超聲檢測在路側泊車收費設備中的設計?

李向榮 宋志遠 焦學? 劉 微

（青島科技大學機電工程學院 青島266061）

1 引言

路側泊車收費設備判斷車輛是否駛入車位，通常采用視頻實時檢測及激光檢測，存在功耗過高、精度保持性不高等缺點。本方案中超聲波傳感器利用其測距原理檢測車輛，功耗較低、精度保持及抗干擾能力較強。當超聲波傳感器檢測到車輛時，開啟設備對車輛進行實時收費。在目前的超聲波應用項目中，大多采用51單片機作為處理芯片以及收發分體式探頭，51單片機內部資源有限，在發射和處理超聲波信號時需外接晶振、ADC電路、溫度補償電路等，同時收發分體式探頭測距角度范圍較小，在寬角度多路測量方面不能很好地應用而且體積較大，不適合設備的小型化發展［1~2］。而本方案可直接通過E524.09內部振蕩器發出脈沖信號，STM32單片機直接利用其內部時鐘源HSI RC進行工作，無需外接晶振，在回波處理上采用超聲波信號處理芯片E524.09以替代復雜的放大、轉換、數字處理電路，以及可利用STM32單片機內部ADC進行模數轉換，由此簡化了回波處理電路、避免占用設備更多的空間。

2 超聲波傳感器及測距原理

本文采用壓電收發一體式超聲波探頭ST-213W進行超聲波信號的發射和接收，可將電能轉換聲能，也可將聲能轉換成電能［3~4］。當超聲波探頭在發射超聲波時，施加高強度的脈沖電壓作為激勵，使壓電晶片產生振動。雖然脈沖持續時間很短，但激勵結束后，超聲波探頭上仍存在部分余振。此時若立即轉為接收模式，接收端誤將此余振波當成回波從而產生測量干擾，該現象為通常稱為“拖尾”，即產生盲區［5］。因此，當發射模式結束后延遲一段時間，避開余振時間后再進行接收回波信號。收發一體式超聲波探頭的盲區通常比收發分體式探頭盲區大很多，當車輛距離路側的智能泊車檢測設備過近時，會造成設備無法識別車輛進入車位，從而造成設備無法啟用進行識別繳費。因此需減小盲區，可從軟件和硬件方面予以入手。

超聲波測距方法有相位檢測法、聲波幅值檢測法和渡越時間檢測法等［6~7］。因渡越時間檢測法不管在軟件還是硬件上都相對容易實現，故此設計選用渡越時間檢測法來進行超聲波檢測。渡越時間檢測法，其原理是計算超聲波從發射經過空氣等介質后，到遇障礙物反射回來時間，時間與當前溫度下的聲速相乘即為距離。而聲速在不同溫度下數值不同，可通過式（1）確定聲速：

c=331.45+0.61*T（1）其中，T為環境溫度，通過STM32單片機讀出。

3 總體結構設計

路側泊車收費設備的超聲波檢測基于超聲波測距原理，該系統由STM32單片機、收發一體式探頭、發射電路、信號處理電路等構成。系統以STM32單片機為核心，利用其自帶的ADC模塊確定渡越時間，利用自帶的溫度傳感器監測溫度，通過軟件程序進行相應溫度補償。主要流程為首先STM32單片機發出工作指令，當E524.09 IO線收到指令后，由其內部震蕩器發出24個頻率約52kHz的脈沖信號，驅動超聲波傳感器激勵出超聲波，遇到車輛后反射回來，經超聲波傳感器的壓電轉換原理，將反射的回波轉換為電信號，經信號處理芯片后進入STM32單片機ADC通道，信號處理結果通過串口發送至泊車系統主控芯片DSP［8］。超聲波檢測框圖如圖1所示。

圖1 超聲波檢測框圖

4 硬件設計

4.1 超聲波驅動和信號處理器E524.09

超聲波芯片E524.09是德國ELMOS公司推出的用于汽車超聲泊車輔助系統的超聲芯片。除了距離測量功能外，芯片還支持靈敏度時間控制（STC）、自動閾值生成（ATG）、近距離閾值生成（NFTG）和FTC算法等。芯片內部集成了驅動器、濾波放大器、回聲檢測以及溫度傳感器等，極大節省減小了硬件電路及軟件程序的復雜性，許多配置可通過通信接口快速實現，并可評估接收到的回波信號。芯片回聲峰值檢測優化了短程和長程性能，顯著改善距離測量精度［9］。

為便于評估和調試，相關特征參數如處理后的回波值（包絡數據）和閾值曲線可通過IO口以數字或模擬形式讀取，此功能將在本文第5章節實驗結果分析部分進行體現。

4.2 超聲波發射電路

在超聲波發射電路工作時，首先由STM32單片機發出指令，電平轉換電路Q2及外圍電路將電平轉換至12V，當超聲波芯片E524.09 IO線接收到指令后，其內部震蕩器發出頻率24個連續的頻率為52kHz的脈沖信號，經換能器驅動模塊，最終通過變壓器作用到超聲波探頭上［10~12］。變壓器主要作用升高脈沖電壓信號，并使超聲波芯片的輸出阻抗與傳感器的負載阻抗相匹配。超聲波發射電路如圖2所示。

圖2 超聲波發射電路

另，在本文第1章節超聲波傳感器原理中闡釋了收發傳感器存在較大盲區，可在硬件電路中可通過增加回路的衰減系數來減小盲區，因此在電路中接入電阻R6和SCR晶閘管。通過控制晶閘管的開關來控制R6接入回路，從而消耗掉傳感器的能量，從而減小余振的影響。

用示波器測量得出超聲波傳感器發射信號如圖3所示，檢測得到24個脈沖信號，頻率為53kHz，峰值為100V。

圖3 超聲波探頭發射信號

4.3 超聲波接收、放大和濾波電路

在目前超聲波應用中，對于回波信號通常設計有比較整形電路、放大濾波電路等，造成電路復雜，穩定性差等缺點［13~15］。針對該系統，采用上述超聲波驅動信號處理器E524.09，E524.09內置濾波器、放大器、回聲檢測等，無需外置復雜接收電路，僅通過通信接口即可快速實現回波處理，大大降低了電路復雜性。

回聲信號經E524.09處理后，流入兩級電壓跟隨器。電壓跟隨器輸入阻抗高，輸出阻抗低，電路中起阻抗匹配作用，使前級電路有效驅動負載能力增大，ADC采樣的電壓值更接近理想值。故采用雙集成運放LM358完成阻抗匹配。另D2、D7為鉗位二極管，構成鉗位電路，電壓被鉗制在+0.7V~-0.7V之間，起過壓保護作用。R9、R10為分壓電阻，因STM32單片機工作電壓為3.3V，故將輸入信號由12V降壓至3.3V左右。超聲波信號接收處理電路如圖4所示。

圖4 超聲波信號接收處理電路

超聲波傳感器接收到微弱的回波信號經E524.09芯片進行放大、濾波處理，然后經LM358阻抗匹配后通過示波器進行檢測，信號顯示如圖5所示。通過示波器檢測出的信號可知，超聲波回波信號峰值達到3V左右，說明回波信號的處理達到STM32單片機ADC通道的接入要求。

圖5 接入單片機ADC的回波信號

4.4 電源電路設計

智能泊車檢測器供電為5V直流電，而STM32單片機供電電壓為3.3V、超聲波芯片工作電壓為12V，故需要進行5V-12V/5V-3.3V電壓轉換。電源電路設計采用電源管理芯片DC-DC和LDO。U10為低功耗DC-DC升壓轉換器，對應完成DC-DC升壓電路；U3為低壓降穩壓器（LDO），對應完成LDO穩壓電路。D6為肖特基二極管，此處做整流二極管。C88、C89為電源濾波電容，降低脈動電壓的脈動程度。C87、C38為旁路電容，用來濾除高頻干擾。DC-DC升壓電路如圖6所示，LDO穩壓電路如圖7所示。

圖6 DC-DC升壓電路

圖7 LDO穩壓電路

5 軟件設計

軟件設計以STM32單片機為核心，實現對主程序、溫度采集子程序、回波接收子程序、定時器中斷子程序、距離計算子程序等各模塊的控制和響應。軟件流程如圖8所示。

圖8 三維模型圖

圖8 系統流程圖

首先對系統時鐘和外圍模塊等進行初始化，然后利用STM32單片機自帶溫度傳感器實時測量環境溫度，通過溫度-聲速轉換函數計算得當前溫度下聲波速度［16］。開啟高級定時器TIM2，用于計算渡越時間，并發出指令，驅動E524.09內部振蕩器工作。因為傳感器在發射聲波后會產生“掃尾”現象，即產生余振（盲區），故啟動定時器TIM3延時25ms。然后調用回波接收子程序，因接收后的回波信號最終進入單片機ADC通道，所以當ADC檢測到回波信號電壓大于某一閾值時，確定此時接收到回波信號，TIM2立即產生中斷，并讀取其計數值。之后調用距離計算子程序，可得出探頭距車輛的距離S，計算出包絡線寬度，并與閾值進行比較，最終將數據通過串口發送給上位機DSP芯片。

溫度補償：由式（1）確定聲速中為提高測量精度，使用了溫度補償，但式（1）數據類型為float型，針對于單片機會導致代碼量突然大量增大，因此選擇數據類型為int型，公式即為

程序溫度讀取公式為

6 實驗數據分析

超聲波傳感器回波信號經STM32單片機ADC模塊轉換后，通過串口發送給上位機DSP處理器，對原始包絡數據進行消噪平滑處理。超聲波包絡數據可以通過IO線讀出，最終可通過瀏覽器顯示出光滑的包絡曲線（波形圖）［17］。圖9為超聲波檢測到車輛駛入車位中的波形圖。

在路側泊車收費設備實際工作中，當車位中沒有車輛時，系統處于低功耗待機狀態，此時僅超聲波傳感器處于實時檢測狀態；當有車輛駛入時，超聲波傳感器檢測到車輛，從而喚醒設備對車輛進行計時收費。而在實際環境中，往往存在交通錐、行人等干擾物，造成超聲波誤判。交通錐處于車位中的波形圖如圖10所示。因此為增加超聲波識別車輛的準確性，設置相應算法當計算包絡線寬度達到一定閾值時，才可判定為車輛駛入。通過前期相關實驗可知：當包絡線寬度在60cm~120cm時（即車輛反射面寬度，如圖9所示車輛反射面寬度為75cm），可判定車輛駛入停車位。

圖10 交通錐在車位中的包絡曲線圖

在實際項目中，由于公路兩側存在多種干擾，因此超聲檢測的精確性十分重要。為驗證本設計的精度，探頭與兩種障礙物在不同距離下各進行30次實驗，統計出兩種障礙物的包絡線寬度位于閾值（60cm~120cm）內的樣本數。實驗統計結果見表1。

表1 不同距離及不同障礙物時的實驗結果

由表1實驗統計結果可知：當超聲波檢測交通錐時，探頭距離交通錐140cm時出現1次檢測錯誤；當超聲波檢測車輛模型時，數據均在閾值范圍內。計算可得項目探測精度達到99.7%。因此該設計精度較高，符合后續算法及系統設計要求。

7 結語

路側泊車收費設備中采用超聲檢測技術，精度以及功耗優于視頻檢測及激光檢等方案。可準確檢測出目標為車輛或其他干擾物。方案采用高速微處理器STM32單片機，充分利用其內部時鐘源，無需外接晶振；采用MCU自帶ADC模塊和溫度傳感器進行AD轉換以及溫度采集；同時利用功能強大的超聲波芯片E524.09發射脈沖信號并代替了放大濾波處理電路，極大簡化了硬件設計，有利于設備的小型化發展。通過分析探頭與交通錐、車輛模型在不同距離的包絡曲線圖，計算可得該設計精度約99.7%，精度較高且輸出數據準確，符合路側泊車收費設備檢測要求。