賀洪江，程 琳

(1．河北工程大學(xué)裝備制造學(xué)院，河北邯鄲 056038；2．河北工程大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，河北邯鄲 056038)

0 引言

超聲波測距技術(shù)是基于無目視能力的生物(蝙蝠等)防御及捕捉獵物生存的原理，利用超聲波在空氣媒介中傳播，碰到障礙物反射回來的時間間隔長短及被反射波的強(qiáng)弱判斷障礙物的性質(zhì)和位置的方法[1]。它是一種非接觸式檢測方式，不受光照度、電磁場、被測物色彩等因素的影響，信息處理簡單，速度快，成本低[2-4]。在移動機(jī)器人避障和定位、液位測量、物體識別、汽車防撞等方面有廣泛應(yīng)用。文中采用模塊化設(shè)計方案，設(shè)計一個基于STM32F103C8T6和CX2016紅外解碼芯片的超聲波測距儀，通過RS-485總線與主控制器組網(wǎng)，結(jié)合MODBUS協(xié)議，為工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域提供距離信息和輔助視覺信息。

1 整體方案設(shè)計

測距控制系統(tǒng)的硬件組成結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 測距控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

1．1核心控制器

核心控制器采用基于Cortex-M3內(nèi)核的32位增強(qiáng)型閃存微控制器STM32F103C8T6，該芯片主頻和定時器的頻率可高達(dá)72 MHz，定時器的高分辨率為測量的高精度提供了保證。超聲波的發(fā)射選用定時器PWM功能來驅(qū)動，回波信號的接收選用定時器的輸入捕獲功能。開始測距時，定時器開啟的同時啟動PWM和輸入捕獲，能完全消除啟動發(fā)射和啟動計時之間的偏差，從而提高測量精度。同時其內(nèi)部自帶溫度傳感器，豐富的片上資源簡化了系統(tǒng)硬件，同時降低了系統(tǒng)功耗。

1．2測距方法

1．3總線的選擇

考慮到超聲波測距儀一般連接在工業(yè)現(xiàn)場，與主控制器距離可能較遠(yuǎn)，并且組網(wǎng)后測距儀之間不需要通信，因此選用RS-485總線方式。RS-485總線支持多點(diǎn)連接，且采用平衡發(fā)送和差分接收，抗共模干擾能力強(qiáng)，即抗噪聲干擾性好，與上位機(jī)之間通訊時通信速率較高。其最大傳輸距離可以達(dá)到1 200 m，適合遠(yuǎn)距離傳輸。還具有可靠性高、性能價格比高等優(yōu)點(diǎn)。

2 硬件設(shè)計

超聲波測距儀的硬件設(shè)計包括測距最小系統(tǒng)、發(fā)射電路、接收電路、通信接口電路等。

2．1測距最小系統(tǒng)

測距儀的最小系統(tǒng)如圖2所示，核心控制器為STM32F103C8T6。

圖2 測距最小系統(tǒng)

2．2發(fā)射電路

超聲波發(fā)射電路由超聲波激勵電路和超聲波發(fā)射探頭2個部分組成，如圖3所示。其工作原理為：由STM32的高級定時器TIM1輸出40 kHz的激勵脈沖信號，經(jīng)P26引腳(網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號SEND)輸入至升壓單元。

升壓單元由一對復(fù)合管和脈沖變壓器組成。復(fù)合管有很高的電流放大系數(shù)，脈沖變壓器將5 V電壓升至12 V．脈沖信號經(jīng)放大、升壓后輸出，經(jīng)激發(fā)探頭發(fā)射出超聲波。該電路的優(yōu)點(diǎn)是消除了電路諧振，缺點(diǎn)是需2種電壓。

圖3 超聲波發(fā)射電路

2．3接收電路

超聲波接收電路是超聲波測距中關(guān)鍵的一部分，如圖4所示。該設(shè)計選用集成電路CX20106。CX20106是專用的40 kHz紅外信號接收芯片，具有很高的信號檢測靈敏度且能有效減少電路之間的互相干擾，減少電噪聲[5]?？捎脕硗瓿尚盘柕南薹⒎糯?、峰值檢波、帶通濾波和波形整形等功能。其中的前置放大器具有自動增益控制功能，能夠保證在超聲傳感器接收近距離內(nèi)輸入信號很強(qiáng)時放大器不會過載，接收較遠(yuǎn)反射信號輸出微弱電壓時，放大器有較高的增益。R8可調(diào)節(jié)帶通濾波器的中心頻率，不需要外接電感，可避免外磁場對電路的干擾，可靠性較高。

圖4 超聲波接收電路

2．4通信接口電路

通信接口電路如圖5所示，電平轉(zhuǎn)換芯片U4選用MAX485，為半雙工通信方式。P1為總線接口端子?？偩€末端接120 Ω的匹配電阻，可吸收總線上的反射信號，使得正常的傳輸信號無毛刺，便于遠(yuǎn)距離傳輸。

圖5 通信接口電路

3 軟件設(shè)計

該測距系統(tǒng)軟件設(shè)計包括：主程序、超聲波發(fā)射子程序、測距子程序、串口通信子程序等。

3．1軟件設(shè)計

STM32F103C8T6是該系統(tǒng)的核心和靈魂，由它來控制系統(tǒng)各模塊協(xié)調(diào)工作。STM32具有很高的指令效率和很強(qiáng)的性能，對中斷事件的響應(yīng)比其他單片機(jī)更迅速，因而具有更高的執(zhí)行效率。其內(nèi)部還帶有硬件除法器，節(jié)約了計算時間，提高了程序效率。

測距軟件的基本流程：首先對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，通過STM32的PWM模塊產(chǎn)生40 kHz的脈沖方波，并通過其輸入捕捉模塊捕獲回波信號。待回波進(jìn)入接收電路，經(jīng)放大/整形等硬件處理后，進(jìn)入核心控制器。調(diào)用溫度測量子程序和測距子程序按照公式s=vt/2計算出被測距離。最后按實際需求通過串口通信模塊將測量結(jié)果傳出。軟件主程序流程如圖6所示。

圖6 主程序流程圖

3．2MODBUS協(xié)議選擇

MODBUS是工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備(如DCS、PLC、智能儀表等)中使用很廣泛的一種總線協(xié)議，支持多種電氣接口，如RS-232、RS-485、以太網(wǎng)等。MODBUS協(xié)議采用主從工作方式，允許一臺主機(jī)和多臺從機(jī)通信，從機(jī)地址由用戶設(shè)定。

標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS網(wǎng)絡(luò)通信可設(shè)置為2種傳輸模式(ASCII或RTU)。ASCII模式消息中的每個8B都作為2個ASCII字符發(fā)送，采用縱向冗長檢測(LRC)校驗。ASCII模式字符發(fā)送的時間間隔可達(dá)到1 s而不產(chǎn)生錯誤，處理信息精確且時間短，易于測距儀與上位機(jī)之間的通信傳輸，因此該系統(tǒng)選用ASCII模式。串口通信協(xié)議接收和發(fā)送幀格式如表1所示。

表1 接收和發(fā)送的幀格式

規(guī)定主機(jī)地址為0x00，讀取距離命令為0x0A，如主機(jī)需要1號模塊(地址為0x01)的距離數(shù)據(jù)則：

主機(jī)發(fā)送：0x3A 0x01 0x0A 0x00 0xF5

0xOD 0xOA

從機(jī)返回：0x3A 0x00 0x0A 0x1

1 0x22 0xC3

0xOD 0xOA

返回幀中：0x11、0x22，為有效數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制時低位在后，高位在前。

4 實驗測試

該測距儀的測量范圍為0．4～5 m．根據(jù)設(shè)計的電路和軟件，測量數(shù)據(jù)如表2所示，從所測量的數(shù)據(jù)可得出該測距儀的測量誤差基本控制在1%，測量精度高，能夠滿足工業(yè)現(xiàn)場需求。

表2 超聲波測距儀測量數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語

該系統(tǒng)具有制作簡單，工作穩(wěn)定，硬件成本

低，可進(jìn)行功能擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。通過合理選用STM32F103C8T6和MODBUS通訊協(xié)議組成方案，提高了測量精度，抗干擾性能得到了較大的改善，完成一次測量的時間也縮短，并能及時向上位機(jī)主控制器提供測距服務(wù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]來清民，高風(fēng)昕．超聲波測距在行走機(jī)器人感知系統(tǒng)中的應(yīng)用．微計算機(jī)信息，2006，22(5)：206-208．

[2]趙海鳴，卜英勇，王紀(jì)嬋，等．一種高精度超聲波測距方法的研究．湖南科技大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2006，21(3)：35-38．

[3]肖志紅，漢澤西．一種基于單片機(jī)的超聲測距系統(tǒng)的設(shè)計．現(xiàn)代電子技術(shù)，2006，29(19)：97-98，101．

[4]司春寧，LU W K．提高超聲波測距系統(tǒng)精度的研究．儀表技術(shù)，2008(8)：23-25．

[5]秦偉，顏文?。贑X20106A的超聲波倒車?yán)走_(dá)設(shè)計．壓電與聲光，2011，33(1)：162-163．

作者簡介：賀洪江(1964—)，教授，碩士，主要研究方向為計算機(jī)檢測與控制、傳感器技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。

E-mail：hh6410@126．com

程琳(1985—)，碩士研究生，主要研究方向為計算機(jī)檢測與控制。

E-mail：chenglin9419@yeah．net