基于STM32的超聲相控陣導(dǎo)盲系統(tǒng)研究

3 超聲相控陣的相位延時及發(fā)射
相位延時是超聲相控陣技術(shù)的核心。為了實現(xiàn)超聲相控陣的聚焦、偏轉(zhuǎn)等功能，各個陣元應(yīng)按照不同的相位來發(fā)射信號。現(xiàn)有的技術(shù)能將相位延時精度做到5ns以內(nèi)?？紤]到導(dǎo)盲對聚焦精度的要求不是太高，本設(shè)計采用STM32的定時器實現(xiàn)延時，也能夠滿足設(shè)計要求的精度。另一方面STM32芯片的價格也比較低，適于本項目對低成本產(chǎn)品的定位需求。
本設(shè)計采用的是TCF40-18TR1型傳感器。這是一款壓電陶瓷式收發(fā)同體超聲波傳感器。其中心頻率為40 kHz，發(fā)射聲壓在10 V。設(shè)計中采用軟件的方法產(chǎn)生頻率為40 kHz超聲信號。STM32F103RBT6包含1個高級定時器和3個通用定時器。通用定時器時鐘可由下列時鐘源提供：內(nèi)部時鐘、外部時鐘、內(nèi)部觸發(fā)輸入。此處采用APB1外設(shè)時鐘，頻率為36 MHz?？删幊掏ㄓ枚〞r器的主要部分是一個16位計數(shù)器和與其相關(guān)的自動裝載寄存器。通用定時器包含4個獨立通道，每個通道都可用于輸入捕獲、輸出比較、PWM和單脈沖輸出模式。這里分別將通用定時器TIM2和TIM3的4個獨立通道設(shè)置成輸出比較模式，以產(chǎn)生40 kHz的方波信號。信號經(jīng)GPIO口輸出到超聲波換能器放大，再由超聲波傳感器的探頭發(fā)出。

4 回波信號的接收部分
超聲信號經(jīng)反射回到探頭位置，探頭接收到的回波信號一般在毫伏量級。先經(jīng)過兩級的比例放大將信號幅度放大到幾百毫伏。比例放大采用的是美國TexasInstruments公司的OPA2725運算放大器，OPA2725具有兩個通道，支持單電源供電，軌到軌輸出，具有20 MHz的增益帶寬。本設(shè)計中比例放大由兩級運放組成。將收到的回波信號加到同相端和地之間，在反相輸入端引入電壓負反饋。
信號經(jīng)比例放大后幅度增大至幾百毫伏，此時的信號已經(jīng)夾雜一定的高頻噪聲，由于回波信號中的有用信號都集中在40 kHz左右這一頻段，所以選用低通濾波電路濾除高頻干擾信號。為了得到完整的障礙物信息，低通濾波電路的截止頻率即為超聲波信號的頻率的5倍即200 kHz。低通濾波后的信號再經(jīng)過一級時間增益(TGC)放大之后進行A／D轉(zhuǎn)換，并存入單片機的存儲器中，以進行相關(guān)的信號分析。

5 回波信號處理與分析
對應(yīng)不同的障礙物和地形，系統(tǒng)收到回波的波形和時間都會有區(qū)別。根據(jù)這2個條件可以實現(xiàn)對障礙物和地形的判斷。這里用到1個由N個探頭組成的線陣。探頭分別編號為1，2，…，N-1，N。當遇到如圖3所示障礙物時，相控陣在中間的焦點碰到障礙物接收到的回波，應(yīng)該是N路聲波在焦點處的疊加；而在左右兩邊聚焦點處由于沒有碰到障礙物，所以不會有疊加后的波形返回。以上2種情況收到的波形分別如圖4和圖5所示。如果碰到溝壑類的障礙物時，如圖6所示，這里假設(shè)編號N-1探頭接收回波信號，當人走到a處時，相控陣聚焦在c點，此時焦點到探頭N-1的距離為l，則超聲波從探頭N-1發(fā)射到聚焦點返回探頭的時間為t=2l／c，c為空氣中超聲波的速度。當人走到b點時，相控陣聚焦在d點，這時在d處不會有聚焦后的波形返回，只能是各路超聲波在溝壑底面發(fā)生反射。仍以編號N-1探頭為例，從發(fā)射到接收到回波的時間應(yīng)為t’=，△l為聚焦點到到溝壑的長度。從上面的分析可以看出，當相控陣的位置從a移動到b，系統(tǒng)收到的回波波形以及接收到波形的時間均發(fā)生了明顯變化，從而為判斷地形提供了可靠依據(jù)。