陳頌韶

【摘 要】超聲波指超出人類聽覺范圍的聲波，具有測距精度高、指向性強(qiáng)等特征，作為涉及物理學(xué)、電子學(xué)、材料科學(xué)等多門學(xué)科的一項(xiàng)常用技術(shù)，如今超聲波在測距系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。文章從超聲波測距原理入手，分析了測距誤差，探討了基于DSP技術(shù)的智能聲波測距系統(tǒng)硬件與軟件設(shè)計(jì)，以期為相關(guān)人員的研究提供參考。

【關(guān)鍵詞】DSP;超聲波;測距系統(tǒng);精確度

【中圖分類號(hào)】TP274 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2021）12-0044-03

0 引言

隨著我國科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，測距手段越來越先進(jìn)且多樣化，與此同時(shí)，測距手段在作業(yè)過程中的各種局限性逐漸顯現(xiàn)。此外，人們對測距設(shè)備使用中的安全性也提出了更高的要求。超聲波測距技術(shù)憑借指向性強(qiáng)、防霧性、防塵性及非接觸式等一系列優(yōu)點(diǎn)受到人們的推崇和廣泛應(yīng)用。近年來，研究人員針對超聲波測距技術(shù)展開了廣泛研究，而作為超聲波測距技術(shù)研究的一條新思路，改良超聲波測距技術(shù)對促進(jìn)測距儀的發(fā)展有著十分重要的意義[1]。如今，我國相關(guān)領(lǐng)域的研究人員針對超聲波測距系統(tǒng)展開了大量的研究，但測距范圍仍面臨一定限制，主要集中在3～12 m的范圍。一些發(fā)達(dá)國家生產(chǎn)的超聲波傳感器的測量距離已達(dá)到30 m，但是此類傳感器十分昂貴，難以實(shí)現(xiàn)全面推廣。對于超聲波測距系統(tǒng)的研究，要求參考數(shù)值誤差必須控制在毫米級以內(nèi)，而通過相關(guān)算法可有效提升超聲波測距系統(tǒng)的精確度。本文將對基于DSP技術(shù)的智能聲波測距系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究和分析。

1 超聲波測距原理概述

超聲波測距系統(tǒng)的工作原理為超聲波發(fā)射裝置向某一確定的方向發(fā)送超聲波，并開始計(jì)時(shí)，超聲波在觸及障礙物后會(huì)返回至超聲波接收裝置以一個(gè)反射波，隨即完成計(jì)算，將兩個(gè)波發(fā)出和返回的相差時(shí)間計(jì)為t，結(jié)合速度距離公式，依據(jù)超聲波的傳播速度與時(shí)間t，可以計(jì)算得出超聲波發(fā)射部位與對應(yīng)測量障礙物之間的距離，即S=340 t/2。超聲波測距系統(tǒng)的精確度受到超聲波振幅、儀器靈敏度、發(fā)射模式、入射及反射角度等一定程度的影響[2]。為了提升超聲波測距系統(tǒng)測量覆蓋范圍和縮小測量誤差，可以采用將一組超聲波換能器逐一用作多個(gè)超聲發(fā)射/接收器設(shè)計(jì)的方法。超聲波是頻率超出人耳聽覺的彈性機(jī)械波，其聲速受傳播介質(zhì)溫度一定程度的影響，不同溫度下的超聲波聲速見表1。在開展距離障礙物的距離測量過程中，若傳播介質(zhì)的溫度未發(fā)生很大的變化，則可將超聲波的聲速基本認(rèn)為在傳輸時(shí)沒有發(fā)生變化，只需要測得超聲波往返障礙物的時(shí)間，便可獲取距離障礙物的實(shí)際距離[3];分別得出兩個(gè)計(jì)算公式：

H=Scosθ

θ=arctan（L/H）。

其中，H為發(fā)射到障礙物的實(shí)際距離，L為兩個(gè)探頭之間中心距離的一半。僅需精確獲得超聲波發(fā)出并返回信號(hào)的時(shí)間t，即可計(jì)算出超聲波信號(hào)發(fā)射源與障礙物之間的距離H。需要注意的是，倘若測距精度要求十分高，則應(yīng)當(dāng)引入溫度補(bǔ)償方法進(jìn)行校正。等到超聲波聲速確定后，再測量超聲波往返的時(shí)間間隔，計(jì)算得到距離。

2 測距誤差分析

2.1 超聲波發(fā)生器的發(fā)散角和障礙物形狀

超聲波發(fā)射器發(fā)出的超聲波與障礙物相遇情況如圖1所示。當(dāng)超聲波能量不變時(shí)，超聲波發(fā)射器發(fā)散角越大，則能量越分散，作用距離越短，抗干擾能力也越弱，因此為了獲取較強(qiáng)的回波信號(hào)，應(yīng)采用發(fā)射角相對小的探頭。如果兩個(gè)并非處在同一平面上，超聲波路程產(chǎn)生誤差，則勢必影響測距精度，因此要盡可能地防止測量過程中遇到此類結(jié)構(gòu)和形態(tài)的障礙物。

2.2 外部溫度

如前文所述，超聲波聲速與外部溫度有著密切聯(lián)系，在測距時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮溫度補(bǔ)償問題。結(jié)合相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，超聲波聲速與溫度變化呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，也就是外部環(huán)境每上升1 ℃，則超聲波聲速會(huì)降低0.607 m/s[4]。空氣中超聲波聲速v與外部環(huán)境（T）之間的關(guān)系，可表示為v=331.4≈331.4+0.607 T，由此表明，若超聲波測距系統(tǒng)在不同外部溫度環(huán)境中運(yùn)行時(shí)，超聲波聲速也不盡相同，這會(huì)引發(fā)一定的測距誤差。

2.3 渡越時(shí)間

回波信號(hào)可能受一系列環(huán)境耦合噪聲，超聲波測距系統(tǒng)中對回波信號(hào)始點(diǎn)的識(shí)別尤為關(guān)鍵。一些研究人員針對超聲波信號(hào)耦合噪聲的處理開展了研究，提出了反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、設(shè)計(jì)濾波法等處理方法，但這些處理方法只適用于單時(shí)域分析信號(hào)[5]。由于一些高頻超聲波的耦合噪聲會(huì)出現(xiàn)較大的變化，所以上述方法并不適用。依托諸如TMS320F28335硬件乘法器和浮點(diǎn)控制器的優(yōu)點(diǎn)，通過小波閾值變換算法開展濾波，它作為一種時(shí)域與頻域相結(jié)合的信號(hào)處理方法，可有效提升信號(hào)的信噪比，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對回波信號(hào)的精確采集[6]。

3 基于DSP技術(shù)的智能聲波測距系統(tǒng)硬件與軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)選取TMS320F28335為主控芯片的DSP（Digital Signal Processing）信號(hào)處理系統(tǒng)，憑借其可靠的浮點(diǎn)計(jì)算優(yōu)勢，可有效滿足系統(tǒng)的一系列功能要求。結(jié)合多元化的外圍資源接口，設(shè)計(jì)了超聲波測距、電源、LCD顯示、報(bào)警等各大功能模塊。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.2 DSP簡介

DSP技術(shù)是一門涉及多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域且廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域的新興學(xué)科，20世紀(jì)60年代以來，伴隨網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的不斷發(fā)展，DSP技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生并得到迅猛發(fā)展。近年來，DSP技術(shù)在通信等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。DSP技術(shù)是依托計(jì)算機(jī)或者專用處理設(shè)備，通過數(shù)字形式對信號(hào)開展采集、變換、濾波、增益等處理，以獲取可滿足人們實(shí)際需求的信號(hào)形式[7]。作為將信號(hào)以數(shù)字方式進(jìn)行表示并處理的技術(shù)，旨在對現(xiàn)實(shí)生活的連續(xù)模擬信號(hào)予以測量或者濾波。在開展數(shù)字信號(hào)處理前，應(yīng)將信號(hào)由模擬域轉(zhuǎn)化至數(shù)字域，一般經(jīng)由模擬轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)。DSP技術(shù)具備高效靈活、抗干擾性強(qiáng)、造價(jià)低、設(shè)備尺寸小等一系列優(yōu)點(diǎn)，這些都是模擬信號(hào)處理技術(shù)和設(shè)備難以比擬的。

3.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

首先，超聲波發(fā)射與接收電路設(shè)計(jì)。在現(xiàn)如今的工業(yè)領(lǐng)域，普遍采用頻率為40 kHz 的超聲波。究其原因在于，在40 kHz，超聲波發(fā)出的超聲能量可達(dá)到最強(qiáng)，并在中心頻率40 kHz兩側(cè)呈現(xiàn)不斷下降的趨勢，在相同的前提下，驅(qū)動(dòng)電壓與超聲能量呈正相關(guān)關(guān)系，由此說明可適當(dāng)提升驅(qū)動(dòng)電壓以提升測量距離。為滿足系統(tǒng)需求，有針對性地設(shè)計(jì)單脈沖發(fā)射電路，主要由脈沖發(fā)生器、放大電路構(gòu)成，由DSP傳輸?shù)姆讲ㄐ盘?hào)經(jīng)PNP型晶體管放大，并通過變壓器芯片提升驅(qū)動(dòng)電壓，使超聲波換能器形成超聲波信號(hào)。超聲波信號(hào)在空氣中傳播和觸及障礙物后的回波信號(hào)強(qiáng)度會(huì)逐步縮減，同時(shí)在外部環(huán)境影響下，會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)度失穩(wěn)情況。為實(shí)現(xiàn)良好的回波信號(hào)采集效果，引入超聲波專用芯片TL852，其運(yùn)行頻率在20～90 kHz，可滿足系統(tǒng)40 kHz的超聲波信號(hào)，諸如回波信號(hào)濾波、放大、增益等一系列功能[8]。超聲波接收器頻率-靈敏度特性受輸出電阻一定程度的影響，若輸出電阻大于超聲波傳感器阻抗，則頻率特性極可能出現(xiàn)共振現(xiàn)象，進(jìn)而會(huì)讓超聲波接收器靈敏度出現(xiàn)明顯提升情況;而在輸出電阻相對小時(shí)，則對應(yīng)的接收器頻率特性曲線會(huì)趨于平滑，靈敏度下降。為提升超聲波接收器的靈敏度，可調(diào)整對應(yīng)參數(shù)，使超聲波接收器的工作狀態(tài)與高輸入電阻匹配的前端放大器運(yùn)行狀況相統(tǒng)一，進(jìn)而保證超聲波傳感器的靈敏度。

其次，溫度補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)。溫度補(bǔ)償電路選取數(shù)字溫度傳感器DS18820對外部溫度開展檢測，其具備操作便捷、耗能低等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)對超聲波傳播速度的溫度補(bǔ)償，提升測距精度。

最后，小波閾值去噪子程序設(shè)計(jì)。小波去噪包括有極大值去噪法、閾值去噪法等一系列方法?；贒SP技術(shù)的小波去噪，由于閾值去噪法計(jì)算量偏小，并可保持信號(hào)奇異性，因此采用小波閾值去噪法對回波信號(hào)進(jìn)行處理。超聲波測距系統(tǒng)中，如果測距相對遠(yuǎn)時(shí)，回波信號(hào)強(qiáng)度會(huì)明顯減弱，所以要進(jìn)行放大電路處理，經(jīng)由放大電路處理后耦合噪聲亦會(huì)放大，會(huì)對信噪比帶來不利影響。如前文所述，針對超聲波信號(hào)耦合噪聲的處理，通常采用反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、設(shè)計(jì)濾波法等處理方法，但這些方法僅適用于單時(shí)域分析信號(hào)。小波閾值去噪法是一種多通道帶通濾波器，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)對時(shí)域、頻域中回波信號(hào)的有效處理，并且其可實(shí)現(xiàn)對噪聲的全面抑制，使原始信號(hào)獲得全面保留，減少信號(hào)的最大均方誤差，還不會(huì)產(chǎn)生附加的振蕩信號(hào)，最終實(shí)現(xiàn)良好的超聲波信號(hào)耦合噪聲處理效果。

3.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)基于C語言的開發(fā)環(huán)境，中控系統(tǒng)裝置于汽車中，超聲波傳感器可裝置于汽車的各個(gè)視野盲區(qū)部位。超聲波的道路邊緣檢測，依據(jù)相關(guān)規(guī)定，三級以上多車道公路每條車道寬度通常在330～375 cm，小型轎車寬度通常在150～200 cm，車輛定位導(dǎo)航系統(tǒng)對車輛橫向定位精度的要求遠(yuǎn)在縱向定位精度之上，依托道路邊緣數(shù)據(jù)與車道線檢測數(shù)據(jù)的有效結(jié)合，對車道外環(huán)境的干擾進(jìn)行濾除，各組超聲波傳感器平行安裝于汽車的左右兩側(cè)。超聲波傳感器獲取的信息為傳感器安裝部位到道路邊緣的距離。所以，系統(tǒng)不僅可以在停車期間測距避障，還可以在行車過程中檢測汽車兩側(cè)與相鄰車輛的距離，進(jìn)一步為汽車駕駛路線規(guī)劃調(diào)整提供依據(jù)。

4 結(jié)語

本文對基于DSP技術(shù)的智能聲波測距系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討，和以往功能趨于單一、算法存在局限性的單片機(jī)相比較，基于DSP技術(shù)開展智能聲波測距系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可提高數(shù)字信號(hào)處理能力和事件管理能力，以此確保超聲波測距系統(tǒng)的精確度，盡可能縮減測距誤差，同時(shí)系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的溫度補(bǔ)償電路也可有效縮減測距誤差，進(jìn)一步提升超聲波測距系統(tǒng)的精確度。

參 考 文 獻(xiàn)

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