基于μC／OS-Ⅱ的高精度超声波测距系统设计

1 引言
    超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而用于距离测量。利用超声波检测往往较迅速、方便、计算简单、易于实时控制，且测量精度能达到工业实用要求，因此在移动机器人的研制中得到广泛应用。移动机器人要在未知和不确定环境下运行，必须具备自动导航和避障功能。超声波传感器以其信息处理简单、速度快和价格低的特点广泛用作移动机器人的测距传感器，实现避障、定位、环境建模和导航等功能。

2 系统总体设计方案
2．1 超声波测距原理
2．1．1 超声波发生器
    超声波为直线传播方式，频率高，反射能力强。空气中其传播速度为340 m／s，容易控制，受环境影响小。因此采用超生波传感器作为距离探测的“眼睛”，可用于测距领域的超声波频率为20～400 kHz的频段，空气介质中常用为40 kHz。
2．1．2 压电式超声波发生器原理
    压电式超声波发生器实际上利用压电晶体的谐振工作。超声波发生器内部结构有2个压电晶片和1个共振板。当它的两电极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将发生共振，并带动共振板振动，产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电品片振动，将机械能转换为电信号，这时就成为超声波接收器。
2．1．3 超声波测距原理
    超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射的同时开始计时，超声波在空气中传播，碰到障碍物就立即返回。超声波接收器收到反射波立即停止计时，超声波在空气中的传播速度为340 m／s。系统中，超声波测距采用检测超声波往返时间的方法。由于时间长度与声音通过的距离成正比，当超声波发射极发出一个短暂的脉冲波时，计时开始；当超声波接收端接收到第1个返回波脉冲后，计时立即停止。根据计时器记录的时间t，可计算发射点距障碍物的距离(s)，即：s=340t／2。这就是所谓的时间差测距法。
2．2 系统总体设计
    该系统采用μC／OS-lI操作系统，系统将软件划分为4个功能模块：回波A/D采集模块， LED显示和按键处理模块，LCD显示模块，报警、存储及串口处理模块。其中，回波A/D采集模块用于采样，保存实时数据；LED显示和按键处理模块用于处理采样数据，并将其转换成有实际意义的参数：LCD显示模块是将各种参数在LED显示；而报警、存储及串口处理模块主要是实时处理相应数据。图1为系统设计总体框图。

3 系统硬件设计
3．1 LPC2138微控制器简介
    LPC2138内嵌512 KB的高速Flash存储器和32 KB的RAM，具有丰富的外设资源：2个32位定时器(带捕获、比较通道)，2个10位8路A／D转换器，1个10位D／A转换器，PWM通道，47路 GPIO，9个边沿或电平触发的外部中断，具有独立电源和时钟的RTC，多个串行接口(UART、I2C、SPI、SSP)。它内含向量中断控制器，可配置中断优先级和向量地址．片内Boot装载程序可实现在系统应用编程(ISP／IAP)，通过片内PLL可实现60 MHz的CPU操作频率，具有空闲和掉电2种低功耗模式，并可通过外部中断唤醒，图2为LPC2138的整体结构图。

3．2 超声波发射电路
    超声波发射电路是南超声波发射器T和PWM产生的40 kHz频率信号、驱动(或激励)电路等组成。该系统设计采用ARM中的PWM模块产生高精度的40 kHz的频率信号，然后通过南74HC00等组成的驱动电路，最后将发射信号送到超声波发射器T。对于放射探头T，选用发射频率为40kHz的一种，该类型现在应用较普遍，电路也简单，只需给发射端40 kHz的脉冲，发射探头即不断发送超声波。具体硬件电路如图3所示。

    其中超声波发射和接收采用φ15的超声波换能器TCT40-10F1(T发射)和TCT40-10S1(R接收)，其中心频率为40 kHz，安装时应保持两换能器中心轴线平行并相距4~8 cm。
    若将超声波接收电路用金属壳屏蔽起来，则可提高抗干扰能力。根据不同测量范围要求，可适当调整与接收换能器并联的滤波电容器C4，以获得合适的接收灵敏度和抗干扰能力。
3．3 超声波接收电路
    超声波接收电路由以MC3403为核心的三级滤波放大电路和二极管的倍压稳流电路等组成。处理好的回波信号被送到ARM的A／D转换模块进行A／D采样，从而触发得到返回的时间。德州仪器公司的MC3403的具体引脚配置如图4所示。超声波接收电路如图5所示。