使用CPLD器件和晶體震蕩器實(shí)現(xiàn)超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1引言

以往利用超聲波測量距離往往采用單片機(jī)單機(jī)系統(tǒng)（由單片機(jī)軟件控制發(fā)射、接收及計(jì)數(shù)器的關(guān)停與啟動），這種方法所帶來的誤差在厘米級。原因主要有：單片機(jī)計(jì)數(shù)器頻率較低造成的誤差；計(jì)數(shù)與發(fā)射信號由軟件控制動作而產(chǎn)生的不同步；超聲波傳感器接收到信號與單片機(jī)檢測到信號之間不同步等。本文給出一種以CPLD為控制核心的基于超聲波測距原理的測量方法。經(jīng)過制版測試，所得結(jié)果提高到毫米級，而且電路原理較為簡單。

2 超聲波測距的原理

超聲波測距的原理一般采用回波測距法，即測量超聲波發(fā)射到遇到障礙物返回的時(shí)間間隔t，然后根據(jù)（1）式計(jì)算距離值。

本文給出的系統(tǒng)以CPLD為核心來控制超聲波的發(fā)射，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播遇到障礙物時(shí)則返回。當(dāng)CPLD檢測到第一個(gè)反射波時(shí)立即停止計(jì)時(shí)，測得時(shí)間t。

3．系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

總系統(tǒng)框圖如圖1所示。系統(tǒng)由CPLD控制電路模塊、單片機(jī)控制模塊（包括DS18B20溫度傳感器和顯示部分）和超聲波傳感器模塊（包括信號的發(fā)送，接收與整形）組成。CPLD控制電路模塊通過控制超聲波發(fā)射器發(fā)射超聲波到固定端面，同時(shí)啟動高精度計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)。超聲波波前經(jīng)反射后由接收端接收，當(dāng)CPLD接收到第一個(gè)反射波信號即停止計(jì)數(shù)，并將計(jì)數(shù)器值送入單片機(jī)。單片機(jī)根據(jù)計(jì)數(shù)器值計(jì)算出時(shí)間間隔△T。再經(jīng)過溫度修正計(jì)算出超聲波速度c，最后利用（1）式計(jì)算出發(fā)射器到反射點(diǎn)的距離，并顯示結(jié)果。

3.1 CPLD模塊設(shè)計(jì)

CPLD模塊包括5個(gè)部分，分別為32位計(jì)數(shù)器，40KHZ標(biāo)準(zhǔn)方波發(fā)生器，32-8四選一數(shù)據(jù)選擇器，計(jì)數(shù)器控制電路和一個(gè)簡單的有限狀態(tài)機(jī)。其內(nèi)部框圖如圖1所示。工作原理：有限狀態(tài)機(jī)輸出清零信號CLR后，置START為高電平，D觸發(fā)器在下一個(gè)時(shí)鐘脈沖下降沿置Q端為高電平。使能信號ENA=1控制計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，同時(shí)打開緩沖門讓40KHZ方波信號驅(qū)動發(fā)射超聲波。整形接收電路對接收器接收到的波前進(jìn)行整形并輸出一高電平到計(jì)數(shù)器控制電路，此低電平作為計(jì)數(shù)器控制電路的時(shí)鐘信號?？刂齐娐吩跁r(shí)鐘信號到達(dá)后STOP引腳輸出一低電平使使能信號ENA=0，關(guān)閉計(jì)數(shù)器和方波驅(qū)動的發(fā)送。有限狀態(tài)機(jī)等待單片機(jī)取走計(jì)數(shù)值后開始下一個(gè)循環(huán)計(jì)數(shù)工作。

3.1.1 32位標(biāo)準(zhǔn)頻率計(jì)數(shù)器

此處采用100MHZ的晶體震蕩器作為標(biāo)準(zhǔn)頻率信號源。這一頻率精度影響系統(tǒng)的測量精度。計(jì)數(shù)和發(fā)射動作同時(shí)進(jìn)行。因?yàn)橐粋€(gè)脈沖的周期為0.01uS，假定超聲波的速度為0.34mm/uS，一個(gè)脈沖丟失造成的誤差僅為0.0034mm。計(jì)數(shù)器模塊結(jié)構(gòu)簡單，VHDL描述如下：

count： process（clr，clk）

begin：

if clr=’0’ then counter《=（others=》’0’）

elsif clk’event and clk=’1’ then

if ena=’1’ then counter《=counter+1;

end if;

end if;

end process;

3.1.2 有限狀態(tài)機(jī)

狀態(tài)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖2所示［4］。和單片機(jī)的握手信號直接取自40KHZ的方波驅(qū)動信號，以確保同步性。當(dāng)系統(tǒng)復(fù)位或接收到單片機(jī)發(fā)出的讀數(shù)據(jù)完成信號COMP有效時(shí)，狀態(tài)機(jī)進(jìn)入狀態(tài)S1同時(shí)清零并置START為低電平。在下一時(shí)鐘狀態(tài)機(jī)進(jìn)入狀態(tài)S2，同時(shí)置START=1，啟動D觸發(fā)器開始發(fā)射方波信號并計(jì)數(shù)。

當(dāng)反射波波前到達(dá)接收電路后計(jì)數(shù)器控制電路使STOP為低電平，此時(shí)狀態(tài)機(jī)進(jìn)入狀態(tài)S3，并向單片機(jī)發(fā)出信號FINISH通知單片機(jī)讀取計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)。有限狀態(tài)機(jī)VHDL描述如下：

state:process（clk）

begin

if clk=’1’then

case state is

when s1=》clr=0;finish=0;start=0;

if reset=’1’ then state《=s1;

elsif reset=’0’ state《=s2;

end if;

when s2=》……

end if;

……

end case;

end if;

end process state;

3.1.3計(jì)數(shù)器控制電路

D觸發(fā)器在START信號置1以后，在40KHZ時(shí)鐘信號的上升沿使Q端輸出高電平。同時(shí)此高電平被使能信號送入超聲波發(fā)射器。此波前被固定端面反射后有半波損失，到達(dá)接收應(yīng)產(chǎn)生180度相移。當(dāng)計(jì)數(shù)器控制電路的時(shí)鐘信號由低變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，在時(shí)鐘信號的上升沿輸出STOP=0，停止計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)器控制電路VHDL描述如下：

Con_counter process（clk，clr，）

Beigin：

If clr=0 then stop=1

Elsif clk’event and clk=1 then

Stop=0 else

Stop=1;

End if;

End process;

3.1.4 32—8數(shù)據(jù)選擇器

多路數(shù)據(jù)選擇器的數(shù)據(jù)選擇信號線由單片機(jī)的兩個(gè)引腳控制。在單片機(jī)兩個(gè)引腳上的不同邏輯組合輸入下，CPLD模塊將32位數(shù)據(jù)逐次送入單片機(jī)。32—8數(shù)據(jù)選擇器的VHDL描述語言如下：

data《=counter（7 downto 0） when sel=”00” else

counter（15 downto 8） when sel=”01” else

counter（23 downto 16） when sel=”10” else

counter（31 downto 24） when sel=”11” else

counter（31 downto 24）

3.2單片機(jī)控制模塊

單片機(jī)控制模塊硬件包括距離顯示、CPLD模塊接口、和讀取溫度三部分。單片機(jī)顯示電路較為簡單，在此不做介紹。單片機(jī)和CPLD模塊接口控制由軟件實(shí)現(xiàn)。由CPLD狀態(tài)機(jī)發(fā)送過來的FINISH信號設(shè)置為外部中斷，單片機(jī)完成一次距離顯示后即開中斷接收下一組計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)。用于溫度補(bǔ)償?shù)臏囟葴y量傳感器采用DALLAS的一線式傳感器DS18B20。它具有接口簡單（僅須一根數(shù)據(jù)線）測量范圍廣、精度高的（在-10℃—85℃內(nèi)精度為±0.5℃）特點(diǎn)。在溫度變化范圍不大的場合單片機(jī)得到溫度值后，可以通過查表實(shí)現(xiàn)聲波在空氣中傳輸速率的測量。

3.3超聲波發(fā)射與接收

本系統(tǒng)采用的超聲波傳感器（換能器）是中心頻率為40KHZ的專用型超聲波探頭T40和R40［5］。因?yàn)槌暡ń邮掌鹘邮盏姆瓷洳ㄐ盘柡芪⑷醪⒑懈蓴_信號，所以必須進(jìn)行放大調(diào)整。接收電路采用了兩級放大電路和波形整形電路，最后輸出到CPLD的計(jì)數(shù)控制電路的時(shí)鐘端CLK。當(dāng)CLK沒有接收到信號變化時(shí)，引腳是低電平；接收到第一個(gè)信號是40KHZ方波脈沖信號的上升沿。為了消除干擾，采用了硬件濾波。如圖3所示。超聲波信號經(jīng)電壓提升、放大、整形、濾波后作為時(shí)鐘信號送入CPLD的計(jì)數(shù)器控制模塊。

4系統(tǒng)測試結(jié)果

本系統(tǒng)采用ALTERA公司的的CPLD EP2K30E芯片和常用的89C51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。采用自制的PCB板對系統(tǒng)的距離測量進(jìn)行驗(yàn)證并和單片機(jī)單機(jī)測量系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)環(huán)境：室內(nèi)，室溫：27℃；相對濕度：45%。；距離單位：CM ；根據(jù)距離不同記錄下了9次實(shí)驗(yàn)結(jié)果。每次實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)20組（此處省略）取平均值，結(jié)果如下表：

數(shù)據(jù)結(jié)果表明，在每次實(shí)驗(yàn)的20組數(shù)據(jù)中本系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)方差明顯小于單片機(jī)單機(jī)測量方差；每次實(shí)驗(yàn)中本系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)絕對誤差較小，更接近于真值。

5 存在問題及分析

1） 由于空氣湍流可能吹散回波，故超聲波傳感器不適合戶外使用。

2） 40KHZ超聲波波長在1CM左右，如果干擾造成接收電路誤動作造成的誤差至少是1CM。所以接收整形電路的穩(wěn)定性、有效性極其關(guān)鍵。40KHZ超聲波適用于測量較長距離。

3） 對于距離不發(fā)生突變的場合，單片機(jī)軟件可以利用中值濾波技術(shù)減少誤差。

4） 接收整形電路造成的時(shí)延也是誤差來源之一。

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