基于ARM11的长距离高精度超声波测距仪

唐慧强,徐昊德,刘 佳

(南京信息工程大学信息与控制学院，江苏南京 210044)



基于ARM11的长距离高精度超声波测距仪

唐慧强,徐昊德,刘 佳

(南京信息工程大学信息与控制学院，江苏南京 210044)

设计了一种基于S3C6410的高精度超声波测距仪。给出了一种高精度测距的方法，通过将回波信号数字化处理来求取接收波形的起始位置。设计了信号发射电路、接收信号放大滤波电路、A/D转换电路及ARM系统的检测电路。利用MATLAB仿真，并用C语言实际编程，基于WinCE6.0操作系统设计了模数转换等底层驱动和应用软件系统。实验表明测距仪一致性较好，不一致性约为0.19 mm。

超声波；测距仪；嵌入式；WinCE6.0；MATLAB；流接口驱动

0 引言

超声波测距以其可靠性高、性价比高等优点被广泛应用于工业生产、智能小车，智能机器人、汽车倒车雷达等的检测中。目前长距离时差法超声波测距的方法大多采用包络或阈值检测[1]，测量精度一般；也有采用小波分析方法的，其处理复杂，不易实用化[2]。本设计充分利用S3C6410处理器的快速运算处理能力，采用数字化方案，以取得高精度。

1 超声波测距原理

系统的原理如图1所示，通过测算出超声波发射到接收反射信号的时间t以及在空气中的传播速度c来测量距离。当超声波探头到反射物的距离d远大于超声波探头之间的距离时，超声波传播距离L近似等于2d。则所测距离d如式(1)所示：

(1)

图1 系统原理框图

超声波在空气中的传播速度与环境温度T有关，可表示为式(2)：

(2)

式中：c为超声波在空气中传播速度，m/s；T为环境温度,℃。

通过高精度温度传感器测出环境温度就能确定超声波传播速度。

2 信号处理算法

超声波接收信号是一串连续的波形，对于频率为40 kHz的超声波，其周期为25 μs。在对接收信号量化时，如采样频率为1 MHz，则两个采样点的间隔时间为1 s。如常温下空气中声速340 m/s，则检测分辨率可以达到0.17 mm。但需准确找到接收波形的第一个周期起始位置才能保证高精度，而接收波形的第一个周期信号非常微弱，与噪声叠加后不易辨识，为此采用了数字滤波、找最大峰值、拟合正弦信号的方法[3]来确定第一个周期信号。处理信号的过程如图2所示。

由图2可以看出，在开始的位置干扰信号较强，这是直接接收发射信号的结果，造成约17 cm的盲区，导致在近距离时测量结果不够准确。

图2 ADC采集信号

A/D转换后的数字信号序列需要经过数字滤波滤去噪声。现采用无限冲激响应(IIR)数字滤波器来设计椭圆带通滤波器，相比巴特沃斯或切比雪夫滤波器能获得更陡峭衰减曲线，即在阶数相同的情况下，椭圆滤波器能获得更窄的带宽和较小的阻带波动。为保证滤波后信号不发生相移，在对数字信号x首次滤波后，倒序后再滤波，最后再倒序以恢复原始顺序，由此实现对x的零相移数字滤波处理。对采集到的数字信号进行带宽20～60 kHz滤波后，在序列B中找到最大峰值所对应的位置，从该波形的左侧过零点开始，逐周期利用正弦信号拟合，并验证拟合的显著性，从而准确判断出反射信号的起始位置。图3是其拟合信号的起始位置。经过实际信号的反复试验，都能准确判别出反射信号的起始位置。

图3 滤波后的正弦拟合信号起始位置

3 硬件电路设计

系统硬件电路包括信号发射电路、信号接收放大电路和A/D转换电路等。选取40 kHz的超声波换能器作为发射和接收传感器。选取主频为533 MHz的S3C6410ARM芯片作为处理器。

3.1 信号发射电路设计

信号发射电路如图4所示，当输入高电平时,场效应管Q1截止，Q2导通，输出低电平；当输入低电平时，Q1导通，Q2截止，输出高电平。由ARM发送的12.5 μs的低电平脉冲经过Q1、Q2组成的开关电路后转换成高电平脉冲，再经过变压器升压约100倍后，把5 V的低压脉冲升压到500 V并加载到超声波发射换能器上。在高压脉冲的激励下，发射换能器产生振动发射一串超声波。

图4 信号发射电路

3.2 接收电路设计

接收放大电路如图5所示，接收换能器收到反射回来的超声波后，将其转化为电压信号。由于信号较弱，需要放大处理。放大电路由3个OP37运算放大器组成，OP37是低噪声、高速精密运放，转换速率达到17 V/μs，带宽达到63 MHz。本设计采用了OP37同相放大器进行放大，并加入直流偏置方便A/D转换。在放大的同时进行滤波处理，在前一运放前加入一阶低通滤波器，在后一运放前加一个一阶高通滤波器。

图5 接收电路设计

3.3 模数转换电路

模数转换电路如图6所示。ADC采用TLC5510A，是8位半闪速结构模数转换器，满量程输入范围是0～4 V。模数转换器由S3C6410 ARM处理器直接控制并接收数据。采用1MHz的采样频率，ADC的CLK由S3C6410的PWM0发送的1MHz方波信号驱动。

3.4 温度补偿

温度补偿[4]部分采用高精度温度传感器HM-T1，在-40～80 ℃范围内，其准确度达到了0.02 ℃。测量距离为10 m时，常温时因温度检测误差产生的时间差为1.1 μs，即距离误差约0.19 mm。温度测量模块通过RS232串口通信，通信方式采用全双工异步串行通信，只需TXD，RXD和GND3根线便可实现。

图6 模数转换电路

4 软件设计

4.1 驱动程序设计

由于应用程序中不能进行底层硬件的直接控制[5]，因此编写了基于WinCE6.0的数据采集流驱动，其流程图如图7所示。

图7 数据采集驱动程序流程图

驱动初始化包括寄存器虚拟地址空间申请、初始化PWM、初始化TLC5510A设置、防止驱动多次打开全局变量设置。接到应用程序发送的采样命令后，由定时器0的PWM功能发送A/D采样所需的时钟信号，并启动A/D转换，一次性读取一批数据并存入存储器中。S3C6410提供频率为66 MHz的PCLK为定时器分频，通过设置寄存器TCFG0和TCFG1的值来确定定时器时钟频率，如式(3)所示：

(3)

其中prescalervalue取值范围0～255，用TCFG0配置，dividervalue取值范围是1,2,4,8,16，TCLK，用TCFG1配置。TCNTBx寄存器和TCMPBx寄存器分别用来初始化定时器PWM的周期和占空比。

4.2 应用程序设计

应用程序主要任务是通过调用API函数[6]，读取底层驱动的A/D转换数据，利用C语言进行WinCE下的软件编程，实现数据采集、信号处理、温度补偿，最后取得被测距离，并显示结果。

5 结果分析

测距仪每隔0.1 s发送1次脉冲信号，连续将9次的结果显示在屏幕上，移动反射面重复多次上述过程，记录了4组数据，所测距离的结果如表1所示。可见，其测量的一致性较高，约0.19 mm的不一致性。如果采用多次平均算法，则可以进一步提高检测精度。

表1 测距结果 mm

本设计提出的高精度长距离测距的方法，通过将回波信号数字化处理来确定接收波形的初始位置，并利用ARM11处理器的高速处理能力，进行软件编程，完成了一种较长距离的高精度测距仪。达到了相位差法的微距测量精度，读数稳定可靠，可满足长距离的高精度测量要求。

[1] 陈建，孙晓颖，林琳，等.一种高精度超声波到达时刻的检测方法.仪器仪表学报，2012，33(11)：2422-2428.

[2] 张兴红，张慧，陈锡侯，等.一种精密测量超声波传输时间的方法.北京理工大学学报，2011,31(6)：717-721.

[3] TANG H Q,HUANG W Y,LI P,et al.Ultrasonic wind velocity measurement based on DSP.Journal of South east University (English Edition),2005,21(1):20-23.

[4] 行鸿彦，武向娟，吕文华，等.自动气象站数据采集器温度通道的环境温度补偿.仪器仪表学报，2012，33(8)：1868-1875.

[5] 何顶新，叶刚，徐金榜，等.基于WinCE的CAN总线设备驱动研究.华中科技大学学报(自然科学版)，2007,35(9)：104-106.

[6] 竺乐庆，张三元，幸锐，等.基于ARM与WinCE的掌纹鉴别系统.仪器仪表学报，2009,30(12)：2624-2628.

High Precision Ultrasonic Distance Measuring Instrument Based on ARM11

TANG Hui-qiang,XU Hao-de,LIU Jia

(School of Information&Control，Nanjing University of Information Science &Technology，Nanjing 210044，China)

A high precision ultrasonic distance measuring instrument based on S3C6410 was designed.The starting point of the echo signals was calculated by digital signal processing.The signal transmitting,receiving,amplifying,filtering,A/D converter circuit and ARM system were designed.By MATLAB simulation,and C language programming,the underlying driver of ADC in WinCE6.0 operating system and applications were programmed to achieve high precision distance measurement with the result of 0.19mm.

ultrasonic;distance measuring instrument;embedded system;WinCE6.0;MATLAB;interface driver

刘全顺(1989—)，硕士研究生，主要从事光电信息获取与处理方向的研究。E-mail:275292835@qq.com

国家重大科学仪器设备开发专项项目(2012YQ170003-5)；江苏省产学研前瞻性项目(BY2012029)

2015-01-03 收修改稿日期：2015-08-02

TP368.1

A

1002-1841(2015)10-0035-03