DSP超声波测距系统的研究
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DSP超声波测距系统的研究
张联军山东理工大学山东淄博IIVV0IVIX,中国zhlj@sdut.edu.cn
赵丽芳山东理工大学山东淄博IIVV0IVIX,中国Zhaolifang@sdut.edu.cn
摘要:通过超声波测量距离是I.种有效.非接触的方法,它可以在需要测量范围或确定位置参数等很广泛的领域内使用.本文研究的是以TMSIIIII0CVIVI.VIDSP为基础的超声波测距仪的开发.它大概地阐述了超声波测距的理论基础,介绍了软件和硬件系统的设计.
关键字:超声波传感器,DSP,温度补偿;距离测量.
I.引言
超声波测距是I.种利用超声波特性,电子,光学开关来实现非接触式距离测量的技术.因为它是非接触的,所以它对比较恶劣的环境具有I.定的适应能力.特别地,在空气中的距离测量,因为空气流速缓慢,沿着信息的传播方向的回波信号很容易被检测到,并且超声波传感器具有结构简单,体积小,低成本和可靠的信号处理的优点.
对于便携式仪器的设计,芯片必须满足低功耗的要求,高能耗是设计的I.个很大的缺点,因此使用TMSIIIII0CVIVI.VIDSP芯片作为系统的控制核心.在本文中,高精度超声波测距需要分析影响超声波测距精度的多种因素的影响,来完成超声波测距仪硬件和软件设计,从而有效提高测距系统的精度.
II该系统和设备主要参数
A.测距仪工作频率
超声波在空气中的衰减对频率很敏感,需要选择合理的超声波频率,I.般约为IV0KHZ.高频超声波在空气中不能传播.
传感器的工作频率范围是系统的主要技术参数,它直接影响着超声波的传播和吸收,回波损耗,背景噪声,直接决定了传感器的尺寸.确定工作频率主要是以下注意事项:
(I.)如果要求有测量很大距离的能力,声波传播损耗将相对增加,因为媒 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
介对超声波的吸收和声波的频率成正比,为了减少传输损耗,我们必须降低运行频率.
(II)使用相同尺寸的传感器,相同波长短,大小,分辨率,工作频率越高,为了测量更复杂的表面势垒,传感器发射的声波的方向性就越强,细节"易识别,因此,从复杂的障碍物表面测量和精度的角度来看,工作频率需求增加.
(III)从整个传感器的设计来看,具有较低的工作频率,较大的传感器尺寸,制造和安装有I.定的难度.
综上所述,测距仪最大测量范围不大,因此测距仪工作频率选择IV0KHz.这是I.种灵敏的方向感应器,需要避免噪音和改善信噪比;因为声波传输损耗的增加是比较低的,所以不难发送和接收.
还有很重要的I.点是,确认你有适合您的纸张尺寸的正确模板.此模板被定制输出在AIV尺寸的纸张上.如果您使用的是美国信纸尺寸的纸张,请关闭此文件并下载该文件为美国LTR格式".
B.声音的速度
超声波距离原则:距离(S)=时间(t)*速度(V),在该设计中,获得时间和速度,然后进行乘法运算.时间测量使用超声波相位检测方法,声波振幅和传播时间使用分析检测法.尽管相检测方法精度高,但测量能力有限,反射回的声波振幅很微弱.因此这里硬件设计采用超声波时差检测方法[I.].
超声波发送IV0KHz的脉冲序列的两端输入结束后,脉冲超声波信号经过内部振荡器,机械波的振荡,通过空气介质传播到被测物体表面;声波从被测物体表面反射回来,通过超声波接收器接收毫伏级正弦波信号.超声波的传播时间t是超声波发射器的发射时间和通过媒介传播和反射差分传输到接收器的时间.从发射点到被测物体表面到接收点的距离是测量距离的两倍,从而有公式S=(I./II)V*T,在空气中传播的超声波速度受温度,湿度,大气压力和其他因素的影响,这些因素中,温度对速度的影响较大,测量温度来修正超声波速度,声音在空气中的传播速度有公式:V=Vom/s其中,Vo=IIIIIII..I.米/秒,绝对温度T,距离S[II].
C.超声波传感器距离
通过超声波作为检测手段,必须产生并接收超声波.超声波传感器能够实现这I.功能,传统上超声波传感器被称为超声波探头.根据超声波传感器应用范围,超声波传感器可分为以下IV种类别:
(I.)通用超声波传感器(II)宽带超声波传感器(III)密封型超声波换能器(IV)高频超声波传感器.根据上述参数要求的实际情况选择T/RIV0超声波传感器[VI]-[VII].
图I.超声波测距系统框图
测量温度是用来进行温度补偿的,从而减少温度对测量距离精度的影响.温度对超声波速度的影响是非常大的,我们使用的温度补偿电路采用Dallas半导体公司的数字温度传感器DSI.VIIIBII0,DSI.VIIIBII0测温范围-VV到I.IIV,性价比非常不错,它有III个引脚,温度输出引脚已经将测得的温度数字化,此引脚连接到TMSIIIII0CVIVI.VI的IOPD0引脚.该温度传感器的分辨率最高可达0.0VIIIV℃,可编程为IX-I.II位模数转换精度.
TMSIIIII0CVIVI.VI是I.个超声波测距模块,片上有I.VIK字的可屏蔽ROM,VIIVK字的片内双寻址RAM(DARAM)和VIIVK字的片上单寻址RAM(SARAM).
III超声波测距系统的DSP硬件设计
本文设计的超声波测距系统如框图I..超声波测距 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
系统有V个主要组成部分:发射器部分,接收部分,温度测量部分,DSP模块,显示模块.发射器是用来产生IV0KHz的超声波,接收器用来接收反射回来的回波信号.温度测量部分用DSI.VIIIBII0来测量环境温度,修正超声波速度.显示部分用来显示测量的结果.
超声波发射器采用VVV电路控制IV0KHz的方波的产生,然后进行驱动.VVV定时器端口IV由TMSIIIII0CVIVI.VI的IOPAVII触发控制,发出IV0kHz方波,脉冲宽度值是I.IIVμs?II00μs,包含V到IV0千赫的超声波调制脉冲,传递时间设定值根据最大工作范围设定.
超声波回波被超声波传感器接收,经过容性阻抗滤波器,到可变增益放大比较器LMVIIIIIIV,这样将输出IV0KHz的方波送入DSP用于时序.在超声波发射器电阻达到最大值之前,可以根据实际情况设计两级放大电路,使每过I.ms增加I.定的距离.减少盲点是通过在指令增加至最大之前发射I.个周期的超声波来实现的.这只能映射到ROM程序存储器空间,而SARAM和DARAM可以被映射到数据空间,也可以映射到程序空间.
TMSIIIII0CVIVI.VI完成主要信号的处理计算,并将结果传送到通信模块,将DSP芯片TMSIIIII0CVIVI.VI控制信号传送到I/0端口[III],然后内部计时器开始计时.这控制信号作为超声波传感器发射超声波的触发信号,由超声波传感器产生,当超声波接收器接收到I.个从障碍物返回的高频振荡信号时TMSIIIII0CVIVI.VI产生I.个外部中断,中断服务程序用来停止定时器计数,根据该公式S=(I./II)V*t计算距离,否则,传感器认为在检测范围的前方没有障碍物
图II系统主程序流程图
LED显示电路采用动态扫描显示,为了提高LED的亮度,在设计中使用VIIIVHCIIIVV来提高驱动能力.在显示管的共阴极侧使用ULNII00III增强驱动能力.
IV系统的软件结构
文本编辑完毕后,为输出模板的纸张就已准备就绪.通过使用保存为命令来复制模板文件,并使用规定的命名约定来为你的文件命名.在这个新创建的文件中,突出显示所有的内容,并导入编写的文本文件.现在准备好你的文件样式;使用微软Word的左侧工具栏向下滚动窗口.
在实现超声波测距基本功能的系统硬件结构基础上,系统软件的主要功能是实现系统的功能,数据处理和应用.在上述系统的硬件设计完成后,系统软件需要实现以下功能:
I..信号控制:系统硬件部分已经完成了发射电路,回波接收电路,温度补偿电路.在系统软件部分,需要完成增益控制信号,门控信号,发送脉冲信号,峰值捕获信号,定时和输出.
II.数据存储:为了获得发射信号和接收回波之间的时间差,读出计数器计数的时刻,然后存储在RAM中,还有在每次开始工作时,都需要对计数器清零为后续处理做准备.
III.信号处理:存储在RAM中的距离值不能直接被用来作为结果显示输出,因为在计数值与实际距离之间需要进行转换计算,公式为:S=0.V*V*T=0.V*V*(TR*N)其中,T是发送超声波到接收器接收到超声波经过的时间,TR是I.个方波信号,作为脉冲计数器的时间分辨率,N是计数器值.在这I.部分,信号处理包括转换计数和距离值,II进制和X进制的转换.
IV.数据传输和显示:距离值获得并显示的子程序如图所示.通过计数值转换程序获得原始数据,然后通过II进制和X进制转换程序显示结果.
系统软件的功能实现可以分为主程序,发射脉冲子程序,回波接收子程序,显示结果子程序和计算距离子程序.主程序是主体程序,系统功能的执行就是在其中完成的,在此过程中主程序可以调用子程序.主程序流程图如图II所示.
硬件系统中,发射IV0KHz的脉冲信号,遇到障碍物后反射,接收检测电路接收反射信号传给TMSIIIII0CVIVI.VI.读出计数值并存储在RAM中,然后处理这些数据来计算对应的距离值,并转换成X进制数,最终显示到显示器上.
V结论
超声波测量距离的工作机制,采用DSP芯片设计,I.个超声波测距仪的小盲点在设计自动调节增益校正电路和温度补偿中被使用,从而减少盲区,提高了系统的测量精度.该系统的测量距离为III毫米到II0m,测量结果的最大误差为I..V毫米.随着新的传感器和功率驱动电源技术的出现必将进I.步扩大超声波测距的范围,超声波测距技术将被广泛应用于机器人或无人驾驶车辆定位系统,交通运输安全警告等.
参考文献:
[I.]太阳系列之友,孙晓彬主编,,传感技术基础上[M],电子工业出版社,II00I.
[II]林书玉,超声换能器及设计原理,北京:科学出版社,II00III
[III]薛磊,DSP的原理与应用教程[M],北京:清华大学出版社,II00VII
[IV]KimiyukiIII井,诚小池,冢英彦,散光聚焦误差检测测量原理和示范的新位移测量超声波传感器设计,精密工程,I.IXIXVII.II0.I.-IV
[V]董静,刘书动,戴雪峰,绍林,CAN总线上PVIIIVIICVIXI.的智能超声波测距系统[J],计算机工程与设计,II00IX,I.IIIIVIIIVII-IIVIIIVV
[VI]司春宁,卢文科,提高超声波测距系统的准确性[J],仪表,II00VIII,VIII,IIIII-IIIV
[VII]赵琦,范奔,提高超声波测距准确度的方法[J],中国西部(学术),II00VII,IX,IVVII-IVVIII.IIIVVVIII
DSP超声波测距系统的研究
张联军山东理工大学山东淄博IIVV0IVIX,中国zhlj@sdut.edu.cn
赵丽芳山东理工大学山东淄博IIVV0IVIX,中国Zhaolifang@sdut.edu.cn
摘要:通过超声波测量距离是I.种有效.非接触的方法,它可以在需要测量范围或确定位置参数等很广泛的领域内使用.本文研究的是以TMSIIIII0CVIVI.VIDSP为基础的超声波测距仪的开发.它大概地阐述了超声波测距的理论基础,介绍了软件和硬件系统的设计.
关键字:超声波传感器,DSP,温度补偿;距离测量.
I.引言
超声波测距是I.种利用超声波特性,电子,光学开关来实现非接触式距离测量的技术.因为它是非接触的,所以它对比较恶劣的环境具有I.定的适应能力.特别地,在空气中的距离测量,因为空气流速缓慢,沿着信息的传播方向的回波信号很容易被检测到,并且超声波传感器具有结构简单,体积小,低成本和可靠的信号处理的优点.
对于便携式仪器的设计,芯片必须满足低功耗的要求,高能耗是设计的I.个很大的缺点,因此使用TMSIIIII0CVIVI.VIDSP芯片作为系统的控制核心.在本文中,高精度超声波测距需要分析影响超声波测距精度的多种因素的影响,来完成超声波测距仪硬件和软件设计,从而有效提高测距系统的精度.
II该系统和设备主要参数
A.测距仪工作频率
超声波在空气中的衰减对频率很敏感,需要选择合理的超声波频率,I.般约为IV0KHZ.高频超声波在空气中不能传播.
传感器的工作频率范围是系统的主要技术参数,它直接影响着超声波的传播和吸收,回波损耗,背景噪声,直接决定了传感器的尺寸.确定工作频率主要是以下注意事项:
(I.)如果要求有测量很大距离的能力,声波传播损耗将相对增加,因为媒 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
介对超声波的吸收和声波的频率成正比,为了减少传输损耗,我们必须降低运行频率.
(II)使用相同尺寸的传感器,相同波长短,大小,分辨率,工作频率越高,为了测量更复杂的表面势垒,传感器发射的声波的方向性就越强,细节"易识别,因此,从复杂的障碍物表面测量和精度的角度来看,工作频率需求增加.
(III)从整个传感器的设计来看,具有较低的工作频率,较大的传感器尺寸,制造和安装有I.定的难度.
综上所述,测距仪最大测量范围不大,因此测距仪工作频率选择IV0KHz.这是I.种灵敏的方向感应器,需要避免噪音和改善信噪比;因为声波传输损耗的增加是比较低的,所以不难发送和接收.
还有很重要的I.点是,确认你有适合您的纸张尺寸的正确模板.此模板被定制输出在AIV尺寸的纸张上.如果您使用的是美国信纸尺寸的纸张,请关闭此文件并下载该文件为美国LTR格式".
B.声音的速度
超声波距离原则:距离(S)=时间(t)*速度(V),在该设计中,获得时间和速度,然后进行乘法运算.时间测量使用超声波相位检测方法,声波振幅和传播时间使用分析检测法.尽管相检测方法精度高,但测量能力有限,反射回的声波振幅很微弱.因此这里硬件设计采用超声波时差检测方法[I.].
超声波发送IV0KHz的脉冲序列的两端输入结束后,脉冲超声波信号经过内部振荡器,机械波的振荡,通过空气介质传播到被测物体表面;声波从被测物体表面反射回来,通过超声波接收器接收毫伏级正弦波信号.超声波的传播时间t是超声波发射器的发射时间和通过媒介传播和反射差分传输到接收器的时间.从发射点到被测物体表面到接收点的距离是测量距离的两倍,从而有公式S=(I./II)V*T,在空气中传播的超声波速度受温度,湿度,大气压力和其他因素的影响,这些因素中,温度对速度的影响较大,测量温度来修正超声波速度,声音在空气中的传播速度有公式:V=Vom/s其中,Vo=IIIIIII..I.米/秒,绝对温度T,距离S[II].
C.超声波传感器距离
通过超声波作为检测手段,必须产生并接收超声波.超声波传感器能够实现这I.功能,传统上超声波传感器被称为超声波探头.根据超声波传感器应用范围,超声波传感器可分为以下IV种类别:
(I.)通用超声波传感器(II)宽带超声波传感器(III)密封型超声波换能器(IV)高频超声波传感器.根据上述参数要求的实际情况选择T/RIV0超声波传感器[VI]-[VII].
图I.超声波测距系统框图
测量温度是用来进行温度补偿的,从而减少温度对测量距离精度的影响.温度对超声波速度的影响是非常大的,我们使用的温度补偿电路采用Dallas半导体公司的数字温度传感器DSI.VIIIBII0,DSI.VIIIBII0测温范围-VV到I.IIV,性价比非常不错,它有III个引脚,温度输出引脚已经将测得的温度数字化,此引脚连接到TMSIIIII0CVIVI.VI的IOPD0引脚.该温度传感器的分辨率最高可达0.0VIIIV℃,可编程为IX-I.II位模数转换精度.
TMSIIIII0CVIVI.VI是I.个超声波测距模块,片上有I.VIK字的可屏蔽ROM,VIIVK字的片内双寻址RAM(DARAM)和VIIVK字的片上单寻址RAM(SARAM).
III超声波测距系统的DSP硬件设计
本文设计的超声波测距系统如框图I..超声波测距 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
系统有V个主要组成部分:发射器部分,接收部分,温度测量部分,DSP模块,显示模块.发射器是用来产生IV0KHz的超声波,接收器用来接收反射回来的回波信号.温度测量部分用DSI.VIIIBII0来测量环境温度,修正超声波速度.显示部分用来显示测量的结果.
超声波发射器采用VVV电路控制IV0KHz的方波的产生,然后进行驱动.VVV定时器端口IV由TMSIIIII0CVIVI.VI的IOPAVII触发控制,发出IV0kHz方波,脉冲宽度值是I.IIVμs?II00μs,包含V到IV0千赫的超声波调制脉冲,传递时间设定值根据最大工作范围设定.
超声波回波被超声波传感器接收,经过容性阻抗滤波器,到可变增益放大比较器LMVIIIIIIV,这样将输出IV0KHz的方波送入DSP用于时序.在超声波发射器电阻达到最大值之前,可以根据实际情况设计两级放大电路,使每过I.ms增加I.定的距离.减少盲点是通过在指令增加至最大之前发射I.个周期的超声波来实现的.这只能映射到ROM程序存储器空间,而SARAM和DARAM可以被映射到数据空间,也可以映射到程序空间.
TMSIIIII0CVIVI.VI完成主要信号的处理计算,并将结果传送到通信模块,将DSP芯片TMSIIIII0CVIVI.VI控制信号传送到I/0端口[III],然后内部计时器开始计时.这控制信号作为超声波传感器发射超声波的触发信号,由超声波传感器产生,当超声波接收器接收到I.个从障碍物返回的高频振荡信号时TMSIIIII0CVIVI.VI产生I.个外部中断,中断服务程序用来停止定时器计数,根据该公式S=(I./II)V*t计算距离,否则,传感器认为在检测范围的前方没有障碍物
图II系统主程序流程图
LED显示电路采用动态扫描显示,为了提高LED的亮度,在设计中使用VIIIVHCIIIVV来提高驱动能力.在显示管的共阴极侧使用ULNII00III增强驱动能力.
IV系统的软件结构
文本编辑完毕后,为输出模板的纸张就已准备就绪.通过使用保存为命令来复制模板文件,并使用规定的命名约定来为你的文件命名.在这个新创建的文件中,突出显示所有的内容,并导入编写的文本文件.现在准备好你的文件样式;使用微软Word的左侧工具栏向下滚动窗口.
在实现超声波测距基本功能的系统硬件结构基础上,系统软件的主要功能是实现系统的功能,数据处理和应用.在上述系统的硬件设计完成后,系统软件需要实现以下功能:
I..信号控制:系统硬件部分已经完成了发射电路,回波接收电路,温度补偿电路.在系统软件部分,需要完成增益控制信号,门控信号,发送脉冲信号,峰值捕获信号,定时和输出.
II.数据存储:为了获得发射信号和接收回波之间的时间差,读出计数器计数的时刻,然后存储在RAM中,还有在每次开始工作时,都需要对计数器清零为后续处理做准备.
III.信号处理:存储在RAM中的距离值不能直接被用来作为结果显示输出,因为在计数值与实际距离之间需要进行转换计算,公式为:S=0.V*V*T=0.V*V*(TR*N)其中,T是发送超声波到接收器接收到超声波经过的时间,TR是I.个方波信号,作为脉冲计数器的时间分辨率,N是计数器值.在这I.部分,信号处理包括转换计数和距离值,II进制和X进制的转换.
IV.数据传输和显示:距离值获得并显示的子程序如图所示.通过计数值转换程序获得原始数据,然后通过II进制和X进制转换程序显示结果.
系统软件的功能实现可以分为主程序,发射脉冲子程序,回波接收子程序,显示结果子程序和计算距离子程序.主程序是主体程序,系统功能的执行就是在其中完成的,在此过程中主程序可以调用子程序.主程序流程图如图II所示.
硬件系统中,发射IV0KHz的脉冲信号,遇到障碍物后反射,接收检测电路接收反射信号传给TMSIIIII0CVIVI.VI.读出计数值并存储在RAM中,然后处理这些数据来计算对应的距离值,并转换成X进制数,最终显示到显示器上.
V结论
超声波测量距离的工作机制,采用DSP芯片设计,I.个超声波测距仪的小盲点在设计自动调节增益校正电路和温度补偿中被使用,从而减少盲区,提高了系统的测量精度.该系统的测量距离为III毫米到II0m,测量结果的最大误差为I..V毫米.随着新的传感器和功率驱动电源技术的出现必将进I.步扩大超声波测距的范围,超声波测距技术将被广泛应用于机器人或无人驾驶车辆定位系统,交通运输安全警告等.
参考文献:
[I.]太阳系列之友,孙晓彬主编,,传感技术基础上[M],电子工业出版社,II00I.
[II]林书玉,超声换能器及设计原理,北京:科学出版社,II00III
[III]薛磊,DSP的原理与应用教程[M],北京:清华大学出版社,II00VII
[IV]KimiyukiIII井,诚小池,冢英彦,散光聚焦误差检测测量原理和示范的新位移测量超声波传感器设计,精密工程,I.IXIXVII.II0.I.-IV
[V]董静,刘书动,戴雪峰,绍林,CAN总线上PVIIIVIICVIXI.的智能超声波测距系统[J],计算机工程与设计,II00IX,I.IIIIVIIIVII-IIVIIIVV
[VI]司春宁,卢文科,提高超声波测距系统的准确性[J],仪表,II00VIII,VIII,IIIII-IIIV
[VII]赵琦,范奔,提高超声波测距准确度的方法[J],中国西部(学术),II00VII,IX,IVVII-IVVIII.IIIVVVIII
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