DS直接序列擴頻超聲波測距系統(tǒng)的實現(xiàn)

張連俊 衣海玉

【摘 要】本文對DS直接序列擴頻超聲波測距原理進行了研究，提出了一種DS擴頻超聲波測距的方法，解決常見超聲波測距測量精度不準確和測量距離不夠遠的問題。分析了基于單片機的DS擴頻超聲波測距的解決方案，并實現(xiàn)測量系統(tǒng)的電路實現(xiàn)。

【關鍵詞】單片機;DS擴頻;超聲波測距原理

中圖分類號： TN927 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）06-0072-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.06.025

【Abstract】In this paper spread spectrum transmission system of multiplex detecting signal is studied. The method of transmission after multiplex detecting based on signal spread spectrum and code division multiplexing is mentioned. The system realization for the transmission of multiplexed testing signals using spread spectrum technology based on DSP is discussed. The circuit system is devised.

【Key words】Single chip microcomputer; DS spread spectrum; Ultrasonic ranging principle

0 引言

超聲波測距系統(tǒng)在現(xiàn)代生活中可應用于汽車的倒車雷達系統(tǒng)，汽車防碰撞系統(tǒng)，還有機器人的自行走規(guī)避障礙物系統(tǒng)，以及可以進行室內(nèi)的短距離測量等方面。而常見超聲波測距存在測量精度不夠準確和測量距離不夠遠的問題。DS擴頻測量信號利用擴頻傳輸，具有擴頻傳輸增益，具有抗干擾能力強，使其測量信號精度高的優(yōu)點。本文分析了基于DS擴頻傳輸超聲波測距的解決方案，并進行了電路的實現(xiàn)。

1 DS擴頻超聲波測距原理

超聲波信號經(jīng)過偽隨機碼m序列擴頻化（直接擴頻）后，再通過發(fā)射電路進行發(fā)射，在遇到被測目標物體后會被反射回來，進而被接收器進行接收，接下來超聲波的回波信號會被送入m序列還原模塊進行還原，還原后在相關判決器與原來產(chǎn)生的m序列進行相關計算，如果相關計算的結(jié)果為相位相同時，那么相關判決器將給出最大值，此時的收發(fā)m序列相位差就是發(fā)送的m序列與本地m序列的相位差，從而可以求出延時;如果相關計算的結(jié)果為不同時，那么相關判決器給出較小值，接下來用相關判決器的輸出來回控制本地碼的相位，直到相關判決器的輸出最大時，就可以確定本地m序列與發(fā)送m序列的相位差，根據(jù)這個得到的相位差就可以計算出延遲時間，進一步由聲波在空氣中傳播的速度就可以求出所測的距離。

很明顯，由式（2）我們可以看出，當T0很小時，可分辨距離就越小，因此T0我們?nèi)≈当M量的小，就可以提高測量的精度。當r取值盡量大，也就是P的取值盡量的大時，就可以實現(xiàn)測量距離遠的要求。在實際測量中我們?nèi)=10，則P=1023，T0=30微秒，在20℃常溫下，聲波速度v=344 m/s，所以可以求得最大檢測距離Dmax=5.28m，可分辨距離d0=5.16mm，符合常用測距有關技術的要求。

2 DS擴頻超聲波測距系統(tǒng)設計

測距碼的長度（也可以說是測距碼的周期）要比回碼時延（也可以說是超聲波發(fā)生器發(fā)射超聲波后與被測物體相遇反射回來的時間）大的多，碼元寬度必須足夠窄，另一方面也可以說是測量距離的比特率（即單位時間內(nèi)發(fā)射碼元的數(shù)目）必須要很大，這樣既可以解決測量距離問題也可以很好的解決測量精度問題。對偽隨機碼超聲測距系統(tǒng)設計，測距系統(tǒng)硬件主要由LCD顯示器，單片機微處理控制器，基帶信號處理單元三個主要模塊組成。DS擴頻測距系統(tǒng)的軟件設計總體框如圖2，系統(tǒng)軟件的模塊主要包括：系統(tǒng)初始化程序，調(diào)用初始化子程序，m序列生成子程序，監(jiān)控主程序，中斷服務程序，調(diào)制子程序，數(shù)據(jù)處理子程序，解調(diào)子程序，匹配濾波器子程序，調(diào)用顯示子程序。

針對不同模塊不同功能的特點，我們分別對他們進行編程，可以對軟件進行多次調(diào)試修改來提高測量準確性。單片機采用AT89S52的芯片，其軟件初始模塊主要完成的工作包括：輸入引腳的定義，設置終端類型，設置各種采集數(shù)據(jù)初始值等，AT89S52還可以現(xiàn)場對一些參數(shù)進行設置，比如擴頻碼的長度和它的功率等。監(jiān)控子程序的主要功能就是對所有模塊進行統(tǒng)一的控制監(jiān)控。

利用了擴頻通信的超聲波，利用單片機硬件系統(tǒng)來控制并進行相關的運算，編寫相應的控制和運算程序進行了實現(xiàn)了超聲波測距系統(tǒng)，實驗結(jié)果對比不采用擴頻通信的超聲波的測距系統(tǒng)的測距精度在遠距離情況下明顯的改善。但是誤差的存在也是必不可免的，無法完全的消除，比如環(huán)境溫度的影響以及測量物體表面的光滑程度也會引起系統(tǒng)的誤差的增加，超聲波在空氣中傳播有衰減特性和回波容易受到噪音的干擾等等都會導致測量精度有所下降。因而對預期距離的取值不應該過小，并且應該進行多次測量最后取平均值，可進一步減少誤差。

3 結(jié)束語

超聲波測距系統(tǒng)利用了擴頻通信方面的知識將偽隨機碼序列完美的與超聲波結(jié)合，綜合運用單片機硬件系統(tǒng)來控制并進行相關的運算，編寫相應的控制和運算程序進行了實現(xiàn)了。該系統(tǒng)對比其他常見的測距系統(tǒng)而言，偽隨機碼超聲測距系統(tǒng)的抗干擾能力較強，最重要的是提高了測量精度和很好的解決了測量距離模糊的問題。

【參考文獻】

[1]吳明捷，胡鑫.微弱信號擴頻通系統(tǒng)主要性能指標分析[J].北京石油化工學院學報.2004.2（44-46）

[2]Pursley， Michael B. Royster IV， Thomas C. High-rate direct-sequence spread spectrum[J].IEEE Military Communications Conference， 2003：1101-1106.

[3]張連俊，史仍輝.多路測量信號的擴頻通信同步系統(tǒng)研究[J].微計算機信息，2008.12：127-129.

[4]程曉暢，蘇紹景，王躍科，潘仲明，祝琴.偽隨機碼超聲擴頻測距系統(tǒng)設計與算法[J].測試技術學報，2007（01）：79-83.