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(huì)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(xué)自動(dòng)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(jié)合門檻值法和過零比較法的超聲波測距實(shí)現(xiàn)方法，由MCU完成控制和數(shù)據(jù)處理工作，CPLD專司測距數(shù)據(jù)采樣任務(wù)，帶通濾波放大電路有效的濾除干擾信號(hào)對(duì)系統(tǒng)的影響，門檻值法結(jié)合過零比較法實(shí)現(xiàn)對(duì)回波的精確捕捉，從而實(shí)現(xiàn)了測距系統(tǒng)的高精度測量。關(guān)鍵詞：超聲波測距；復(fù)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(dòng)化生產(chǎn)和裝配過程中自動(dòng)識(shí)別的需要，出現(xiàn)了很多測距的原理和方法。根據(jù)其信息載體的不同可歸納為光學(xué)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(diǎn)：(1)超聲波對(duì)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(duì)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(qiáng)、有毒等惡劣環(huán)境中；(3)超聲波傳感器結(jié)構(gòu)簡單、體積小、費(fèi)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(jī)+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(jī)+部分模擬電路的方法完全依靠單片機(jī)定時(shí)器來完成定時(shí)任務(wù)，假設(shè)單片機(jī)采用12M晶振，系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間在幾個(gè)S至

3、幾十個(gè)S之間，換算程距離就是幾個(gè)毫米甚至幾個(gè)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(fù)雜可編程邏輯器件CPLD來專司測距任務(wù)，系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間在nS級(jí)，有效地提高了系統(tǒng)精度，滿足了精確測距要求。而且應(yīng)用CPLD來設(shè)計(jì)電路有著很大的靈活性，我們可以在CPLD內(nèi)實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的濾波算法，從而提高系統(tǒng)性能。由于CPLD內(nèi)部是Flash結(jié)構(gòu)，內(nèi)部電路擦寫方便，便于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)換代，所以在中小規(guī)模電路中有著良好的應(yīng)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(shí)間測量法、超聲多普勒法。超聲多普勒法是利用多普勒效應(yīng)工作的。當(dāng)超聲波入射到運(yùn)動(dòng)著的目標(biāo)物體上，超聲波被目標(biāo)物體所

4、反射。根據(jù)多普勒原理，反射波的頻率相對(duì)于入射波將產(chǎn)生正比于目標(biāo)物體速度的頻率偏移，測出反射波的頻率偏移，得到目標(biāo)物體的運(yùn)動(dòng)速度，若己知目標(biāo)物體的起始位置，將運(yùn)動(dòng)速度對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分，就可以求出目標(biāo)物體與超聲換能器間的距離。超聲多普勒法存在著一個(gè)嚴(yán)重的缺點(diǎn)，若目標(biāo)物體靜止或其運(yùn)動(dòng)非常緩慢，它將無法進(jìn)行距離測量。飛行時(shí)間測量法通過確定測量發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)的飛行時(shí)間間隔來實(shí)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(hào)飛行速度；t 飛行時(shí)間；距離測量的精度取決于飛行時(shí)間t的測量精度。飛行時(shí)間法一般可以分為三類：脈沖回波法、相移法和線性調(diào)頻法。在脈沖回波法中，t是脈沖由發(fā)射器發(fā)

5、出時(shí)刻與回波返回接收時(shí)刻之間的時(shí)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(hào)與接受器接受到的回波信號(hào)間的相位差換算而來的；線性調(diào)頻法則是通過發(fā)射相對(duì)時(shí)間線性調(diào)頻的信號(hào)，再測量接受到的信號(hào)與發(fā)射信號(hào)的頻差來換算出信號(hào)的飛行時(shí)間t。其中脈沖回波法在測量環(huán)境適應(yīng)性、抗干擾能力以及測量速度等方面有許多獨(dú)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(shí)別與智能系統(tǒng).472第十七屆中國過程控制會(huì)議論文集雖然測量精度較高，但抗干擾能力差，電路復(fù)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(jìn)行測量。 12 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)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(jī)初始化系統(tǒng)的各個(gè)模塊。初始化工作完成以后單片機(jī)向CPLD發(fā)出測距指令，啟動(dòng)CPLD工作。CPLD接收到單片機(jī)指令后發(fā)出超聲波探頭驅(qū)動(dòng)信號(hào)，同時(shí)啟動(dòng)高速計(jì)數(shù)器使其開始計(jì)數(shù)。探頭驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)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(hào)經(jīng)放大電路和整形觸發(fā)電路處理后進(jìn)入CPLD，并由CPLD中的回波捕捉電路捕獲。當(dāng)CPLD捕捉到回波信號(hào)以后立即停止高速計(jì)數(shù)器工作并向單片機(jī)發(fā)出測距結(jié)束中斷，由單片機(jī)讀取高速計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)。單片機(jī)由溫度補(bǔ)償數(shù)據(jù)和高速計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)字濾波算法后計(jì)算出當(dāng)前距離值并將運(yùn)算結(jié)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(dāng)前測距結(jié)果。通訊模塊和人機(jī)接口模塊完成和外界的交互功能。電源模塊負(fù)責(zé)給整個(gè)系統(tǒng)供電2. 單片機(jī)模塊單片機(jī)模塊是系統(tǒng)的核心控制模塊，控制系統(tǒng)各個(gè)模塊協(xié)調(diào)工作，并完成數(shù)據(jù)處理和數(shù)字濾波任務(wù)，但是它不直接控制測距過程。核心測距任務(wù)由CPLD模塊來實(shí)現(xiàn)，利用其極快的反應(yīng)時(shí)間實(shí)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(jù)采樣工作。CPLD模塊由時(shí)序發(fā)生器模塊、檢波模塊、高速計(jì)數(shù)模塊、顯示控制模塊、雙向數(shù)據(jù)通道和接口電路模塊組成。時(shí)序發(fā)生器是整個(gè)CPLD模塊的核心，控制CPLD中各個(gè)分模塊按照嚴(yán)格的時(shí)序工作。單片機(jī)測距指令到達(dá)CPLD后時(shí)序發(fā)生器啟動(dòng)超聲波探頭

8、觸發(fā)信號(hào)，同時(shí)啟動(dòng)高速計(jì)數(shù)器工作?；夭ń?jīng)過放大整形比較電路到達(dá)CPLD。時(shí)序發(fā)生器配合檢波模塊檢出回波信號(hào)后向高速計(jì)數(shù)模塊發(fā)出計(jì)數(shù)停止指令停止計(jì)數(shù)器工作并向單片機(jī)發(fā)出計(jì)數(shù)結(jié)束中斷，由單片機(jī)通過雙向數(shù)據(jù)通道讀取高速計(jì)數(shù)器中的計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)。單片機(jī)數(shù)據(jù)處理結(jié)束后又通過雙向數(shù)據(jù)通道將數(shù)據(jù)處理結(jié)果寫入顯示控制模塊的寄存器，由CPLD來驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示。在這里有一點(diǎn)值得注意的是必須用三態(tài)門和單片機(jī)讀、寫、鎖存信號(hào)線來控制雙向數(shù)據(jù)的傳輸，否則會(huì)遇到數(shù)據(jù)沖突問題。2.3 發(fā)射驅(qū)動(dòng)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(lì)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(qū)動(dòng)，考慮

9、用諧振升壓推動(dòng)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(jī)發(fā)出測距指令后由CPLD輸出10個(gè)40K的方波信號(hào)驅(qū)動(dòng)超聲波探頭。對(duì)這10個(gè)方波信號(hào)進(jìn)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(huì)議論文集以這個(gè)方波信號(hào)經(jīng)高速光耦放大就會(huì)引起發(fā)射探頭的諧振。發(fā)射驅(qū)動(dòng)模塊主要由高速光耦TLP250來實(shí)現(xiàn)。發(fā)射探頭觸發(fā)信號(hào)是5V信號(hào)，而驅(qū)動(dòng)信號(hào)是24V信號(hào)，用光耦實(shí)現(xiàn)發(fā)射探頭的驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)電壓Vcc可以達(dá)到30V，本系統(tǒng)發(fā)射探頭驅(qū)動(dòng)電壓為24V，滿足要求。TLP250的上升時(shí)

10、間tpLH下降時(shí)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(hào)為5V信號(hào)，所以選用了620的限流電阻。在工作時(shí)TLP250要求在8腳和5腳之間外接一個(gè)0.1F的旁路電容。這個(gè)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(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)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(gè)超聲波信號(hào)通常要持續(xù)4050個(gè)周期。相應(yīng)的，接收電路接收到的超聲波回波信號(hào)也將是一個(gè)持續(xù)4050個(gè)周期的超聲波脈沖信號(hào)。對(duì)這個(gè)超聲波脈沖信號(hào)進(jìn)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(gè)以40K為中心頻率的帶通濾波電路將有效信號(hào)濾出。設(shè)計(jì)帶通濾波器的時(shí)候也要考慮必須保證有一定的帶寬，否則會(huì)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(jí)放大電路組成。前級(jí)放大電路兼實(shí)現(xiàn)帶通濾波功能。后級(jí)放大電路是簡單的反相比例放大電路。這樣組成的兩級(jí)濾波放大電路能有效的濾除干擾信號(hào)，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(jí)濾波放大電路如圖2所示。由圖2計(jì)算可知前級(jí)放大電路的傳遞函數(shù)為：G(s)=R2C1s (R2C2s+1)(R1C1s+1)其中的負(fù)號(hào)會(huì)和后級(jí)的反相比例放大電路中的負(fù)號(hào)約去，所以現(xiàn)在暫不考慮負(fù)號(hào)?？梢娫撓到y(tǒng)為一個(gè)二階

12、的帶通濾波放大電路。轉(zhuǎn)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(gè)轉(zhuǎn)折頻率都設(shè)置在超聲波工作頻率02×40krad/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(xiàng)參數(shù)如下：R48510k C1910pF R43.3k C31000pF474第十七屆中國過程控制會(huì)議論文集111196078rad/s 2303030rad/s R48C19R4C3實(shí)驗(yàn)證明，本電路很好的實(shí)現(xiàn)了帶通濾波放大功

13、能。后級(jí)放大就是一個(gè)簡單的放大倍數(shù)可調(diào)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(jié)合過零比較法的設(shè)計(jì)思路，實(shí)現(xiàn)了回波的精確捕捉。所謂門檻值法，是指設(shè)定一個(gè)電壓門檻，在回波幅值高于此門檻的時(shí)候輸出翻轉(zhuǎn)脈沖。單純使用門檻值法的缺點(diǎn)是在測量距離發(fā)生改變時(shí)，由于回波的強(qiáng)度與幅值相應(yīng)變化，導(dǎo)致截止時(shí)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(gè)問題，因?yàn)榧词够夭ǚ挡煌^零點(diǎn)位置也不會(huì)改變。將兩種方法結(jié)合，捕捉回波到達(dá)后的第一個(gè)下降沿的過零點(diǎn)（如圖3所示），從而消除了測量距離變化可能導(dǎo)致的誤差。本系統(tǒng)采用電壓比較

14、器+CPLD的硬件實(shí)現(xiàn)方法：將原始回波信號(hào)預(yù)處理后送入電壓比較器，比較結(jié)果信號(hào)輸入CPLD內(nèi)的檢波器，完成過零點(diǎn)的捕捉。借助CPLD的高運(yùn)行速度，在回波到達(dá)時(shí)刻的捕捉及計(jì)時(shí)上可以達(dá)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(jī)接口模塊與通訊模塊人機(jī)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(shè)置系統(tǒng)參數(shù)并得知系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)。2.7 溫度補(bǔ)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(jīng)驗(yàn)公式v=331.05+0.6067T+0.0005T2v 超聲波傳播速度（m/s）；T 當(dāng)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/

15、s，誤差約為0.2。也就是說溫度每升高1C，在1m的量程內(nèi)就要產(chǎn)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(bǔ)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(huì)議論文集DS18B20采集當(dāng)前空氣溫度，測溫分辨率可以達(dá)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(gè)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(jìn)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(jì)數(shù)

16、器計(jì)數(shù)值，經(jīng)數(shù)字濾波算法后得到本次采樣值。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)每次采集的11個(gè)高速計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值絕大多數(shù)情況可以分為兩類：這兩類數(shù)據(jù)數(shù)值上正好相差一個(gè)波長。系統(tǒng)取個(gè)數(shù)較多的那個(gè)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(hào)前沿包絡(luò)線是指數(shù)增長的。所以我們?cè)谶x擇門檻值的時(shí)候最好將門檻值選擇在正好捕獲回波信號(hào)的前幾個(gè)波形，這樣可以大大提高系統(tǒng)精度。系統(tǒng)取得當(dāng)前溫度數(shù)值后經(jīng)數(shù)據(jù)處理得到當(dāng)前距離值。最后經(jīng)過顯示通訊過程將這個(gè)值傳遞給外界從而完成一次測量過程。4 結(jié)束語本系統(tǒng)目前在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下運(yùn)行狀況良好，測量范圍可以達(dá)到0125米，測距精度可達(dá)1mm，較好的完成了設(shè)計(jì)指

17、標(biāo)。下一步的工作可以采用大功率的超聲波發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路增大測距量程?；夭ǚ糯笮盘?hào)可以接入A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后或者送入CPLD（或FPGA）中的硬件數(shù)字濾波電路進(jìn)行數(shù)字濾波，或者送入DSP中進(jìn)行高速數(shù)字濾波從而進(jìn)一步提高系統(tǒng)測距速度。參考文獻(xiàn) 胡春海 時(shí)頻分析技術(shù)在超聲測距中的應(yīng)用研究D秦皇島：燕山大學(xué)，2003 陳大新，胡學(xué)同，周杏鵬利用FPGA改進(jìn)超聲波測距模塊設(shè)計(jì)J. 傳感器技術(shù)，2005，1-3 簡盈大作用距離超聲測距技術(shù)研究D. 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2004童詩白，華成應(yīng)模擬電子計(jì)數(shù)基礎(chǔ)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(huì)議論

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19、INSTRUMENTS 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. Accord