近距离高精度超声波测距仪的研制

1、第十七届中国过程控制会议论文集近距离高精度超声波测距仪的研制樊卿华 ，叶桦（东南大学自动控制系，江苏 南京 210096）摘要：本文提出了一种MCU+CPLD+带通滤波电路结合门槛值法和过零比较法的超声波测距实现方法，由MCU完成控制和数据处理工作，CPLD专司测距数据采样任务，带通滤波放大电路有效的滤除干扰信号对系统的影响，门槛值法结合过零比较法实现对回波的精确捕捉，从而实现了测距系统的高精度测量。关键词：超声波测距；复杂可编程逻辑器件；带通滤波；门槛值法；过零比较法0 引 言近年来，随着工业自动化生产和装配过程中自动识别的需要，出现了很多测距的原理和方法。根据其信息载体的不同可归纳为光学方

2、法、无线电方法和超声波方法。前两者在某些地方有局限性。相比之下，超声波方法在这些方面具有突出的优点：(1)超声波对色彩、光照度不敏感，可用于测量透明及漫反射性差的物体(如玻璃、抛光体)；(2)对外界光线和电磁场不敏感，可用于黑暗、有灰尘或烟雾、电磁干扰强、有毒等恶劣环境中；(3)超声波传感器结构简单、体积小、费用低，信息处理简单可靠，易于小型化和集3成。本文提出了一种MCU+CPLD+带通滤波放大电路的解决方案，比起传统的单片机+部分模拟电路方法有效的提高了系统精度和抗干扰能力。传统的单片机+部分模拟电路的方法完全依靠单片机定时器来完成定时任务，假设单片机采用12M晶振，系统反应时间在几个S至

3、几十个S之间，换算程距离就是几个毫米甚至几个厘米的误差，这种误差不能满足精确测距的要求。而本系统采用复杂可编程逻辑器件CPLD来专司测距任务，系统反应时间在nS级，有效地提高了系统精度，满足了精确测距要求。而且应用CPLD来设计电路有着很大的灵活性，我们可以在CPLD内实现比较复杂的滤波算法，从而提高系统性能。由于CPLD内部是Flash结构，内部电路擦写方便，便于对系统进行升级换代，所以在中小规模电路中有着良好的应用前景。 超声波测距原理目前，超声测距所采用的基本方法有两种：飞行时间测量法、超声多普勒法。超声多普勒法是利用多普勒效应工作的。当超声波入射到运动着的目标物体上，超声波被目标物体所

4、反射。根据多普勒原理，反射波的频率相对于入射波将产生正比于目标物体速度的频率偏移，测出反射波的频率偏移，得到目标物体的运动速度，若己知目标物体的起始位置，将运动速度对时间进行积分，就可以求出目标物体与超声换能器间的距离。超声多普勒法存在着一个严重的缺点，若目标物体静止或其运动非常缓慢，它将无法进行距离测量。飞行时间测量法通过确定测量发射信号与接收信号的飞行时间间隔来实现距离测量。因此被测距离可表示为：s=1vt 2s 待测距离；v 信号飞行速度；t 飞行时间；距离测量的精度取决于飞行时间t的测量精度。飞行时间法一般可以分为三类：脉冲回波法、相移法和线性调频法。在脉冲回波法中，t是脉冲由发射器发

5、出时刻与回波返回接收时刻之间的时间差；在相移法中，t是由发射器发出的连续周期信号与接受器接受到的回波信号间的相位差换算而来的；线性调频法则是通过发射相对时间线性调频的信号，再测量接受到的信号与发射信号的频差来换算出信号的飞行时间t。其中脉冲回波法在测量环境适应性、抗干扰能力以及测量速度等方面有许多独特之处，而后两种方法作者简介：樊卿华（1979-），男，河北石家庄人，硕士研究生，模式识别与智能系统.472第十七届中国过程控制会议论文集虽然测量精度较高，但抗干扰能力差，电路复杂，成本较高。因此，目前超声测距多采用脉冲回波法。本系统采用脉冲回波法进行测量。 12 系统硬件设计系统硬件结构框图如图1

6、所示。图1 系统总体功能框图 系统上电以后单片机初始化系统的各个模块。初始化工作完成以后单片机向CPLD发出测距指令，启动CPLD工作。CPLD接收到单片机指令后发出超声波探头驱动信号，同时启动高速计数器使其开始计数。探头驱动信号经驱动电路放大以后加至发射探头，由发射探头发出超声波。回波信号经放大电路和整形触发电路处理后进入CPLD，并由CPLD中的回波捕捉电路捕获。当CPLD捕捉到回波信号以后立即停止高速计数器工作并向单片机发出测距结束中断，由单片机读取高速计数器的计数数据。单片机由温度补偿数据和高速计数数据经数字滤波算法后计算出当前距离值并将运算结果写入CPLD显示模块。CPLD显示模块控

7、制数码管显示电路显示当前测距结果。通讯模块和人机接口模块完成和外界的交互功能。电源模块负责给整个系统供电2. 单片机模块单片机模块是系统的核心控制模块，控制系统各个模块协调工作，并完成数据处理和数字滤波任务，但是它不直接控制测距过程。核心测距任务由CPLD模块来实现，利用其极快的反应时间实现高精度测量。2.2 CPLD模块CPLD模块完成系统具体的测距数据采样工作。CPLD模块由时序发生器模块、检波模块、高速计数模块、显示控制模块、双向数据通道和接口电路模块组成。时序发生器是整个CPLD模块的核心，控制CPLD中各个分模块按照严格的时序工作。单片机测距指令到达CPLD后时序发生器启动超声波探头

8、触发信号，同时启动高速计数器工作。回波经过放大整形比较电路到达CPLD。时序发生器配合检波模块检出回波信号后向高速计数模块发出计数停止指令停止计数器工作并向单片机发出计数结束中断，由单片机通过双向数据通道读取高速计数器中的计数数据。单片机数据处理结束后又通过双向数据通道将数据处理结果写入显示控制模块的寄存器，由CPLD来驱动数码管显示。在这里有一点值得注意的是必须用三态门和单片机读、写、锁存信号线来控制双向数据的传输，否则会遇到数据冲突问题。2.3 发射驱动模块超声波传感器是一种具有典型高Q值晶体振子特性的器件。电路激励和接收频率要考虑在传感器谐振频率下工作。此外，由于通常需要大功率驱动，考虑

9、用谐振升压推动是必要的。本系统采用40K的发射接收分体的超声波探头。单片机发出测距指令后由CPLD输出10个40K的方波信号驱动超声波探头。对这10个方波信号进行频谱分析可以得到其中40K基波分量所占能量比重是最大的。所473第十七届中国过程控制会议论文集以这个方波信号经高速光耦放大就会引起发射探头的谐振。发射驱动模块主要由高速光耦TLP250来实现。发射探头触发信号是5V信号，而驱动信号是24V信号，用光耦实现发射探头的驱动不仅能隔离高低电压，降低干扰，而且系统简单可靠，工作效率高。TLP250的外加驱动电压Vcc可以达到30V，本系统发射探头驱动电压为24V，满足要求。TLP250的上升时

10、间tpLH下降时间tpHL为0.15S，本系统选用40K的收发分体超声波探头，超声波周期为25S，符合系统要求。TLP250典型IF为7mA，超声波触发信号为5V信号，所以选用了620的限流电阻。在工作时TLP250要求在8脚和5脚之间外接一个0.1F的旁路电容。这个旁路电容要尽量贴近光耦放置。2.4 接收放大模块发射驱动信号经光耦放大后加至超声波发射探头从而引起发射探头谐振形成超声波。这个超声波信号通常要持续4050个周期。相应的，接收电路接收到的超声波回波信号也将是一个持续4050个周期的超声波脉冲信号。对这个超声波脉冲信号进行频谱分析可以得到其中40K的基波分量所占能量比重是最大的。所以

11、本系统选用了一个以40K为中心频率的带通滤波电路将有效信号滤出。设计带通滤波器的时候也要考虑必须保证有一定的带宽，否则会引起系统自激振荡。接收放大电路由音频放大器NE5532组成的带通滤波两级放大电路组成。前级放大电路兼实现带通滤波功能。后级放大电路是简单的反相比例放大电路。这样组成的两级滤波放大电路能有效的滤除干扰信号，避免系统自激振荡，提高系统的可靠性。图2 带通滤波器原理图前级滤波放大电路如图2所示。由图2计算可知前级放大电路的传递函数为：G(s)=R2C1s (R2C2s+1)(R1C1s+1)其中的负号会和后级的反相比例放大电路中的负号约去，所以现在暂不考虑负号。可见该系统为一个二阶

12、的带通滤波放大电路。转折频率111 2 R48C19R4C3为了提高系统的滤波效果，本系统将两个转折频率都设置在超声波工作频率02×40krad/s251327rad/s左右，即1 稍小于 0，2稍大于0。为了提高系统稳定性避免自激振荡也得保留一定的带宽。为了提高系统增益，系统尽量选取大的R48和大的C3。综合考虑放大倍数、系统稳定性和滤波效果，本系统选择的各项参数如下：R48510k C1910pF R43.3k C31000pF474第十七届中国过程控制会议论文集111196078rad/s 2303030rad/s R48C19R4C3实验证明，本电路很好的实现了带通滤波放大功

13、能。后级放大就是一个简单的放大倍数可调的反相比例放大电路，选择合适的放大倍数即可。2.5 比较整形模块比较整形模块由高速比较器LM319组成。本系统采用门槛值法结合过零比较法的设计思路，实现了回波的精确捕捉。所谓门槛值法，是指设定一个电压门槛，在回波幅值高于此门槛的时候输出翻转脉冲。单纯使用门槛值法的缺点是在测量距离发生改变时，由于回波的强度与幅值相应变化，导致截止时刻相位的改变，从而引入较大误差。而过零比较法就不存在这个问题，因为即使回波幅值不同，过零点位置也不会改变。将两种方法结合，捕捉回波到达后的第一个下降沿的过零点（如图3所示），从而消除了测量距离变化可能导致的误差。本系统采用电压比较

14、器+CPLD的硬件实现方法：将原始回波信号预处理后送入电压比较器，比较结果信号输入CPLD内的检波器，完成过零点的捕捉。借助CPLD的高运行速度，在回波到达时刻的捕捉及计时上可以达到很高的精度。图3 门槛值法与过零比较法综合示意图2.6 人机接口模块与通讯模块人机接口模块与通讯模块完成系统与外接环境的交互，使得操作人员可以设置系统参数并得知系统当前运行状态。2.7 温度补偿模块影响超声波在空气中的传播速度的最大因素是温度。由经验公式v=331.05+0.6067T+0.0005T2v 超声波传播速度（m/s）；T 当前空气温度（C）；可知，温度每升高1C，超声波传播速度大概就要提高约0.6m/

15、s，误差约为0.2。也就是说温度每升高1C，在1m的量程内就要产生2mm的误差。由于测量现场的温度起伏可能比较大，可见由温度带来的误差是必需考虑的，所以系统必须加温度补偿。本系统采用一线总线式数字温度传感器475 ooo第十七届中国过程控制会议论文集DS18B20采集当前空气温度，测温分辨率可以达到0.0125C，测温电路简单可靠，较好的满足了系统要求。3 o软件模块介绍图4 系统总体软件流程图系统整体流程图如图4所示。其中上电初始化过程包括各个全局变量初始化、显示电路初始化、CPLD初始化、测温电路初始化和通讯端口初始化等。之后系统进入采样、数字滤波（如图5所示）过程。系统采集11次高速计数

16、器计数值，经数字滤波算法后得到本次采样值。经实验验证，系统每次采集的11个高速计数器计数值绝大多数情况可以分为两类：这两类数据数值上正好相差一个波长。系统取个数较多的那个类的值的平均作为本次测量的测量值，取得了较好的滤波效果。值得注意的是：超声波回波信号前沿包络线是指数增长的。所以我们在选择门槛值的时候最好将门槛值选择在正好捕获回波信号的前几个波形，这样可以大大提高系统精度。系统取得当前温度数值后经数据处理得到当前距离值。最后经过显示通讯过程将这个值传递给外界从而完成一次测量过程。4 结束语本系统目前在实验室环境下运行状况良好，测量范围可以达到0125米，测距精度可达1mm，较好的完成了设计指

17、标。下一步的工作可以采用大功率的超声波发射驱动电路增大测距量程。回波放大信号可以接入A/D转换器进行A/D转换后或者送入CPLD（或FPGA）中的硬件数字滤波电路进行数字滤波，或者送入DSP中进行高速数字滤波从而进一步提高系统测距速度。参考文献 胡春海 时频分析技术在超声测距中的应用研究D秦皇岛：燕山大学，2003 陈大新，胡学同，周杏鹏利用FPGA改进超声波测距模块设计J. 传感器技术，2005，1-3 简盈大作用距离超声测距技术研究D. 国防科学技术大学，2004童诗白，华成应模拟电子计数基础M第三版. 高等教育出版社，2001208-210，345-363476第十七届中国过程控制会议论

18、文集 王志鹏，付丽琴可编程逻辑器件开发技术MAX + plus M. 国防工业出版社，2005 李华MCS-51系列单片机实用接口技术M. 北京航空航天大学出版社，20001-90 MAX 7000Programmable LogicDevice Family DataSheetS TOSHIBA PHOTOCOUPLER GaAlAs IRED & PHOTO-IC TLP250 DataSheetS Philips Semiconductors Linear Products Dual voltage comparator LM219/319 DataSheetS10 TEXAS

19、INSTRUMENTS NE5532,NE5532A DUAL LOW-NOISE OPERATIONAL AMPLIFIERS DataSheetSThe Study and Manufacture of Ultrasonic Telemeter with ShortDistance and High PrecisionFAN Qing-hua，YE Hua(Department of Automatic Control，Southeast University，Nanjing Jiangsu 210096，China)Abstract：This paper presents a new way which is MCU+CPLD+ belt-filter circuit with threshold value and zero-cross comparison method for achieving ultrasound ranging. Accord