基于CPLD的超聲測距系統設計

楊 明，周金芝，鄭祥明

亳州師范高等專科學校理化系，安徽亳州，236800

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基于CPLD的超聲測距系統設計

楊 明，周金芝，鄭祥明

亳州師范高等專科學校理化系，安徽亳州，236800

基于CPLD的超聲測距系統已受到越來越多的關注，提出了一種更便捷的近距離測距方法，設計了以CPLD芯片為核心的超聲測距系統，增設了溫度測量電路、回波轉換電路以消除溫度及時間等造成的測量誤差。該系統具有體積小、升級方便等優點。實驗測試結果表明，該系統測距精度較高，能夠滿足工程上的需求。

超聲波；CPLD；超聲測距；報警功能

超聲測距作為一種無損的非接觸測量方法，在工業、勘探和定位等方面具有越來越多的應用，與激光、無線電等其他測距方法相比，它傳統、實用、成本低、結構簡單，在惡劣的環境中還具有一定的適應能力，而且不受外界電磁場、光等因素的影響。近年來，室內機器人與室內監控技術均已受到越來越多的關注[2]，本文設計一種基于CPLD的超聲測距系統，通過豐富的片內資源及較高的運行速度能夠減少延時誤差，提高測量精度。

1 超聲波測距原理

一般情況下，人們采用雙壓電陶瓷晶片制成的壓電超聲波傳感器測量距離。根據壓電效應，當有大小與方向均不斷變化的交流電壓在壓電陶瓷上加載時，壓電陶瓷晶片會產生機械變形，通過共振產生超聲波[1]，超聲波經由液體或固體表面反射，由相鄰的傳感器接收，測量計算發射接收時間t，便可利用公式求得被測點到測試點的距離s。

(1)

式中，C為超聲波傳播速度，單位為m/s，超聲波在空氣中傳播的速度受到溫度T的影響較大，超聲波速度C與環境溫度(℃)的關系式是：

(2)

超聲波測距能力受到各種因素的影響，就測量距離而言，若距離較長，超聲波傳播損失相對增加，為此需要降低頻率；但是抬升工作頻率，可以提升傳感器的方向性，對目標尺寸的細節容易辨識，可以提高物體表面測量精度；從傳感器設計角度看，傳感器尺寸和工作頻率高低是成反比的，在要求低功率的情況下，傳感器的尺寸越大，制造和安裝越困難。本文選用適應于在空氣中測量距離的40kHz的超聲探頭，提高了信噪比，避開了噪聲，發射接收容易。

2 系統組成

針對微環境下的超聲測距系統受到傳播衰減及溫度影響，本系統從硬件、軟件綜合考慮設計如圖1所示的系統，該系統選擇了UCM-T(R)40K1收發分體式傳感器[6]。超聲波發生器產生40kHz左右的脈沖,經調制后驅動發射電路、發射探頭。接收電路設計了數碼顯示電路、報警電路、溫度檢測電路及控制器電路模塊等。系統顯示電路運用七段四位數碼管，控制器模塊選用EPM7128SLC84-15芯片。

2.1 超聲波發射接收電路

超聲波發生器[3]的輸出u0應為40kHz左右的方波脈沖信號，選用555定時器構成的多諧振蕩器產生方波，如圖2所示，取Vcc= 5V,R1=100Ω,R2=15kΩ,C=1nF，測得輸出頻率為39.6kHz,占空比約為50%。超聲波的發射是利用超聲波發生器來完成的，為了提高輸入到發射探頭的電壓及其功率，采用雙電源互補對稱功率放大電路。

圖1 超聲測距系統框圖

超聲波接收電路模塊有前置放大電路、帶通濾波電路及檢測電路等。前置放大電路如圖2所示，針對有用信號(如發射電路產生的40KHZ)的超聲波信號進行放大，電壓放大倍數的調節可通過調節R2和R3阻值來實現，通過平衡電阻Rp可以消除漂移對輸出端的影響。在本設計系統中，取R2=2kΩ,R3=200 kΩ,Rp=2 kΩ，可將電壓放大倍數設為100倍；帶通濾波電路選用由TL082運算放大器和其外圍電阻、電容等構成的帶通濾波電路。在低頻段系統,總噪聲主要集中表現為50 Hz工頻干擾以及室內環境噪聲;在高頻率段系統,總噪聲主要表現為接收機的內部噪聲。接收電路經過此帶通濾波電路以后，在通頻帶以外的無用信號被衰減，而只有40 KHz左右的有用超聲回波信號被保留下來，送到檢波電路的輸入級，從而將信噪比較高的輸入信號提供到下一級的檢波電路中。選用LM393(OC)電壓比較器作為檢測電路器件，將濾波放大后的正弦波變成矩形波，輸出高電平約為5 V,可直接驅動TTL電路，連接控制器電路中的RS觸發器，控制其輸出發生翻轉，測距結束。

圖2 超聲波發射接收電路

2.2 數碼顯示及測溫電路

數碼顯示選用4位LED數碼管作為顯示器[4]，一個74LS48和一個LED數碼管連接成一個74LS48驅動電路，數碼管可從0～9顯示，表示距離s是×××mm的數值及目前環境溫度為××℃，2種數值分時間段顯示，間隔5秒。測溫電路采用DS1820數字溫度計采集,測量范圍為-55～125℃,-10～80℃時測量精度為0.5℃,根據實測溫度值代入(2)式計算超聲波實際速度,可校正測量結果。

2.3 控制器電路

控制器電路是本系統的核心，如圖3示。系統在發出超聲波時開始計數,在收到反射波時停止計數，并顯示當前結果。本系統還設置了報警臨界值，測量時，當實測距離大于臨界值時就發出“嘀嘀”報警聲響。系統的區分度為1 cm,采用4個數碼管顯示輸出結果，運用了動態掃描顯示方法來減少引線。

模塊用一塊EPM7128SLC84-15芯片來實現。EPM7128SLC84-15是Altera公司生產的基于高性能EEPROM結構的CPLD[5]，工藝采用的是CMOS結構，并以第二代矩陣結構作為基礎，完全符合IEEE 1149.1 JTAG邊界掃描標準。圖中“Multiplexer”為4選1多路選擇器,用來控制顯示譯碼器“74LS48”的輸入端口連接的數據；“RS觸發器”用來控制“12D鎖存器”及計數器的狀態；“74LS373”為8位鎖存器；“comparator”為8位比較器，用來比較預置數值和實際測量值，輸出連接到報警電路，當測量值高于預置的報警臨界值時，蜂鳴器就會發出警報。

圖3 控制器模塊原理圖

圖4為系統測試時序圖，當控制信號發出后，超聲波發出8個40 kHz脈沖寬度為200 μs的方波脈沖，接收波為幅值衰減的正弦波及經過電壓比較器LM393得到的方波。通過波形測出發射接收的時間T，代入公式便可測出距離，其中V是室溫在20℃的聲波速度，約為334 m/s，最后處理后的測量結果會通過數碼管顯示出來。

圖4 系統測試圖

3 實驗結果及分析

表1為測量數據及誤差表，可以看出測量范圍在300～2 000 mm內的誤差較少；在200 mm以內誤差較大，2 500 mm以后的數據誤差明顯，引起測量誤差的原因有：(1)近區測量時，超聲波發射接收探頭擺放位置偏差較大，甚至導致存在一定范圍的盲區。(2)遠區測量誤差較大，一是由于發射功率不夠大，測量距離不遠；二是由于反射物表面不平整，反射信號是從垂直于兩探頭的軸線之外的點傳來；三是發射探頭發出的超聲波是呈喇叭狀擴散傳播，導致測量結果必然有誤差。但總的實驗結果誤差在厘米級,完全可以滿足近距離測距等工程測量要求。

表1 實驗數據及誤差

4 結束語

本文設計的基于CPLD芯片為核心的超聲測距系統，增設的溫度測量電路可消除環境溫度造成的誤差；回波信號通過電壓比較器轉變成矩形波，可以消除由于傳播距離的增加等造成測量時間的誤差。實驗表明，該系統在近距離中空氣測量精度較高，可以滿足機器人定位、微環境探測、液位測量及室內監控技術等不同環境的需求。

由于超聲測距不受復雜環境下天氣、電磁等方面的干擾，信號處理可靠方便、價格低廉，市場前景十分廣闊。隨著時間的推移，超聲波測距的研究還能夠有所改進。首先，研究更先進的超聲換能器制造材料。由于換能器采用磁致伸縮或壓電陶瓷材料，應用時存在阻抗失配，產生盲區，使測量精度及分辨力受到影響。其次，微環境下的非接觸測距技術(包括超聲波測距、雷達測距、紅外線測距、激光測距等)整合。是否可以通過再組合的形式取長補短，使產品適應更復雜的環境，測量出更精確的結果，也值得今后去深入探討。

[1]李戈,孟祥杰,王曉華,等.國內超聲波測距研究應用現狀[J].測繪科學,2011,36(4):60-62

[2]唐小超.室內超聲定位的測距系統和通信機制的研究[D].合肥：安徽大學電氣工程與自動化學院,2010:26-27

[3]董峰,許水源,許增天.一種高精度超聲波測距處理方法[J].廈門大學學報：自然科學版,1998,37(4):50-57

[4]吳超.基于FPGA的超聲波測距系統[D].武漢：武漢理工大學理學院,2009:14-16

[5]宋萬杰,羅豐,吳順君.CPLD技術及其應用[M].西安：西安電子科技大學出版社,1999:71-76

[6]郭曉霞.基于多超聲波傳感器的植苗點智能檢測技術研究[D].北京：北京林業大學工學院,2013:15-17

(責任編輯：汪材印)

10.3969/j.issn.1673-2006.2014.05.023

2014-02-26

安徽省高等學校省級優秀青年人才基金項目“高職電子類專業實訓網站開發研究”(2012SQRL274)。

楊明(1982-)，安徽淮北人，博士生，講師，主要研究方向：集成電路設計、計算電磁學及天線理論與技術等。

TB559

A

1673-2006(2014)05-0075-04