汽车防撞系统.doc

摘要摘要 随着社会的发展，经济的进步，越来越多的汽车涌上了街头，随之带来交通 事故的增多。因此汽车防撞系统受到了跟多人的重视。而由毫米波雷达、激光雷 达以及 CCD 立体视觉系统组成的汽车防撞系统因成本高而无法应用与普通的汽车。 超声波测距系统组成的汽车防撞系统，具有成本低、受外界影响小的优点，因此 研究大作用距离超声波测距系统组成的汽车防撞系统具有十分重要的意义。 本文采用超声换能器组成的超声波测距系统设计实现汽车防撞系统。整个系 统包括超声波发射与接收系统，单片机控制器，LED 显示部分，扫描驱动部分。 关键词：汽车防撞系统关键词：汽车防撞系统 超声换能器超声换能器 大作用距离大作用距离 测距系统测距系统 Abstract With the development of social and economic progress, an increasing number of cars appear on the streets, which bring more and more traffic accidents. As a result, vehicle collision avoidance systems are paid great attention to. But the vehicle collision avoidance system composed of millimeter-wave radar, laser radar and CCD three- dimensional visual system are too expensive to be used in ordinary cars. The vehicle collision avoidance system using Ultrasonic Ranging has two great advantages, such as low cost and not subject to outside influence. So the study of vehicle collision avoidance system composed of ultrasonic ranging system is significant. In this paper, the vehicle collision avoidance system contains ultrasonic ranging system composed of ultrasonic transducer. The system consists of Ultrasonic launching and receiving systems, SCM controller, LED display part and the scanning driver. Keywords: Automobile collision avoidance system Ultrasonic transducer Large sensing-range Distance measurement system 目录目录 第一章第一章 绪论绪论.1 1.1 研究背景与课题来源.1 1.1.1 各类车载测距传感器及其性能.2 1.1.2 课题的提出.2 1.2 汽车防撞系统的现状.4 1.3 超声波测距系统 .5 1.3.1 可变阈值与回波包络检波法.6 1.3.2 基于互相关函数的时延估计法.6 1.3.3 谱线分析法与自适应时延估计.6 1.4 超声波测距与定位技术的发展概况 .7 1.5 主要研究工作及内容 .7 第二章第二章 超声波发射与接收电路超声波发射与接收电路.9 2.1 大作用距离超声波换能器.9 2.1.1 超声波物理特性与换能器技术指标.9 2.2 超声波发射电路的设计.11 2.2.1 推挽变换器的工作原理.11 2.2.2 推挽变换器的转换效率.12 2.3 超声波接收电路的设计.13 2.3.1 低噪声前端放大器.13 2.3.2 滤波放大电路与电源.15 第三章第三章 超声波测距系统超声波测距系统.16 3.1 超声波测距算法分析.16 3.1.1 问题分析.16 3.2 超声波测距系统的实现.17 3.2.1 单脉冲数字相关测距.18 第四章第四章 超声波测距汽车防撞系统的设计超声波测距汽车防撞系统的设计.19 4.1 系统硬件设计 .19 4.1.1 系统硬件总体框图.19 4.1.2 超声波发射部分.20 4.1.3 超声波接收部分.21 4.1.4 单片机控制部分.21 4.2 系统软件设计 .22 4.3 系统的调试与优化 .23 总结总结.25 致谢致谢.26 参考文献参考文献.27 第一章第一章 绪论绪论 随着社会经济的发展，越来越多的人拥有了自己的私家车，越来越多的汽车 涌上了公路，可随之而来的是交通事故也越来越多，不少人也因此谈车色变。作 为主动式车辆安全系统之一的车辆防碰撞系统受到国内外汽车研究人员的高度重 视，也取得了很多成果。防碰撞系统主要用在追尾碰撞系统、侧防系统、倒车雷 达三个方面。其中倒车雷达技术比较成熟，成本也比较低，在世界各地都有广泛 的应用。世界多个知名汽车制造商也都有成功的研究与应用，但是价格还比较高， 未能在中、低档车中推广，还需要进一步完善、降低成本。 超声波具有束射和反射特性，基本上可以沿直线传播，其能量远远大于相同 振幅的低频声波，非接触式超声测距传感器正是利用超声波的这种特性而制成的。 在空气介质中，超声波测距传感器的性能几乎不受光线、粉尘、烟雾、电磁干扰 和有毒气体的影响，而且价格低廉、使用方便。因此，在物位测量、车辆安全行 驶辅助系统、机器人自动导航、无人作战平台、地形地貌探测乃至江河水位高度 监测等许多领域，超声波测距传感器都得到了广泛的应用。此外，由于超声波在 水下传播的距离比光和电磁波要远得多，故在水下的目标探测、识别、定位、通 讯和导航以及海洋石油开发中，也广泛应用超声波作为信息载体。为此，深入研 究超声波的产生与传播规律、开发高性能超声波换能器、探讨新的超声波信号处 理方法，对于推动超声波换能器技术与超声波检测技术的发展，都具有十分重要 的现实意义。 1.1 研究背景与课题来源研究背景与课题来源 随着世界各国汽车持有量的不断增加，车辆碰撞事故也随之增多，尤其在城 市道路和高速公路上发生的交通事故更是与日俱增。自适应汽车防碰撞技术和汽 车主动防碰撞预警系统以及与此相关的测距技术正是在这种背景下提出的，并己 经成为当前车辆工程和测控技术领域中关注的一个热点研究课题。 近十年来，欧美大汽车公司资助研制的汽车防碰撞装置，一般倾向于使用毫 米波雷达作为车载前视测距传感器。这是因为毫米波雷达能够探测远距离物体， 使车载控制器有足够的时间来处理和利用感知信息，以防止车辆发生追尾碰撞或 与前方障碍物发生碰撞。然而，更多的碰撞事故是发生在车辆换道、拐弯或倒车 的瞬间，而不仅仅局限在车辆向前高速行驶过程中。这就要求汽车主动防碰撞系 统具有识别车辆周边物体、提前预报险情或自动保持安全行驶距离的基本功能。 由于常见的超声波测距传感器的作用距离太短，只能用于探测近距离(l5m)目标 (如泊车或倒车防撞报警装置中的超声波探头)，而不适合用于探测靠近车辆的周边 物体(大于 15m)。为此，国外一些著名的汽车公司正计划在汽车上安装一种近程雷 达，它最多可以感知车辆周边 20m 范围内的 8 个物体。这种额外获取的路况信息， 可用来启动汽车防碰撞系统，实时地估计车辆与周边物体的相对距离和速度，以 判定是否存在行车事故危险，并及时地发出警告或采取必要的应急措施，以避免 发生车辆碰撞事故或减轻车辆发生碰撞的后果。但是，近程雷达的价格昂贵，限 制了它在普通汽车上的推广应用。因此，研制和开发具有高性价比的超声波测距 传感器和目标探测系统，必将推动具有全方位探测功能的汽车主动防碰撞系统的 发展与普遍应用。同时，这种技术也可以推广应用于无人作战平台或现场机器人 的目标自动识别系统。 1.1.1 各类车载测距传感器及其性能各类车载测距传感器及其性能 为了便于在后续章节中说明大量程超声波测距系统研究课题的应用价值和意 义，首先必须了解当前车载测距传感器技术领域的研究状况与发展趋势。下面， 简要介绍常见的车载测距传感器的类型和技术指标，如表 1-1 所示。 一般来说，单一传感器的感知信息都有一定的局限性。为了提高汽车主动防 撞系统对周边物体的识别能力，需要引入多传感器信息融合技术，把分布在不同 位置的多个传感器或不同类型传感器所提供的局部观测量加以融合，消除多传感 器信息之间可能存在的冗余和矛盾，以形成对周围环境相对一致的感知描述，从 而确保汽车主动防碰撞系统能够可靠地运行。例如，如果将车载前视毫米波雷达、 双前视激光雷达、超声波传感器阵列以及 CCD 摄像机提供的信息进行融合处理， 那么，在虚警概率一定的前提下，可以大大提高车载感知系统对移动目标的检测 概率。 1.1.2 课题的提出课题的提出 鉴于目前国内小型化毫米波测距雷达的研制和试验还处于起步阶段，是以开 发基于毫米波雷达的国产化汽车主动防撞系统的条件尚未成熟。本课题的主要任 务是研制大作用距离超声波传感器和大量程超声测距系统，用于探测距离车辆 20m 或更大范围内的周边物体，以取代价格昂贵的近程雷达。 表 1-1 常用车载测距传感器 类型性能指标用途适用环境价格 毫米波雷达 （体积小） 作用距离：100m（美 国） 150m（欧洲） 测距精度：0.5m(满 量程) 测速范围：160km/h 测速误差： 1.5km/h 纵/横视角：4/8.8 更新速度：20Hz 前视测 距测速 不受大雨，大雾 和沙尘爆等恶劣 气候环境的影响； 不能探测前方斜 面物体 成本高 激光雷达 （体积小） 测距范围：1150m 测距准确度： 0.1m（满量程） 纵/横视角：3/6 更新速率：1020Hz 前视测 距 受环境变化影响 大；对被测物体 反射面的粗糙度 和斜度有较高的 要求。 成本较 低 CCD 立体 视觉系统 （像素 640480） 测距范围：325m 测距准确度： 0.3m（满量程） 采样速率：33 帧/秒 周边测 距 受光照，路面背 景，粉尘，烟雾 及雨雪天气等环 境因素的影响大； 可探测前方测斜 面物体。 成本较 高 超声波测距 传感器 （体积小） 测距范围：0.310m 测距精度：0.1m(满 量程) 波束宽度：10 更新速率：15Hz 后视测 距 不受大雨，大雾 和沙尘爆等恶劣 气候环境影响； 不能探测前方斜 面物体。 成本低 超声波换能器的结构、超声波发射电路的机电能量转换效率和超声波接收器 的信噪比以及超声波信号处理算法等因素，均对超声波传感器和超声波测距系统 的性能产生影响。因此，为了能够研制出频带宽、量程大(2030m)、指向性好和 响应速度高的超声波测距传感器和超声波测距系统，必须从以下四个方面采取措 施：其一、优化换能器的机械结构、发射电路和机电阻抗匹配参数，以提高超声 波传感器的 机电能量转换效率；其二、选择适当形式的压电振子，使其谐 振频率尽可能地处于较低的频段上，以减小超声波传播过程中的能量衰减；其三、 尽可能增大超声波换能器的辐射面积，采用恰当的声学阻抗匹配技术和特殊的换 能器结构，以增强超声波换能器的指向性、拓展超声波传感器的工作频带；其四、 设计低噪声、高阻抗超声波接收电路，并采用先进的数字信号处理方法，以提高 超声波测距系统的处理增益和实时性。 解决上述问题涉及到机械、电子、声学和信息技术以及制造工艺等多学科知 识的综合应用。因此，超声波测距技术的任何进展，必将推动与之相关的技术和 信息化装备系统的进步与发展。 1.2 汽车防撞系统的现状汽车防撞系统的现状 从上个世纪 90 年代以来，世界各国投入人量人力、物力从事汽车防撞系统的 研究，目前已取得了显著的成果，开发了若干新产品，使汽车的行驶安全性人人 提高。 汽车防撞系统是一种能向驾驶员预先发出视听警告信号的探测装置。它安装 在汽车上，能探测到接近车身的行人、车辆或周围的障碍物；能向驾驶员及乘员 提前发出即将发生撞车危险的信号，促使驾驶员采取应急措施来应对特殊险情， 从而避免损失。 通常，汽车防撞系统由多个传感器、天线、微处理器和数字式信号处理器组 成。 传感器能向驾驶员提供车辆前、后、两侧及相邻车道可能发生意外事件的即 时信息。它采用固态砷化镓单片微波集成电路，能产生 24000MHz 的雷达信号， 并采用调频连续波信号形式，这种信号形式不需要相对运动便可探测到目标。同 时，车上安装的每个传感器均能全天候工作，并均配置对应的目标指示信号灯和 蜂鸣器。 这些传感器的电源来自控制显示装置。该装置一般位于汽车仪表板附近，包 括主电源开关和每个传感器的促动开关。各车载传感器依据探测到的目标状况向 驾驶员发出视听警告信号，即传感器一旦探测到人员或物体，黄色信号灯即开始 频闪，同时蜂鸣器发出蜂鸣声报警。灯光和声响的循环周期与车辆、人员及物体 靠近车身的距离成比例。 微处理器对传感器的未处理回波信号进行整理和综合，并优化对入射信号检 测的灵敏度和识别过程，指示灯和蜂鸣器根据其发送的指令向驾驶员提供指示。 数字信号处理器具有控制、自校准、输出和故障自诊断功能。美国德尔科电 子公司开发了多种汽车防撞装置可供实际使用。在演示现场，德尔科电子公司的 科技人员将前传感器安装在距离地面 0.85m，车首大灯的两侧，它能扫描车辆前进 路线上即将遇到的障碍物，其前方有效探测距离为 28m， 。前传感器的窄波束能区 别位于同一车道上的车辆和物体与相邻车道上或道路旁的车辆和物体，以避免虚 假报警。该公司的科技人员将侧传感器安装在后视镜和侧视镜难以观察到的盲区， 其探测距离为 4m， 。科技人员还把后传感器安装在演示车后部两边，其探测距离 达 7m。这样，随着车辆一路行驶，实际上形成了一个车身外横宽 8m、纵长 35m，的安全区域，并且是动态的安全区域，故有利于驾驶员进行事先防范，对于 在大雾等能见度低的条件下行车更显神通。 汽车防撞系统适用于各种车辆，优先用于救护车、公交车、旅游车、抢险车、 公务用车及出租车等。国外现已将汽车防撞系统用于学生接送专车，以保护其在 行驶途中及驻车时的安全。 凡使用过汽车防撞系统的驾驶员均有这样的感觉，即能够方便地知道或观察 到以往难以发现的盲区中的物体，做到心中有数，并能及时防范，从而能集中精 力，以更多的时间和注意力注意来往车辆，并采取有效的安全防撞措施。 汽车防撞系统是高科技的产物，它将伴随微电子、光纤、红外技术的进步而 得到新的发展。汽车防撞系统未来的发展方向为： 为满足高速行驶，进一步增大探测距离； 降低成本和售价，供在用车改装和新车安装使用； 与自动驾驶仪形成反馈系统，按时间响应，排除人为影响，正确保持车距 或做出机动避让； 向智能化方向进一步拓展。 1.3 超声波测距系统超声波测距系统 采用超声波传感器进行距离测量的方法很多，而应用最多的是 Pellam 和 Galt 于 1946 年提出的脉冲回波法，其工作原理是：用超声频脉冲激励超声波探头，使 之向外界辐射超声波，并接收从被测物体反射回来的超声波(简称回波)，通过检测 或估计从发射超声波至接收回波所经历的时间段 ToF(称为射程时间)，然后按下式 计算超声波探头与被测物体之间的距离 d，即 d= （1- 1 2 c ToF 1 2 c ToF 1） 式中，c 为空气介质中声波的传播速度。 由式 （l-1）可知，当传播介质的温度发生变化时，声的传播速度。也随之改 变。因此，在超声波测距仪中均内置温度探头，用于实时检测声传播介质的温度， 以补偿环境温度变化对测距精度的影响。 为了改善超声波测距系统的性能，仅仅从系统的硬件入手是不够的，还必须 研究与硬件系统相适应的测量信息处理方法。为此，国、内外学者研究了许多特 殊的超声波测距方法或时延估计算法，如可变阈值鉴幅法、互相关函数法、谱线 分析法、相位检测法和自适应时延估计法等等。在实际的超声波测距仪中，经常 综合应用了多种测量算法。当然，这些算法与超声波换能器的声学及电气特性是 密切相关的。下面，简要地评述这些信号处理算法的特点与应用范围。 1.3.1 可变阈值与回波包络检波法可变阈值与回波包络检波法 最简单的“过零”检测法，其工作过程如下： 在控制器启动时钟计数器的同时，向外发出持续时间固定的超声 频脉冲信号，换能器在该信号的激励下向外界发送超声波。 如果在换能器的前方存在目标，则必有反射回来的超声波作用在换能器 上，使之产生微弱的电信号，该信号经接收电路放大后，大于预先设定的门槛电 压(或称为阈值)，使比较器的输出信号变为高电平。 该高电平信号使计数器终止计数，并使能与门，使微机可以在并行输入 口上查询到终止计数信号，并读出时钟寄存器中的数值(即 ToF)。 根据式 （1-1）计算出目标与换能器之间的距离。顺便指出，换能器发 送声波的持续时间的一半与声速的乘积，即为超声波测距仪的盲区。 由于回波信号的幅值与目标的距离成反比，目标与换能器之间的距离愈远， 超声波接收电路的输出就愈小，相应的射程时间也就愈长。因而，在超声波测距 系统中，通常不采用固定阈值或增益的接收电路，而是采用时间-阈值可变或时间- 增益可变的接收电路。前者使阈值随射程时间的延长呈指数形式递减，后者使接 收电路的放大倍数随射程时间的延长呈指数形式递增。这样，只要适当调整指数 函数的时间常数，就能保证在规定的量程范围内准确地测出目标的距离。 1.3.2 基于互相关函数的时延估计法基于互相关函数的时延估计法 在低信噪比和低采样速率下进行超声波测距，通常采用基于互相关函数的时 延估计法。其具体方法是：将发射器发送的超声波信号作为参考信号，在每次发 送超声波的终止时刻，立即开始对接收器的输出进行采样，并计算采样值与参考 信号之间的互相关函数。若互相关函数出现峰值，则说明采样值是换能器接收到 的回波信号，根据相关峰值出现的时刻就可以计算出射程时间。相关估计法(也称 为匹配检测器)既利用了回波信号的幅值又利用了回波信号的形状。假如回波信号 的波形基本不发生畸变，而且叠加在回波信号上的噪声是高斯白噪声，那么，相 关估计法的时延估计精度和灵敏度均高于阈值检测法。 1.3.3 谱线分析法与自适应时延估计谱线分析法与自适应时延估计 谱线分析法是利用快速傅立叶变换(FFT)对回波信号进行谱分析，以确定是否 存在与换能器所发送的超声波具有相同频谱的回波信号，并由此来判定回波信号 的出现时刻。在信噪比极低的条件下，采用谱分析算法来检测回波信号有助于降 低虚警概率。但谱分析算法的计算量大，且不容易获得较高的时延估计精度，故 气介中的超声波测距很少应用这种算法。 1.4 超声波测距与定位技术的发展概况超声波测距与定位技术的发展概况 超声波测距与定位技术是声学与仪器科学交叉融合而形成的边缘技术学科， 它主要研究如何利用超声波测距传感器来实现三维空间目标的定位问题。由超声 波换能器、超声波发射与接收电路、微计算机信息处理器等构成的超声波测距与 定位系统，在工业、交通、国防等各个领域中得到了广泛的应用。 文献是作者在美国奥克兰大学参加研制汽车防碰撞系统期间发表的论文。 5 在这些车载安全行驶辅助系统中，超声波探头主要用于感知车辆前、后、左、右 的路况，以防止车辆转向或换道时发生意外的碰撞事故。文献分别是国内一些 7 大学和研究机构研制的车载超声测距仪，其中，前视超声测距仪的探测范围小于 10m，而后视和周边探视超声测距仪的探测距离最大不超过 5m，这与前面提及的 国外新型近程扫描雷达的探测范围(车辆周边 20m 以内)相差甚远。由此可见，研 发大作用距离超声波传感器是十分必要的，对未来国产化汽车防撞预警系统的开 发进程必将起到积极的推动作用。 在现代快速施工中，特别是野战工事快速构筑作业，以往是依靠人工来控制 机械手上的喷嘴与作业面之间的距离及喷射方向，这是一项既颇费体力又难以精 确控制距离与方位的操作。如何实现喷射机械手的智能化使其处于最佳的工作状 态，也即如何应用高性能超声波传感器和喷射机械手来构成自动定位与控制系统， 仍然是一个函待解决的国际难题。 附带指出，在超声波技术领域中，也存在一些挑战性很强的前沿探索性课题。 譬如，能否使用两束频率稍有差异的强超声波，利用其非线性效应，使之产生频 率很低的差频信号与超声波一起传播，以得到指向性很强且衰减很慢的差频信号， 这仍然有待于进行深入的理论探索与实验验证。 1.5 主要研究工作及内容主要研究工作及内容 第一章 介绍近十年来汽车主动防碰撞系统、车载测距传感器的发展现状， 简要介绍了超声波测距与定位技术在汽车防撞预警系统中的应用，并指出了声学 理论与技术领域中的一些前沿课题。最后，简要介绍了论文中各个章节的主要内 容。 第二章 研究超声波换能器的物理特性与技术。研究设计了超声波发射电路 的设计，主要包括推挽变换器的工作原理，以及推挽变换器的转换效率；超声波 接收电路的设计，包括低噪声前端放大器，以及滤波放大电路与电源。 第三章 对超声波测距算法进行了分析，重点研究超声波测距方法和大量程 超声波测距系统的实现技术。提出了基于 PC 机的超声波测距系统试验平台，以及 超声波测距的信号处理算法。 第四章 鉴于之前对超声波发射与接收电路的设计、对超声波测距系统的研 究以及超声波测距算法的分析，设计出由超声波测距系统组成的汽车防撞系统。 设计包括系统硬件（系统硬件总体框图、超声波发射部分、超声波接收部分、单 片机控制部分） ，系统软件，并对设计出的系统进行调试与优化。 第二章第二章 超声波发射与接收电路超声波发射与接收电路 2.1 大作用距离超声波换能器大作用距离超声波换能器 换能器的谐振频率、辐射面积、振子结构、声窗匹配层和背衬材料乃至制作 工艺，都直接影响了超声波换能器的作用距离、指向性和频带宽度。为了解决上 述问题，本章对超声波的物理特性、换能器的振动模式、结构、制作工艺和声学 阻抗匹配以及机电阻抗匹配等技术专题，展开全面而深入的理论与实验研究。 2.1.1 超声波物理特性与换能器技术指标超声波物理特性与换能器技术指标 超声波换能器技术的研究内容是：综合考虑与换能器和介质相关的声学阻抗、 声学结构、工程材料和振动模式等物理特性，应用阻抗匹配技术使之达到电能与 声能之间的最佳转换，以满足工程实用需求。 现将声波的物理特性和超声换能器的主要性能指标介绍如下。 1 超声波的主要物理特性 超声波和一切波动一样，具有频率 f、传播速度 c 与波长 三个物理量，三 者关系为 （2-1）cf 在不同的介质中，声速是不一样的。超声波的频率范围在之间， 413 2 10 10 Hz 与声波相比，超声波具有如下显著的物理特性： (1) 束射特性 超声波传播具有方向性和射线性。在相同的辐射条件下，换能 器的工作频率越高，其方向性越强。 声源发出的超声波，在一定方向上形成如图 2-1 所示的波束。在离声源较近的 一段，波束几乎平行，称为近场区。在该区内声场分布较为复杂，其长度范围： （2- 2 rf L c 2） 其中，L 为近场长度，r 换能器辐射面的半径。在远离声源区，波束向四周稍 有扩散，扩散声束与平行波束之间形成 角，称为半扩散角。 角越小，能量越 集中，方向性越强。 2r L 图 2-1 超声波声源近场的方向性 (2) 射线特性 超声波在直线传播过程中，当遇到两种声阻抗率不同的物质所 形成的界面时，就会产生反射和折射(透射)现象。超声波的反射和折射遵循几何光 学规律。两种交界面介质的声阻抗率差别愈大，反射愈强，透入第二种介质的声 能就愈小。在层状的两个平行反射界面中，声波可以来回反射多次，直至能量减 弱至零为止。 2 超声波换能器的主要性能指标 对于超声波换能器，除了要确定其谐振频率和频响特性外，更重要的是要了 解它的电一声转换特性和声辐射特性。换能器的主要性能指标如下： (1)工作频率 f：工作频率大多选取在换能器的机械共振频率附近，因而， 换能器的工作频率一般是指换能器的机械共振频率。 (2)机电耦合系数 K：机电耦合系数 K 是表示压电换能器的机械能与电能 之间耦合关系的一个重要参数。因为压电振子的机械能与振子的形状、振动模式 有关，所以振动模式不同，机电耦合系数也不同。 (3)换能器的阻抗特性：根据换能器的等效机电六端网络图，每一端都具 有一定的特性阻抗。因此，要求换能器与发射电路末级(或接收电路初级)的阻抗相 匹配。此外，根据超声波的射线特性，还要求换能器与辐射声负载(或接收声负载) 相匹配。如何实现机电阻抗匹配和声学阻抗匹配技术，是研制超声波换能器必须 解决的关键问题之一。 (4)换能器的频率特性：换能器的频率特性是换能器的主要参数之一，它 是指阻抗、声压和灵敏度等随频率变化的特性。在实际应用中，通常希望超声波 发射器在一定的频带内获得平坦的阻抗特性，以适应负载的变化，避免阻抗失配 而导致电路发热、能量转换效率降低甚至损坏设备。宽频带超声波接收器能够接 收窄脉冲信号或余振时间短的波动信号，因而在声轴方向上具有极高的位移分辨 力。 超声波换能器是用来实现电能与声能相互转换的装置。通常，超声波换能器 的机电能量转换效率低，严重影响了超声波换能器的作用距离。为了解决这一问 题，仅仅考虑改善换能器的机械结构与声学特性是不够的，还必须优化换能器的 发射电路和接收电路的设计，以提高超声波发生器的有效发射功率和超声波接收 器的信噪比。 2.2 超声波发射电路的设计超声波发射电路的设计 超声波发生器是由超声波发射电路和超声波换能器构成的。超声波发射电路 (也称为驱动电源)根据其工作原理可以分为振荡一放大型和逆变型两类。对于中、 小功率且频率不是很高的超声波换能器，一般均采用振荡一放大型驱动电源，如 图 2-2 所示。本设计方案是采用它激式振荡器，以便于在较宽的频率范围内调节换 能器的工作频率。下面分别介绍驱动电源的各个组成部分。 振荡器单变压器推挽功率放大电路压电换能器 图 2-2 振荡-放大型驱动电源 2.2.1 推挽变换器的工作原理推挽变换器的工作原理 图 2-3 是一种采用较多的超声波发生器驱动电源，其功率放大级是由 MOS 管 推挽变换器构成的。推挽变换器采用带有中心抽头的脉冲变压器作为输出级，以 提高驱动电路的输出电压幅度，进而增大换能器的发射功率。该电路的特点是无 激励信号时(选通信号为低电平)，两个 MOS 功率管工 RF520 的静态电流为零；有 信号激励时，两个 MOS 管交替工作，各输出半波信号，合起来形成一个完整的波 形。 在电路中，SN75732 集成芯片是双通道 TTL/MOS 接口电路(双与非门)，用于 实现电平转换，以便于控制 MOS 管的漏极电流；是限流电阻，用于限制 D I S R MOS 管的最大漏极电流与，以避免 MOS 管受到过大的瞬间电流冲击；是由 RC X 电容和电阻构成的支路，用于禁止直流电压通过，以防止 MOS 管始终处于导通状 态，同时与电阻构成分压电路，以确定 MOS 管栅-漏极电压的大小和 MOS G R GS V 管方波输出信号的占空比系数；凡是外接的偏流电阻，其值取 100 200k 为 max D 宜。 1 10 0k k H HC C0 00 0 5 5V V1 15 5V V 1 1 8 85 5 7 7 6 6 4 4 2 2 3 3 S SN N7 75 57 73 32 2 V VD DD D Q Q1 1 Q Q2 2 X XR RC C X XR RC C R RG G R RS S T TR R I IN N4 49 93 36 6 X XL LC C S SI IG G1 1 S SI IG G2 2 选选通通 信信号号 图 2-3 超声波换能器发射电路 2.2.2 推挽变换器的转换效率推挽变换器的转换效率 现在，仍以未加阻抗匹配的换能器为例，推导计算变换器能量转换效率的表 达式。对于图 2-3 所示的电路，可以认为：在输入信号的一个周期 T 内，和各导 通T/2(为变换器输入信号的占空比)，且通过两 MOS 管的电流几和功率 max D max D 管两端的电压在数值上分别相等。因此，只需先计算单管的功耗再乘以 2 就可 DS V 以求出总的管耗。当 MOS 管的输入信号近似为方波，并且 MOS 管的漏极电流达 到最大值与时，总的管耗为 （2- max/2 max 0 2 TD optomDBS QDDSB L DN V V PI Vdt TR 3） 式中，T 为输入方波信号的周期。直流电源供给的功率应包括负载得到的功率 和两 MOS 管的功耗以及限流电阻上的功耗，即 （2- 2 / 2/ VQDSOM PPI RP 4） 式中，为变压器的效率。 利用式（2-3）和（2-4）以及(表示变压器初级绕组上的电 OMoptDP VNV DP V 压，)，即可求出方波输入时变换器电路的效率为 DPDDDSBDS VVVIR （2- max 82% 12 (/) OM sqr VSLPDSBDP P PRRDVV 5） 式中，表示换能器负载折合到变压器0.95 max 0.44D 2 / LPLopt RRN 初级的等效电阻。从电能利用率的角度来看，如果，(二者均与变/ SLP RR/ DSBDP VV 比有关)和输入信号的占空比系数越小，且变压器效率 越高，则推挽变换 max D 器的效率就越高，这个结论与式（2-5）所蕴涵的物理意义是一致的。此外，在经 典的电子电路设计教科书中，通常认为乙类放大器(推挽放大器)的效率为 7080%，与式（2-5）计算的结果大致一致。因此，本文推导的推挽变换器的转化 效率公式是正确的。 2.3 超声波接收电路的设计超声波接收电路的设计 超声波接收器是由超声波换能器和接收电路构成的。为了实现大范围超声波 测距，不仅要求超声波接收电路能够放大远处目标反射回来的微弱信号，而且还 希望近距离目标反射回来的强信号经放大后又不至于发生变形或饱和，这就要求 接收电路具有自动增益控制(AGC)功能。此外，在接收电路中增加 AGC 功能，有 助于克服“混响”现象，提高超声波测距系统的信噪比。为此，文中根据超声波 信号幅度随时间变化的衰减特性，利用自动增益控制原理来实现时间-增益控制 (TGC)，使超声波接收电路具有很高的增益而又不出现深度饱和现象。此外，本节 还设计了低噪声放大电路和带通滤波器，大大提高了接收电路的信噪比。 2.3.1 低噪声前端放大器低噪声前端放大器 将超声波换能器正对着 2.5m 处的墙壁(目标)发射超声波，用示波器直接观察 换能器的输出信号，其电压幅值为 1V。随着目标距离的逐渐增大，回波信号的幅 值急剧降低。若希望超声波传感器的测距范围为 235m，则要求超声波接收电路 必须具有足够大的增益，才能敏感极其微弱的回波信号，同时，又要求近距离目 标所产生的回波信号经放大后不会出现深度饱和现象。因此，前端放大器的增益 G 不能取得太大。 - AD620 + 10k 0.01 1000P 100k100k 10k 0.01 Rg 100P 1000P -5V +5V SIG1 SIG2 图 2-4 低噪声前端放大器电路 图 2-4 是超声波接收器的前端放大电路。其中，前端放大器是由 AD620 型仪 表运算放大器和阻容网络构成的。AD620 具有低功耗、宽频带、高精度和高可靠 性等优点，其增益仅由电阻决定的，使用 1%的精密电阻，它就能提供精确的 G R 增益 G。如果 G=1，则引脚不连接电阻元件(即=)；而对于其它的任何增益， G R G R 可按下式确定电阻值： =(k) （2- G R 49.4 1G 6） 当 G6，则=10 k G R 2.3.2 滤波放大电路与电源滤波放大电路与电源 带带通通滤滤波波电电路路（TL082） （fo=27.5kHz，Q=5） 加加法法器器输输出出端端 C 1000p 10k470k 1000p - + TL084 TL08 4 TL084 - + + - 1000p C1 C2 Rf R1 R2 +5V -5V 1000P 10K 10K 470K 次次级级放放大大电电路路 带带通通滤滤波波电电路路 末末级级放放大大电电路路 图 2-5 信号放大与带通滤波电路 图 25 是用高阻抗运算放大器(TL084)和 RC 阻容元件构成的同向、反向放大 器和有源带通滤波器。在此，重点讨论滤波器设计问题。有源带通滤波器的传递 函数为 （2- 22 (/) ( ) ()(/) c f cc jQ A A jjQ 7） 式中，为带通滤波器的中心角频率，（为换能器的工作频率， c 2 cc f c f =24.5kHz)Q 为品质因素，Q=3；A 为滤波器的增益，A=2。滤波器的参数满足 c f 如下关系： （2- 12 11 12 12 12 2 12 , 1 cfc f c C CQ RCRQ ACC R R R C C RR 8） 将已知数值代入上式，计算得：， ， 12 680CCpF 1 15Rk ，最后，通过调节电位器来改变末级放大器的增益，使接收 2 1.8Rk56 f Rk 电路的输出幅值满足数据采集电路板的输入要求即可。 第三章第三章 超声波测距系统超声波测距系统 在超声波测距系统中，测距算法性能的优劣，直接影响了测距系统的性能； 而测距算法的运算速度，则直接影响了测距系统的实时性。从信息论的角度来看， 超声波测距过程实际上是超声波的传递过程，因此，可以利用通讯技术的基本方 法，来增强超声波测距系统的抗干扰能力、提高超声波测距系统的实时性，以实 现对高速移动目标的测量或定位。 3.1 超声波测距算法分析超声波测距算法分析 应用超声波脉冲回波法的测距过程是：用持续时间一定的超声频高压电脉冲 信号激励换能器，使之向外部介质发送一串超声波，当超声波在换能器的声轴上 遇到一个或多个目标时，部分声能将被反射回来并作用在换能器上，使换能器输 出微弱的电信号。该信号经过放大滤波后，送入微处理机系统进行信息处理，以 判定回波信号出现的时刻，并计算出超声波的射程时间及其对应的目标距离，从 而完成了一个测距周期。如何改善超声波测距系统的抗干扰性能和实时性，是研 究超声波信号处理算法时必须考虑的关键性技术问题。 3.1.1 问题分析问题分析 超声波在传播过程中不仅受到传播介质的影响，而且它的信噪比也将因振动、 空气湍流和声能的吸收衰减等外界因素的影响而改变。实验表明，在超声波测距 过程中，当发射信号与接收信号的能量均比较大时，传统的阈值检测法是行之有 效的。而当目标距离传感器较远时，回波信号受到外界因素的干扰较大，这时测 距系统就难以直接判定换能器的输出信号是回波还是噪声，传统的闭值检测法就 失效了。幸运的是，回波信号与发射信号的包络基本一致，因而，借助于计算二 者的互相关函数，找出其峰值出现的时刻，即可确定超声波的时间射程(Time of Flight， ToF )。在第一章介绍的许多信号处理算法中，包络相关函数法是既适合 于处理微弱信号，又适合于采用低采样速率的鲁棒算法。 为了提高超声波测距算法的可靠性，可借助于