（微电子学与固体电子学专业论文）多目标定位与监测系统的研究.pdf

摘要 y 幻3 9 ( 本研究课题的主要目的是希望通过对廉价民用的多目标定位监测系统进行 设计研究，探索研制一种具有实用价值的近距离小型多目标定位通用监测系统。 课题基于单片机进行系统功能开发，研究涉及实时处理，多机无线通信， 定位测量，自动控制等方面的问题本文详细论述了关于多目标定位与监测系 一一一一 统硬件、软件设计，系统设计方法以及系统的抗干扰设计，系统的调试测量 1 一 与分析，最后是对本研究课题的总结和应用设想。 本课题的创新点就在于所研究的系统是结合了定位测量、通信和数据实时 处理这三方面的技术，并进行优化组合，协调开发的实用系统，最终要求整个 系统成为有自主知识产权的有实用意义的应用系统。 厂 【通过本课题对多目标定位与监测系统的探索和研究，我们积累了许多该类 、 应用系统开发的经验，并为该类系统的进一步研究开发奠定了良好的基础i 7 本 文课题完成了大部分实用电路设计与优化，小范围内的多目标定位与监测功能 基本实现。 本文所述之多目标定位与监测系统构思新颖，体积小巧，低成本，适于推 广等优点，具有良好的应用前景。 系统如果能够研究成功，可广泛应用于多 目标定位和监控的场合，如游泳池救生，小区安全管理，生物信号采集，气象 监测等：止一 i 、 - a b s t r a c t b yt h er e s e a r c ho ft h ec h e a p ，c i v i l i a na n du n i v e r s a lm u l t i - t a r g e tp o s i t i o n ， m e a s u r e m e n ta n ds u p e r v i s i o ns y s t e m ，w ew i s ht o e x p l o r ea n dd e v e l o pag e n e r a l s u p e r v i s i o ns y s t e m ，w h i c hi sm i n i a t u r e ，s h o r td i s t a n c ea n d p r a c t i c a l t h et a s kb a s e so nt h e t e c h n o l o g y o fm c u ，w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n ， m e a s u r e m e n t , p o s i t i o n ，a u t oc o n t r o la n d e t c i nt h i sp a p e rw e g i v eo u tt h eh a r d w a r e a n ds o f t w a r ed e s i g n ，t h ew a yo fs y s t e md e s i g na n ds y s t e ma n t i i n t e r f e r e d e s i g n p a r t i c u l a r l y f i n a l l y , w ea l s og i v eo u tt h er e s u l to ft h ed e b u g g i n go ft h es y s t e m ，a n d t h ec o n c l u s i o no f t h i sr e s e a r c ht a s k a r e rt h ew o r k i n go v e rt h i st a s k ，w eh a v ea c c u m u l a t e dm u c h e x p e r i e n c ea b o u t t h ed e v e l o p m e n to fs u c h a p p l i c a t i o ns y s t e m s a l s ow e h a v e a c c o m p l i s h e dt h ed e s i g n o f p a r tp r a c t i c a lc i r c u i t s ，a c h i e v e dp a r tf u n c t i o n s ，a n ds e t t l e dag o o df o u n d a t i o nf o r t h ef u t u r er e s e a r c hw o r k t h es y s t e mc a i lb e a p p l i e d i nt h es i t u a t i o ns u c ha sn a t a t o r i u m l i f e s a v i n g c o m m u n i t ys e c u r i t y , b i o l o g i cs i g n a lc o l l e c t i o n ，m e t e o r o l o g i c a lo b s e r v a t i o na n de t e i f t h es y s t e ms u c c e e d s 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 i 1 引言 多目标定位监测技术在国防、军事、科学研究、导航以及日常生活中应用 相当广泛，但是现在用于国防、军事、科研、导航等领域的多目标定位监测主 要是通过卫星定位系统或者大型专用监测设备来实现，整个定位系统的实现往 往需要较大的资金收入和高科技的支持。本研究课题的主要目的是希望通过对 廉价民用的多目标定位监测系统进行设计研究，探索研制一种具有实用价值的 近距离小型民用多目标定位监测系统。 民用的多目标定位监测系统可以用在诸如矿井安全作业、野生动物监测、 体育运动中的运动员定位监测、野外勘探人员联络、城镇中的交通工具定位监 测、以及生产加工过程中的工件监测定位、自动化作业等等。由于多目标定位 监测系统可以用在诸多不同场合，所以该系统的核心应该是一种通用电路。对 于不同的用途，其工作原理基本相同，不同的只是外围传感器的选取、监测的 对象及有效监测范围的大小。本课题研究设计的多目标定位检测系统的核心部 分拟设计成通用多目标定位监测电路，外围传感监测电路具体是以游泳池初学 者为监测对象，研制一种可以监测游泳池中初学者状态和位置的多目标定位监 测系统。该系统只需要对外围传感监测电路稍加变换，就有可能成为具有其它 功能的监测系统。 由于多目标定位监测系统的核心电路是由微处理机组成的通用测控处理系 统，对该系统配置不同的传感器和监测电路，就可以构成不同的应用。对于以 游泳池中游泳者为对象的多目标定位监测系统，其主要的监测内容是游泳者的 状态，例如：游泳者的头部处于水上还是沉在水中；如果是在水中，那么是在 潜泳还是溺水；沉在水中的时间已有多长；等等。 该课题的设想是：每年夏天都有游泳池内发生游泳者溺水身亡的报道，在 游泳池游泳，虽然有救生员的监护，但仍然难免发生意外。尤其是在炎夏，拥 挤的游泳池内人头攒动，意外溺水很难被救生员发现，最终还是有不幸事件发 生，给家庭和国家都造成不可弥补的损失。对于游泳池这类有众多人参与且场 浙江大学硕士学位论文 地范围不是很大的场合，能否设计一种可以对场地中每一个人的位置及是否沉 入水中的状态进行监视，以便救生员能及时对溺水者进行救护的多目标电子监 视定位系统，是一个值得探究的课题。本课题就是打算设计研制一种能够对游 泳池中的游泳者状态进行监测的设备，理想的功能是能够测知游泳者的位置以 及在水面还是水下的状态，并能够将潜入水下的游泳者信息及时报警，以便于 采取相应的警告或救护措施。 本课题既有实用意义又有新颖性，并且有一定的难度，主要涉及多目标信 号的区分和定位，水上、水下不同状态的监视，以及系统的显示、报警控制等。 如果研究成功，该系统还可能在其它一些场合得到应用，如可以用作矿井等其 它场所的定位监视报警。 1 2 系统结构和工作原理 完整的系统由一台p c 机、一台控制主机和若干个目标从机组成，如图1 2 1 所示。但该系统也可以脱机运行，即仅仅由一台控制主机和若干目标从机组成 一个独立运行的小系统( 如图1 2 1 中虚线框所示) 。控制主机与p c 机的连接 通过r s 2 3 2 接口有线相连，控制主机与从机通过无线通讯的形式进行联络。 在本系统中，p c 机主要是作为管理显示功能的上位机用，利用计算机的友 好界面，良好的运算、存储、显示、管理功能，使整个系统的功能更趋完善。 控制 接收主机发来的通讯信号，并予以应答： 接到测距指令信号后，发出超声波测距信号； 监测游泳者水上或水下状态： 自救装置控制电路接口。 根据从机的功能，从机部分的电路结构如图1 2 3 所示。 1 3 面向测控领域的单片机系统设计 基于单片机的多目标定位与监测系统是一个面向测控领域的实时处理系 统，它涉及到了实时处理，传感器，测量，无线多机通信等方面的技术，需要 完成这样一个系统，需要将这些技术进行整合，协调运作。现对本文系统在实 时性、实用性等方面的设计考虑及相关的技术背景进行简单介绍。 1 3 1 实时处理概况及本系统对实时性的考虑 我们知道，用计算机代替人对目标对象进行检测控制，使之达到要求的系 统称之为计算机测控系统。计算机应用在测控领域，主要是由于它有以下几个 方面的优点铂： 1 速度快，反应及时； 2 可以自动选择最佳操作参数； 3 可以完成传统方法难以完成的控制规律，可以实现管理控制： 4 可以远距离多方位地进行数据传送，图象图形显示等。 5 可以长期或永久保留现场信息档案，便于科学管理等等。 在测控领域应用后，可以大大提到劳动生产率，完成人力所不能及地工作， 使之产品质量和技术水平都有空前地提高，本文系统正是为了达到这个目的而 进行的。 在测控领域中，人们最关心的是实时处理。例如在导弹发射后，我们要随 时纠正它的飞行方向，以期摧毁目标。在炼钢过程中，我们要随时控制高炉的 温度，物料的位置等，以便能在最短的时间内以最省的能耗炼出最好的钢材。 浙江大学硕士学位论文 在泳池中，救生员非常希望知道每个泳者的当前的位置和状态，从而尽快的发 现异常，减少事故的发生等等。这一切都离不开实时处理。实时处理是对一个 被测控对象能及时检测和处理它的目前状态信息，并进行监视和控制。计算机 实时处理系统即是由计算机对状态信息进行检测、传送、处理和控制的软件和 硬件总成，也称为计算机测控系统。 实时处理的主要特点有以下几点： 可靠性要求高：测控领域往往与军事、生产过程以及日常生活有关。计算 机的任何故障或差错。都会带来严重后果。以本文系统为例，系统的可靠性直 接关系到人的生命安全，因此在某些重要的应用场合，计算机都必须具有自我 检测、自我纠错、自我恢复的容错技术。而在保证完成功能的前提下，用最简 单的计算机实现测控目的，这是提高可靠性的行之有效的办法。本文所述系统， 我们采用5 l 系列单片也是出于这样一个目的。这也是单片机在测控领域占有优 势的原因之一。 对环境的适应性强：测控计算机往往被安装在离现场不远的地方，而大多 数直接装在被测控的装置或设备上，象飞行器控制，游泳者监测等例子中，计 算机所处的环境温度等变化都很大，而且还会有震动，腐蚀性气体，电磁干扰 等不利条件。因此要求计算机要有很好的适应性，使之能保证在各种环境的条 件下正常工作。 专用性强：测控系统计算机通常用来完成某一项任务，即使生产过程测控 计算机也是如此。它和生产过程的连续需要随时对生产过程的允许情况进行检 测，并根据计算结果输出控制作用，对不正常的运行情况要发出警告信号或输 出紧急处理的控制操作。为了使操作管理人员能了解和干预生产情况，计算机 必须显示生产情况，输出打印报表。有些情况下，计算机还必须通过远程通信 线路发出对其它控制机的信息，也可能通过通信线路接收其它控制机送来的信 息。所以，控制机与外部世界的联系是紧密的和频繁的。对于本系统，我们都 为它们设计了专用的接口装置和通道设备，编制专用软件以便和生产过程相连 接，以及实现人机通信等目的。 实时性好：对被测量的微小变化，计算机都能及时捕捉到，并作出快速处 理，即刻纠正或报警等措施，为了达到这一要求，一般从硬件和软件两方面来 浙江大学硕士学位论文 保证，硬件方面配有实时时钟和优先级中断链等。而软件方面则配有完善的专 用的实时管理，中断处理等程序，配有实时操作系统。保证在测控过程中，严 格按照事先编制的时间进行操作，当过程有变化时尽快地及时相应。 价格低，尺寸小，安装方便：体积小，外围电路简单。测控用计算机往往 与产品融为一体，批量较大。它的价格可能直接影响到产品成本及售价。因此 生产单位要求尽可能地降低系统价格，以保证丰厚利润。体积小及外围电路简 单，不但可以降低成本而且可以较灵活地安装在产品设备上并不必改变原产品 设备的外形尺寸。 因此，我们在进行本系统的设计时，不但在实时性方面作了一定的考虑和 设计，对于从机的实用性方面也作了许多设计和设想。比如从机的体积要在保 证功能和可靠性的前提下尽可能小，密封性能要好，信号的收发角度要大，响 应的时间要短。另外，由于一旦发生溺水，从机在水下无法将信号发给主机， 在水下超时后如何自动发出求救信号等问题也作了一定的考虑和探讨。 1 3 2 常规测控系统的结构和本系统的组成 测控系统由自动测试系统和自动控制系统结合而成。计算机测控系统就其 系统结构和功能来讲，和计算机的控制系统无多大差别，因此可用计算机控制 系统的结构和组成来描述计算机测控系统，可分为下面四种： 1 计算机自动检测和数据处理。 2 直接数字控制。 3 分布式控制系统。 4 可编程控制器。 测控系统基本上可认为有上述四种结构。由于结构的不同而实现的功能也 有所不同。测控系统从大的方面来讲可由测控装置和被测控对象两大部分组成。 测控装置可分为硬件和软件两大部分组成。其中硬件包括传感器、变送器、转 换电路、控制电路、执行机构、计算机及外部设备等。而软件是指操作系统和 各种管理程序、应用程序等，是系统的灵魂。 典型的测控系统组成如图i 3 1 所示。在图中，被测参数经传感器、变换器， 转换成统一的标准信号，再经过多路开关，分时送到a d 转换器进行模拟数 浙江大学硕士学位论文 字转换，转换后的数字量通过接v i 送入计算机，这是模拟量输入通道。在计算 机内部，用软件对采集的数据进行处理和计算，然后经模拟量输出通道输出。 输出的数字量通过d a 转换器转换成模拟量，再经过多路开关与相应的执行机 构相连，以便对被测参数进行控制。 实际上，我们设计的多目标测控系统可以归属于一机对多机的主从分布结 构。和常规的主从分布结构相比，主要区别是主机同各从机之间采取的是无线 通信方式。 变送器传感器 广州r - 口 - 一 i 记录器 生 冒 微 。 磊吾i i i 厂勰执行机构 产 。一i 苎壁望望l 对 机 打印机 悃1 困 蒙 i 1 圃一开关量输出f 1 示终端 图圈 通用微机及 接口电路 外部操作台 图1 3 1典型的计算机测控系统 传感器及 执行机构 测控 对豫 1 3 3 传感器和转换器及测距原理 在测控系统中，通常都需要用传感器来检测外界物理量的变化。传感器是 指对被测对象的信息具有敏感功能的器件。这种器件不仅能代替人的五感( 视、 里 浙江大学硕士学位论文 听、嗅、味、能) ，且还能检测人的五感所不及的现象，如红外线、电磁场、超 声波、射线等物理量及气体成分、离子种类等化学量。 计算机及电子仪器仪表只能处理电量参数而绝大多数被测参数如温度、压 力、机械运动中速度、加速度、重量，流体的液位、流量，化学中的成分等都 是非电量，要把这非电量转换成电量，就得依靠传感器和转换器，传感器是一 种感应器件，而转换器是一种能量转换器件，习惯上把两者统称为传感器。 表1 3 1 按转换原理分类 能量控制型能量转换型 电阻1压电效应 电感 几何尺寸的控制磁带伸缩效应 电容j热电效应 应变电阻效应光电动势效应 磁阻效应光电放射效应 热组效应热电效应 磁带伸缩效应光子滞后效应 霍尔效应热磁效应 电离效应热电磁效应 光电效应 约瑟夫逊效应 工业测控系统中传感器应用十分广泛，也十分重要。传感器的分类方法较 多，表1 3 1 是接转换原理分类。 本文系统中除了用于判定人在水上还是在水下的接触电阻式传感器外，用 来测定游泳者距离和位置的主要是超声波传感器。超声波传感器是一种电能与 机械能相互转换的换能器。根据使用场合不同，超声波传感器可分为发送器及 接收器或收发一体化换能器。用于位置检测的超声波换能器主要用电致伸缩材 料制造，如锂钽酸铅、镁铌酸铝、锆钛酸铅等。一般情况下，超声波换能器必 须有相应的外电路支持才能工作，根据不同的用途，超声波换能器型号及外电 路设计也不同1 1 2 1 。 超声波传感器的型号一般用t ，r 4 0 x 表示，t 表示发射头，r 表示接收 头，x 表示外形尺寸，可以是1 2 、1 6 、1 8 a 、2 4 a 。本文采用的是广西钦州市 无线电厂生产的u c m w r 4 0 k 1 6 型超声波转换器。图1 3 2 为它结构示意图， 表1 3 2 为它的电性能参数表。它的声压能级、灵敏度在4 0 k h z 时最大，所以 外部支持电路在此频率下工作最佳。 传感器工作过程如下：从两条引线上输入4 0 k h z 脉冲电信号，通过陶瓷片 激励器和谐振片转换成机械振动能量，经锥形辐射口将振动信号向外发射出去， 发射出的信号通到障碍物后被反射回来，接收端收到4 0 k h z 的反射信号，使谐 振片谐振，通过内部转换输出一组电信号，通过这一电信号，就可进行控制或 测量。因为在一定的外界条件下，超声波在空气中传播速度为固定值。计算超 声波从发送端发送到被接收端接收的时间，便可以算出超声波传播的距离，从 而可以计算出游泳者的距离，如果在不同的位置再放置一个超声波接收器，就 可以算出游泳者的方位。 锥彤辐射口 谐振片 激励器 固定架 屏蔽底板 屏蔽墨( 外壳) 屏蔽网 支架 基座 引缝 表1 3 2u c m - t r 4 0 k 1 6 型超声波转换器性能参数表 i中心频率4 0 1k h z 发射声压 ”5d b 接受灵敏度 一6 4 d b 最小发射头6 1 0 3 k h z d b 带宽接收头6 - 7 1 k h z d b 电容 2 4 0 0 2 5 p f 最大输入电压 6 0 v p - p 1 3 4 测距方法的比较和选择 在生产过程或科学试验中，为获得客观的定量的物理量参数，就必须借助 于仪器仪表或设备。用它来完成这个任务，这就是常说的测量。测量技术可分 为两大类，即电测量和非电测量。电测量的对象是电董，如电流、电压、频率、 功率、相位、电磁场及网络的特征值、器件的参数等等。这些物理量只需经一 定的放大、变换、传送即可得到。而非电量检测，必须依靠传感器或转换器把 非电量转化为电量，然后与电量一样进行处理。本文系统主要进行距离数据的 测量。 测量方法的正确与否是十分重要的，它直接关系到测量工作是否能正常工 作，能否最有效率地达到技术要求。因此，必须根据不同的测量任务要求，进 行认真的分析，找出切实可行的测量方法，然后根据测量方法选择合适的测量 手段及传感器。如果测量方法不合理，即使有高级精密的测量仪器或设备，也 不能得到理想的测量效果。本文系统是以游泳池的游泳者为对象，那么在测距 方法上的选取尤为重要。 现代的测距定位技术主要有卫星定位，雷达技术，水下声纳探测等。目前 在军事、科学研究、通讯导航、民用等领域应用相当广泛。这些测距方法各有 千秋，下面予以简单的介绍和比较。 g p s ( g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m ) 定位系统是美国军方耗资1 0 0 多亿美元研制、 开发的新一代全球导航卫星系统。它能全天时、全天候她为全球范围的陆地、 海上、空中及空间各类用户提供连续实时的高精度三维定位、三维测速和精确 的时间信息，其特点是测量范围大、精度高、系统庞大、应用面广、但费用昂 贵，具有十分广泛的应用领域，包括从海上、陆地到空中，从军用到民用【6 1 。 目前，g p s 作为全球导航系统，用于授时，三十万年内时差可小于l s ；用 于定位，当采用积分多普勒辅助码相位测量时，精度可达1 0 m ，采用载波处理， 经1 分钟跟踪时间精度可达0 1 m 用于测速，精度优于0 1 m s ，经过特殊处理 可达o 5 c m s 测度精度可以达到0 1 5 毫弧度。 g p s 的基本定位原理是：卫星不断地发送自身的星历参数和时间信息，用 户接收到这些信息后，经过计算求出接收机的三维位置、三维方向以及运动速 度和时间信息。 浙江大学硕士学位论文 测出每颗可视o p s 卫星的导航信号从卫星到用户接收设备天线的传播时 间，乘上电波传播速度，即可计算出卫星到用户天线之间的距离。测量传播时 间要用到两个不同的时钟。第一个时钟在卫星上，记录信号接收时间；第二个 时钟在接收机上，记录信号接收时间。这两个时钟彼此不同步，因而在时间的 测量上存在着偏差，假设卫星都与g p s 标准时间同步，则时间偏差只决定于接 收时钟。g p s 接收机就是根据这些信息去计算它与上空卫星的距离。 接收机确定卫星到用户的距离的方法是：调制机内产生的一个伪随即编码 序列，使之与卫星发射的一个同样的序列相匹配；根据调制量的大小即可确定 卫星的编码序列到达接收机所需的时间；再根据此时间量和已知的信号速度即 可求出卫星到用户的距离。伪距离计算公式如下： r i = c t i 式中，r i 伪距离( i = l ，2 ，3 ，4 ) ；c 光速；t 广信号从一个卫星到 达接收机所需的时间( i = 1 ，2 ，3 ，4 ) 。 利用这种方法可消除接收机与卫星时钟不同步而产生的测量误差。公式中 的c b 是距离校正量，根据用户移动时测得的卫星载波频率的多普勒频移可以 测出用户的移动速度。 雷达是利用目标对电磁波的反射( 或 称为二次散射) 现象来发现目标并测定其 位置，目标的距离，方位，仰角和速度等 信息的。我们现以典型的脉冲雷达为例来 说明雷达测量的基本工作原理 7 j o 图1 3 3 所示为这种雷达的简化示意图，它由一个 发射天线、一个接受天线和一个能量监测 装置( 接收机) 所组成。发射的电磁波一 圈1 3 3 脉j 中口迭示意田 部分能量被雷达目标所接收，并且在各个方向上产生二次散射。雷达接收天线 收集散射回来的能量并送至接收机对回波信号进行处理，从而发现目标的存在， 并提取目标位置和速度等信息。实际的脉冲雷达发射和接收共有一个天线，以 使结构简化，体积重量减小。 雷达对目标斜距的测量是利用回波信号往返于雷达和目标之间，它滞后于 匐曲 、 鸥 浙扛大学硕士学位论文 发射脉冲一个时间t 。则，r = c v 2 ，r 是目标的距离，c 是光速。 由于电磁波传播的速度很快，雷达技术常用的时间单位为微秒，回波脉冲 滞后于发射脉冲为个微秒时，所对应的目标斜距离r = c v 2 = 1 5 0 r n 。 雷达对目标角位置( 即方位角或仰角) 的测量基本上都是利用天线的方向 性来实现的。雷达天线将电磁波能量汇集在窄波束内，当天线波束轴对准目标 时，回波信号最强，而偏离目标时回波信号减弱。根据接收回波最强时的天线 波束指向，就可以确定目标的方向。这就是角坐标测量的基本原理。 雷达测距的特点是：测量距离较远、系统设备较贵、精度较高，在军用和 民用领域都有比较广泛的应用。 声纳探测技术和雷达相似，一般认为，声纳是利用声波在水下的传播特性， 通过电声转换和信号处理，完成水下目标探测、进行水下通讯或遥测、遥控设 备。声纳作为一种有效的工具，已经被广泛应用于水下观测活动之中。声纳也 被称作“水下雷达”【8 1 ，因为在结构上或工作原理上，声纳和雷达都很相似： 其间的主要差别在于：前者是借助声波进行工作，观测的是水里的东西：后者 是利用电磁波工作的，观测的是空气中的目标。声纳一般由发射机、接收机、 换能器和指示器，等几大部分构成。 这些技术虽然成熟，但结构复杂，体积大，价格也往往昂贵。本设计经过 比较选择，最终决定采用的测距定位方法是红外控制超声波测距，这种方法成 本低廉，易于实现，精度也比较高，很适合于民用的小型廉价的多目标测控系 统。在后面章节中我们将进行具体详细的介绍。 1 3 5 无线通信技术 现代无线数据通信从传输的载波来看，主要可以分为无线电波和红外线两 种。利用无线电进行数据信号传输，一般是要先对数字信号进行调制，调制方 式一般常用的是f s k ，a s k ，p s k 等，经过调制的信号送到电台里，再与载波 进行混频，然后通过天线发送出去；接收端将天线接收到的信号送入无线电接 收机，放大，解调出f s k 等音频信号，再通过解调器还原出数据信号( 图1 3 4 ) 。 浙江大学硕士学位论文 图1 3 4无线电数据传输 无线电通信方向性要求不高，可靠性也较高，所以是很适合本文系统设计 要求的，所以在本文系统设计中，我们保留了无线电通信的设计，但是由于若 采用调制解调技术，电路的结构比较复杂，成本高，体积也较大，不利t - d 型 化和游泳者携带，所以我们采用了相对简单的基带调频无线通信电路。红外辐 射由于频带宽、速率高、保密性强等特点，适合于许多短程高速的无线通信系 统。本系统采用了红外无线技术进行数据通信控制。 红外通信技术采用红外线做通信载波，由红外发射器、红外接收器来完成 信号的无钱收发。在发送端，对待发送的数字信号经适当的编码后，送入电光 变换电路，驱动红外发光二极管，向空间发射红外光脉冲；在接收端，红外接 收器从空间接收红外光信号并进行光电变换，并进行均衡、判决、解码等，恢 复出原始信号【1 4 】。 1 4 技术应用前景 以上介绍了目前国内外的定位测量，通信和数据实时处理等技术的发展概 况，其中的定位监测技术已经发展的相当成熟的阶段，但是g p s 技术成本过于 高昂，而且在一般小型场合如游泳池，是很难派上用场；雷达等无线电方式进 行探测也是无法施展其技术优势；只有声纳技术中的超声波探测技术是可以在 游泳池这样的小环境中运用的。所以，比较几种现代的定位监测技术，可以说， 本课题在构思和应用前景方面有着低成本，外观小巧，小范围内精确定位等优 点。针对本课题研究的对象和环境游泳池的游泳者，我们采用红外通信为 主，无线电通信为辅。使通信的可靠性增加。 综上所述，本课题所研究的系统是结合了定位测量、通信和数据实时处理 这三方面的技术，并进行优化组合，协调开发的实用系统，最终要求整个系统 成为有自主知识产权的有实用意义的应用系统。 第二章技术路径及功能电路设计 在种类繁多的单片机系列产品中，m c s 5 1 系列单片机产品以它优异的性 能，低廉的价格得到了广泛的应用，象8 0 5 1 ，8 0 3 1 ，8 7 5 1 ，8 0 c 5 1 ，8 0 c 3 1 等 型号( 前三种为c m o s 芯片，后两种为c h m o s 芯片) ，它们的结构基本相同， 其主要差别反映在存储器的配置上有所不同。8 0 5 1 内部设有4 k 字节的掩模 r o m 程序存储器，8 0 3 1 内部没有程序存储器，而8 7 5 1 是将8 0 5 1 片内的r o m 换成e p r o m 。而a t 8 9 c 5 1 5 2 则是从8 0 5 1 系列单片机优化派生出来的性能更 优越的，与m c s - 5 1 兼容的新一代单片机。其主要特点是具有低压低耗和f l a s h 存储器功能，因此我们选用性价比相对较高的a t 8 9 系列f l a s h 单片机，作为主 机和从机的控制核心。主机采用管脚功能与8 0 5 1 完全相同的a t 8 9 c 5 1 单片机， 针对从机的小巧和便携式设计，我们采用的是只有2 0 个管脚的简约型 a t 8 9 c 2 0 5 l 单片机。 本章除了简单介绍a t 8 9 c 5 1 5 2 和a t 8 9 c 1 0 5 l ，2 0 5 1 单片机的结构特点外， 还介绍了多目标定位与监测系统的超声波测距定位方法，以及几个主要的功能 模块电路的设计，如从机状态检测电路，人机接口电路设计，电力检测等。 2 1a t 8 9 c 5 1 2 0 5 1 单片机的结构和工作原理 2 1 1主机的核心a t 8 9 c 5 1 美国a e l 公司的a t 8 9 c 5 1 是一 种低功耗，低电压、高性能的8 位单片 机，片内带有一个4 k 字节的f l a s h 可编 程可擦除只读存储器( p e r o m ) ，它采 用了c m o s 工艺和加广l “e l 公司的高密 度非易失性存储器( n u r a m ) 技术， 而且其输出引脚( 如图2 1 1 所示) 和指 令系统都与m c s - - 5 1 兼容【3 】。片内的 f l a s h 存储器允许在系统内可改编程序 a t 8 9 c 5 1 ( d i p ) f i 由v c c p 1p 0d a d 0 p 12# t o i i a d i p 13阳枷2 p 14呻3 h i ) 3 p 1 j呻伽4 p 6p 05 ，l _ 0 5 p 17 p 0 8 t a d 8 r s tp 0 a 0 7 1 = 3 0 r x oe 筮衄 p 3 1 m 皿m 甘衄趣 2 ，衄p s e n p 3 , 3 i n t f户2 圳5 p 3 盯0p 2 , 引 a 1 4 阳5 压lp 25 1 a 1 3 p 3 6 ，帅p 2 4 a 1 2 7 檬dp 23 1 a 1 1 x t n , 2p 2 工，瑚d x t i ip 2 1 椭 g n d心o ，舶 图2l 1a t 8 9 0 5 1 的引脚 浙江大学硕士学位论文 或用常规的非易失性存储器编程器来编程。因此，本系统设计选择了a t 8 9 c 5 1 这样一种功能强，灵活性高且价格合理的单片机作为主机的核心。 a t 8 9 c 5 1 具有下列主要性能：4 k b 可改编程序f l 硒h 存储器：全静态工作： 0 i - z 2 4 m h z ；三级程序存储器保密；1 2 8 8 字节内部r a m ：3 2 条可编程f o 线；2 个1 6 位定时器计数器；6 个中断源：可编程串行通道；片内时钟振荡器。 它的结构框图如图2 1 2 所示。各主要引脚功能说明如下： p o 口：是一个8 位漏极开路的双向f o 口。作为输出口用时，每位能以吸 收电流的方式驱动8 个r r l 输入，对端口写l 时，又可作高阻抗输入端用。在 访问外部程序和数据存储器时，它是分时多路转换的地址( 低8 位) 数据总线， 在访问期间激活了内部的上拉电阻。 p l 口：是一个具有内部上拉电路的8 位双向u o 口。p l 的输出缓冲器可驱 动( 吸收或输出电流方式) 4 个t t l 输入。对端口写1 时，通过内部的上拉电 阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。 p 2 口：是一个具有内部上拉电路的8 位双向f o 口。p 2 的输出缓冲器可驱 动( 吸收或输出电流方式) 4 个t t l 输入。对端口写l 时，通过内部上拉电阻 把端口拉到高电位，这时可用作输入口。 裹2 1 1p 3 口各引脚与专用功能表 口引脚替代的专用功能 p 3 0r x d ( 串行输入口) p 3 1t x d ( 串行输出口) p 3 2 i n t o ( 外部中断0 ) p 3 3 i n t 1 ( 外部中断1 ) p 3 4t o ( 定时器0 的外部输入) p 3 5t i ( 定时器i 的外都输入) p 3 6 一w r ( 外部数据存储器写选通) p 3 7一r d ( 外部数据存储器读选通) p 3 口：是一个具有内部上拉电阻的8 位双向i o 口。p 3 的输出缓冲器可驱 动( 吸收或输出电流方式) 4 个r r l 输入。对端口写l 时，通过内部的上拉电 阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。在a t 8 9 c 5 1 中，p 3 端口还用于一 些专用功能，这些兼用功能见表2 1 1 。 图2 1 2a t 8 9 c 5 1 结构框图 浙江大学硕士学位论文 r s t ：复位输入。当振荡器工作时，在此引脚上出现两个机器周期的高电 平将使系统复位。 a l e p r o g ：当访问外部存储器时，a l e ( 允许地址锁存) 的输出用于 锁存地址的低位字节。即使不访f a l # b 部存储器，a l e 端仍以不变的频率( 此频 率为振荡器频率的1 6 ) 周期性的出现正脉冲信号。因此，它可用作对外输出 的时钟，或用于定时目的。 删：外部程序存储器读选通信号。当a t 8 9 c 5 1 在对外部程序存储器读 取指令时，每个机器周期将伊s e n 激活两次。在此期间内，每当访问外部数据 存储器时，将跳过两个p s e n 信号。 尉v p p ：访问外部程序存储器允许端。为了能够从外部程序存储器的 0 0 0 0 h 至f f f f h 单元中取指令，e a 必须接地。执行内部程序，e a 应接v c c 。 2 1 2 从机的核心a t 8 9 c 2 0 51 a t 8 9 c 2 0 5 1 单片机是一带有2 k 字节闪速可编程可擦除只读存储器的低压， 高性能8 位c m o s 微型计算机【3 】。它采用a t m e l 的高密非易失存储技术制造 并和工业标准m c s - 5 1 指令集和引脚结构 ( 如图2 1 3 所示) 兼容。通过在单块芯片上 组合通用的c p l l 和闪速存储器， a t 8 9 c 2 0 5 l 是一强劲的微型计算机，它对 许多嵌入式控制应用提供高度灵活和低成 本的解决方案，完全能够满足本文系统从 机的功能设计要求。 a t 8 9 c 2 0 5 1 ( d i p ) r s t a r a p 、圮c p 3 0 1 r x dp 17 p 3 1 九x 0p 0 x i ： l 2p ，5 x t p 4 l p 14 l a 3 2 n 幽 p 1 3 p 3 ，3 ，l n t lp 1 工 p 3 4 ，mp 11 ，h 1 p 3 ，5 1 1p i 喇啪 o h dp 37 图2 13a t 8 9 c 2 0 5 1 的引脚 a t 8 9 c 2 0 5 1 提供以下标准功能；2 k 字 节闪速存储器，1 2 8 字节r a m ，i s 根i o 引线，两个1 6 位定时器肼数器，一 个五向量两级中断结构，一个全双工串行口，一精密模拟比较器以及片内振荡 器和时钟电路。另外，它可以在2 7 v 6 v 电压范围内操作，具有可编程串行 u a i 玎通道，直接l e d 驱动输出。它的结构框图如图2 1 4 所示。 其引脚，现说明如下： 浙江大学硕士学位论文 p 1 口：p 1 口是一8 位双向i o 口。引脚p 1 2 p 1 7 提供内部上拉电阻。 p 1 0 和p 1 1 要求外部上拉电阻。p 1 o 和p 1 1 还分别作为片内精密模拟比较器 的同相输入( a 1 n 0 ) 和反相输入( a i n l ) 。p 1 口输出缓冲器可吸收2 0 m a 电流 并能直接驱动l e d 显示。当p 1 口引脚写入“1 ”是，其可用作输入端。 p 3 口：p 3 口的p 3 0 p 3 5 、p 3 7 是带有内部上拉电阻的七个双向i o 引脚。 p 3 6 用于片内固定输入，不可访问。p 3 口缓冲器可吸收2 0 m a 电流。当p 3 口 引脚写入“l ”时，它们被内部上拉电阻拉高并可用作输入端。 p 3 口还用于实现a t 8 9 c 2 0 5 1 的各种功能，如表2 1 _ 2 所示。 r s t ：复位输入。r s t 一旦变为高电平所有的i o 引脚就复位到“l ”。当 振荡器正在运行时，持续给出r s t 引脚两个机器周期的高电平便可完成复位。 每一个机器周期需要1 2 个振荡器或时钟周期。 表2 1 _ 2p 3 口各引脚与专用功能袭 口引脚功能 p 3 or x d ( 串行输入端口) p 3 1t x d ( 串行输出端口) p 3 2 i n t 0 ( 外中断0 ) p 3 3 i n t i ( 外中断1 ) p 3 4t o ( 定时器0 外部输入) p 3 5t 1 ( 定时器1 外部输入) i _ 一 图2 1 4a t 8 9 c 2 0 5 1 结构框图 9 浙江大学硕士学位论文 2 2 超声波测距定位技术及其电路设计 2 2 1 测距定位方法 虽然卫星定位、雷达、激光、微波等高精度的测速测距方法都可以用于多 目标测距定位系统，但从本课题要实现的技术精度和成本考虑，我们采用超声 波进行测距，并进行二维定位。超声波测距定位技术具有结构简单，价格便宜， 体积小，易于实时控制等优点。超声波是指2 x1 0 4 1 0 1 0 h z 的声波，其方向性 较强。超声测距原理很简单，一般采用渡越时间法：即d = c t 2 ；其中d 为 操作物与被测物之间的距离，c 为声波在介质中的传播速度( c = 3 4 4 m s ，取 2 0 时) ，t 为超声发射到返回的时间间隔【9 】。 但是本课题的对象是移动目标游泳者。采用上述往返程测距存在两个 问题，一个是目标移动，超声反射面小，不易准确捕获反射声波；其次是上述 方法的测距范围很有限，如果采用单程测距就可以很大程度的提高测距距离。 图2 2 1 所示为本课题所采用的单程渡越时间法的示意图。 图2 2 1 单程渡越时间法 主机通过无线或者红外的方式发出测距指令给从机，并开启定时器，计时 时刻开始，从机确认指令后发出超声波信号，主机接收到超声波后计算所用时 间t 。那么，从机的超声波发射头到主机接收头之间的距离d = c x t 。在这一 过程中，由于主机发送无线信号的速度以及从机接收响应的时间同超声波传播 速度相可以忽略，因此可以直接应用上述的距离计算公式。 以游泳池为研究对象，那么我们至少需要知道游泳者的二维位置参数，即 定位参数。那么我们可以采用直接二维定位和间接二维定位等方式。 浙江大学硕士学位论文 直接二维定位：如图2 2 2 所示，在长方形游泳池的某条长边上取直角坐 标的y 轴，短边为x 轴，并将主机的超声波接受器安置在a ( 0 ，0 ) 和b ( 0 ， p ) 两点，设某游泳者的坐标为s ( x ，y ) ，则主机可以测算出s a 和s b 两个线 段的长度，那么得到以下方程组： rs a 2 ：( x - 0 ) 2 + ( y - p ) 2 l s b 2 = ( x o ) 2 + o ) 2 解上述方程组，即可得到s 的位置坐标： y = ( p 2 s a 2 + s b 2 ) 2 p ， x = 船2 一y 2。( 取正值) 间接二维定位：为了避免由于超声波的方向性 引起的测量误差或失误，我们可以将超声波接收机 放置在游泳池的上空( 如图2 2 3 所示) 。 ( 玑o ) 图2 2 2 直接二维定位法 图2 2 3 间接二维定位法 ( a ) 示意图( b ) 俯视图 在游泳池的上方h 高处放置两个接收机a 和b ，处于游泳池的中心线上， 调节从机的发射方向，就基本可以消除超声波的方向性影响。至于a 、b 的放 置的高度和距离，需要经过实验进行选取。假设a 、b 两点在游泳池平面的投 影分别为a 、b ，它们的坐标已知，线段a a = h 。