張連俊 衣海玉

【摘 要】本文對DS直接序列擴(kuò)頻超聲波測距原理進(jìn)行了研究，提出了一種DS擴(kuò)頻超聲波測距的方法，解決常見超聲波測距測量精度不準(zhǔn)確和測量距離不夠遠(yuǎn)的問題。分析了基于單片機(jī)的DS擴(kuò)頻超聲波測距的解決方案，并實現(xiàn)測量系統(tǒng)的電路實現(xiàn)。

【關(guān)鍵詞】單片機(jī);DS擴(kuò)頻;超聲波測距原理

中圖分類號： TN927 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）06-0072-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.06.025

【Abstract】In this paper spread spectrum transmission system of multiplex detecting signal is studied. The method of transmission after multiplex detecting based on signal spread spectrum and code division multiplexing is mentioned. The system realization for the transmission of multiplexed testing signals using spread spectrum technology based on DSP is discussed. The circuit system is devised.

【Key words】Single chip microcomputer; DS spread spectrum; Ultrasonic ranging principle

0 引言

超聲波測距系統(tǒng)在現(xiàn)代生活中可應(yīng)用于汽車的倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)，汽車防碰撞系統(tǒng)，還有機(jī)器人的自行走規(guī)避障礙物系統(tǒng)，以及可以進(jìn)行室內(nèi)的短距離測量等方面。而常見超聲波測距存在測量精度不夠準(zhǔn)確和測量距離不夠遠(yuǎn)的問題。DS擴(kuò)頻測量信號利用擴(kuò)頻傳輸，具有擴(kuò)頻傳輸增益，具有抗干擾能力強(qiáng)，使其測量信號精度高的優(yōu)點(diǎn)。本文分析了基于DS擴(kuò)頻傳輸超聲波測距的解決方案，并進(jìn)行了電路的實現(xiàn)。

1 DS擴(kuò)頻超聲波測距原理

超聲波信號經(jīng)過偽隨機(jī)碼m序列擴(kuò)頻化（直接擴(kuò)頻）后，再通過發(fā)射電路進(jìn)行發(fā)射，在遇到被測目標(biāo)物體后會被反射回來，進(jìn)而被接收器進(jìn)行接收，接下來超聲波的回波信號會被送入m序列還原模塊進(jìn)行還原，還原后在相關(guān)判決器與原來產(chǎn)生的m序列進(jìn)行相關(guān)計算，如果相關(guān)計算的結(jié)果為相位相同時，那么相關(guān)判決器將給出最大值，此時的收發(fā)m序列相位差就是發(fā)送的m序列與本地m序列的相位差，從而可以求出延時;如果相關(guān)計算的結(jié)果為不同時，那么相關(guān)判決器給出較小值，接下來用相關(guān)判決器的輸出來回控制本地碼的相位，直到相關(guān)判決器的輸出最大時，就可以確定本地m序列與發(fā)送m序列的相位差，根據(jù)這個得到的相位差就可以計算出延遲時間，進(jìn)一步由聲波在空氣中傳播的速度就可以求出所測的距離。

很明顯，由式（2）我們可以看出，當(dāng)T0很小時，可分辨距離就越小，因此T0我們?nèi)≈当M量的小，就可以提高測量的精度。當(dāng)r取值盡量大，也就是P的取值盡量的大時，就可以實現(xiàn)測量距離遠(yuǎn)的要求。在實際測量中我們?nèi)=10，則P=1023，T0=30微秒，在20℃常溫下，聲波速度v=344 m/s，所以可以求得最大檢測距離Dmax=5.28m，可分辨距離d0=5.16mm，符合常用測距有關(guān)技術(shù)的要求。

2 DS擴(kuò)頻超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計

測距碼的長度（也可以說是測距碼的周期）要比回碼時延（也可以說是超聲波發(fā)生器發(fā)射超聲波后與被測物體相遇反射回來的時間）大的多，碼元寬度必須足夠窄，另一方面也可以說是測量距離的比特率（即單位時間內(nèi)發(fā)射碼元的數(shù)目）必須要很大，這樣既可以解決測量距離問題也可以很好的解決測量精度問題。對偽隨機(jī)碼超聲測距系統(tǒng)設(shè)計，測距系統(tǒng)硬件主要由LCD顯示器，單片機(jī)微處理控制器，基帶信號處理單元三個主要模塊組成。DS擴(kuò)頻測距系統(tǒng)的軟件設(shè)計總體框如圖2，系統(tǒng)軟件的模塊主要包括：系統(tǒng)初始化程序，調(diào)用初始化子程序，m序列生成子程序，監(jiān)控主程序，中斷服務(wù)程序，調(diào)制子程序，數(shù)據(jù)處理子程序，解調(diào)子程序，匹配濾波器子程序，調(diào)用顯示子程序。

針對不同模塊不同功能的特點(diǎn)，我們分別對他們進(jìn)行編程，可以對軟件進(jìn)行多次調(diào)試修改來提高測量準(zhǔn)確性。單片機(jī)采用AT89S52的芯片，其軟件初始模塊主要完成的工作包括：輸入引腳的定義，設(shè)置終端類型，設(shè)置各種采集數(shù)據(jù)初始值等，AT89S52還可以現(xiàn)場對一些參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，比如擴(kuò)頻碼的長度和它的功率等。監(jiān)控子程序的主要功能就是對所有模塊進(jìn)行統(tǒng)一的控制監(jiān)控。

利用了擴(kuò)頻通信的超聲波，利用單片機(jī)硬件系統(tǒng)來控制并進(jìn)行相關(guān)的運(yùn)算，編寫相應(yīng)的控制和運(yùn)算程序進(jìn)行了實現(xiàn)了超聲波測距系統(tǒng)，實驗結(jié)果對比不采用擴(kuò)頻通信的超聲波的測距系統(tǒng)的測距精度在遠(yuǎn)距離情況下明顯的改善。但是誤差的存在也是必不可免的，無法完全的消除，比如環(huán)境溫度的影響以及測量物體表面的光滑程度也會引起系統(tǒng)的誤差的增加，超聲波在空氣中傳播有衰減特性和回波容易受到噪音的干擾等等都會導(dǎo)致測量精度有所下降。因而對預(yù)期距離的取值不應(yīng)該過小，并且應(yīng)該進(jìn)行多次測量最后取平均值，可進(jìn)一步減少誤差。

3 結(jié)束語

超聲波測距系統(tǒng)利用了擴(kuò)頻通信方面的知識將偽隨機(jī)碼序列完美的與超聲波結(jié)合，綜合運(yùn)用單片機(jī)硬件系統(tǒng)來控制并進(jìn)行相關(guān)的運(yùn)算，編寫相應(yīng)的控制和運(yùn)算程序進(jìn)行了實現(xiàn)了。該系統(tǒng)對比其他常見的測距系統(tǒng)而言，偽隨機(jī)碼超聲測距系統(tǒng)的抗干擾能力較強(qiáng)，最重要的是提高了測量精度和很好的解決了測量距離模糊的問題。

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