賀洪江，程 琳

(1．河北工程大學裝備制造學院，河北邯鄲 056038；2．河北工程大學信息與電氣工程學院，河北邯鄲 056038)

0 引言

超聲波測距技術(shù)是基于無目視能力的生物(蝙蝠等)防御及捕捉獵物生存的原理，利用超聲波在空氣媒介中傳播，碰到障礙物反射回來的時間間隔長短及被反射波的強弱判斷障礙物的性質(zhì)和位置的方法[1]。它是一種非接觸式檢測方式，不受光照度、電磁場、被測物色彩等因素的影響，信息處理簡單，速度快，成本低[2-4]。在移動機器人避障和定位、液位測量、物體識別、汽車防撞等方面有廣泛應(yīng)用。文中采用模塊化設(shè)計方案，設(shè)計一個基于STM32F103C8T6和CX2016紅外解碼芯片的超聲波測距儀，通過RS-485總線與主控制器組網(wǎng)，結(jié)合MODBUS協(xié)議，為工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域提供距離信息和輔助視覺信息。

1 整體方案設(shè)計

測距控制系統(tǒng)的硬件組成結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 測距控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

1．1核心控制器

核心控制器采用基于Cortex-M3內(nèi)核的32位增強型閃存微控制器STM32F103C8T6，該芯片主頻和定時器的頻率可高達72 MHz，定時器的高分辨率為測量的高精度提供了保證。超聲波的發(fā)射選用定時器PWM功能來驅(qū)動，回波信號的接收選用定時器的輸入捕獲功能。開始測距時，定時器開啟的同時啟動PWM和輸入捕獲，能完全消除啟動發(fā)射和啟動計時之間的偏差，從而提高測量精度。同時其內(nèi)部自帶溫度傳感器，豐富的片上資源簡化了系統(tǒng)硬件，同時降低了系統(tǒng)功耗。

1．2測距方法

1．3總線的選擇

考慮到超聲波測距儀一般連接在工業(yè)現(xiàn)場，與主控制器距離可能較遠，并且組網(wǎng)后測距儀之間不需要通信，因此選用RS-485總線方式。RS-485總線支持多點連接，且采用平衡發(fā)送和差分接收，抗共模干擾能力強，即抗噪聲干擾性好，與上位機之間通訊時通信速率較高。其最大傳輸距離可以達到1 200 m，適合遠距離傳輸。還具有可靠性高、性能價格比高等優(yōu)點。

2 硬件設(shè)計

超聲波測距儀的硬件設(shè)計包括測距最小系統(tǒng)、發(fā)射電路、接收電路、通信接口電路等。

2．1測距最小系統(tǒng)

測距儀的最小系統(tǒng)如圖2所示，核心控制器為STM32F103C8T6。

圖2 測距最小系統(tǒng)

2．2發(fā)射電路

超聲波發(fā)射電路由超聲波激勵電路和超聲波發(fā)射探頭2個部分組成，如圖3所示。其工作原理為：由STM32的高級定時器TIM1輸出40 kHz的激勵脈沖信號，經(jīng)P26引腳(網(wǎng)絡(luò)標號SEND)輸入至升壓單元。

升壓單元由一對復合管和脈沖變壓器組成。復合管有很高的電流放大系數(shù)，脈沖變壓器將5 V電壓升至12 V．脈沖信號經(jīng)放大、升壓后輸出，經(jīng)激發(fā)探頭發(fā)射出超聲波。該電路的優(yōu)點是消除了電路諧振，缺點是需2種電壓。

圖3 超聲波發(fā)射電路

2．3接收電路

超聲波接收電路是超聲波測距中關(guān)鍵的一部分，如圖4所示。該設(shè)計選用集成電路CX20106。CX20106是專用的40 kHz紅外信號接收芯片，具有很高的信號檢測靈敏度且能有效減少電路之間的互相干擾，減少電噪聲[5]?？捎脕硗瓿尚盘柕南薹?、放大、峰值檢波、帶通濾波和波形整形等功能。其中的前置放大器具有自動增益控制功能，能夠保證在超聲傳感器接收近距離內(nèi)輸入信號很強時放大器不會過載，接收較遠反射信號輸出微弱電壓時，放大器有較高的增益。R8可調(diào)節(jié)帶通濾波器的中心頻率，不需要外接電感，可避免外磁場對電路的干擾，可靠性較高。

圖4 超聲波接收電路

2．4通信接口電路

通信接口電路如圖5所示，電平轉(zhuǎn)換芯片U4選用MAX485，為半雙工通信方式。P1為總線接口端子?？偩€末端接120 Ω的匹配電阻，可吸收總線上的反射信號，使得正常的傳輸信號無毛刺，便于遠距離傳輸。

圖5 通信接口電路

3 軟件設(shè)計

該測距系統(tǒng)軟件設(shè)計包括：主程序、超聲波發(fā)射子程序、測距子程序、串口通信子程序等。

3．1軟件設(shè)計

STM32F103C8T6是該系統(tǒng)的核心和靈魂，由它來控制系統(tǒng)各模塊協(xié)調(diào)工作。STM32具有很高的指令效率和很強的性能，對中斷事件的響應(yīng)比其他單片機更迅速，因而具有更高的執(zhí)行效率。其內(nèi)部還帶有硬件除法器，節(jié)約了計算時間，提高了程序效率。

測距軟件的基本流程：首先對系統(tǒng)進行初始化，通過STM32的PWM模塊產(chǎn)生40 kHz的脈沖方波，并通過其輸入捕捉模塊捕獲回波信號。待回波進入接收電路，經(jīng)放大/整形等硬件處理后，進入核心控制器。調(diào)用溫度測量子程序和測距子程序按照公式s=vt/2計算出被測距離。最后按實際需求通過串口通信模塊將測量結(jié)果傳出。軟件主程序流程如圖6所示。

圖6 主程序流程圖

3．2MODBUS協(xié)議選擇

MODBUS是工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備(如DCS、PLC、智能儀表等)中使用很廣泛的一種總線協(xié)議，支持多種電氣接口，如RS-232、RS-485、以太網(wǎng)等。MODBUS協(xié)議采用主從工作方式，允許一臺主機和多臺從機通信，從機地址由用戶設(shè)定。

標準的MODBUS網(wǎng)絡(luò)通信可設(shè)置為2種傳輸模式(ASCII或RTU)。ASCII模式消息中的每個8B都作為2個ASCII字符發(fā)送，采用縱向冗長檢測(LRC)校驗。ASCII模式字符發(fā)送的時間間隔可達到1 s而不產(chǎn)生錯誤，處理信息精確且時間短，易于測距儀與上位機之間的通信傳輸，因此該系統(tǒng)選用ASCII模式。串口通信協(xié)議接收和發(fā)送幀格式如表1所示。

表1 接收和發(fā)送的幀格式

規(guī)定主機地址為0x00，讀取距離命令為0x0A，如主機需要1號模塊(地址為0x01)的距離數(shù)據(jù)則：

主機發(fā)送：0x3A 0x01 0x0A 0x00 0xF5

0xOD 0xOA

從機返回：0x3A 0x00 0x0A 0x1

1 0x22 0xC3

0xOD 0xOA

返回幀中：0x11、0x22，為有效數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成十進制時低位在后，高位在前。

4 實驗測試

該測距儀的測量范圍為0．4～5 m．根據(jù)設(shè)計的電路和軟件，測量數(shù)據(jù)如表2所示，從所測量的數(shù)據(jù)可得出該測距儀的測量誤差基本控制在1%，測量精度高，能夠滿足工業(yè)現(xiàn)場需求。

表2 超聲波測距儀測量數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語

該系統(tǒng)具有制作簡單，工作穩(wěn)定，硬件成本

低，可進行功能擴展等優(yōu)點。通過合理選用STM32F103C8T6和MODBUS通訊協(xié)議組成方案，提高了測量精度，抗干擾性能得到了較大的改善，完成一次測量的時間也縮短，并能及時向上位機主控制器提供測距服務(wù)。

參考文獻：

[1]來清民，高風昕．超聲波測距在行走機器人感知系統(tǒng)中的應(yīng)用．微計算機信息，2006，22(5)：206-208．

[2]趙海鳴，卜英勇，王紀嬋，等．一種高精度超聲波測距方法的研究．湖南科技大學學報：自然科學版，2006，21(3)：35-38．

[3]肖志紅，漢澤西．一種基于單片機的超聲測距系統(tǒng)的設(shè)計．現(xiàn)代電子技術(shù)，2006，29(19)：97-98，101．

[4]司春寧，LU W K．提高超聲波測距系統(tǒng)精度的研究．儀表技術(shù)，2008(8)：23-25．

[5]秦偉，顏文?。贑X20106A的超聲波倒車雷達設(shè)計．壓電與聲光，2011，33(1)：162-163．

作者簡介：賀洪江(1964—)，教授，碩士，主要研究方向為計算機檢測與控制、傳感器技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。

E-mail：hh6410@126．com

程琳(1985—)，碩士研究生，主要研究方向為計算機檢測與控制。

E-mail：chenglin9419@yeah．net