基于FPGA控制的超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳云超 ，程曉鋒 ，郭 鋒

（1.西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，四川 綿陽 621010；2.中國(guó)工程物理研究院激光聚變研究中心，四川 綿陽621900）

超聲波是頻率大于20 kHz的機(jī)械波，在不同介質(zhì)中以不同的速度傳播，具有定向性好、能量集中、衰減較小、反射能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。因而超聲波傳感器可廣泛應(yīng)用于非接觸式檢測(cè)方法，對(duì)惡劣的工作環(huán)境具有一定的適應(yīng)能力，在液位測(cè)量、汽車倒車?yán)走_(dá)、清洗技術(shù)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，已越來越引起人們的重視。本文著重介紹脈沖回波法的超聲波測(cè)距原理[1-2]及系統(tǒng)構(gòu)成。

1 超聲波測(cè)距原理

目前，超聲波測(cè)距一般利用壓電方式產(chǎn)生超聲波，去激勵(lì)超聲探頭向外發(fā)射超聲波，同時(shí)接收從被測(cè)物體反射回來的超聲波（簡(jiǎn)稱回波），通過計(jì)數(shù)器計(jì)算從發(fā)射超聲波至接收回波所經(jīng)歷的傳輸時(shí)間t，根據(jù)其傳播速度v和傳播時(shí)間t的關(guān)系，計(jì)算出其傳播距離，得到超聲波傳感器和被測(cè)物體之間的距離。超聲波測(cè)距原理如圖1所示。

圖中被測(cè)距離為S，兩探頭中心距離的一半用L表示，由圖中關(guān)系可得：S=vtcos[arctan（L/S）]，當(dāng)被測(cè)距離 S 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 L 時(shí)，cos[arctan（L/S）]≈1，即 S=vt。

圖1 超聲波測(cè)距的基本原理圖

2 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)采用Altera公司的Cyclone系列的FPGA芯片EP1C60240C8，F(xiàn)PGA通過內(nèi)部鎖相環(huán)（PLL）精確控制時(shí)鐘產(chǎn)生超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)，同時(shí)定時(shí)器開始計(jì)數(shù)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)超聲波發(fā)射電路放大后驅(qū)動(dòng)超聲波換能器發(fā)射出測(cè)距聲波，測(cè)距聲波經(jīng)障礙物反射后的回波信號(hào)由超聲波接收電路放大、濾波后，由FPGA檢測(cè)回波信號(hào)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后顯示輸出。系統(tǒng)FPGA控制模塊框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)控制模塊框圖

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 超聲波發(fā)射電路

FPGA輸出的電流比較小，不能夠驅(qū)動(dòng)超聲波換能器，必須采用功放電路，因此將兩只9013三極管接成復(fù)合管，放大輸出電流，驅(qū)動(dòng)超聲波換能器向外發(fā)射超聲波。超聲波發(fā)射電路如圖3所示。

圖3 超聲波發(fā)射電路

3.2 超聲波接收電路

由于超聲波接收探頭接收的信號(hào)很微弱，通常只有幾百毫伏，對(duì)于FPGA對(duì)回波信號(hào)的處理方式，需要將回波信號(hào)放大到3.3 V左右，并且是方波信號(hào)，因此必須對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行放大、濾波處理。

本設(shè)計(jì)采用器件AD620[3]作為放大元件，AD620是一款低成本、高精度儀表放大器，僅需要一個(gè)外部電阻來設(shè)置增益，增益范圍為1～1 000，尺寸小于分立電路設(shè)計(jì)，功耗很低（最大工作電流僅為1.3 mA），具有高精度（最大非線性度 40 ppm）、低失調(diào)電壓（最大 50 μV）和低失調(diào)漂移（最大0.6 μV/℃）等特性，是傳感器接口的理想之選。

接收電路采用兩級(jí)放大，前級(jí)為固定放大100倍，設(shè)定AD620器件1腳和8腳之間的電阻Rg=0.5 kΩ，后級(jí)為可變放大，根據(jù)測(cè)距遠(yuǎn)近、信號(hào)的強(qiáng)度，確定二級(jí)放大的倍數(shù)，便于調(diào)試。

中間采用帶通濾波，中心頻率為40 kHz，考慮到超聲波換能器的性能指標(biāo)引起中心頻率的偏差，設(shè)計(jì)帶寬BW=2 kHz，可以有效去除噪聲干擾。

放大、濾波后的交流信號(hào)輸入到電壓比較器LM311，將交流信號(hào)整形輸出一個(gè)方波信號(hào)，送給FPGA處理。超聲波接收電路如圖4所示。

3.3 測(cè)溫電路

超聲波的聲速隨溫度、壓力、介質(zhì)密度、風(fēng)向等外界條件的變化而變化，而其中溫度最為密切，聲速與溫度的關(guān)系式可用公式表示如下：

由此關(guān)系可以得出聲速和溫度的關(guān)系，如表1所示。

表1 聲速和溫度的關(guān)系表

系統(tǒng)軟件校正[4]時(shí)，可采用公式進(jìn)行修正，修正后的結(jié)果如表2所示。

表2 修正的聲速和溫度關(guān)系表

由表2結(jié)果可知，修正后的聲速值的最大誤差不超過1%，完全可以運(yùn)用于工程領(lǐng)域。

測(cè)溫電路采用的元器件是美國(guó)Dallas半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20，溫度測(cè)量范圍從-55℃～125℃， 在-10℃～85℃檢測(cè)誤差不超過0.5℃。其具有精度高、智能化、體積小、線路簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。采用外部供電方式單點(diǎn)測(cè)溫電路，如圖5所示。

圖4 超聲波接收電路

圖5 測(cè)溫電路

3.4 電源電路

供電部分采用兩片單片集成LM2576-5V穩(wěn)壓芯片，其具有優(yōu)異的線性度和負(fù)載調(diào)整能力，POWER端的輸入電壓約為12 V～24 V，實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)采用電源適配器獲得12 V～24 V的電壓，可以得到穩(wěn)定的、電路所需的正負(fù)5 V電壓，實(shí)現(xiàn)雙電源供電。電源電路如圖6所示。

圖6 電源電路

3.5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件控制部分設(shè)計(jì)總體思想：系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生40 kHz的方波信號(hào)給外圍超聲波發(fā)射電路，在發(fā)出第一個(gè)脈沖的同時(shí)給計(jì)時(shí)標(biāo)志位一個(gè)觸發(fā)電平，開始計(jì)時(shí)。在接收端接收到反射回來的有效信號(hào)后，停止計(jì)數(shù)，由S=vt就可以計(jì)算出所測(cè)距離。由于超聲波的繞射作用，超聲波發(fā)射電路發(fā)射出來的超聲波會(huì)直接干擾接收電路，造成數(shù)據(jù)誤差，采用延時(shí)接收[5]的辦法來解決這一問題。由于實(shí)際測(cè)量中，數(shù)據(jù)受溫度的影響及系統(tǒng)誤差，因而需要通過軟件修正誤差。系統(tǒng)軟件部分有以下功能：聲速校正、平滑處理等。軟件流程圖如圖7所示。

圖7 軟件流程圖

借助FPGA設(shè)計(jì)了一款精度較高超聲波測(cè)距系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)表明，此種方式搭建的超聲波測(cè)距電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定可靠，可有效地抑制噪聲干擾，實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)距離在可調(diào)節(jié)范圍內(nèi)的非接觸式測(cè)量。

[1]李茂山.超聲波測(cè)距原理及實(shí)踐技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994.

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[3]KITCHIN C，COUNTS L.儀表放大器應(yīng)用工程師指南[M].馮新強(qiáng)，劉福強(qiáng)，蔣曉穎，等譯.美國(guó)模擬器件公司，2005.

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[5]張波，王朋亮.基于STC89C51單片機(jī)超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].機(jī)床與液壓，2010（9）：56-58.