閔　銳，許高斌*，陳　興，馬淵明，金傳恩

（1.合肥工業(yè)大學(xué)電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院，安徽省MEMS工程技術(shù)研究中心，合肥230009；2.合肥科盛微電子科技有限公司，合肥230000）

基于NUC472的超聲波測(cè)距匹配算法的研究*

閔銳1，許高斌1*，陳興1，馬淵明1，金傳恩2

（1.合肥工業(yè)大學(xué)電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院，安徽省MEMS工程技術(shù)研究中心，合肥230009；2.合肥科盛微電子科技有限公司，合肥230000）

為了使超聲波測(cè)距系統(tǒng)中的換能器智能識(shí)別自身發(fā)出去的信號(hào)，以及避免其他設(shè)備換能器回波的干擾，提出了一種基于NUC472系列ARM芯片的超聲波回波匹配算法的實(shí)現(xiàn)方案。詳細(xì)介紹了各步算法的工作原理和實(shí)現(xiàn)過程，構(gòu)建了發(fā)送碼元序列的結(jié)構(gòu)，闡述了編解碼方式，并利用主控MPU內(nèi)部ADC單元、FPU計(jì)算單元以及DSP指令庫完成匹配算法的設(shè)計(jì)，最后將算法用于板級(jí)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行性能測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：此算法不僅能識(shí)別多組不同換能器設(shè)備，而且方便對(duì)于嵌入式系統(tǒng)的移植，具有很強(qiáng)的通用性。

超聲波測(cè)距；NUC472；信道編碼；匹配算法

EEACC：7220；7230doi：10.3969/j.issn.1004-1699.2016.10.013

超聲波測(cè)距系統(tǒng)具有極強(qiáng)的抗干擾能力（例如：抗霧霾、抗雨雪等）而被廣泛的運(yùn)用于工業(yè)、軍事、汽車制造業(yè)等眾多領(lǐng)域，傳統(tǒng)的超聲波換能器的工作頻率為40 kHz居多。目前國(guó)內(nèi)對(duì)于超聲波測(cè)距和數(shù)據(jù)采集技術(shù)的研究很成熟［1-6］，但是對(duì)于回波特征匹配方法介紹的很少。為了識(shí)別不同廠家、同一廠家不同設(shè)備之間的超聲波回波，提高測(cè)距系統(tǒng)的安全性，需要增加信號(hào)的匹配工作。由于超聲波換能器的余震，以及換能器的載帶特性，使得超聲波信號(hào)傳輸中的編解碼和調(diào)制解調(diào)難度提升。傳統(tǒng)的無線通訊設(shè)備中，對(duì)于信號(hào)傳輸（例如序列的傳輸）會(huì)增加編碼器和解碼器［7］，以及調(diào)制解調(diào)器。對(duì)于功能單一的超聲波測(cè)距系統(tǒng)，加入這些通訊器件無疑會(huì)增加系統(tǒng)的開發(fā)成本以及算法設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。解決信號(hào)匹配問題的另一種思路是利用相關(guān)算法［8-10］?；诔暡ɑ夭ǖ南嚓P(guān)算法有很多的研究，其主流思路是利用偽隨機(jī)序列如m序列進(jìn)行互相關(guān)時(shí)延估計(jì)［11］。雖然偽隨機(jī)序列有尖銳的自相關(guān)特性，但是一個(gè)四階的m序列只有2組本原多項(xiàng)式，這說明一個(gè)15 bit長(zhǎng)度的m序列只能區(qū)分兩組換能器，無法解決多組換能器識(shí)別的目的。

本文提出了一種基于NUC472主控芯片的匹配算法。考慮到BCH信道編碼適用于短序列的傳輸［12］，算法利用軟件形式設(shè)計(jì) BCH的編解碼。NUC472其Cortex-M4內(nèi)核擁有FPU單元，編解碼設(shè)計(jì)借助其高速的數(shù)據(jù)處理得以最大限度的縮短算法延時(shí)，提高工作系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性；M4內(nèi)核具有DSP指令庫，其豐富的庫函數(shù)方便數(shù)字帶通濾波器的設(shè)計(jì)，用來濾除無線信道中噪聲的干擾；同時(shí)其主控內(nèi)部有豐富的外設(shè)資源，利用閾值比較輸出可以巧妙的解析出01序列，實(shí)現(xiàn)與解調(diào)操作相同的功能。整套的匹配算法不需要增加額外的硬件模塊，節(jié)約了開發(fā)成本。此算法設(shè)計(jì)有很強(qiáng)的可移植性。同時(shí)，NUC472主控體積小便于集成，應(yīng)用前景廣闊。

1　超聲波測(cè)距系統(tǒng)組成

系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示。其工作流程為：NUC472主控芯片首先通過軟件程序?qū)в袚Q能器編號(hào)的序列進(jìn)行BCH編碼操作，通過IO來模擬2ASK調(diào)制之后的波形輸出，載頻為40 kHz。此40 kHz的高低電平經(jīng)過驅(qū)動(dòng)放大器的放大，并通過中周模塊的穩(wěn)頻，驅(qū)動(dòng)超聲波換能器發(fā)出40 kHz的超聲波。當(dāng)超聲波遇障礙物之后返回，在接收電路前級(jí)進(jìn)行多級(jí)放大，將mV級(jí)的電壓放大為0.5 V左右以便于CPU處理，再經(jīng)過ADC單元以及數(shù)字帶通濾波器濾噪后，利用軟件的閾值比較輸出回歸序列，然后進(jìn)行BCH解碼和匹配工作。如果與發(fā)送的序列一致，則認(rèn)為匹配成功，再進(jìn)行后續(xù)的距離計(jì)算。

圖1　系統(tǒng)組成框圖

由圖1可看出，其編解碼、調(diào)制解調(diào)工作以及距離計(jì)算等數(shù)據(jù)處理工作，均可以在NUC472主控內(nèi)部通過軟件編程以及庫函數(shù)的調(diào)用實(shí)現(xiàn)，為系統(tǒng)的小型化以及高度集成化提供了便捷。

2　匹配算法模塊設(shè)計(jì)

匹配算法模塊設(shè)計(jì)分為發(fā)送端設(shè)計(jì)及接收端設(shè)計(jì)兩部分。相比于發(fā)送端，接收端模塊設(shè)計(jì)需從信道中濾除噪聲、增加還原序列，所以設(shè)計(jì)難度和復(fù)雜性會(huì)有所増加。匹配算法模塊的組成及相互關(guān)系示意圖如圖2所示。

圖2　匹配算法模塊組成及柤互關(guān)系圖

2.1發(fā)送端序列的設(shè)計(jì)以及編解碼方式的確立

信道編碼即糾錯(cuò)編碼（ECC），是指在信息序列中加入一些冗余碼元，組成一個(gè)相關(guān)的碼元序列，譯碼時(shí)利用碼元之間的相關(guān)性質(zhì)來檢測(cè)錯(cuò)誤和糾正錯(cuò)誤?？紤]到超聲波測(cè)距系統(tǒng)的獨(dú)特性，即不需要傳輸類似于語音信號(hào)、圖像信號(hào)等信息量較大的信號(hào)，只要其內(nèi)部嵌入的信息量能保證換能器的識(shí)別即可。所以編碼方式可以選用漢明編碼或者BCH編碼。漢明編碼可以檢測(cè)和糾正所有的1位的隨機(jī)錯(cuò)誤，而BCH編碼不僅能檢測(cè)出全部的單個(gè)錯(cuò)碼和全部的離散二位錯(cuò)碼，并能檢測(cè)出全部的奇數(shù)個(gè)錯(cuò)碼。同時(shí)，BCH編碼特別適用于不太長(zhǎng)的碼，如適用于無線通訊。綜合對(duì)比分析，本設(shè)計(jì)方案采用BCH編碼方式。傳輸位數(shù)設(shè)定為15 bit，對(duì)應(yīng)的生成多項(xiàng)式為：x4+x+1，其設(shè)計(jì)的發(fā)送端序列位分布如圖3所示。

圖3　發(fā)送端序列位分布圖

同步位用于幫助分辨接收到的數(shù)據(jù)是否為本系統(tǒng)換能器組所發(fā)出的數(shù)據(jù)，其所占用的位數(shù)為7 bit；換能器編號(hào)位用于辨別此信號(hào)來源于換能器組中具體的換能器，例如若將換能器編號(hào)位設(shè)為4 bit，則可以區(qū)分16個(gè)不同的換能器（0000～1111）；加入冗余位編碼不僅可以幫助信號(hào)的匹配工作，同時(shí)可以糾正傳輸中的錯(cuò)誤。其中同步位和換能器編號(hào)位可以根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)?shù)脑黾优c縮減比特?cái)?shù)，這種設(shè)計(jì)方式結(jié)構(gòu)分明，而且適用于工業(yè)生產(chǎn)批量化的需求。

本實(shí)驗(yàn)中采用的超聲波探頭中心頻率和中周諧振頻率均為40 kHz，通帶帶寬為3 kHz。為了實(shí)現(xiàn)序列的傳輸，需要將發(fā)送序列進(jìn)行調(diào)制處理。由于超聲波探頭的窄帶特性，決定了不宜采用2FSK調(diào)制。而單脈沖超聲波不規(guī)律的拖尾現(xiàn)象，也決定了不適合采用2PSK調(diào)制。由于2ASK調(diào)制方式不僅易于軟件實(shí)現(xiàn)，而且沒有來自窄帶特性和拖尾現(xiàn)象的困擾，所以決定采用2ASK調(diào)制。當(dāng)序列值為“1”時(shí)，發(fā)送2周期的40 kHz超聲波；當(dāng)序列值為“0”時(shí)，不發(fā)送。

在實(shí)驗(yàn)過程中，由于采用的是壓電式超聲波換能器，且收發(fā)一體，所以在經(jīng)過高電平和低電平的切換之后，會(huì)產(chǎn)生余震的干擾并影響01序列的區(qū)分，如圖4所示。其中信號(hào)2為軟件發(fā)送的序列，信號(hào)1為回波電路中的響應(yīng)電壓，從信號(hào)1中已經(jīng)無法區(qū)分01序列了。為了使后續(xù)的處理工作能順利進(jìn)行，需要在發(fā)送高電平后，延時(shí)時(shí)間t來過濾掉余震的影響。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)對(duì)2周期高電平余震的測(cè)量，確定時(shí)間t為400 μs左右，所以為了濾除余震以及方便計(jì)算機(jī)的識(shí)別處理，設(shè)定01序列的碼片時(shí)寬均為450 μs。為了簡(jiǎn)化調(diào)制過程，在超聲波發(fā)送前，我們可以人工模擬已經(jīng)調(diào)制后的序列（如圖5所示，顯示了1和0的表示方式）并用IO口發(fā)送，這樣可以減少發(fā)送端的軟件延遲，為CPU減負(fù)，同時(shí)可以降低硬件資源的消耗。

圖4　換能器余震對(duì)回波的影響示意圖

圖5　2ASK已調(diào)序列的表征方式

2.2數(shù)字帶通濾波器的設(shè)計(jì)

在回波信號(hào)經(jīng)過多級(jí)放大之后，被NUC472內(nèi)部的ADC模塊采樣。ADC模塊可以采用單端輸入的模式，采樣頻率設(shè)定為 400 kHz，對(duì)于頻率為40 kHz的超聲波滿足采樣定理的需求。由于超聲波信號(hào)在空氣中傳播會(huì)受噪聲的干擾，所以為了提高序列采集工作的準(zhǔn)確性，這里的帶通濾波器尤為重要。由于傳統(tǒng)的帶通濾波器是由RC阻容耦合電路構(gòu)成，而這種硬件濾波電路，會(huì)隨著使用時(shí)間的推移而發(fā)生老化，所以濾波性能不穩(wěn)定。相比于硬件濾波器，數(shù)字濾波器在穩(wěn)定性和使用成本方面會(huì)有很大的優(yōu)越性。由于NUC472內(nèi)部有DSP指令庫，其內(nèi)部豐富的庫函數(shù)便于帶通濾波器的設(shè)計(jì)，所以在帶限濾波方面，IIR濾波器比FIR濾波器會(huì)在階數(shù)上有很大的縮減，從而進(jìn)一步縮減軟件資源的開銷。IIR濾波器通常是根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)的要求來確定濾波器參數(shù)。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，確定了帶通濾波器的階數(shù)為2比較適宜。設(shè)計(jì)方法是采用模擬濾波器通過雙線性變化成數(shù)字濾波器?？紤]到測(cè)距系統(tǒng)用戶并不需要自己設(shè)計(jì)濾波器，所以可以結(jié)合MATLAB中FDAtool開發(fā)工具來完成濾波器的設(shè)計(jì)。將得到的濾波器系數(shù)帶入到DSP庫函數(shù)中，即可完成濾波操作。設(shè)計(jì)的帶通濾波器測(cè)試結(jié)果如圖6所示，其中圖6（a）為ADC的輸出波形，可以觀測(cè)到在無線信道中進(jìn)行超聲波傳輸，會(huì)疊加高斯噪聲，而且高斯噪聲的幅度不穩(wěn)定，會(huì)影響到后期閾值比較的處理；圖6（b）為帶通濾波器的輸出，從圖像上可以看出高斯噪聲已經(jīng)被最大限度的抑制，清晰的展現(xiàn)出回波信號(hào)的脈絡(luò)信息。

圖6　數(shù)字IIR帶通濾波器性能測(cè)試波形

2.3軟件閾值比較回歸序列的設(shè)計(jì)及解碼處理

經(jīng)過帶通濾波器的處理，超聲波回波信號(hào)會(huì)保存在數(shù)組中。發(fā)送波采用2ASK形式的調(diào)制方式，由于壓電式換能器起震和余震的物理特性，使回波信號(hào)會(huì)呈現(xiàn)多個(gè)如圖6（b）中的橄欖形。序列1和序列0的碼字寬度均為450 μs，所以只需要等間隔的設(shè)置閾值即可完成序列的回歸操作。對(duì)于閾值的設(shè)置，多閾值系統(tǒng)存在以下兩個(gè)缺點(diǎn)：①多閾值系統(tǒng)需要額外的存儲(chǔ)空間來保存時(shí)間與閾值的比例關(guān)系，對(duì)于單個(gè)的換能器而言，如果該系統(tǒng)中有4個(gè)閾值，則需要8個(gè)對(duì)應(yīng)的入口參數(shù)；如果超聲波測(cè)距系統(tǒng)用在汽車倒車?yán)走_(dá)或者無人機(jī)導(dǎo)航飛行上，則至少需要10個(gè)左右的換能器，對(duì)應(yīng)的入口參數(shù)高達(dá)80個(gè)，無疑加重了高度集成化系統(tǒng)內(nèi)存的負(fù)擔(dān)；②在系統(tǒng)的工作過程中，為了和時(shí)間軸同步，CPU會(huì)不斷的校準(zhǔn)時(shí)間尺度與閾值設(shè)定之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這個(gè)校準(zhǔn)過程會(huì)有時(shí)間消耗，對(duì)于實(shí)時(shí)系統(tǒng)而言，所帶來的時(shí)間誤差是不可忽略的。

單閾值系統(tǒng)則避開了以上的兩個(gè)問題，不僅設(shè)置簡(jiǎn)單，而且不會(huì)占用多余的時(shí)空資源。單閾值的設(shè)定有很多方法，本文利用噪聲信號(hào)的基準(zhǔn)線來估計(jì)固定閾值的大小，單閾值的計(jì)算推導(dǎo)過程如下：

假設(shè)u（t）為發(fā)送信號(hào)，a（t）為回波信號(hào)，b（t）為信道中的噪聲，則：

對(duì)于a（t），假設(shè)A表示回波信號(hào)的幅度，fc表示一系列正弦脈沖的載波頻率，則：

則IIR數(shù)字帶通濾波器的輸出y（t）可以表示為：

在式（3）中，f（bandpass）是數(shù)字帶通濾波器的函數(shù)，f（ADC）為ADC模塊的量化函數(shù)，假設(shè)參考時(shí)間是由超聲波從換能器端發(fā)射出來開始計(jì)時(shí)，即t0=0，閾值用L表示，則當(dāng)關(guān)系式：

滿足時(shí)，可以認(rèn)定在tob處遇到了障礙物。用K表示放大器的增益，bext（t）為外部噪聲，bamp（t）為放大器的噪聲，bADC（t）為ADC的電路噪聲，q（t）為ADC的量化值，bbandpass（t）為IIR帶通濾波器在數(shù)值計(jì)算上的數(shù)值錯(cuò)誤，假設(shè)每一個(gè)噪聲元素都相互獨(dú)立而且為零均值和非零方差的高斯噪聲。則信道中的總噪聲b（t）可以表示為：

將式（1）、式（2）和式（5）帶入式（3），數(shù)字帶通濾波器的品質(zhì)因數(shù)用Q表示，ADC的采樣頻率用 fs表示，波峰因數(shù)值取6.6，可以計(jì)算出閾值L：

將各個(gè)系數(shù)值帶入式（6），最后確定閾值設(shè)定為45合適，由于閾值的比較是基于數(shù)字帶通濾波器的輸出數(shù)組，所以再根據(jù)碼元序列的時(shí)間間隔450 μs，以及ADC的采樣率400 kHz，可以計(jì)算出間隔點(diǎn)數(shù)Gap為180，碼元個(gè)數(shù)為N，軟件閾值比較的流程圖如圖7所示。

得到回歸序列h［N］之后，通過BCH解碼使帶有換能器同步以及編號(hào)信息的序列得以恢復(fù)，BCH解碼方式即編碼方式的逆過程，主要通過校驗(yàn)矩陣的方式得以實(shí)現(xiàn)。編輯BCH解碼的函數(shù)體，在主函數(shù)中直接調(diào)用即可。

圖7　軟件閾值比較流程圖

3　綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

為了測(cè)試匹配算法方案的可行性，在自主設(shè)計(jì)的以NUC472為主控的ARM超聲波測(cè)距板上進(jìn)行了多組實(shí)驗(yàn)，測(cè)試平臺(tái)的實(shí)物圖如圖8所示。

圖8　測(cè)試平臺(tái)實(shí)物圖

實(shí)驗(yàn)中取3組不同的編碼信號(hào)作為多組換能器的替代，同時(shí)，三組編碼信號(hào)對(duì)應(yīng)的測(cè)試距離也不相同，用來檢測(cè)對(duì)于距離變化的編碼性能的穩(wěn)定性。3組實(shí)驗(yàn)編碼如下：

①發(fā)送序列為：10110111011；BCH編碼后的序列為：101101110111001；對(duì)應(yīng)的測(cè)試距離為1.53 m；

②發(fā)送序列為：10110110011；BCH編碼后的序列為：101101100110010；對(duì)應(yīng)的測(cè)試距離為2.14 m；

③發(fā)送序列為：10110111001；BCH編碼后的序列為：101101110011111；對(duì)應(yīng)的測(cè)試距離為3.04 m；

從序列的位設(shè)置上可以看出，其同步位均為：1011011，換能器編號(hào)各不相同，還原了工業(yè)生產(chǎn)中的編號(hào)設(shè)計(jì)方式，使實(shí)驗(yàn)具有代表性。3組實(shí)驗(yàn)的結(jié)果如圖9所示，其中匹配的結(jié)果通過uart串口輸出的方式打印到PC機(jī)串口調(diào)試器上。

圖9　實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：匹配算法性能良好，完成了序列識(shí)別和BCH編解碼的工作，同時(shí)可以看出算法的性能不受距離變化的影響。在第二組實(shí)驗(yàn)中，可能由于噪聲的干擾以及信號(hào)的形變，使回歸序列的過程中第三位發(fā)生了錯(cuò)誤，但是BCH解碼成功的識(shí)別并糾正了錯(cuò)碼，從而驗(yàn)證了匹配算法的糾錯(cuò)能力。

4　結(jié)束語

超聲波測(cè)距系統(tǒng)日益深入人們的日常生活，無論是在汽車倒車?yán)走_(dá)、機(jī)器人掃地機(jī)還是軍事戰(zhàn)場(chǎng)上的無人機(jī)上都有廣泛的運(yùn)用。如何提高超聲波測(cè)距系統(tǒng)的安全性以及私密性成了熱門的研究課題。本文提出的基于NUC472主控的超聲波回波信號(hào)匹配算法，設(shè)計(jì)思路清晰，且便于軟件的實(shí)現(xiàn)與移植，很大程度上節(jié)約了硬件開發(fā)的成本。又由于充分利用了主控芯片的外設(shè)資源以及Cortex-M4內(nèi)核的運(yùn)算處理能力，所以促進(jìn)了集成系統(tǒng)的小型化發(fā)展。同時(shí)經(jīng)過了板級(jí)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該算法的可行性，實(shí)驗(yàn)證明匹配算法性能優(yōu)良，特別適用于大量程的測(cè)距系統(tǒng)。同時(shí)此算法可以區(qū)分帶有不同特征序列的換能器，滿足了工業(yè)生產(chǎn)的需求。

5　致謝

本文研究得到了合肥科盛微電子科技有限公司的大力支持，在此表示感謝！

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閔銳（1991-），男，安徽南陵人，碩士研究生，研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)算法設(shè)計(jì)，13075571696@163.com；

許高斌（1970-），男，安徽肥東人，博士，教授，安徽省MEMS工程技術(shù)研究中心主任，研究方向?yàn)镃MOS MEMS、MEMS/NEMS器件與集成制備技術(shù)，gbxu@hfut.edu.cn。

The Research of Matching Algorithm of Ultrasonic Ranging System Based on NUC472*

MIN Rui1，XU Gaobin1*，CHEN Xing1，MA Yuanming1，JIN Chuan’en2
（1.Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province，School of Electronic Science& Applied Physics，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China；2.Silicon Ark Technology Co.Ltd，Hefei 230000，China）

In order to identify the signals of its own and avoid the interference from other devices in the ultrasonic distance measurement system，a kind of ultrasonic echo matching algorithm implementation scheme based on ARM chips NUC472 series was came up with.The working principle and realization process of each step algorithm was introduced in detail.Firstly，the send symbol sequence structure was built and the method of encoding and decoding was expounded.Then，the FPU calculation unit，ADC unit library and DSP instructions in the master MPU were used to complete the design.Finally，the algorithm was used in performance testing experiment on board level.Experimental results demonstrate that this algorithm scheme can identify multiple sets of transducer.Meanwhile，it is convenient to the transplantation of the embedded system and advantageous in strong versatility.

ultrasonic ranging；NUC472；Channel coding；matching algorithm

TN4

A

1004-1699（2016）10-1542-06

項(xiàng)目來源：國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目（2013AA041101）

2016-03-25修改日期：2016-04-11