生器是整個CPLD模塊的核心，控制CPLD中各個分模塊按照嚴格的時序工作。單片機測距指令到達CPLD后時序發(fā)生器啟動超聲波探頭

8、觸發(fā)信號，同時啟動高速計數(shù)器工作?；夭ń涍^放大整形比較電路到達CPLD。時序發(fā)生器配合檢波模塊檢出回波信號后向高速計數(shù)模塊發(fā)出計數(shù)停止指令停止計數(shù)器工作并向單片機發(fā)出計數(shù)結束中斷，由單片機通過雙向數(shù)據通道讀取高速計數(shù)器中的計數(shù)數(shù)據。單片機數(shù)據處理結束后又通過雙向數(shù)據通道將數(shù)據處理結果寫入顯示控制模塊的寄存器，由CPLD來驅動數(shù)碼管顯示。在這里有一點值得注意的是必須用三態(tài)門和單片機讀、寫、鎖存信號線來控制雙向數(shù)據的傳輸，否則會遇到數(shù)據沖突問題。2.3 發(fā)射驅動模塊超聲波傳感器是一種具有典型高Q值晶體振子特性的器件。電路激勵和接收頻率要考慮在傳感器諧振頻率下工作。此外，由于通常需要大功率驅動，考慮

9、用諧振升壓推動是必要的。本系統(tǒng)采用40K的發(fā)射接收分體的超聲波探頭。單片機發(fā)出測距指令后由CPLD輸出10個40K的方波信號驅動超聲波探頭。對這10個方波信號進行頻譜分析可以得到其中40K基波分量所占能量比重是最大的。所473第十七屆中國過程控制會議論文集以這個方波信號經高速光耦放大就會引起發(fā)射探頭的諧振。發(fā)射驅動模塊主要由高速光耦TLP250來實現(xiàn)。發(fā)射探頭觸發(fā)信號是5V信號，而驅動信號是24V信號，用光耦實現(xiàn)發(fā)射探頭的驅動不僅能隔離高低電壓，降低干擾，而且系統(tǒng)簡單可靠，工作效率高。TLP250的外加驅動電壓Vcc可以達到30V，本系統(tǒng)發(fā)射探頭驅動電壓為24V，滿足要求。TLP250的上升時

10、間tpLH下降時間tpHL為0.15S，本系統(tǒng)選用40K的收發(fā)分體超聲波探頭，超聲波周期為25S，符合系統(tǒng)要求。TLP250典型IF為7mA，超聲波觸發(fā)信號為5V信號，所以選用了620的限流電阻。在工作時TLP250要求在8腳和5腳之間外接一個0.1F的旁路電容。這個旁路電容要盡量貼近光耦放置。2.4 接收放大模塊發(fā)射驅動信號經光耦放大后加至超聲波發(fā)射探頭從而引起發(fā)射探頭諧振形成超聲波。這個超聲波信號通常要持續(xù)4050個周期。相應的，接收電路接收到的超聲波回波信號也將是一個持續(xù)4050個周期的超聲波脈沖信號。對這個超聲波脈沖信號進行頻譜分析可以得到其中40K的基波分量所占能量比重是最大的。所以

11、本系統(tǒng)選用了一個以40K為中心頻率的帶通濾波電路將有效信號濾出。設計帶通濾波器的時候也要考慮必須保證有一定的帶寬，否則會引起系統(tǒng)自激振蕩。接收放大電路由音頻放大器NE5532組成的帶通濾波兩級放大電路組成。前級放大電路兼實現(xiàn)帶通濾波功能。后級放大電路是簡單的反相比例放大電路。這樣組成的兩級濾波放大電路能有效的濾除干擾信號，避免系統(tǒng)自激振蕩，提高系統(tǒng)的可靠性。圖2 帶通濾波器原理圖前級濾波放大電路如圖2所示。由圖2計算可知前級放大電路的傳遞函數(shù)為：G(s)=R2C1s (R2C2s+1)(R1C1s+1)其中的負號會和后級的反相比例放大電路中的負號約去，所以現(xiàn)在暫不考慮負號。可見該系統(tǒng)為一個二階

12、的帶通濾波放大電路。轉折頻率111 2 R48C19R4C3為了提高系統(tǒng)的濾波效果，本系統(tǒng)將兩個轉折頻率都設置在超聲波工作頻率0240krad/s251327rad/s左右，即1 稍小于 0，2稍大于0。為了提高系統(tǒng)穩(wěn)定性避免自激振蕩也得保留一定的帶寬。為了提高系統(tǒng)增益，系統(tǒng)盡量選取大的R48和大的C3。綜合考慮放大倍數(shù)、系統(tǒng)穩(wěn)定性和濾波效果，本系統(tǒng)選擇的各項參數(shù)如下：R48510k C1910pF R43.3k C31000pF474第十七屆中國過程控制會議論文集111196078rad/s 2303030rad/s R48C19R4C3實驗證明，本電路很好的實現(xiàn)了帶通濾波放大功能。后級放大

13、就是一個簡單的放大倍數(shù)可調的反相比例放大電路，選擇合適的放大倍數(shù)即可。2.5 比較整形模塊比較整形模塊由高速比較器LM319組成。本系統(tǒng)采用門檻值法結合過零比較法的設計思路，實現(xiàn)了回波的精確捕捉。所謂門檻值法，是指設定一個電壓門檻，在回波幅值高于此門檻的時候輸出翻轉脈沖。單純使用門檻值法的缺點是在測量距離發(fā)生改變時，由于回波的強度與幅值相應變化，導致截止時刻相位的改變，從而引入較大誤差。而過零比較法就不存在這個問題，因為即使回波幅值不同，過零點位置也不會改變。將兩種方法結合，捕捉回波到達后的第一個下降沿的過零點（如圖3所示），從而消除了測量距離變化可能導致的誤差。本系統(tǒng)采用電壓比較器+CPLD

14、的硬件實現(xiàn)方法：將原始回波信號預處理后送入電壓比較器，比較結果信號輸入CPLD內的檢波器，完成過零點的捕捉。借助CPLD的高運行速度，在回波到達時刻的捕捉及計時上可以達到很高的精度。圖3 門檻值法與過零比較法綜合示意圖2.6 人機接口模塊與通訊模塊人機接口模塊與通訊模塊完成系統(tǒng)與外接環(huán)境的交互，使得操作人員可以設置系統(tǒng)參數(shù)并得知系統(tǒng)當前運行狀態(tài)。2.7 溫度補償模塊影響超聲波在空氣中的傳播速度的最大因素是溫度。由經驗公式v=331.05+0.6067T+0.0005T2v 超聲波傳播速度（m/s）；T 當前空氣溫度（C）；可知，溫度每升高1C，超聲波傳播速度大概就要提高約0.6m/s，誤差約為

15、0.2。也就是說溫度每升高1C，在1m的量程內就要產生2mm的誤差。由于測量現(xiàn)場的溫度起伏可能比較大，可見由溫度帶來的誤差是必需考慮的，所以系統(tǒng)必須加溫度補償。本系統(tǒng)采用一線總線式數(shù)字溫度傳感器475 ooo第十七屆中國過程控制會議論文集DS18B20采集當前空氣溫度，測溫分辨率可以達到0.0125C，測溫電路簡單可靠，較好的滿足了系統(tǒng)要求。3 o軟件模塊介紹圖4 系統(tǒng)總體軟件流程圖系統(tǒng)整體流程圖如圖4所示。其中上電初始化過程包括各個全局變量初始化、顯示電路初始化、CPLD初始化、測溫電路初始化和通訊端口初始化等。之后系統(tǒng)進入采樣、數(shù)字濾波（如圖5所示）過程。系統(tǒng)采集11次高速計數(shù)器計數(shù)值，經

16、數(shù)字濾波算法后得到本次采樣值。經實驗驗證，系統(tǒng)每次采集的11個高速計數(shù)器計數(shù)值絕大多數(shù)情況可以分為兩類：這兩類數(shù)據數(shù)值上正好相差一個波長。系統(tǒng)取個數(shù)較多的那個類的值的平均作為本次測量的測量值，取得了較好的濾波效果。值得注意的是：超聲波回波信號前沿包絡線是指數(shù)增長的。所以我們在選擇門檻值的時候最好將門檻值選擇在正好捕獲回波信號的前幾個波形，這樣可以大大提高系統(tǒng)精度。系統(tǒng)取得當前溫度數(shù)值后經數(shù)據處理得到當前距離值。最后經過顯示通訊過程將這個值傳遞給外界從而完成一次測量過程。4 結束語本系統(tǒng)目前在實驗室環(huán)境下運行狀況良好，測量范圍可以達到0125米，測距精度可達1mm，較好的完成了設計指標。下一步的

17、工作可以采用大功率的超聲波發(fā)射驅動電路增大測距量程?；夭ǚ糯笮盘柨梢越尤階/D轉換器進行A/D轉換后或者送入CPLD（或FPGA）中的硬件數(shù)字濾波電路進行數(shù)字濾波，或者送入DSP中進行高速數(shù)字濾波從而進一步提高系統(tǒng)測距速度。參考文獻 胡春海 時頻分析技術在超聲測距中的應用研究D秦皇島：燕山大學，2003 陳大新，胡學同，周杏鵬利用FPGA改進超聲波測距模塊設計J. 傳感器技術，2005，1-3 簡盈大作用距離超聲測距技術研究D. 國防科學技術大學，2004童詩白，華成應模擬電子計數(shù)基礎M第三版. 高等教育出版社，2001208-210，345-363476第十七屆中國過程控制會議論文集 王志鵬

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19、S NE5532,NE5532A DUAL LOW-NOISE OPERATIONAL AMPLIFIERS DataSheetSThe Study and Manufacture of Ultrasonic Telemeter with ShortDistance and High PrecisionFAN Qing-hua，YE Hua(Department of Automatic Control，Southeast University，Nanjing Jiangsu 210096，China)Abstract：This paper presents a new way which is MCU+CPLD+ belt-filter circuit with threshold value and zero-cross comparison method for achieving ultrasound ranging. According to