廖 平，吳躍松，王 鵬，岳莉莉

(高性能復(fù)雜制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中南大學(xué))，湖南長(zhǎng)沙 410083)

0 引言

針對(duì)目前超聲波測(cè)距系統(tǒng)存在著測(cè)距精度較低、系統(tǒng)穩(wěn)定性較差、測(cè)距距離相對(duì)較短、實(shí)時(shí)性差等問題。文中采用變壓器耦合功率放大電路，提高超聲波發(fā)射信號(hào)的功率，增大測(cè)距量程。采用溫度補(bǔ)償方式，提高系統(tǒng)測(cè)距精度。采用對(duì)數(shù)放大器，解決提取發(fā)射信號(hào)和回波信號(hào)包絡(luò)問題，實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定性的超聲波測(cè)距系統(tǒng)。超聲波測(cè)距在工程機(jī)械長(zhǎng)臂架壁障和物位測(cè)量等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用[1]。

1 超聲波測(cè)距原理

超聲波在相當(dāng)大的頻率范圍內(nèi)聲速不隨頻率變化，波動(dòng)的傳播方向與振動(dòng)方向一致，是縱向振動(dòng)的彈性機(jī)械波。目前超聲波測(cè)距普遍采用脈沖回波法，其工作原理是用脈沖去激勵(lì)超聲波換能器使其振動(dòng)發(fā)射超聲波，然后接收反射回來的信號(hào)，通過檢測(cè)脈沖發(fā)射到接收到回波的時(shí)間t，然后按照公式s=vt/2，可以計(jì)算出距離s[2]。

2 超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前用的最多的檢測(cè)回波時(shí)間的方法是閥值檢測(cè)法[3]。根據(jù)此方法設(shè)計(jì)了超聲波測(cè)距系統(tǒng)。系統(tǒng)采用的單片機(jī)為STM32F103CBT6。由STM32控制發(fā)射脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)經(jīng)過脈沖變壓器升壓后驅(qū)動(dòng)超聲波換能器，超聲波換能器振動(dòng)發(fā)射超聲波。前置放大電路接收超聲波發(fā)射信號(hào)和超聲波回波信號(hào)，并對(duì)其放大。經(jīng)過放大的信號(hào)經(jīng)過帶通濾波電路，濾掉電路中的雜波信號(hào)，對(duì)數(shù)放大電路提取超聲波發(fā)射信號(hào)和超聲波回波信號(hào)的包絡(luò)。因?yàn)樘崛“j(luò)的信號(hào)幅值波動(dòng)比較大，因此再次接入一個(gè)峰值檢波電路，使信號(hào)的幅值變化趨于平坦。最后送入末級(jí)放大和整形比較電路。經(jīng)過整形電路后輸出兩個(gè)方波信號(hào)，利用STM32捕捉兩個(gè)方波信號(hào)的上升沿和下降沿。兩個(gè)方波上升沿所對(duì)應(yīng)的時(shí)間差就是脈沖發(fā)射到接收到回波的時(shí)間t，經(jīng)過計(jì)算可得到距離s，再用CAN總線把測(cè)量結(jié)果送到上位機(jī)[4]。測(cè)距系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 測(cè)距系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3．1超聲波發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)換能器的峰峰值電壓需要大于400Vpp，且發(fā)射電路的輸出阻抗必須與超聲波換能器的阻抗相匹配，因此采用變壓器耦合功率放大電路。

常規(guī)的超聲波發(fā)射電路采用數(shù)字非門芯片，將TTL電平轉(zhuǎn)化成MOS電平，盡管輸出MOS電平達(dá)到驅(qū)動(dòng)MOS管的要求，但是如果采用RX232電平驅(qū)動(dòng)MOS管，MOS飽和時(shí)的漏極電流IDM1將比用MOS電平驅(qū)動(dòng)的MOS管的漏極電流IDM2更大。設(shè)計(jì)采用MAX232可以將TTL電平轉(zhuǎn)化成RX232電平，而MAX電平的高電平可以達(dá)到12 V，設(shè)計(jì)發(fā)射電路如圖2。

圖2 超聲波發(fā)射電路圖

3．2超聲波接收電路

當(dāng)障礙物距離換能器20 m時(shí)，超聲波換能器接收回來的信號(hào)大小只有40 mV，因此需要用前置放大電路對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行放大。選用輸入阻抗大的前置放大器。AD620是一款低成本，高精度儀表放大器。通過調(diào)節(jié)8號(hào)引腳跟7號(hào)引腳之間的電阻可以改變放大器的增益，增益范圍為1～1 000。

前置放大電路輸出的信號(hào)中除了25 Hz的輸入脈沖信號(hào)和回波信號(hào)外，還有50 Hz的工頻信號(hào)、次級(jí)脈沖變壓器輻射到空氣的雜波信號(hào)等，因而需要通過一個(gè)帶通濾波器過濾掉一些不需要的信號(hào)，保留需要檢測(cè)的信號(hào)。如圖3，設(shè)計(jì)采用由MC33078放大器構(gòu)成的多路反饋理論上無限增益的二階帶通濾波電路。

3．3對(duì)數(shù)放大電路及比較電路

采用對(duì)數(shù)放大器AD8310可以在不影響測(cè)距精度的前提下，實(shí)現(xiàn)信號(hào)檢波的功能，提取脈沖信號(hào)的包絡(luò)[5]。盡管提取出來的信號(hào)丟失了頻率和相位等信息，但是只要在后面采用比較電路整形，用STM32捕捉方波信號(hào)的上升沿和下降沿所對(duì)應(yīng)的時(shí)間就可以判斷出超聲波在空氣中傳播的時(shí)間，即能判斷出障礙物到超聲波換能器的距離。從硬件上提取信號(hào)的包絡(luò)，大大減低CPU的處理時(shí)間，使測(cè)距過程更具穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性。

圖3 超聲波接收電路圖

經(jīng)過對(duì)數(shù)放大器電路后，信號(hào)幅值最大值為2．5 V，而且當(dāng)障礙物距離換能器20 m時(shí)，回波信號(hào)經(jīng)過對(duì)數(shù)放大以后輸出的幅值只有1．2 V，因而在對(duì)數(shù)放大電路后面加上末級(jí)放大電路。采用LM358放大器構(gòu)成簡(jiǎn)單的放大電路。LM358是帶寬為1 MHz，最大放大倍數(shù)為100 dB的雙運(yùn)放放大器。調(diào)節(jié)R36的阻值可以改變電路的放大倍數(shù)。二極管D5、電容C38和電阻R38構(gòu)成峰值檢波電路可以提取信號(hào)的峰峰值，使輸入到整形比較電路的信號(hào)更加平滑[6]。

MAX913是單通道高速、低功耗、差分輸入和互補(bǔ)的TTL輸出比較器。輸入電壓范圍為0～15 V，高電平輸出電壓為3．3 V，低電平輸出為0．3 V．通過調(diào)節(jié)電位器R53和R54的電阻比值，可以調(diào)節(jié)MAX913的閾值電壓UT[7]。設(shè)計(jì)的電路如圖4。

圖4 對(duì)數(shù)放大與整形比較電路圖

3．4溫度補(bǔ)償電路

超聲波在媒介中的傳播速度將隨著環(huán)境溫度改變而改變，超聲波傳播的速度與環(huán)境溫度補(bǔ)償公式為：

c=331.45+0.6T

根據(jù)上式可以看出溫度每改變1 ℃，速度將改變0．6 m/s．因此溫度補(bǔ)償?shù)木葘?huì)在很大程度上影響測(cè)量的精度。為了提高超聲波測(cè)距系統(tǒng)的精度，對(duì)系統(tǒng)采取溫度補(bǔ)償，以減小溫度變化對(duì)測(cè)距精度的影響。溫度矯正采用DS18B20智能溫度傳感器，該傳感器能直接讀出環(huán)境溫度值，并采用單線接口方式，將溫度值發(fā)送給單片機(jī)。電路圖如5。

圖5 溫度傳感器電路圖

3．5CAN收發(fā)電路

CAN總線的硬件電路一般由CAN控制器、CAN收發(fā)器組成。電路所采用的STM32系列單片機(jī)提供了進(jìn)行CAN總線通信的硬件支持——CAN接口，不必加入其他外置的CAN控制器，簡(jiǎn)化了CAN總線通信的硬件電路。在一般情況下，為了進(jìn)一步提高CAN總線通信的可靠性和抗干擾能力，需要在單片機(jī)的CAN接口與CAN收發(fā)器之間加入電器隔離模塊，來減少干擾信號(hào)。采用CTM1050高速隔離收發(fā)器，該芯片內(nèi)部集成了CAN-bus所必須的收發(fā)電路、電器隔離電路。

單片機(jī)STM32F103CBT6的CAN總線的軟件處理過程：對(duì)CAN總線的寄存器、波特率過濾器等進(jìn)行初始化設(shè)置，開啟CAN中斷處理用于接收主控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，最后發(fā)送數(shù)據(jù)給上位機(jī)。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)長(zhǎng)距離超聲測(cè)距系統(tǒng)控制要求、溫度檢測(cè)和通信方式等內(nèi)容設(shè)計(jì)了單片機(jī)的控制程序。在軟件的主程序中，單片機(jī)主要實(shí)現(xiàn)以下功能模塊：

(1)單片機(jī)發(fā)射脈沖信號(hào)：?jiǎn)纹瑱C(jī)首先發(fā)射10個(gè)頻率為25 kHz的脈沖信號(hào)，單片機(jī)接收到回波脈沖則下次發(fā)射還是發(fā)射10個(gè)。若單片機(jī)沒有接收到回波信號(hào)則發(fā)射30個(gè)頻率為25 kHz的脈沖信號(hào)。

(2)溫度傳感器將采集的溫度發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)環(huán)境溫度值計(jì)算出超聲波的發(fā)射速度。

(3)單片機(jī)對(duì)接收回來的超聲波發(fā)射信號(hào)和回波信號(hào)進(jìn)行處理，計(jì)算出當(dāng)前障礙物的距離。

(4)單片機(jī)通過CAN總線與上位機(jī)進(jìn)行通信，將測(cè)距結(jié)果發(fā)給主控制系統(tǒng)。

超聲波測(cè)距系統(tǒng)的主程序流程圖如圖6。

圖6 主程序流程圖

5 試驗(yàn)結(jié)果及分析

在距離超聲波換能器正前方4．7 m處，放置一個(gè)障礙物，給電路板供電，軟件控制STM32發(fā)射10個(gè)頻率為25 kHz的脈沖，用示波器觀察整形比較電路輸出端的波形圖如圖7，從圖7可以看出：比較電路輸出端輸出兩個(gè)方波波形，分別對(duì)應(yīng)于發(fā)射信號(hào)和回波信號(hào)，示波器縱向每個(gè)格子代表5 ms，則從發(fā)射超聲波信號(hào)到接收到超聲波信號(hào)的時(shí)間約為0．028 s，通過粗略計(jì)算可以知道換能器距離障礙物的距離約為4．7 m．

圖7 比較電路輸出端波形

用STM32對(duì)如圖7所示比較電路輸出的方波信號(hào)進(jìn)行捕捉。考慮到捕捉信號(hào)過程中可能會(huì)出現(xiàn)誤判斷，因此對(duì)方波信號(hào)的脈寬寬度進(jìn)行判斷，當(dāng)脈寬的寬度達(dá)到一定的要求，方可認(rèn)為該方波信號(hào)為超聲波發(fā)射信號(hào)或者超聲波回波信號(hào)。設(shè)置STM32外部中斷的方式為上升沿或下降沿捕捉方式。當(dāng)STM32捕捉到方波信號(hào)的上升沿或者下降沿時(shí)，馬上進(jìn)入中斷進(jìn)行中斷處理，并記錄下進(jìn)入中斷的時(shí)間。假設(shè)第一次捕捉到方波信號(hào)的上升沿所對(duì)應(yīng)的時(shí)間為t1，下降沿所對(duì)應(yīng)的時(shí)間為t2，第二次捕捉到方波信號(hào)的上升沿所對(duì)應(yīng)的時(shí)間為t3，下降沿所對(duì)應(yīng)的時(shí)間為t4。第一個(gè)方波和第二個(gè)方波分別對(duì)應(yīng)發(fā)射信號(hào)和回波信號(hào)，因而t3-t1的時(shí)間就是超聲波發(fā)射到接收到回信號(hào)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間t．根據(jù)公式s=v(t3-t1)/2，即可計(jì)算出距離s，然后將測(cè)量的結(jié)果通過串口顯示到電腦上。采用同樣的方法，依次對(duì)距離換能器0～2 000 cm的障礙物進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量的結(jié)果如表1所示。

表1 測(cè)距測(cè)量結(jié)果

從表1可以看出超聲波測(cè)距系統(tǒng)存在盲區(qū)，在0～50 cm的范圍內(nèi)，是無法進(jìn)行測(cè)量的，這是因?yàn)槌暡〒Q能器在激勵(lì)停止的時(shí)候?qū)a(chǎn)生余振，導(dǎo)致超聲波測(cè)距系統(tǒng)無法進(jìn)行測(cè)量，因而在測(cè)量近距離的障礙物時(shí)只發(fā)射10個(gè)脈沖，減小超聲波換能器余振。而對(duì)于遠(yuǎn)距離的障礙物，可以增加發(fā)射脈沖的個(gè)數(shù)，使換能器的輻射功率達(dá)到最大。從表1可以看出該超聲波系統(tǒng)可以測(cè)量20 m范圍內(nèi)的障礙物。因?yàn)槌暡ㄔ诳諝庵袀鞑ニ俣鹊淖兓?、?duì)數(shù)放大器提取包絡(luò)的準(zhǔn)確性、整形比較電路閥值的取值大小等因素將影響到超聲波測(cè)距系統(tǒng)的精度[8]。

因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，發(fā)射電路采用MAX232芯片將TTL電平轉(zhuǎn)化成MAX電平來驅(qū)動(dòng)MOS管，增大發(fā)射功率，提高超聲波測(cè)距系統(tǒng)的量程。并在硬件上增加溫度檢測(cè)電路，實(shí)時(shí)檢測(cè)當(dāng)?shù)販囟?，減小系統(tǒng)測(cè)距誤差。

6 結(jié)論

設(shè)計(jì)了基于STM32的超聲波測(cè)距系統(tǒng)，在硬件上采用變壓器耦合功率放大電路作為超聲波發(fā)射電路，用對(duì)數(shù)放大器電路提取超聲波發(fā)射信號(hào)和超聲波回波信號(hào)包絡(luò)，使測(cè)距簡(jiǎn)單方便；在軟件上根據(jù)溫度與超聲波傳播速度的補(bǔ)償公式，對(duì)超聲波在空氣中的傳播速度實(shí)時(shí)補(bǔ)償。同時(shí)，將最后的測(cè)距結(jié)果通過CAN總線發(fā)送給上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)距系統(tǒng)的智能化。通過試驗(yàn)證明，超聲波測(cè)距系統(tǒng)可以進(jìn)行50～2 000 cm范圍內(nèi)障礙物的測(cè)量，且測(cè)距精度高、實(shí)時(shí)效果好、制作簡(jiǎn)單。

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作者簡(jiǎn)介：廖平(1964-)，教授/博士，主要研究方向是機(jī)電一體化和計(jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)。E-mail:liaoping0@163．com