基于DSP技術的智能聲波測距系統設計

陳頌韶

【摘 要】超聲波指超出人類聽覺范圍的聲波，具有測距精度高、指向性強等特征，作為涉及物理學、電子學、材料科學等多門學科的一項常用技術，如今超聲波在測距系統中得到了廣泛的應用。文章從超聲波測距原理入手，分析了測距誤差，探討了基于DSP技術的智能聲波測距系統硬件與軟件設計，以期為相關人員的研究提供參考。

【關鍵詞】DSP;超聲波;測距系統;精確度

【中圖分類號】TP274 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2021）12-0044-03

0 引言

隨著我國科學技術的不斷發展，測距手段越來越先進且多樣化，與此同時，測距手段在作業過程中的各種局限性逐漸顯現。此外，人們對測距設備使用中的安全性也提出了更高的要求。超聲波測距技術憑借指向性強、防霧性、防塵性及非接觸式等一系列優點受到人們的推崇和廣泛應用。近年來，研究人員針對超聲波測距技術展開了廣泛研究，而作為超聲波測距技術研究的一條新思路，改良超聲波測距技術對促進測距儀的發展有著十分重要的意義[1]。如今，我國相關領域的研究人員針對超聲波測距系統展開了大量的研究，但測距范圍仍面臨一定限制，主要集中在3～12 m的范圍。一些發達國家生產的超聲波傳感器的測量距離已達到30 m，但是此類傳感器十分昂貴，難以實現全面推廣。對于超聲波測距系統的研究，要求參考數值誤差必須控制在毫米級以內，而通過相關算法可有效提升超聲波測距系統的精確度。本文將對基于DSP技術的智能聲波測距系統設計進行研究和分析。

1 超聲波測距原理概述

超聲波測距系統的工作原理為超聲波發射裝置向某一確定的方向發送超聲波，并開始計時，超聲波在觸及障礙物后會返回至超聲波接收裝置以一個反射波，隨即完成計算，將兩個波發出和返回的相差時間計為t，結合速度距離公式，依據超聲波的傳播速度與時間t，可以計算得出超聲波發射部位與對應測量障礙物之間的距離，即S=340 t/2。超聲波測距系統的精確度受到超聲波振幅、儀器靈敏度、發射模式、入射及反射角度等一定程度的影響[2]。為了提升超聲波測距系統測量覆蓋范圍和縮小測量誤差，可以采用將一組超聲波換能器逐一用作多個超聲發射/接收器設計的方法。超聲波是頻率超出人耳聽覺的彈性機械波，其聲速受傳播介質溫度一定程度的影響，不同溫度下的超聲波聲速見表1。在開展距離障礙物的距離測量過程中，若傳播介質的溫度未發生很大的變化，則可將超聲波的聲速基本認為在傳輸時沒有發生變化，只需要測得超聲波往返障礙物的時間，便可獲取距離障礙物的實際距離[3];分別得出兩個計算公式：

H=Scosθ

θ=arctan（L/H）。

其中，H為發射到障礙物的實際距離，L為兩個探頭之間中心距離的一半。僅需精確獲得超聲波發出并返回信號的時間t，即可計算出超聲波信號發射源與障礙物之間的距離H。需要注意的是，倘若測距精度要求十分高，則應當引入溫度補償方法進行校正。等到超聲波聲速確定后，再測量超聲波往返的時間間隔，計算得到距離。

2 測距誤差分析

2.1 超聲波發生器的發散角和障礙物形狀

超聲波發射器發出的超聲波與障礙物相遇情況如圖1所示。當超聲波能量不變時，超聲波發射器發散角越大，則能量越分散，作用距離越短，抗干擾能力也越弱，因此為了獲取較強的回波信號，應采用發射角相對小的探頭。如果兩個并非處在同一平面上，超聲波路程產生誤差，則勢必影響測距精度，因此要盡可能地防止測量過程中遇到此類結構和形態的障礙物。

2.2 外部溫度

如前文所述，超聲波聲速與外部溫度有著密切聯系，在測距時應當考慮溫度補償問題。結合相關研究發現，超聲波聲速與溫度變化呈負相關關系，也就是外部環境每上升1 ℃，則超聲波聲速會降低0.607 m/s[4]。空氣中超聲波聲速v與外部環境（T）之間的關系，可表示為v=331.4≈331.4+0.607 T，由此表明，若超聲波測距系統在不同外部溫度環境中運行時，超聲波聲速也不盡相同，這會引發一定的測距誤差。

2.3 渡越時間

回波信號可能受一系列環境耦合噪聲，超聲波測距系統中對回波信號始點的識別尤為關鍵。一些研究人員針對超聲波信號耦合噪聲的處理開展了研究，提出了反饋神經網絡法、設計濾波法等處理方法，但這些處理方法只適用于單時域分析信號[5]。由于一些高頻超聲波的耦合噪聲會出現較大的變化，所以上述方法并不適用。依托諸如TMS320F28335硬件乘法器和浮點控制器的優點，通過小波閾值變換算法開展濾波，它作為一種時域與頻域相結合的信號處理方法，可有效提升信號的信噪比，進而實現對回波信號的精確采集[6]。

3 基于DSP技術的智能聲波測距系統硬件與軟件設計

3.1 系統總體設計

本文設計的系統選取TMS320F28335為主控芯片的DSP（Digital Signal Processing）信號處理系統，憑借其可靠的浮點計算優勢，可有效滿足系統的一系列功能要求。結合多元化的外圍資源接口，設計了超聲波測距、電源、LCD顯示、報警等各大功能模塊。系統總體設計結構如圖2所示。

3.2 DSP簡介

DSP技術是一門涉及多個學科領域且廣泛應用于各種領域的新興學科，20世紀60年代以來，伴隨網絡信息技術的不斷發展，DSP技術應運而生并得到迅猛發展。近年來，DSP技術在通信等領域得到廣泛應用。DSP技術是依托計算機或者專用處理設備，通過數字形式對信號開展采集、變換、濾波、增益等處理，以獲取可滿足人們實際需求的信號形式[7]。作為將信號以數字方式進行表示并處理的技術，旨在對現實生活的連續模擬信號予以測量或者濾波。在開展數字信號處理前，應將信號由模擬域轉化至數字域，一般經由模擬轉換器實現。DSP技術具備高效靈活、抗干擾性強、造價低、設備尺寸小等一系列優點，這些都是模擬信號處理技術和設備難以比擬的。

3.3 系統硬件設計

首先，超聲波發射與接收電路設計。在現如今的工業領域，普遍采用頻率為40 kHz 的超聲波。究其原因在于，在40 kHz，超聲波發出的超聲能量可達到最強，并在中心頻率40 kHz兩側呈現不斷下降的趨勢，在相同的前提下，驅動電壓與超聲能量呈正相關關系，由此說明可適當提升驅動電壓以提升測量距離。為滿足系統需求，有針對性地設計單脈沖發射電路，主要由脈沖發生器、放大電路構成，由DSP傳輸的方波信號經PNP型晶體管放大，并通過變壓器芯片提升驅動電壓，使超聲波換能器形成超聲波信號。超聲波信號在空氣中傳播和觸及障礙物后的回波信號強度會逐步縮減，同時在外部環境影響下，會出現強度失穩情況。為實現良好的回波信號采集效果，引入超聲波專用芯片TL852，其運行頻率在20～90 kHz，可滿足系統40 kHz的超聲波信號，諸如回波信號濾波、放大、增益等一系列功能[8]。超聲波接收器頻率-靈敏度特性受輸出電阻一定程度的影響，若輸出電阻大于超聲波傳感器阻抗，則頻率特性極可能出現共振現象，進而會讓超聲波接收器靈敏度出現明顯提升情況;而在輸出電阻相對小時，則對應的接收器頻率特性曲線會趨于平滑，靈敏度下降。為提升超聲波接收器的靈敏度，可調整對應參數，使超聲波接收器的工作狀態與高輸入電阻匹配的前端放大器運行狀況相統一，進而保證超聲波傳感器的靈敏度。

其次，溫度補償電路設計。溫度補償電路選取數字溫度傳感器DS18820對外部溫度開展檢測，其具備操作便捷、耗能低等優點，可以實現對超聲波傳播速度的溫度補償，提升測距精度。

最后，小波閾值去噪子程序設計。小波去噪包括有極大值去噪法、閾值去噪法等一系列方法。基于DSP技術的小波去噪，由于閾值去噪法計算量偏小，并可保持信號奇異性，因此采用小波閾值去噪法對回波信號進行處理。超聲波測距系統中，如果測距相對遠時，回波信號強度會明顯減弱，所以要進行放大電路處理，經由放大電路處理后耦合噪聲亦會放大，會對信噪比帶來不利影響。如前文所述，針對超聲波信號耦合噪聲的處理，通常采用反饋神經網絡法、設計濾波法等處理方法，但這些方法僅適用于單時域分析信號。小波閾值去噪法是一種多通道帶通濾波器，可同時實現對時域、頻域中回波信號的有效處理，并且其可實現對噪聲的全面抑制，使原始信號獲得全面保留，減少信號的最大均方誤差，還不會產生附加的振蕩信號，最終實現良好的超聲波信號耦合噪聲處理效果。

3.4 系統軟件設計

本系統軟件設計基于C語言的開發環境，中控系統裝置于汽車中，超聲波傳感器可裝置于汽車的各個視野盲區部位。超聲波的道路邊緣檢測，依據相關規定，三級以上多車道公路每條車道寬度通常在330～375 cm，小型轎車寬度通常在150～200 cm，車輛定位導航系統對車輛橫向定位精度的要求遠在縱向定位精度之上，依托道路邊緣數據與車道線檢測數據的有效結合，對車道外環境的干擾進行濾除，各組超聲波傳感器平行安裝于汽車的左右兩側。超聲波傳感器獲取的信息為傳感器安裝部位到道路邊緣的距離。所以，系統不僅可以在停車期間測距避障，還可以在行車過程中檢測汽車兩側與相鄰車輛的距離，進一步為汽車駕駛路線規劃調整提供依據。

4 結語

本文對基于DSP技術的智能聲波測距系統設計進行了探討，和以往功能趨于單一、算法存在局限性的單片機相比較，基于DSP技術開展智能聲波測距系統設計，可提高數字信號處理能力和事件管理能力，以此確保超聲波測距系統的精確度，盡可能縮減測距誤差，同時系統中設計的溫度補償電路也可有效縮減測距誤差，進一步提升超聲波測距系統的精確度。

參 考 文 獻

[1]王建宇.基于物聯網的汽車智能測距系統的設計與實現[J].現代電子技術，2015，453（22）：94-98.

[2]楊慶鳳，王翠紅，辛玉紅，等.基于DSP的超聲波測距智能劃線車定位系統的研究[J].機械設計與制造工程，2017（46）：90-92.

[3]MISRA A，KARTIKEYAN B，GARG S.Wavelet ba-

sedSAR data denoising and analysis[C]//IEEE Inter-

national Advance Computing Conference（IACC），2014：

1087-1092.

[4]張磊，董改花，賈利英，等.基于DSP的超聲波測距模塊標準化SCI接口設計[J].機械工程與自動化，2018（5）：188-189.

[5]WANG J F.A wavelet denoising method based on theimproved threshold function[C]//International Wa-

velet Analysis and Pattern Recognition，2014：70-74.

[6]李修權，劉杰，黑創，等.基于STM32的超聲波精確測距系統設計[J].長江大學學報（自然科學版），2018（17）：29-32.

[7]簡遠鳴.基于DSP的智能測距系統設計[J].中國新通信，2020（3）：124-124.

[8]侯文靜，楊廣東.基于DSP的智能車控制系統設計[J].信息技術與信息化，2020（5）：240-241，245.