陳云超 ，程曉鋒 ，郭 鋒

（1.西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，四川 綿陽 621010；2.中國工程物理研究院激光聚變研究中心，四川 綿陽621900）

超聲波是頻率大于20 kHz的機械波，在不同介質(zhì)中以不同的速度傳播，具有定向性好、能量集中、衰減較小、反射能力較強等優(yōu)點。因而超聲波傳感器可廣泛應(yīng)用于非接觸式檢測方法，對惡劣的工作環(huán)境具有一定的適應(yīng)能力，在液位測量、汽車倒車雷達、清洗技術(shù)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，已越來越引起人們的重視。本文著重介紹脈沖回波法的超聲波測距原理[1-2]及系統(tǒng)構(gòu)成。

1 超聲波測距原理

目前，超聲波測距一般利用壓電方式產(chǎn)生超聲波，去激勵超聲探頭向外發(fā)射超聲波，同時接收從被測物體反射回來的超聲波（簡稱回波），通過計數(shù)器計算從發(fā)射超聲波至接收回波所經(jīng)歷的傳輸時間t，根據(jù)其傳播速度v和傳播時間t的關(guān)系，計算出其傳播距離，得到超聲波傳感器和被測物體之間的距離。超聲波測距原理如圖1所示。

圖中被測距離為S，兩探頭中心距離的一半用L表示，由圖中關(guān)系可得：S=vtcos[arctan（L/S）]，當(dāng)被測距離 S 遠遠大于 L 時，cos[arctan（L/S）]≈1，即 S=vt。

圖1 超聲波測距的基本原理圖

2 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)采用Altera公司的Cyclone系列的FPGA芯片EP1C60240C8，F(xiàn)PGA通過內(nèi)部鎖相環(huán)（PLL）精確控制時鐘產(chǎn)生超聲波驅(qū)動信號，同時定時器開始計數(shù)，驅(qū)動信號經(jīng)超聲波發(fā)射電路放大后驅(qū)動超聲波換能器發(fā)射出測距聲波，測距聲波經(jīng)障礙物反射后的回波信號由超聲波接收電路放大、濾波后，由FPGA檢測回波信號，進行數(shù)據(jù)處理后顯示輸出。系統(tǒng)FPGA控制模塊框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)控制模塊框圖

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 超聲波發(fā)射電路

FPGA輸出的電流比較小，不能夠驅(qū)動超聲波換能器，必須采用功放電路，因此將兩只9013三極管接成復(fù)合管，放大輸出電流，驅(qū)動超聲波換能器向外發(fā)射超聲波。超聲波發(fā)射電路如圖3所示。

圖3 超聲波發(fā)射電路

3.2 超聲波接收電路

由于超聲波接收探頭接收的信號很微弱，通常只有幾百毫伏，對于FPGA對回波信號的處理方式，需要將回波信號放大到3.3 V左右，并且是方波信號，因此必須對回波信號進行放大、濾波處理。

本設(shè)計采用器件AD620[3]作為放大元件，AD620是一款低成本、高精度儀表放大器，僅需要一個外部電阻來設(shè)置增益，增益范圍為1～1 000，尺寸小于分立電路設(shè)計，功耗很低（最大工作電流僅為1.3 mA），具有高精度（最大非線性度 40 ppm）、低失調(diào)電壓（最大 50 μV）和低失調(diào)漂移（最大0.6 μV/℃）等特性，是傳感器接口的理想之選。

接收電路采用兩級放大，前級為固定放大100倍，設(shè)定AD620器件1腳和8腳之間的電阻Rg=0.5 kΩ，后級為可變放大，根據(jù)測距遠近、信號的強度，確定二級放大的倍數(shù)，便于調(diào)試。

中間采用帶通濾波，中心頻率為40 kHz，考慮到超聲波換能器的性能指標引起中心頻率的偏差，設(shè)計帶寬BW=2 kHz，可以有效去除噪聲干擾。

放大、濾波后的交流信號輸入到電壓比較器LM311，將交流信號整形輸出一個方波信號，送給FPGA處理。超聲波接收電路如圖4所示。

3.3 測溫電路

超聲波的聲速隨溫度、壓力、介質(zhì)密度、風(fēng)向等外界條件的變化而變化，而其中溫度最為密切，聲速與溫度的關(guān)系式可用公式表示如下：

由此關(guān)系可以得出聲速和溫度的關(guān)系，如表1所示。

表1 聲速和溫度的關(guān)系表

系統(tǒng)軟件校正[4]時，可采用公式進行修正，修正后的結(jié)果如表2所示。

表2 修正的聲速和溫度關(guān)系表

由表2結(jié)果可知，修正后的聲速值的最大誤差不超過1%，完全可以運用于工程領(lǐng)域。

測溫電路采用的元器件是美國Dallas半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20，溫度測量范圍從-55℃～125℃， 在-10℃～85℃檢測誤差不超過0.5℃。其具有精度高、智能化、體積小、線路簡單等特點。采用外部供電方式單點測溫電路，如圖5所示。

圖4 超聲波接收電路

圖5 測溫電路

3.4 電源電路

供電部分采用兩片單片集成LM2576-5V穩(wěn)壓芯片，其具有優(yōu)異的線性度和負載調(diào)整能力，POWER端的輸入電壓約為12 V～24 V，實驗測試時采用電源適配器獲得12 V～24 V的電壓，可以得到穩(wěn)定的、電路所需的正負5 V電壓，實現(xiàn)雙電源供電。電源電路如圖6所示。

圖6 電源電路

3.5 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件控制部分設(shè)計總體思想：系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生40 kHz的方波信號給外圍超聲波發(fā)射電路，在發(fā)出第一個脈沖的同時給計時標志位一個觸發(fā)電平，開始計時。在接收端接收到反射回來的有效信號后，停止計數(shù)，由S=vt就可以計算出所測距離。由于超聲波的繞射作用，超聲波發(fā)射電路發(fā)射出來的超聲波會直接干擾接收電路，造成數(shù)據(jù)誤差，采用延時接收[5]的辦法來解決這一問題。由于實際測量中，數(shù)據(jù)受溫度的影響及系統(tǒng)誤差，因而需要通過軟件修正誤差。系統(tǒng)軟件部分有以下功能：聲速校正、平滑處理等。軟件流程圖如圖7所示。

圖7 軟件流程圖

借助FPGA設(shè)計了一款精度較高超聲波測距系統(tǒng)，實驗表明，此種方式搭建的超聲波測距電路結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定可靠，可有效地抑制噪聲干擾，實現(xiàn)了目標距離在可調(diào)節(jié)范圍內(nèi)的非接觸式測量。

[1]李茂山.超聲波測距原理及實踐技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，1994.

[2]丁鷺飛，耿富錄.雷達原理（第三版）[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2002.

[3]KITCHIN C，COUNTS L.儀表放大器應(yīng)用工程師指南[M].馮新強，劉福強，蔣曉穎，等譯.美國模擬器件公司，2005.

[4]王紅云，姚志敏，王竹林，等.超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計[J].儀表技術(shù)，2010（10）：47-49.

[5]張波，王朋亮.基于STC89C51單片機超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計[J].機床與液壓，2010（9）：56-58.