基于DSP和单片机的超声波测距系统.doc

基于DSP和单片机的超声波测距系统陶建平1，尹文庆1，柳军2（1.南京农业大学 工程学院,江苏南京 210031 中国 2.东南大学 仪器科学与工程院,江苏南京 210096 中国） 摘要：文中设计了一种新型的超声波测距系统，系统以单片机和DSP为双控制核心，提出以单片机控制，利用包络检波，微分过零点检测电路确定回波包络峰值点时间，粗测得到一个误差为一个波长以内的测距结果。之后采用DSP控制进行FFT精测相位差，将粗测和精测的结果进行数据整合，实践证明这种方法有效地提高了测距的精度。关键词：超声波测距；DSP；单片机；数据整合中图分类号：TH711 文献标识码: BUltrasonic detection Ranging System based on DSP and MCU Tao Jian-ping1，Yin Wen-qing1，Liu Jun2 (1.Institute of Engineering, Nanjing Agricultural University,Jiangsu Nanjing, 210031 ，China; 2.Institute of Instrument Science and Engineering, Southeast University, Jiangsu Nanjing, 210096 China,）Abstract: This paper designed a new ultrasonic ranging system, which uses the microcontroller and DSP for the control core, using envelope detector circuit structure echo envelope, and through differential zero detection circuit set echo envelope peak time, the microcontroller get a rough result that limited the error within one wavelength ,and then calculate phase separation through FFT based on DSP ,at last both of the results should be integrated. This method has been used effectively in improving the measurement accuracy.Key Words: Ultrasonic Ranging; DSP; MCU; data integrate0 引言超声波作为一种特殊的声波，由于其指向性强，在空气中传播速度相比光速要小很多，其传播时间容易检测，因此目前超声波测距广泛采用的是回波-渡越时间的方法1：检测从超声波发射器发出的超声波，经气体介质传播到接受器的时间即渡越时间。渡越时间与气体中的声速相乘，就是声波传输的距离。文献中广泛采用的是基于单片机的超声波回波-渡越时间测距方法，其精度很难做的很高，其原因在于系统时钟比较低，基准时间固定，而且回波峰值时刻检测倒推前沿时刻不准，或者是存在阈值门限等问题都使得这种方法很难将误差做到半个波长以内，这个问题的解决关键是建立一个误差修正的机制。本文在此提出了基于DSP构建FFT检相，对基于单片机回波-渡越时间法出来的距离进行数据整合修正误差，这种方法对于超声波级联大距离测距有着很高的实用意义。1 基于单片机粗测模块的设计粗测部分采用的是包络峰值点检测法。粗测部分控制核心采用单片机，单片机在上电复位以后，首先初始化工作，启动测温电路，为后续计算声速提供实时温度数据以期获得一个比较准确的声速值，40Khz超声波在空气中的传播公式2为C=331.5+0.607T 。然后软件定时控制555发射10个脉冲驱动超声波换器，启动发射模块驱动超声波序列的同时开始计时，回波信号通过调理判断之后停止计时得出往返时间，以此时间为基准减去包络峰值点与回波前沿的差值作为粗测的结构。2 基于DSP精测模块的设计2.1设计总体思路精测部分采用FFT数字检相法。具体的模块框图如图1，由于精测部分不需要去确定传输距离中的整波长个数，只需对不足波长进行测量，因此选用相位差测量的方式作为实现手段，为了保证精测部分能够以粗略测量时间为基准成功启动A/D转换对发射信号和回波信号进行FFT检相，粗略测量和精确测量驱动发射方式不同，前者发送一个有限长脉冲序列，而后者则保持连续发射，因此不能在一次测量过程中将两者同时完成。粗略测量后开始精确测量工作，控制持续驱动发射超声波并以粗略测量结果为基准进行定时工作，当定时工作完成时启动对发射信号和回波信号的A/D采样，并利用数字信号处理单元对其进行FFT检相，依此求出两者之间的相位差，此即为精确测量的结果。图1. 测距硬件模块框图2.2数据整合方式粗测的方法是为了得到一个整波长的数目，精测出来的相位差转化为一个波长的部分的精确数值，理论上讲两者相加应该得到一个比较精确的值。但实验中发现，这种整合有一定缺陷，例如假设实际距离为1250.8，当粗测结果为1251.2，精测结果为0.7时，简单取整反而会把误差扩大到0.9，存在着整波个数是否需要加一或减一的问题。由此可以看出，数据融合的方式与粗测误差大小有很大的关系，直接影响到数据整合的方式，考虑到实际粗测实验的结果，发现粗测部分已经可以把误差控制在0.4以内。本文提出分三种情况进行讨论数据整合方式：粗测结果小数部分与精测结果差之绝对值在0.4以内，直接取粗测结果整波长数目与精测结果相加。例如粗测为1250.5，精测结果为0.7,粗测小数部分和精测部分之差在0.4以内，直接将其整数部分与精测结果相加，则测量结果为1250.7，误差明显减小；粗测结果小数部分与精测结果差之绝对值大于0.4且为正向值（即粗测距离大于实际距离）时，将粗测整波长数目减1后再与精测结果相加。例如粗测结果为1251.1，精测结果为0.9，如果直接取整相加结果为1251.9，误差反而扩大，在此首先用1250来替代1251，则同样可以将误差明显减小；粗测结果小数部分与精测结果差之绝对值大于0.4且为负向值（即粗测距离小于实际距离）时，将粗测整波长数目加1后再与精测结果相加。例如粗测结果为1250.9,精测结果为0.1,在此用1251替换1250，最终测量结果为1251.1，相比原来简单相加则误差明显减小。3 通讯机制在粗略包络测量和精确相位测量工作完成之后，需要单片机将粗测数据传递给DSP，DSP对两次测量数据进行整合作为最终测量结果以供显示，相关课题选用的是单片机P89V51和TMS320LF24073中都集成了SPI控制器，最高传输速率可达到10MHz, 采用SPI作为两者数据交换的通道，速度快，且抗干扰强，可以通过设置相关控制寄存器，将SPI模块设定为主机或从机。本系统中是将DSP作为接收数据的设备，SPI模块设置为从机模式。同时在DSP一端可增加多通道进行选通，使得多级粗测加一级精测做成级联测距的系统，有效的降低成本，增加可测距离。4 系统软件设计4.1整体设计流程系统软件设计的对应的分为三个部分：粗略测量控制算法模块、FFT检相模块和数据传输整合模块，流程如图2所示。整个测量过程由人工控制触发，首先进行粗略测量部分的控制和计算工作，得出粗略测量时间。在粗略测量工作完成之后，自动开始相位测量工作，以粗略测量结果作为定时启动对发射脉冲序列和接收回波信号的A/D采样及FFT检相工作，以得到信号间相位差数据。最后根据前面提出的数据整合算法计算最终结果并给予显示以便观察。全过程只需要人工一次触发，其后过程全部自动完成，达到了实时性、自动化的要求。图2.软件设计流程图4.2 FFT检相信号采样后，对数据进行FFT处理则得到信号的离散频谱，通过选定具体的采样频率和FFT计算点数可将基波信号确定在FFT序列的固定位置之上，虚部数值和实部数值的比值反正切即为基波相位。为了追求运算速度，发挥DSP指令系统的优势，本设计采用了TI公司的FFT程序4，采用时间进行抽取，基数为2，将检相的过程转化成对FFT库调用，本设计的相位检测流程如下：把输入的N个信号数据序列按位码倒置方式重新排列，该步骤使用void FFTC_brev1(int *src, int *dst, int size)函数，src为对信号采样后的数据存储空间起始指针，dst为就地计算数据缓冲区起始指针，size则为FFT大小，一般情况下src空间大小为N，dst空间大小为2N；零化复数输入信号序列的虚部，调用形式为fft.izero(&fft)；进行N点基数为2的复数FFT计算，调用形式为fft.calc(&fft)；取出输出复数序列中的相应单元，调用数学库“math.h”中的反正切函数得出基波信号相位，在单周期整周期采样的前提下，基波实部和虚部分别存储在第三、四个单元之中。如果为多周期采样情况，基波实部和虚部存储单元则按采样比率类推。5 小结在深入研究超声波传播特性的基础上，结合了目前流行的超声波回波-渡越时间测距的优缺点和既有精度，提出了一种粗精两次测量结果整合的方法，将两次测量的结果进行有效整合，然后进行了粗略测量模块和精确测量模块的具体方案设计，分别由包络峰值时刻测量模块和FFT相位差测量模块来实现。充分体现出低成本单片机和上位主控DSP功能强大的优点，应用在水位自动化检定装置样机中，其测试效果为单程2米，测量误差最大为0.5%，级联5个粗测模块10米范围内误差仍在0.5%，有着可靠的精度和可重复性。参考文献1 李茂山.超声波测距原理及实践技术J.成都:实用测试技术1994，(1):12-20.2 赵占林,刘洪梅.超声测距系统误差分析及修正J.太原:科技情报开发与科技,2002,(6):144-145.3 张毅刚,赵光权.DSP原理、开发与应用M.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社2006:191