基于STM32的超聲相控陣導盲系統(tǒng)研究

摘要：在此為盲人設計了一種基于STM32的超聲相控陣導盲避障系統(tǒng)，主要涉及到系統(tǒng)的硬件設計部分，以及超聲相控陣識別幾種障礙的方法。該系統(tǒng)以意法半導體的STM32微控制器為核心，主要包括超聲發(fā)射電路，回波信號接收與放大電路，以及回波信號的處理與分析。該設計能夠探測前對前方寬1．5 m縱深2 m的范圍進行探測，能夠分辨狹窄通道、臺階、溝壑以及柱狀障礙物等，使盲人行動時更加方便。并且該系統(tǒng)功耗小，成本低，具有很好的使用價值。
關鍵詞：導盲系統(tǒng)；超聲相控陣；STM32；CORTEX

0 引言
根據(jù)世界衛(wèi)生組織公布的數(shù)據(jù)，全世界目前有3 000多萬人目盲，其中約有18％是中國人。針對盲人行動不便的情況，本文介紹了一種基于超聲相控陣的盲人避障系統(tǒng)。
本文綜合超聲波的導盲設計，采用超聲相控陣技術對障礙物進行探測，核心控制器件STM32為ST公司推出的基于CORTEX內(nèi)核的32位MCU，具有豐富的外設和強大的數(shù)據(jù)處理能力。通過它對外圍電路的控制，及其強大的信號處理能力，實瑰障礙物的探測以及環(huán)境的判斷。

1 系統(tǒng)組成及原理
本設計是利用意法半導體有限公司推出的基于CORTEX 內(nèi)核的高性能 32 位 MCU，STM32F103RBT6為核心硬件。多個超聲探頭按照一定規(guī)則組成的超聲相控陣，通過芯片與探頭及外圍電路共同組成的信號發(fā)送與識別系統(tǒng)完成導盲避障功能。系統(tǒng)工作原理方框示意圖如圖1所示。

系統(tǒng)采用超聲相控陣以多發(fā)一收的形式完成障礙探測。具體方案如下：超聲信號的工作頻率是40 kHz，首先STM32F103RBT6 MCU產(chǎn)生40 kHz的方波信號，工作時各個探頭按照預定的延遲時間依次發(fā)送5個周期的方波信號。根據(jù)不同的延時時間，超聲相控陣發(fā)出的信號能夠在前方9個點實現(xiàn)不同情況的聚焦。這9個點分布于超聲相控陣前方的左、中、右3個方向上，每個方向有上、中、下3個點。其中左右以及上下方向的偏轉(zhuǎn)角度設為30°。聚焦深度為1．5 m。信號從發(fā)射到在聚焦點返回，所需時間約為8．8 ms。所以發(fā)送完信號后經(jīng)過8 ms的延遲，打開接收通道的開關，開始接收回波信號。由于回波比較微弱，所以先將信號進行放大，將其放大為單片機能夠識別的信號。經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后進行存儲，之后進行相關的信號分析與處理工作，從而實現(xiàn)相控陣掃描。

2 超聲相控陣的介紹
超聲相控陣換能器由多個相互獨立的壓電晶片組成陣列，按照一定的規(guī)則和時序用電子系統(tǒng)控制激發(fā)各個晶片單元，來調(diào)整焦點的位置和聚焦的方向。相控陣換能器最顯著的特點是可以靈活、便捷而有效地控制聲束形狀和聲壓分布。其聲束角度、焦柱位置、焦點尺寸及位置在一定范圍內(nèi)連續(xù)、動態(tài)可調(diào)。無需聲透鏡便可實現(xiàn)聲束聚焦，從而可以靈活有效地控制聲束，實現(xiàn)區(qū)域掃描探測；相控陣技術能夠?qū)崿F(xiàn)理想的聲束聚焦；采用同樣幅度的電壓驅(qū)動每個陣元，聚焦區(qū)域的實際聲場強度遠大于常規(guī)的超聲波技術；在分辨力、信噪比、障礙檢出率等方面有明顯的優(yōu)越性。