楊 明，周金芝，鄭祥明

亳州師范高等?？茖W(xué)校理化系，安徽亳州，236800

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基于CPLD的超聲測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊 明，周金芝，鄭祥明

亳州師范高等?？茖W(xué)校理化系，安徽亳州，236800

基于CPLD的超聲測(cè)距系統(tǒng)已受到越來(lái)越多的關(guān)注，提出了一種更便捷的近距離測(cè)距方法，設(shè)計(jì)了以CPLD芯片為核心的超聲測(cè)距系統(tǒng)，增設(shè)了溫度測(cè)量電路、回波轉(zhuǎn)換電路以消除溫度及時(shí)間等造成的測(cè)量誤差。該系統(tǒng)具有體積小、升級(jí)方便等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)測(cè)距精度較高，能夠滿足工程上的需求。

超聲波；CPLD；超聲測(cè)距；報(bào)警功能

超聲測(cè)距作為一種無(wú)損的非接觸測(cè)量方法，在工業(yè)、勘探和定位等方面具有越來(lái)越多的應(yīng)用，與激光、無(wú)線電等其他測(cè)距方法相比，它傳統(tǒng)、實(shí)用、成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在惡劣的環(huán)境中還具有一定的適應(yīng)能力，而且不受外界電磁場(chǎng)、光等因素的影響。近年來(lái)，室內(nèi)機(jī)器人與室內(nèi)監(jiān)控技術(shù)均已受到越來(lái)越多的關(guān)注[2]，本文設(shè)計(jì)一種基于CPLD的超聲測(cè)距系統(tǒng)，通過(guò)豐富的片內(nèi)資源及較高的運(yùn)行速度能夠減少延時(shí)誤差，提高測(cè)量精度。

1 超聲波測(cè)距原理

一般情況下，人們采用雙壓電陶瓷晶片制成的壓電超聲波傳感器測(cè)量距離。根據(jù)壓電效應(yīng)，當(dāng)有大小與方向均不斷變化的交流電壓在壓電陶瓷上加載時(shí)，壓電陶瓷晶片會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形，通過(guò)共振產(chǎn)生超聲波[1]，超聲波經(jīng)由液體或固體表面反射，由相鄰的傳感器接收，測(cè)量計(jì)算發(fā)射接收時(shí)間t，便可利用公式求得被測(cè)點(diǎn)到測(cè)試點(diǎn)的距離s。

(1)

式中，C為超聲波傳播速度，單位為m/s，超聲波在空氣中傳播的速度受到溫度T的影響較大，超聲波速度C與環(huán)境溫度(℃)的關(guān)系式是：

(2)

超聲波測(cè)距能力受到各種因素的影響，就測(cè)量距離而言，若距離較長(zhǎng)，超聲波傳播損失相對(duì)增加，為此需要降低頻率；但是抬升工作頻率，可以提升傳感器的方向性，對(duì)目標(biāo)尺寸的細(xì)節(jié)容易辨識(shí)，可以提高物體表面測(cè)量精度；從傳感器設(shè)計(jì)角度看，傳感器尺寸和工作頻率高低是成反比的，在要求低功率的情況下，傳感器的尺寸越大，制造和安裝越困難。本文選用適應(yīng)于在空氣中測(cè)量距離的40kHz的超聲探頭，提高了信噪比，避開(kāi)了噪聲，發(fā)射接收容易。

2 系統(tǒng)組成

針對(duì)微環(huán)境下的超聲測(cè)距系統(tǒng)受到傳播衰減及溫度影響，本系統(tǒng)從硬件、軟件綜合考慮設(shè)計(jì)如圖1所示的系統(tǒng)，該系統(tǒng)選擇了UCM-T(R)40K1收發(fā)分體式傳感器[6]。超聲波發(fā)生器產(chǎn)生40kHz左右的脈沖,經(jīng)調(diào)制后驅(qū)動(dòng)發(fā)射電路、發(fā)射探頭。接收電路設(shè)計(jì)了數(shù)碼顯示電路、報(bào)警電路、溫度檢測(cè)電路及控制器電路模塊等。系統(tǒng)顯示電路運(yùn)用七段四位數(shù)碼管，控制器模塊選用EPM7128SLC84-15芯片。

2.1 超聲波發(fā)射接收電路

超聲波發(fā)生器[3]的輸出u0應(yīng)為40kHz左右的方波脈沖信號(hào)，選用555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生方波，如圖2所示，取Vcc= 5V,R1=100Ω,R2=15kΩ,C=1nF，測(cè)得輸出頻率為39.6kHz,占空比約為50%。超聲波的發(fā)射是利用超聲波發(fā)生器來(lái)完成的，為了提高輸入到發(fā)射探頭的電壓及其功率，采用雙電源互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路。

圖1 超聲測(cè)距系統(tǒng)框圖

超聲波接收電路模塊有前置放大電路、帶通濾波電路及檢測(cè)電路等。前置放大電路如圖2所示，針對(duì)有用信號(hào)(如發(fā)射電路產(chǎn)生的40KHZ)的超聲波信號(hào)進(jìn)行放大，電壓放大倍數(shù)的調(diào)節(jié)可通過(guò)調(diào)節(jié)R2和R3阻值來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)平衡電阻Rp可以消除漂移對(duì)輸出端的影響。在本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，取R2=2kΩ,R3=200 kΩ,Rp=2 kΩ，可將電壓放大倍數(shù)設(shè)為100倍；帶通濾波電路選用由TL082運(yùn)算放大器和其外圍電阻、電容等構(gòu)成的帶通濾波電路。在低頻段系統(tǒng),總噪聲主要集中表現(xiàn)為50 Hz工頻干擾以及室內(nèi)環(huán)境噪聲;在高頻率段系統(tǒng),總噪聲主要表現(xiàn)為接收機(jī)的內(nèi)部噪聲。接收電路經(jīng)過(guò)此帶通濾波電路以后，在通頻帶以外的無(wú)用信號(hào)被衰減，而只有40 KHz左右的有用超聲回波信號(hào)被保留下來(lái)，送到檢波電路的輸入級(jí)，從而將信噪比較高的輸入信號(hào)提供到下一級(jí)的檢波電路中。選用LM393(OC)電壓比較器作為檢測(cè)電路器件，將濾波放大后的正弦波變成矩形波，輸出高電平約為5 V,可直接驅(qū)動(dòng)TTL電路，連接控制器電路中的RS觸發(fā)器，控制其輸出發(fā)生翻轉(zhuǎn)，測(cè)距結(jié)束。

圖2 超聲波發(fā)射接收電路

2.2 數(shù)碼顯示及測(cè)溫電路

數(shù)碼顯示選用4位LED數(shù)碼管作為顯示器[4]，一個(gè)74LS48和一個(gè)LED數(shù)碼管連接成一個(gè)74LS48驅(qū)動(dòng)電路，數(shù)碼管可從0～9顯示，表示距離s是×××mm的數(shù)值及目前環(huán)境溫度為××℃，2種數(shù)值分時(shí)間段顯示，間隔5秒。測(cè)溫電路采用DS1820數(shù)字溫度計(jì)采集,測(cè)量范圍為-55～125℃,-10～80℃時(shí)測(cè)量精度為0.5℃,根據(jù)實(shí)測(cè)溫度值代入(2)式計(jì)算超聲波實(shí)際速度,可校正測(cè)量結(jié)果。

2.3 控制器電路

控制器電路是本系統(tǒng)的核心，如圖3示。系統(tǒng)在發(fā)出超聲波時(shí)開(kāi)始計(jì)數(shù),在收到反射波時(shí)停止計(jì)數(shù)，并顯示當(dāng)前結(jié)果。本系統(tǒng)還設(shè)置了報(bào)警臨界值，測(cè)量時(shí)，當(dāng)實(shí)測(cè)距離大于臨界值時(shí)就發(fā)出“嘀嘀”報(bào)警聲響。系統(tǒng)的區(qū)分度為1 cm,采用4個(gè)數(shù)碼管顯示輸出結(jié)果，運(yùn)用了動(dòng)態(tài)掃描顯示方法來(lái)減少引線。

模塊用一塊EPM7128SLC84-15芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。EPM7128SLC84-15是Altera公司生產(chǎn)的基于高性能EEPROM結(jié)構(gòu)的CPLD[5]，工藝采用的是CMOS結(jié)構(gòu)，并以第二代矩陣結(jié)構(gòu)作為基礎(chǔ)，完全符合IEEE 1149.1 JTAG邊界掃描標(biāo)準(zhǔn)。圖中“Multiplexer”為4選1多路選擇器,用來(lái)控制顯示譯碼器“74LS48”的輸入端口連接的數(shù)據(jù)；“RS觸發(fā)器”用來(lái)控制“12D鎖存器”及計(jì)數(shù)器的狀態(tài)；“74LS373”為8位鎖存器；“comparator”為8位比較器，用來(lái)比較預(yù)置數(shù)值和實(shí)際測(cè)量值，輸出連接到報(bào)警電路，當(dāng)測(cè)量值高于預(yù)置的報(bào)警臨界值時(shí)，蜂鳴器就會(huì)發(fā)出警報(bào)。

圖3 控制器模塊原理圖

圖4為系統(tǒng)測(cè)試時(shí)序圖，當(dāng)控制信號(hào)發(fā)出后，超聲波發(fā)出8個(gè)40 kHz脈沖寬度為200 μs的方波脈沖，接收波為幅值衰減的正弦波及經(jīng)過(guò)電壓比較器LM393得到的方波。通過(guò)波形測(cè)出發(fā)射接收的時(shí)間T，代入公式便可測(cè)出距離，其中V是室溫在20℃的聲波速度，約為334 m/s，最后處理后的測(cè)量結(jié)果會(huì)通過(guò)數(shù)碼管顯示出來(lái)。

圖4 系統(tǒng)測(cè)試圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

表1為測(cè)量數(shù)據(jù)及誤差表，可以看出測(cè)量范圍在300～2 000 mm內(nèi)的誤差較少；在200 mm以內(nèi)誤差較大，2 500 mm以后的數(shù)據(jù)誤差明顯，引起測(cè)量誤差的原因有：(1)近區(qū)測(cè)量時(shí)，超聲波發(fā)射接收探頭擺放位置偏差較大，甚至導(dǎo)致存在一定范圍的盲區(qū)。(2)遠(yuǎn)區(qū)測(cè)量誤差較大，一是由于發(fā)射功率不夠大，測(cè)量距離不遠(yuǎn)；二是由于反射物表面不平整，反射信號(hào)是從垂直于兩探頭的軸線之外的點(diǎn)傳來(lái)；三是發(fā)射探頭發(fā)出的超聲波是呈喇叭狀擴(kuò)散傳播，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果必然有誤差。但總的實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差在厘米級(jí),完全可以滿足近距離測(cè)距等工程測(cè)量要求。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及誤差

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于CPLD芯片為核心的超聲測(cè)距系統(tǒng)，增設(shè)的溫度測(cè)量電路可消除環(huán)境溫度造成的誤差；回波信號(hào)通過(guò)電壓比較器轉(zhuǎn)變成矩形波，可以消除由于傳播距離的增加等造成測(cè)量時(shí)間的誤差。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)在近距離中空氣測(cè)量精度較高，可以滿足機(jī)器人定位、微環(huán)境探測(cè)、液位測(cè)量及室內(nèi)監(jiān)控技術(shù)等不同環(huán)境的需求。

由于超聲測(cè)距不受復(fù)雜環(huán)境下天氣、電磁等方面的干擾，信號(hào)處理可靠方便、價(jià)格低廉，市場(chǎng)前景十分廣闊。隨著時(shí)間的推移，超聲波測(cè)距的研究還能夠有所改進(jìn)。首先，研究更先進(jìn)的超聲換能器制造材料。由于換能器采用磁致伸縮或壓電陶瓷材料，應(yīng)用時(shí)存在阻抗失配，產(chǎn)生盲區(qū)，使測(cè)量精度及分辨力受到影響。其次，微環(huán)境下的非接觸測(cè)距技術(shù)(包括超聲波測(cè)距、雷達(dá)測(cè)距、紅外線測(cè)距、激光測(cè)距等)整合。是否可以通過(guò)再組合的形式取長(zhǎng)補(bǔ)短，使產(chǎn)品適應(yīng)更復(fù)雜的環(huán)境，測(cè)量出更精確的結(jié)果，也值得今后去深入探討。

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(責(zé)任編輯：汪材印)

10.3969/j.issn.1673-2006.2014.05.023

2014-02-26

安徽省高等學(xué)校省級(jí)優(yōu)秀青年人才基金項(xiàng)目“高職電子類專業(yè)實(shí)訓(xùn)網(wǎng)站開(kāi)發(fā)研究”(2012SQRL274)。

楊明(1982-)，安徽淮北人，博士生，講師，主要研究方向：集成電路設(shè)計(jì)、計(jì)算電磁學(xué)及天線理論與技術(shù)等。

TB559

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1673-2006(2014)05-0075-04