一種高精度的超聲波多路同步測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 超聲波測(cè)距工作原理與結(jié)構(gòu)
1．1 工作原理
諧振頻率高于20 kHz的聲波被稱為超聲波。超聲波測(cè)距的基本工作原理是：發(fā)射探頭發(fā)出超聲波，在介質(zhì)中傳播遇到障礙物反射后再通過介質(zhì)返回到接收探頭，測(cè)出超聲波從發(fā)射到接收所需的時(shí)間，然后根據(jù)介質(zhì)中的聲速，利用公式S=0．5ct就能算得從探頭到障礙物的距離，式中：S為所測(cè)的距離，c為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度．￡為超聲波從發(fā)到收所經(jīng)過的時(shí)間。
1．2 超聲波測(cè)距系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)
一般情況下，超聲波測(cè)距系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)常采用頻率為40 kHz的方波信號(hào)由單片機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生。為了避免溫度對(duì)聲波傳播速度的影響，都采用溫度補(bǔ)償以適應(yīng)在不同環(huán)境下正常工作的需求。時(shí)間的精確測(cè)量可由單片機(jī)內(nèi)部單獨(dú)的計(jì)數(shù)器完成，也可由外部的計(jì)時(shí)電路完成。

2 多路同步超聲波測(cè)距系統(tǒng)
系統(tǒng)由單片機(jī)、FPGA模塊、6對(duì)收發(fā)同體的超聲波換能器、功率放大電路、回波高增益放大電路、帶通濾波電路以及比較整形電路等組成。系統(tǒng)組成框圖如圖2。

本系統(tǒng)中。單片機(jī)系統(tǒng)與FPGA系統(tǒng)是測(cè)距儀的核心部件，用來協(xié)調(diào)各部分元件工作。單片機(jī)控制器單元主要是啟動(dòng)超聲波發(fā)射與計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)的同步以及接收到回波后對(duì)其計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器的值進(jìn)行處理等運(yùn)算。FPGA單元主要用來產(chǎn)生超聲波的發(fā)射脈沖頻率125 kHz與計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器的頻率(>170 kHz)，通過微控制器MCU來啟動(dòng)超聲波的發(fā)射，F(xiàn)PGA發(fā)射一定數(shù)量(這里選擇8至10)的脈沖串之后，停止發(fā)射同時(shí)啟動(dòng)計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，超聲波途經(jīng)障礙物返回。當(dāng)超聲波換能器接收到回波信號(hào)之后，將其信號(hào)送入FPGA內(nèi)部，用來控制計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器的停止，將所得的計(jì)數(shù)值送入單片機(jī)。第一路到第五路超聲波換能器用于測(cè)量距離，測(cè)量距離的五路超聲波換能器按等間距分別安裝在測(cè)距儀的固定板上，系統(tǒng)采用收發(fā)同體的探頭，其波束角很小，有效的保證了各探頭到被測(cè)物體的垂直測(cè)量距離。第六路超聲波換能器安裝在測(cè)距儀的左側(cè)，在測(cè)距儀的右側(cè)安裝一塊標(biāo)準(zhǔn)檔板，較準(zhǔn)確的測(cè)量當(dāng)時(shí)環(huán)境下的聲速，用于溫度補(bǔ)償?？刂苹蝻@示模塊用于調(diào)整平衡或輸出顯示測(cè)量距離的目的。
2．1 發(fā)射電路
發(fā)射電路如圖3(a)所示。發(fā)射電路將接收到的方波脈沖信號(hào)送入乙類推挽放大電路，用其輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)CMOS管，接著將其脈沖信號(hào)加到高頻脈沖變壓器進(jìn)行功率放大，使幅值增加到100多伏，最后將放大的脈沖方波信號(hào)加到超聲波換能器上產(chǎn)生頻率為125 kHz的超聲波并將其發(fā)射出去。