【文章內容簡介】 接收回波的幅值隨傳播距離的增加而成指數規(guī)律衰減 ， 所以采用 AGC 電路使放大倍數隨距障礙物距離的增加成指數規(guī)律增加的電路 。 在計數器開始計時的時刻 ， AGC 電壓開始隨時間增加而增加 ,在檢測到回波脈沖后清零 。 零交叉點檢測 可以保證回波到達時刻不受回波大小變化 。 采用鑒寬電路可以抑制偶然的尖峰干擾信號 ， 使尖銳的干擾信號被鑒寬電路擋住而不能到達電平比較電路 。 因此 ， 采用包絡峰值檢測可以保證回波前沿的準確到達時刻 。 接收器等待發(fā)射脈沖第一個回波的同時，通知定時器 /計數器 T0 在微處理器的外部中斷接收到回波到來信號， T0 計數器停止計數。 ARM 一旦識別到的第一個回波到達時 ,便發(fā)生中斷，終止內部計數器計數 ,并對計數器中的數據進行程序處理。 ARM 通過內部設定程序的運算，可以算出超聲波傳感器到當前的障礙物的距離，并將測得的距離實時地在液晶顯示模 塊上顯示。 河海大學學士學位論文 基于 ARM 的超聲波測距模塊開發(fā) 11 第三章 系統(tǒng)總體設計 利用第二章講述的測距原理，作者設計了 超聲波測距系統(tǒng) ，它的作用是檢測當前障礙物的距離，并將測得的結果實時地在液晶上顯示出來，并可將檢測得到的數據值通過 RS232/485 網絡傳送給上位機控制器。 由圖可看出該系統(tǒng)共有 5 個模塊組成：超聲波發(fā)射模塊、超聲波接收模塊、溫度補償模塊、液晶顯示模塊、串行通信模塊。對于具體電路模塊的介紹見以下章節(jié)。 超聲傳感器的選擇 超聲檢測精度取決于檢測方法、儀器和超聲換能器性能。目 前在低超聲頻段(20~100kHz)，喇叭輻射面的面積比棒狀換能器 大，所以輻射面的聲強較低，與其粘結的不銹鋼板表面空化腐蝕小。 在本系統(tǒng)中采用喇叭狀換能器， 這種換能器尤其在較高頻段 {40kHz以上 )，其優(yōu)點更為突出。因為它可以削弱橫向振動所帶來的不良影響，頻帶也較寬。在選擇中，要綜合考慮超聲接收換能器各項參數指標，比如其與電路的阻抗匹配問題，如果電路的輸入阻抗與換能器的阻抗不一致，圖 31 超聲測距原理框圖 河海大學學士學位論文 基于 ARM 的超聲波測距模塊開發(fā) 12 就會引起駐波，使波形模糊。 超聲信號的處理 系統(tǒng)的性能受背景噪聲的限制，從抗干擾的角度來說，應充分利用信號場與干擾場在時 空統(tǒng)計特性上的差異，對超聲信號進行處理，以便最大限度地獲得增益。 1．信號的放大和噪聲的抑制。 由于從接收換能器傳來的信號很微弱，又存在著較強的噪聲，所以放大信號和抑制噪聲是首先必須考慮的。通常使用低噪聲晶體多級調諧放大器完成此項任務 [11]。在檢測過程中，由于工作頻帶窄，故應按功率匹配，使前置放大器的輸入阻抗與換能器輸出阻抗的數值相近。通帶中心頻率等于信號頻率。這樣環(huán)境噪聲中的絕大部份能量就被阻擋在通帶之外了，但對通帶內的噪音抑制則無能為力。可以通過增加發(fā)射功率和提高接受基陣的方向性來提高信噪比 ，使這個問題得到改善。 2．混響及其抑制。 通常較簡單的抑制混響方法是使用一定時間規(guī)律 (例如指數規(guī)律 )來控制接收機增益的時間，增益控制界 (TVG)對出現在接收機輸入端的信號和混響及噪聲進行動態(tài)壓縮。要使放大器增益隨時間變化的規(guī)律與混響隨時間衰減的規(guī) 律嚴格相反是很困難的， 補償的方法是增加一個自動增益控制器(AGC) [12]。 3．回波信號的處理。 回波信號的包絡通常是不規(guī)則的，不便對它進行數字處理，所以對它整形是必要的，整形電路形式多樣，可以是單穩(wěn)態(tài)電路，也可以是施密特觸發(fā)器或其它電路。 為了進一步濾除噪聲及混 響的影響，可設置一門限檢測閾值，該門限電平一般大于噪聲的均方根值。當信號超過閾值時判斷為有目標回波，若閾值過高，只有強信號才能被檢出，這樣檢出概率就降低；若閾值過低，信號超過閾值的機會多了，但同時噪聲超過閾值的機會也多，則檢出的有用信號夾雜的噪聲就會增多。 4．對目標回波信號的進一步處理。 進行數字濾波和計算，求從發(fā)射信號開始到收到目標回波為止的深度 (距離 )歷經時間值，并將它轉換成深度 (距離 )值，然后將此值顯示并打印。可采用微處理器。 本系統(tǒng)中，由 ARM 產生的波形通過隔離放大后驅動超聲換能器的發(fā)送端，換能器的 接收端接收的信號比較弱，另外由于換能器 本身的特性和聲程中隨機干河海大學學士學位論文 基于 ARM 的超聲波測距模塊開發(fā) 13 擾、傳播介質的非均勻性等造成的信號時延抖動是隨機的， 包含很多的噪聲信號。又由于超聲波的傳播介質中存在很多不確定的因素，難以抑制，這樣勢必影響檢測精度。對超聲信號的模擬處理首先我們對信號的輸出端進行隔離，防止回波產生，在混波信號中選取其中有用信號，濾除無用的噪聲信號，防止駐波干擾。在簡單的模擬化處理后，從軟件上對信號進行數字化的處理。 本系統(tǒng)中數字信號處理是在 ARM 中用程序來實現的。在此，作者采用平均濾波法，去除最大值和最小值后，將幾個采樣信號的平 均值作為一個信號值，這樣就能將信號中的瞬時干擾噪聲減小。選用多少采樣信號求其平均值，是根據信號頻率及噪聲的特征來確定的。同時也應用程序判斷濾波法，從程序的角度判斷有用信號，將無用信號濾除，通過仿真實驗證明，通過以上的信號處理方法能有效的保證超聲信號的重現，失真程度也很小。 智能測量模塊電路部分 主要包括超聲信號檢測電路、 LCD 液晶顯示、 RS232通信接口等部分。主機控制器在液晶顯示屏中將具體數據顯示出來，液晶顯示采用字符型液晶顯示模塊。并將測得的數據通過串口傳送給上位機，同時進行存儲 。主機控制器總結構框圖如圖 3－ 1 所示。 串行通信基本概念 （ 1）數據通信的基本概念 系統(tǒng)在實際工作中，像上位機的 CPU 與外部設備之間常常要進行數據交換一樣，為了通過上位機對系統(tǒng)進行實時控制，將系統(tǒng)測得數據實時傳送給上位機，所有這些信息交換均可稱為數據通信。本系統(tǒng)采用的是串行數據通信方式，接口圖 31主機控制器總結構框圖 河海大學學士學位論文 基于 ARM 的超聲波測距模塊開發(fā) 14 為 RS232 串口，實驗證明這種通信方式簡單易行，符合本系統(tǒng)要求。 （ 2）串行通信 在串行通信過程中二進制數字系列以數字信號波形的形式出現。不論接收還是發(fā)送，都必須有時鐘信號對 傳送的數據進行定位。接收 /發(fā)送時鐘就是用來 控制通信設備接收 /發(fā)送字符數據速度的，該時鐘信號通常由處理器內部的時鐘電路產生。在接收數據時，接收器在接收時鐘的上升沿對接收數據采樣，進行數據位檢測 。在發(fā)送數據時，發(fā)送器在發(fā)送時鐘的下降沿將移位寄存器的數據串行移位輸出。如圖 3－ 2 所示 : 串行通信過程 兩個通信設備在串行線路上實現成功的通信必須解決兩個問題 :一是串－并轉換，即如何把要發(fā)送的并行數據串行化，把接收的串行數據并行化 。二是設備同步，即同步發(fā)送設備和接收設備的工作節(jié)拍相同，以確保發(fā)送的數 據在接收端被正確讀出。 系統(tǒng)通信軟件由下位機、主機控制器通信軟件和上位機控制軟件三部分組成。 下位機通信軟件功能主要是接收主機控制器發(fā)送過來的信號，針對各下位機地址發(fā)送應答信號，再根據主機控制器發(fā)來的控制信號做出相應的反應，隨后發(fā)送主機控制器所需數據。 其通信功能使用了 ARM 的串行中斷和查詢收發(fā)狀態(tài)標志位的方法實現。下位機平時對各監(jiān)控點的進行數據采集并定時存貯，當有串行中斷時執(zhí)行串行中斷服務程序，判別是否為本機的地址信息，地址信息與本機地址相符時，轉為接收控制命令，并執(zhí)行相應的操作；地 址信息與本站地址不符時則退出中斷。 下位機通信流程圖如圖 34所示。 圖 32 發(fā)射接收時鐘數據位比較 河海大學學士學位論文 基于 ARM 的超聲波測距模塊開發(fā) 15 主機控制器的通信軟件實現功能主要包括呼叫各從機，并向各機發(fā)送查詢控制命令。其工作過程為控制器發(fā)送需呼叫的從機的地址，然后等待接收從機的應答信號，若應答信號正確即發(fā)送控制命令，若應答信號不正確則重新發(fā)送需呼叫的地址，并等待接收應答信號，接收到應答信號后接收有個下位機發(fā)送的數據，存儲在相對應的數據存儲區(qū)并在 LCD 液晶顯示屏中顯示出來。本系統(tǒng)的上位機控 制軟件由 Delphi7 編寫，具有良好的可視效果，功能包括數據發(fā)送、數據接收、串口通信設置等功能。上位機通信軟件界面如圖 35。 圖 34下位機通信流程 圖 35 上位機通信軟件界面 河海大學學士學位論文 基于 ARM 的超聲波測距模塊開發(fā) 16 第四章 系統(tǒng)硬件設計 嵌入式 ARM 微處理器 LPC2131 （ 1）嵌入式 ARM微處理器 LPC2131 概述 LPC2131是基于一個支持實時仿真和跟蹤的 16/32 位 ARM7TDMISTM CPU[15]，并帶有 32kB、 64kB 和 512kB 嵌入的高速 Flash 存儲器 [15]。 128 位寬度的存儲器接口和獨特的加速結構使 32 位 代碼能夠在最大時鐘速率下運行 [17]。多個 32 位定時器、 1個或 2 個 10 位 8 路的 ADC、 10 位 DAC、 PWM 通道、 47 個 GPIO 以及多達 9 個邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷使它們特別適用于工業(yè)控制應用以及醫(yī)療系統(tǒng) [18] （ 2）嵌入式 ARM微處理器 LPC2131主要特性 [19] ① 2 個 32 位定時器 /計數器（帶 4 路捕獲和 4 路比較通道）、 PWM 單元（ 6 路輸出）和看門狗。 ② 多個串行接口，包括 2 個 16C550 工業(yè)標準 UART、 2 個高速 I2C 接 口（ 400 kbit/s）、 SPITM 和具有緩沖作用和數據長度可變功能的 SSP。 ③ 片內晶振頻率范圍： 1～ 30 MHz。 ④ 單電源，具有上電復位（ POR）和掉電檢測（ BOD）電路： ⑤ 高速： RISC 型 8051 內核，速度比普通 8051 快 12 倍。 液晶顯示器 液晶顯示器 (LCD)憑借其功耗低、圖形美觀等多種優(yōu)勢，在儀器儀表產品中得到越來越多的應用 ， FYD128640402B是一種多功能的 LCD驅動器 ,可以用軟件的方式設定系統(tǒng)功能， 由于選擇的是串行數據傳輸方式，所以 FYD128640402B和 ARM之間 只需要 6根線的接口。 超聲波傳感器 本 測距系統(tǒng)中的超聲波傳感器 [20]采 用生產的 T4016（送信用 ） 和 R4016 (受信用 ) 的壓電陶瓷傳感器 [21]。下圖為超聲波傳感器的型號說明： 圖 41 超聲波傳感器型號說明 河海大學學士學位論文 基于 ARM 的超聲波測距模塊開發(fā) 17 超聲波檢測模塊主要包括發(fā)射超聲波產生、超聲傳感器驅動部分、超聲回波的接收放大、濾波、信號比較電路。根據所選超聲波傳感器的類型及個數，超聲波檢測電路可分為：收發(fā)分體回路和收發(fā)一體回路。下面對兩種方案進行介紹。 超聲波收發(fā)分體回路設計 該方案采用一對單收、單發(fā)型超聲波傳感 器。發(fā)射電路主要由超聲波傳感器（發(fā)射），集成電路 IC55 IC4049 組成。電路采用 555 集成芯片構成一個頻率為 40kHz 的多諧振蕩器，再通過 IC4049 集成電路驅動超聲波傳感器。接收電路主要由超聲波傳感器（接收），集成運放 LM5532，比較器 LM393，集成電路 IC4011，IC555 以及三極管 9012 組成。 IC555 構成一個延時回路，主要是用來設置超聲波檢測的盲區(qū) [22]。集成運放 LM5532 構成一級、二級放大電路，實現對超聲波回波信號的增幅， LM393 則是運用電壓比較的原理來設置檢測回波的閾值，從而 識別回波信號的到達。四個 2 輸入的與非門 4011 構成一個 RS 觸發(fā)器，保持超聲波的檢出信號 為一脈寬可變的正脈沖，脈沖寬度就是超聲波 渡越時間， 三極管9012 用來實現對檢出正脈沖信號進行放大，然后送給 ARM 的中斷口 。 ARM 通過中斷啟動內部計數器對正脈沖進行計數，再進行處理得到脈沖的寬度，即超聲波的渡越時間 [23]。超聲波的整機 、發(fā)送及接收電路如圖 42 和圖 4圖 44 所示。 C103R105R106567IC107B32184IC107AP1R11