王義

1 引言

隨著超聲波傳感器制作成本的降低，超聲波技術(shù)已被揭開(kāi)神秘的面紗，并緊貼人們生活而得到廣泛的應(yīng)用。超聲波技術(shù)目前主要應(yīng)用于功率超聲、檢測(cè)超聲及超聲通訊等方面，例如超聲焊接、超聲清洗、超聲醫(yī)療、回聲測(cè)深、金屬探傷等[1]。在檢測(cè)超聲技術(shù)中，其中有一部分就是通過(guò)發(fā)射接收超聲波時(shí)差計(jì)算來(lái)確定目標(biāo)的位置。

近年來(lái)數(shù)字電子技術(shù)高速發(fā)展，數(shù)字可編程邏輯器件因其具有靈活配置與高速反應(yīng)的特性而在很多應(yīng)用中替代了傳統(tǒng)的單個(gè)邏輯門器件與時(shí)鐘發(fā)生電路，簡(jiǎn)化電路的設(shè)計(jì)與縮小電路空間的同時(shí)也大大節(jié)省了成本。結(jié)合可編程邏輯器件與單片機(jī)的靈活性，超聲檢測(cè)技術(shù)的數(shù)字化設(shè)計(jì)將得到更廣泛的認(rèn)同。

2 工作原理與系統(tǒng)組成

2.1 工作原理

時(shí)差法超聲波檢測(cè)的原理即是通過(guò)定時(shí)器對(duì)發(fā)射與首次接收之間的時(shí)差進(jìn)行定時(shí)以求得超聲波往返時(shí)間t，在超聲波速度v已知的情況下，超聲波往返的距離可以通過(guò)該公式求得，進(jìn)而在檢測(cè)過(guò)程中進(jìn)行目標(biāo)物、障礙物、反射面等的探測(cè)。如公式（1）所示：

公式(1)中因子1/2的增加是為了求得單程距離，超聲波作為聲波的一種，它的速度v主要由介質(zhì)決定，例如在空氣中超聲波的速度是340米/秒，但隨著溫度的變化，v會(huì)有細(xì)微的變化，因此實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中一般以聲速儀的實(shí)測(cè)值為參考，或者添加溫度傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)校正而達(dá)到更高的精度，參數(shù)d表示設(shè)計(jì)中各種因素引起的綜合系統(tǒng)誤差。

2.2 系統(tǒng)組成

時(shí)差法超聲檢測(cè)系統(tǒng)分為微處理單元、發(fā)射驅(qū)動(dòng)、超聲波換能器、接收濾波放大處理電路、接口電路五個(gè)部分，其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 超聲檢測(cè)系統(tǒng)框圖

3 發(fā)射波的處理

超聲發(fā)射波的處理是由發(fā)射電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)決定的，近幾年隨著 MOSFET頻率范圍的擴(kuò)大，用MOSFET來(lái)實(shí)現(xiàn)超聲波驅(qū)動(dòng)已成為可能，在大部分超聲檢測(cè)中，超聲發(fā)射電路并不需要功放驅(qū)動(dòng)喇叭那樣追求高保真和高線性，因此本文選擇以雙 MOSFET管組成的推挽驅(qū)動(dòng)方式來(lái)驅(qū)動(dòng)超聲波換能器，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

時(shí)差法超聲檢測(cè)系統(tǒng)中超聲信號(hào)的發(fā)射是斷續(xù)式的，也就是說(shuō)在某一段時(shí)間內(nèi)連續(xù)發(fā)射多個(gè)波，當(dāng)激發(fā)驅(qū)動(dòng)超聲波換能器后就停止發(fā)射，直到接收電路收到回波。

圖3表示了兩個(gè)發(fā)射管的驅(qū)動(dòng)波形，由于超聲波頻率較高，低則幾十千赫茲，高則達(dá)到數(shù)兆赫茲，因此要用MCU直接合成高頻率超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)存在難度，且穩(wěn)定性也較差。圖3中超聲波是斷續(xù)式發(fā)射的，由信號(hào)CN進(jìn)行控制，CN的周期比較長(zhǎng)，因此可以用MCU進(jìn)行控制，許多微處理芯片都具有PWM波形發(fā)生功能，且其占空比可在0%～100%內(nèi)靈活調(diào)整。因此本設(shè)計(jì)中選擇具有PWM發(fā)生功能的C8051系列單片機(jī)作為處理單元，采用PWM中斷方式產(chǎn)生CN波形，通過(guò)調(diào)整占空比而達(dá)到調(diào)整發(fā)射持續(xù)時(shí)間[2]。

圖2 發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路

圖3 發(fā)射驅(qū)動(dòng)波形

對(duì)于超聲波頻率的產(chǎn)生，可以利用CPLD對(duì)MCU的主頻與CN控制進(jìn)行數(shù)字合成而不需要添加額外電路。下面就是用VHDL語(yǔ)言編寫(xiě)的一個(gè)產(chǎn)生Tr_A和Tr_B兩個(gè)發(fā)射信號(hào)的進(jìn)程。

P1:PROCESS(SYSCLK,CN)

BEGIN

IF CN='0' THEN

COUNTPW<=(OTHERS=> '0');

TR_A<= '0';

TR_B <= '0';

ELSIF SYSCLK'EVENT AND SYSCLK='1'

THEN

IF COUNTPW=COUNT_ON THEN

TR_A <= '0';

TR_B <= '0';

COUNTPW <=COUNTPW+1;

ELSIF COUNTPW=(COUNT_ON+1) THEN

TR_A <= '0';

TR_B <= '1';

COUNTPW <=COUNTPW+1;

ELSIF COUNTPW=(COUNT_ALL-1)

THEN

TR_A <= '0';

TR_B <= '0';

COUNTPW <=COUNTPW+1;

ELSIF COUNTPW=COUNT_ALL THEN

TR_A <= '1';

TR_B<= '0';

COUNTPW<=(OTHERS => '0');

ELSE

COUNTPW<=COUNTPW+1;

END IF;

END IF;

END PROCESS P1;

進(jìn)程中SYSCLK是晶振頻率，COUNT_ALL是分頻常數(shù)，而COUNT_ON是用來(lái)微調(diào)占空比以避免兩管同時(shí)導(dǎo)通出現(xiàn)短路。

因此，在該發(fā)射電路中發(fā)射波形的產(chǎn)生直接利用CPLD對(duì)MCU的主頻及PWM產(chǎn)生的控制信號(hào)數(shù)字合成即可，電路相對(duì)簡(jiǎn)化了許多，也對(duì)死區(qū)作了有效的控制。

4 接收波的處理

超聲波接收電路要經(jīng)過(guò)多重放大和濾波才能達(dá)到高增益高信噪比，在此不作詳述。在時(shí)差法超聲檢測(cè)電路中，模擬回波需進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換才能被MCU檢測(cè)，在要求高的情況下，可以對(duì)回波進(jìn)行包絡(luò)檢波再用高速ADC進(jìn)行采樣，輔以復(fù)雜的算法以求得精確時(shí)差及波形幅度信息；許多情況下，只需要時(shí)差信息而不需要波形信息，這時(shí)就可以對(duì)接收模擬回波進(jìn)行比較數(shù)字轉(zhuǎn)換后送入MCU的外部中斷中，從而終止MCU內(nèi)部的定時(shí)器。

圖4表示了時(shí)差法超聲接收回路中模擬波形及數(shù)字化需求的目標(biāo)波形，只要對(duì)第一次回波的前沿進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)就可以達(dá)到精確計(jì)時(shí)的目標(biāo)，因此需對(duì)接收波進(jìn)行數(shù)字化處理進(jìn)而得到圖中Pulse波形。

圖4 接收波形

這里可以不經(jīng)過(guò)包絡(luò)檢測(cè)而直接把模擬信號(hào)放入高速比較器進(jìn)行低閾值比較，然后輸出數(shù)字波形Rx到 CPLD進(jìn)行處理，再根據(jù)回波判斷產(chǎn)生 Pulse觸發(fā)MCU中斷。下面是CPLD進(jìn)行的回波處理進(jìn)程：

P2:PROCESS(CN,Rx)

BEGIN

IF CN = '1' THEN

COUNTF<=( OTHERS=>'0');

PULSE<='0';

ELSIF RX'EVENT AND RX='0' THEN

COUNTF<=COUNTF+1;

IF COUNTF = CNFIL THEN

PULSE<='1';

ELSIF COUNTF>=CNOUT THEN

PULSE<= '0';

END IF;

END IF;

END PROCESS P2;

程序中用 CNFIL這個(gè)常量進(jìn)行了簡(jiǎn)單的毛刺剔除，以防止小干擾影響檢測(cè)的穩(wěn)定性。

在接收回路中，還是以簡(jiǎn)化電路為主要設(shè)計(jì)思想，利用高速比較器完成從模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)變，再經(jīng)CPLD進(jìn)行回波的處理，由于數(shù)字電路的靈活性，對(duì)回波的判斷中添加了一些智能判斷的程序以提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性。

5 結(jié)束語(yǔ)

時(shí)差法超聲檢測(cè)手段在各檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用日趨廣泛，怎樣結(jié)合當(dāng)今高速發(fā)展的數(shù)字電路和微機(jī)技術(shù)，簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，降低系統(tǒng)成本，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性能成為檢測(cè)行業(yè)追求的目標(biāo)，本文根據(jù)超聲波的特性，以CPLD為基礎(chǔ)，對(duì)發(fā)射與接收波形進(jìn)行了數(shù)字化處理，并且可以聯(lián)合MCU進(jìn)行一些智能控制以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，該處理方案已在實(shí)際應(yīng)用中得以實(shí)現(xiàn)并取得了良好的效果。

[1] 袁易全,陳思忠.近代超聲原理與應(yīng)用[M].南京:南京大學(xué)出版社,1996:1,195-198.

[2] 李剛,林凌.與8051兼容的高性能、高速單片機(jī)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2002:140-145.