陳頌韶

【摘 要】超聲波指超出人類聽覺范圍的聲波，具有測距精度高、指向性強等特征，作為涉及物理學、電子學、材料科學等多門學科的一項常用技術(shù)，如今超聲波在測距系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。文章從超聲波測距原理入手，分析了測距誤差，探討了基于DSP技術(shù)的智能聲波測距系統(tǒng)硬件與軟件設計，以期為相關人員的研究提供參考。

【關鍵詞】DSP;超聲波;測距系統(tǒng);精確度

【中圖分類號】TP274 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2021）12-0044-03

0 引言

隨著我國科學技術(shù)的不斷發(fā)展，測距手段越來越先進且多樣化，與此同時，測距手段在作業(yè)過程中的各種局限性逐漸顯現(xiàn)。此外，人們對測距設備使用中的安全性也提出了更高的要求。超聲波測距技術(shù)憑借指向性強、防霧性、防塵性及非接觸式等一系列優(yōu)點受到人們的推崇和廣泛應用。近年來，研究人員針對超聲波測距技術(shù)展開了廣泛研究，而作為超聲波測距技術(shù)研究的一條新思路，改良超聲波測距技術(shù)對促進測距儀的發(fā)展有著十分重要的意義[1]。如今，我國相關領域的研究人員針對超聲波測距系統(tǒng)展開了大量的研究，但測距范圍仍面臨一定限制，主要集中在3～12 m的范圍。一些發(fā)達國家生產(chǎn)的超聲波傳感器的測量距離已達到30 m，但是此類傳感器十分昂貴，難以實現(xiàn)全面推廣。對于超聲波測距系統(tǒng)的研究，要求參考數(shù)值誤差必須控制在毫米級以內(nèi)，而通過相關算法可有效提升超聲波測距系統(tǒng)的精確度。本文將對基于DSP技術(shù)的智能聲波測距系統(tǒng)設計進行研究和分析。

1 超聲波測距原理概述

超聲波測距系統(tǒng)的工作原理為超聲波發(fā)射裝置向某一確定的方向發(fā)送超聲波，并開始計時，超聲波在觸及障礙物后會返回至超聲波接收裝置以一個反射波，隨即完成計算，將兩個波發(fā)出和返回的相差時間計為t，結(jié)合速度距離公式，依據(jù)超聲波的傳播速度與時間t，可以計算得出超聲波發(fā)射部位與對應測量障礙物之間的距離，即S=340 t/2。超聲波測距系統(tǒng)的精確度受到超聲波振幅、儀器靈敏度、發(fā)射模式、入射及反射角度等一定程度的影響[2]。為了提升超聲波測距系統(tǒng)測量覆蓋范圍和縮小測量誤差，可以采用將一組超聲波換能器逐一用作多個超聲發(fā)射/接收器設計的方法。超聲波是頻率超出人耳聽覺的彈性機械波，其聲速受傳播介質(zhì)溫度一定程度的影響，不同溫度下的超聲波聲速見表1。在開展距離障礙物的距離測量過程中，若傳播介質(zhì)的溫度未發(fā)生很大的變化，則可將超聲波的聲速基本認為在傳輸時沒有發(fā)生變化，只需要測得超聲波往返障礙物的時間，便可獲取距離障礙物的實際距離[3];分別得出兩個計算公式：

H=Scosθ

θ=arctan（L/H）。

其中，H為發(fā)射到障礙物的實際距離，L為兩個探頭之間中心距離的一半。僅需精確獲得超聲波發(fā)出并返回信號的時間t，即可計算出超聲波信號發(fā)射源與障礙物之間的距離H。需要注意的是，倘若測距精度要求十分高，則應當引入溫度補償方法進行校正。等到超聲波聲速確定后，再測量超聲波往返的時間間隔，計算得到距離。

2 測距誤差分析

2.1 超聲波發(fā)生器的發(fā)散角和障礙物形狀

超聲波發(fā)射器發(fā)出的超聲波與障礙物相遇情況如圖1所示。當超聲波能量不變時，超聲波發(fā)射器發(fā)散角越大，則能量越分散，作用距離越短，抗干擾能力也越弱，因此為了獲取較強的回波信號，應采用發(fā)射角相對小的探頭。如果兩個并非處在同一平面上，超聲波路程產(chǎn)生誤差，則勢必影響測距精度，因此要盡可能地防止測量過程中遇到此類結(jié)構(gòu)和形態(tài)的障礙物。

2.2 外部溫度

如前文所述，超聲波聲速與外部溫度有著密切聯(lián)系，在測距時應當考慮溫度補償問題。結(jié)合相關研究發(fā)現(xiàn)，超聲波聲速與溫度變化呈負相關關系，也就是外部環(huán)境每上升1 ℃，則超聲波聲速會降低0.607 m/s[4]。空氣中超聲波聲速v與外部環(huán)境（T）之間的關系，可表示為v=331.4≈331.4+0.607 T，由此表明，若超聲波測距系統(tǒng)在不同外部溫度環(huán)境中運行時，超聲波聲速也不盡相同，這會引發(fā)一定的測距誤差。

2.3 渡越時間

回波信號可能受一系列環(huán)境耦合噪聲，超聲波測距系統(tǒng)中對回波信號始點的識別尤為關鍵。一些研究人員針對超聲波信號耦合噪聲的處理開展了研究，提出了反饋神經(jīng)網(wǎng)絡法、設計濾波法等處理方法，但這些處理方法只適用于單時域分析信號[5]。由于一些高頻超聲波的耦合噪聲會出現(xiàn)較大的變化，所以上述方法并不適用。依托諸如TMS320F28335硬件乘法器和浮點控制器的優(yōu)點，通過小波閾值變換算法開展濾波，它作為一種時域與頻域相結(jié)合的信號處理方法，可有效提升信號的信噪比，進而實現(xiàn)對回波信號的精確采集[6]。

3 基于DSP技術(shù)的智能聲波測距系統(tǒng)硬件與軟件設計

3.1 系統(tǒng)總體設計

本文設計的系統(tǒng)選取TMS320F28335為主控芯片的DSP（Digital Signal Processing）信號處理系統(tǒng)，憑借其可靠的浮點計算優(yōu)勢，可有效滿足系統(tǒng)的一系列功能要求。結(jié)合多元化的外圍資源接口，設計了超聲波測距、電源、LCD顯示、報警等各大功能模塊。系統(tǒng)總體設計結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.2 DSP簡介

DSP技術(shù)是一門涉及多個學科領域且廣泛應用于各種領域的新興學科，20世紀60年代以來，伴隨網(wǎng)絡信息技術(shù)的不斷發(fā)展，DSP技術(shù)應運而生并得到迅猛發(fā)展。近年來，DSP技術(shù)在通信等領域得到廣泛應用。DSP技術(shù)是依托計算機或者專用處理設備，通過數(shù)字形式對信號開展采集、變換、濾波、增益等處理，以獲取可滿足人們實際需求的信號形式[7]。作為將信號以數(shù)字方式進行表示并處理的技術(shù)，旨在對現(xiàn)實生活的連續(xù)模擬信號予以測量或者濾波。在開展數(shù)字信號處理前，應將信號由模擬域轉(zhuǎn)化至數(shù)字域，一般經(jīng)由模擬轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)。DSP技術(shù)具備高效靈活、抗干擾性強、造價低、設備尺寸小等一系列優(yōu)點，這些都是模擬信號處理技術(shù)和設備難以比擬的。

3.3 系統(tǒng)硬件設計

首先，超聲波發(fā)射與接收電路設計。在現(xiàn)如今的工業(yè)領域，普遍采用頻率為40 kHz 的超聲波。究其原因在于，在40 kHz，超聲波發(fā)出的超聲能量可達到最強，并在中心頻率40 kHz兩側(cè)呈現(xiàn)不斷下降的趨勢，在相同的前提下，驅(qū)動電壓與超聲能量呈正相關關系，由此說明可適當提升驅(qū)動電壓以提升測量距離。為滿足系統(tǒng)需求，有針對性地設計單脈沖發(fā)射電路，主要由脈沖發(fā)生器、放大電路構(gòu)成，由DSP傳輸?shù)姆讲ㄐ盘柦?jīng)PNP型晶體管放大，并通過變壓器芯片提升驅(qū)動電壓，使超聲波換能器形成超聲波信號。超聲波信號在空氣中傳播和觸及障礙物后的回波信號強度會逐步縮減，同時在外部環(huán)境影響下，會出現(xiàn)強度失穩(wěn)情況。為實現(xiàn)良好的回波信號采集效果，引入超聲波專用芯片TL852，其運行頻率在20～90 kHz，可滿足系統(tǒng)40 kHz的超聲波信號，諸如回波信號濾波、放大、增益等一系列功能[8]。超聲波接收器頻率-靈敏度特性受輸出電阻一定程度的影響，若輸出電阻大于超聲波傳感器阻抗，則頻率特性極可能出現(xiàn)共振現(xiàn)象，進而會讓超聲波接收器靈敏度出現(xiàn)明顯提升情況;而在輸出電阻相對小時，則對應的接收器頻率特性曲線會趨于平滑，靈敏度下降。為提升超聲波接收器的靈敏度，可調(diào)整對應參數(shù)，使超聲波接收器的工作狀態(tài)與高輸入電阻匹配的前端放大器運行狀況相統(tǒng)一，進而保證超聲波傳感器的靈敏度。

其次，溫度補償電路設計。溫度補償電路選取數(shù)字溫度傳感器DS18820對外部溫度開展檢測，其具備操作便捷、耗能低等優(yōu)點，可以實現(xiàn)對超聲波傳播速度的溫度補償，提升測距精度。

最后，小波閾值去噪子程序設計。小波去噪包括有極大值去噪法、閾值去噪法等一系列方法。基于DSP技術(shù)的小波去噪，由于閾值去噪法計算量偏小，并可保持信號奇異性，因此采用小波閾值去噪法對回波信號進行處理。超聲波測距系統(tǒng)中，如果測距相對遠時，回波信號強度會明顯減弱，所以要進行放大電路處理，經(jīng)由放大電路處理后耦合噪聲亦會放大，會對信噪比帶來不利影響。如前文所述，針對超聲波信號耦合噪聲的處理，通常采用反饋神經(jīng)網(wǎng)絡法、設計濾波法等處理方法，但這些方法僅適用于單時域分析信號。小波閾值去噪法是一種多通道帶通濾波器，可同時實現(xiàn)對時域、頻域中回波信號的有效處理，并且其可實現(xiàn)對噪聲的全面抑制，使原始信號獲得全面保留，減少信號的最大均方誤差，還不會產(chǎn)生附加的振蕩信號，最終實現(xiàn)良好的超聲波信號耦合噪聲處理效果。

3.4 系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)軟件設計基于C語言的開發(fā)環(huán)境，中控系統(tǒng)裝置于汽車中，超聲波傳感器可裝置于汽車的各個視野盲區(qū)部位。超聲波的道路邊緣檢測，依據(jù)相關規(guī)定，三級以上多車道公路每條車道寬度通常在330～375 cm，小型轎車寬度通常在150～200 cm，車輛定位導航系統(tǒng)對車輛橫向定位精度的要求遠在縱向定位精度之上，依托道路邊緣數(shù)據(jù)與車道線檢測數(shù)據(jù)的有效結(jié)合，對車道外環(huán)境的干擾進行濾除，各組超聲波傳感器平行安裝于汽車的左右兩側(cè)。超聲波傳感器獲取的信息為傳感器安裝部位到道路邊緣的距離。所以，系統(tǒng)不僅可以在停車期間測距避障，還可以在行車過程中檢測汽車兩側(cè)與相鄰車輛的距離，進一步為汽車駕駛路線規(guī)劃調(diào)整提供依據(jù)。

4 結(jié)語

本文對基于DSP技術(shù)的智能聲波測距系統(tǒng)設計進行了探討，和以往功能趨于單一、算法存在局限性的單片機相比較，基于DSP技術(shù)開展智能聲波測距系統(tǒng)設計，可提高數(shù)字信號處理能力和事件管理能力，以此確保超聲波測距系統(tǒng)的精確度，盡可能縮減測距誤差，同時系統(tǒng)中設計的溫度補償電路也可有效縮減測距誤差，進一步提升超聲波測距系統(tǒng)的精確度。

參 考 文 獻

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