超声检测在路侧泊车收费设备中的设计∗

李向荣 宋志远 焦学䶮 刘 微

（青岛科技大学机电工程学院 青岛266061）

1 引言

路侧泊车收费设备判断车辆是否驶入车位，通常采用视频实时检测及激光检测，存在功耗过高、精度保持性不高等缺点。本方案中超声波传感器利用其测距原理检测车辆，功耗较低、精度保持及抗干扰能力较强。当超声波传感器检测到车辆时，开启设备对车辆进行实时收费。在目前的超声波应用项目中，大多采用51单片机作为处理芯片以及收发分体式探头，51单片机内部资源有限，在发射和处理超声波信号时需外接晶振、ADC电路、温度补偿电路等，同时收发分体式探头测距角度范围较小，在宽角度多路测量方面不能很好地应用而且体积较大，不适合设备的小型化发展［1~2］。而本方案可直接通过E524.09内部振荡器发出脉冲信号，STM32单片机直接利用其内部时钟源HSI RC进行工作，无需外接晶振，在回波处理上采用超声波信号处理芯片E524.09以替代复杂的放大、转换、数字处理电路，以及可利用STM32单片机内部ADC进行模数转换，由此简化了回波处理电路、避免占用设备更多的空间。

2 超声波传感器及测距原理

本文采用压电收发一体式超声波探头ST-213W进行超声波信号的发射和接收，可将电能转换声能，也可将声能转换成电能［3~4］。当超声波探头在发射超声波时，施加高强度的脉冲电压作为激励，使压电晶片产生振动。虽然脉冲持续时间很短，但激励结束后，超声波探头上仍存在部分余振。此时若立即转为接收模式，接收端误将此余振波当成回波从而产生测量干扰，该现象为通常称为“拖尾”，即产生盲区［5］。因此，当发射模式结束后延迟一段时间，避开余振时间后再进行接收回波信号。收发一体式超声波探头的盲区通常比收发分体式探头盲区大很多，当车辆距离路侧的智能泊车检测设备过近时，会造成设备无法识别车辆进入车位，从而造成设备无法启用进行识别缴费。因此需减小盲区，可从软件和硬件方面予以入手。

超声波测距方法有相位检测法、声波幅值检测法和渡越时间检测法等［6~7］。因渡越时间检测法不管在软件还是硬件上都相对容易实现，故此设计选用渡越时间检测法来进行超声波检测。渡越时间检测法，其原理是计算超声波从发射经过空气等介质后，到遇障碍物反射回来时间，时间与当前温度下的声速相乘即为距离。而声速在不同温度下数值不同，可通过式（1）确定声速：

c=331.45+0.61*T（1）其中，T为环境温度，通过STM32单片机读出。

3 总体结构设计

路侧泊车收费设备的超声波检测基于超声波测距原理，该系统由STM32单片机、收发一体式探头、发射电路、信号处理电路等构成。系统以STM32单片机为核心，利用其自带的ADC模块确定渡越时间，利用自带的温度传感器监测温度，通过软件程序进行相应温度补偿。主要流程为首先STM32单片机发出工作指令，当E524.09 IO线收到指令后，由其内部震荡器发出24个频率约52kHz的脉冲信号，驱动超声波传感器激励出超声波，遇到车辆后反射回来，经超声波传感器的压电转换原理，将反射的回波转换为电信号，经信号处理芯片后进入STM32单片机ADC通道，信号处理结果通过串口发送至泊车系统主控芯片DSP［8］。超声波检测框图如图1所示。

图1 超声波检测框图

4 硬件设计

4.1 超声波驱动和信号处理器E524.09

超声波芯片E524.09是德国ELMOS公司推出的用于汽车超声泊车辅助系统的超声芯片。除了距离测量功能外，芯片还支持灵敏度时间控制（STC）、自动阈值生成（ATG）、近距离阈值生成（NFTG）和FTC算法等。芯片内部集成了驱动器、滤波放大器、回声检测以及温度传感器等，极大节省减小了硬件电路及软件程序的复杂性，许多配置可通过通信接口快速实现，并可评估接收到的回波信号。芯片回声峰值检测优化了短程和长程性能，显著改善距离测量精度［9］。

为便于评估和调试，相关特征参数如处理后的回波值（包络数据）和阈值曲线可通过IO口以数字或模拟形式读取，此功能将在本文第5章节实验结果分析部分进行体现。

4.2 超声波发射电路

在超声波发射电路工作时，首先由STM32单片机发出指令，电平转换电路Q2及外围电路将电平转换至12V，当超声波芯片E524.09 IO线接收到指令后，其内部震荡器发出频率24个连续的频率为52kHz的脉冲信号，经换能器驱动模块，最终通过变压器作用到超声波探头上［10~12］。变压器主要作用升高脉冲电压信号，并使超声波芯片的输出阻抗与传感器的负载阻抗相匹配。超声波发射电路如图2所示。

图2 超声波发射电路

另，在本文第1章节超声波传感器原理中阐释了收发传感器存在较大盲区，可在硬件电路中可通过增加回路的衰减系数来减小盲区，因此在电路中接入电阻R6和SCR晶闸管。通过控制晶闸管的开关来控制R6接入回路，从而消耗掉传感器的能量，从而减小余振的影响。

用示波器测量得出超声波传感器发射信号如图3所示，检测得到24个脉冲信号，频率为53kHz，峰值为100V。

图3 超声波探头发射信号

4.3 超声波接收、放大和滤波电路

在目前超声波应用中，对于回波信号通常设计有比较整形电路、放大滤波电路等，造成电路复杂，稳定性差等缺点［13~15］。针对该系统，采用上述超声波驱动信号处理器E524.09，E524.09内置滤波器、放大器、回声检测等，无需外置复杂接收电路，仅通过通信接口即可快速实现回波处理，大大降低了电路复杂性。

回声信号经E524.09处理后，流入两级电压跟随器。电压跟随器输入阻抗高，输出阻抗低，电路中起阻抗匹配作用，使前级电路有效驱动负载能力增大，ADC采样的电压值更接近理想值。故采用双集成运放LM358完成阻抗匹配。另D2、D7为钳位二极管，构成钳位电路，电压被钳制在+0.7V~-0.7V之间，起过压保护作用。R9、R10为分压电阻，因STM32单片机工作电压为3.3V，故将输入信号由12V降压至3.3V左右。超声波信号接收处理电路如图4所示。

图4 超声波信号接收处理电路

超声波传感器接收到微弱的回波信号经E524.09芯片进行放大、滤波处理，然后经LM358阻抗匹配后通过示波器进行检测，信号显示如图5所示。通过示波器检测出的信号可知，超声波回波信号峰值达到3V左右，说明回波信号的处理达到STM32单片机ADC通道的接入要求。

图5 接入单片机ADC的回波信号

4.4 电源电路设计

智能泊车检测器供电为5V直流电，而STM32单片机供电电压为3.3V、超声波芯片工作电压为12V，故需要进行5V-12V/5V-3.3V电压转换。电源电路设计采用电源管理芯片DC-DC和LDO。U10为低功耗DC-DC升压转换器，对应完成DC-DC升压电路；U3为低压降稳压器（LDO），对应完成LDO稳压电路。D6为肖特基二极管，此处做整流二极管。C88、C89为电源滤波电容，降低脉动电压的脉动程度。C87、C38为旁路电容，用来滤除高频干扰。DC-DC升压电路如图6所示，LDO稳压电路如图7所示。

图6 DC-DC升压电路

图7 LDO稳压电路

5 软件设计

软件设计以STM32单片机为核心，实现对主程序、温度采集子程序、回波接收子程序、定时器中断子程序、距离计算子程序等各模块的控制和响应。软件流程如图8所示。

图8 三维模型图

图8 系统流程图

首先对系统时钟和外围模块等进行初始化，然后利用STM32单片机自带温度传感器实时测量环境温度，通过温度-声速转换函数计算得当前温度下声波速度［16］。开启高级定时器TIM2，用于计算渡越时间，并发出指令，驱动E524.09内部振荡器工作。因为传感器在发射声波后会产生“扫尾”现象，即产生余振（盲区），故启动定时器TIM3延时25ms。然后调用回波接收子程序，因接收后的回波信号最终进入单片机ADC通道，所以当ADC检测到回波信号电压大于某一阈值时，确定此时接收到回波信号，TIM2立即产生中断，并读取其计数值。之后调用距离计算子程序，可得出探头距车辆的距离S，计算出包络线宽度，并与阈值进行比较，最终将数据通过串口发送给上位机DSP芯片。

温度补偿：由式（1）确定声速中为提高测量精度，使用了温度补偿，但式（1）数据类型为float型，针对于单片机会导致代码量突然大量增大，因此选择数据类型为int型，公式即为

程序温度读取公式为

6 实验数据分析

超声波传感器回波信号经STM32单片机ADC模块转换后，通过串口发送给上位机DSP处理器，对原始包络数据进行消噪平滑处理。超声波包络数据可以通过IO线读出，最终可通过浏览器显示出光滑的包络曲线（波形图）［17］。图9为超声波检测到车辆驶入车位中的波形图。

在路侧泊车收费设备实际工作中，当车位中没有车辆时，系统处于低功耗待机状态，此时仅超声波传感器处于实时检测状态；当有车辆驶入时，超声波传感器检测到车辆，从而唤醒设备对车辆进行计时收费。而在实际环境中，往往存在交通锥、行人等干扰物，造成超声波误判。交通锥处于车位中的波形图如图10所示。因此为增加超声波识别车辆的准确性，设置相应算法当计算包络线宽度达到一定阈值时，才可判定为车辆驶入。通过前期相关实验可知：当包络线宽度在60cm~120cm时（即车辆反射面宽度，如图9所示车辆反射面宽度为75cm），可判定车辆驶入停车位。

图10 交通锥在车位中的包络曲线图

在实际项目中，由于公路两侧存在多种干扰，因此超声检测的精确性十分重要。为验证本设计的精度，探头与两种障碍物在不同距离下各进行30次实验，统计出两种障碍物的包络线宽度位于阈值（60cm~120cm）内的样本数。实验统计结果见表1。

表1 不同距离及不同障碍物时的实验结果

由表1实验统计结果可知：当超声波检测交通锥时，探头距离交通锥140cm时出现1次检测错误；当超声波检测车辆模型时，数据均在阈值范围内。计算可得项目探测精度达到99.7%。因此该设计精度较高，符合后续算法及系统设计要求。

7 结语

路侧泊车收费设备中采用超声检测技术，精度以及功耗优于视频检测及激光检等方案。可准确检测出目标为车辆或其他干扰物。方案采用高速微处理器STM32单片机，充分利用其内部时钟源，无需外接晶振；采用MCU自带ADC模块和温度传感器进行AD转换以及温度采集；同时利用功能强大的超声波芯片E524.09发射脉冲信号并代替了放大滤波处理电路，极大简化了硬件设计，有利于设备的小型化发展。通过分析探头与交通锥、车辆模型在不同距离的包络曲线图，计算可得该设计精度约99.7%，精度较高且输出数据准确，符合路侧泊车收费设备检测要求。