徐旭，陳曦

（中科芯集成電路有限公司，江蘇無錫，214072）

0 引言

船舶是一種重要的交通運輸工具，其運輸成本低、載貨量大,但較大的噸位也導致船舶的機動性較差，船舶碰撞事故屢有發(fā)生，造成了巨大的生命財產(chǎn)損失。因此，有必要實現(xiàn)船舶對障礙物的自動預警。

目前，國內(nèi)外的大型船舶一般都配備了較為先進的預警系統(tǒng)，但很多經(jīng)濟能力有限的中小型船舶，以及一些安全意識淡薄的漁船并不具備對障礙物的預警能力[1]。因此，有必要開發(fā)一種適用于中小型船舶的性價比較高的自動預警系統(tǒng)。超聲波有著很好的方向性和指向性，并且不易被干擾，在測距領域得到了廣泛應用[2]。市場上的超聲波探頭價格較低，防水性也很好，非常適合用于小型船舶的預警系統(tǒng)。

1 超聲波測距原理

超聲波測距原理如圖1所示，超聲波發(fā)射探頭發(fā)出超聲波，超聲波在傳播過程中如果遇到障礙物就會發(fā)生反射，回波被接收探頭識別，只要測量出超聲波傳播的時間，就可以計算出超聲波傳播的距離，進而計算出障礙物和超聲波探頭之間的距離[3]。

圖1 超聲波測距原理圖

距離計算公式為：

式中：c為超聲波傳播速度；t為超聲波傳播時間；h為發(fā)射探頭和接收探頭之間的安裝距離。當H遠大于h時，距離計算公式可簡化為：

超聲波與其他聲波一樣，傳播速度受溫度的影響較大，為了提高測量精度，需要對溫度的影響進行補償和校正[4]，經(jīng)推導，聲速和溫度的函數(shù)關(guān)系為：

式中：T為環(huán)境溫度。

2 系統(tǒng)總體設計

預警系統(tǒng)主要包括：FPGA（Field Programmable Gate Array 現(xiàn)場可編程門陣列）、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、溫度補償模塊、LCD顯示模塊、報警模塊等。系統(tǒng)上電之后，F(xiàn)PGA芯片控制發(fā)射電路驅(qū)動發(fā)射探頭發(fā)出超聲波，同時開始計時，接收電路接收到的回波信號后FPGA停止計數(shù)。通過溫度補償后的聲速和計數(shù)器計數(shù)值換算得到的傳播時間計算出障礙物的距離。通過LCD顯示模塊顯示測量值，如果超出安全值則發(fā)出報警信號。預警系統(tǒng)的總體框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 系統(tǒng)硬件設計

3.1 主控芯片的選擇

目前市場上的超聲波測距儀器多數(shù)是基于MCS-51單片機設計的，由于單片機本身硬件上的限制，導致系統(tǒng)的測量精度一般不高。系統(tǒng)選用Altera公司Cyclone Ⅱ系列的EP2C5T144C8N作為主控芯片，該芯片功耗低，帶有4608個邏輯單元，119808位RAM,89個I/O口，26個M4K存儲塊，13個乘法器，2個鎖相環(huán)，其內(nèi)部資源可以滿足系統(tǒng)設計需要。利用FPGA芯片的并行處理能力，可以消除產(chǎn)生激勵信號和啟動計時之間的延時，其較高的工作頻率也保證了計時的精度以及超聲波激勵信號的穩(wěn)定性，從而提高測量精度。

3.2 超聲波發(fā)射電路

系統(tǒng)采用光耦轉(zhuǎn)換驅(qū)動電路來激勵超聲波換能器發(fā)出超聲波，發(fā)射電路如圖3所示。FPGA產(chǎn)生的40kHz的驅(qū)動信號加載到三極管Q1的基極，增大電流，再接入高速光耦，將直流電壓轉(zhuǎn)換成高壓脈沖。電感L1的感抗和超聲波傳感器的感抗相互抵消，使傳感器表現(xiàn)為純電阻。

圖3 超聲波發(fā)射電路

3.3 超聲波接收電路

超聲波在傳播過程中會發(fā)生衰減，如果傳播距離較遠，超聲波接收探頭所接收到的回波信號將非常微弱，一般只有毫伏級別。為了獲得能被FPGA識別的回波信號，采用雙運放NE5532對信號進行放大濾波處理，并利用單向比較器LM311實現(xiàn)對信號的整形。超聲波接收電路如圖4所示。NE5532采用單電源供電，優(yōu)化了電路設計，兩級放大之間的電容C5起到了隔離直流的作用。NE5532的輸出為模擬信號，需要經(jīng)過比較器LM311的處理才能被FPGA識別，可調(diào)電阻R7用來調(diào)節(jié)參考電壓的大小，進而調(diào)節(jié)測距范圍。

圖4 超聲波接收電路

3.4 溫度檢測、顯示和報警模塊

由超聲波測距原理部分的分析可知，聲速是受溫度影響的，為了提高測量精度，需要對聲速進行溫度補償。系統(tǒng)選用DS18B20溫度傳感器進行溫度測量,該溫度傳感器測溫范圍為-55℃～125℃，測量誤差不超過±0.5℃,具有精度高、體積小、線路簡單等優(yōu)點，通過單總線和FPGA相連，提高了抗干擾性。為了便于顯示障礙物的距離，系統(tǒng)選用LCD1602液晶屏作為顯示模塊。該液晶屏具有低電壓、低功耗的優(yōu)點，可以顯示2行16個字符，R17用來調(diào)節(jié)液晶屏亮度。

當檢測到障礙物時，F(xiàn)PGA給蜂鳴器輸入方波信號，驅(qū)動蜂鳴器發(fā)出警報聲。電路連接如圖5所示。

圖5 溫度檢測、顯示和報警模塊電路

4 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件采用模塊化設計,在QuartusⅡ集成開發(fā)環(huán)境中通過Verilog HDL語言進行設計[5]。FPGA芯片內(nèi)部模塊主要包括：時序發(fā)生模塊、高速計數(shù)模塊、回波識別模塊、溫度補償模塊、顯示模塊、報警模塊、距離計算模塊。其中，時序發(fā)生電路為整個系統(tǒng)提供時鐘信號，是各模塊同步工作的基礎。高速計數(shù)模塊的功能是采樣發(fā)出驅(qū)動信號到接收到回波信號之間的時間差，系統(tǒng)的時鐘頻率越高，計數(shù)精度越高，時間測量也就越準確?；夭ㄗR別模塊的功能是捕獲回波信號的達到時刻，是決定系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵。

系統(tǒng)流程圖如圖6所示，系統(tǒng)啟動后，時序發(fā)生電路發(fā)出由8個頻率為40kHz的脈沖信號，激勵發(fā)射電路驅(qū)動超聲波換能器發(fā)出超聲波，延時1μs后高速計數(shù)器開始計數(shù)，延時的作用是防止發(fā)射信號被接收電路誤判為回波信號。當回波識別模塊識別到回波時，高速計數(shù)器停止計數(shù)，發(fā)出報警信號，超聲波傳播時間t=N/f,其中N為計數(shù)值，f為計數(shù)頻率。距離計算模塊會根據(jù)溫度補償模塊補償后的聲速和時間t計算出障礙物距離。最后控制LCD液晶屏顯示測量結(jié)果。

圖6 系統(tǒng)流程圖

5 實驗及分析

為了驗證超聲波測距的測量精度，在實驗室正對平整墻面進行實驗，實驗中記錄了20次測量結(jié)果，如表1所示。其中，實際距離是用鋼制卷尺測量得到的。由實驗結(jié)果可知，系統(tǒng)的測距范圍在30～1000cm，測量誤差小于1%。

表1 實驗結(jié)果

6 結(jié)論

船舶在航行過程中的機動性相對較差，為了避免碰撞事故的發(fā)生，需要提前識別船舶周圍的障礙物。本文將FPGA和超聲波測距技術(shù)相結(jié)合，設計了一種適用于中小型船舶的預警系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用FPGA作為主控芯片，并具有溫度補償功能，從很大程度上提高了測量精度。當檢測到障礙物時，系統(tǒng)會發(fā)出報警，并通過LCD液晶屏實時顯示障礙物的距離，使船舶上的工作人員可以提前做好避障準備。該系統(tǒng)簡單實用，性價比高，具有一定的推廣價值。