基于μC/OS-Ⅱ和ARM處理器的高精度超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計

1 引言

超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而用于距離測量。利用超聲波檢測往往較迅速、方便、計算簡單、易于實時控制，且測量精度能達(dá)到工業(yè)實用要求，因此在移動機(jī)器人的研制中得到廣泛應(yīng)用。移動機(jī)器人要在未知和不確定環(huán)境下運行，必須具備自動導(dǎo)航和避障功能。超聲波傳感器以其信息處理簡單、速度快和價格低的特點廣泛用作移動機(jī)器人的測距傳感器，實現(xiàn)避障、定位、環(huán)境建模和導(dǎo)航等功能。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

2．1 超聲波測距原理

2．1．1 超聲波發(fā)生器

超聲波為直線傳播方式，頻率高，反射能力強(qiáng)。空氣中其傳播速度為340 m／s，容易控制，受環(huán)境影響小。因此采用超生波傳感器作為距離探測的“眼睛”，可用于測距領(lǐng)域的超聲波頻率為20～400 kHz的頻段，空氣介質(zhì)中常用為40 kHz。

2．1．2 壓電式超聲波發(fā)生器原理

壓電式超聲波發(fā)生器實際上利用壓電晶體的諧振工作。超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)有2個壓電晶片和1個共振板。當(dāng)它的兩電極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將發(fā)生共振，并帶動共振板振動，產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電品片振動，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時就成為超聲波接收器。

2．1．3 超聲波測距原理

超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，碰到障礙物就立即返回。超聲波接收器收到反射波立即停止計時，超聲波在空氣中的傳播速度為340 m／s。系統(tǒng)中，超聲波測距采用檢測超聲波往返時間的方法。由于時間長度與聲音通過的距離成正比，當(dāng)超聲波發(fā)射極發(fā)出一個短暫的脈沖波時，計時開始；當(dāng)超聲波接收端接收到第1個返回波脈沖后，計時立即停止。根據(jù)計時器記錄的時間t，可計算發(fā)射點距障礙物的距離(s)，即：s=340t／2。這就是所謂的時間差測距法。

2．2 系統(tǒng)總體設(shè)計

該系統(tǒng)采用μC／OS-lI操作系統(tǒng)，系統(tǒng)將軟件劃分為4個功能模塊：回波A/D采集模塊， LED顯示和按鍵處理模塊，LCD顯示模塊，報警、存儲及串口處理模塊。其中，回波A/D采集模塊用于采樣，保存實時數(shù)據(jù)；LED顯示和按鍵處理模塊用于處理采樣數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換成有實際意義的參數(shù)：LCD顯示模塊是將各種參數(shù)在LED顯示；而報警、存儲及串口處理模塊主要是實時處理相應(yīng)數(shù)據(jù)。圖1為系統(tǒng)設(shè)計總體框圖。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3．1 LPC2138微控制器簡介

LPC2138內(nèi)嵌512 KB的高速Flash存儲器和32 KB的RAM，具有豐富的外設(shè)資源：2個32位定時器(帶捕獲、比較通道)，2個10位8路A／D轉(zhuǎn)換器，1個10位D／A轉(zhuǎn)換器，PWM通道，47路 GPIO，9個邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷，具有獨立電源和時鐘的RTC，多個串行接口(UART、I2C、SPI、SSP)。它內(nèi)含向量中斷控制器，可配置中斷優(yōu)先級和向量地址．片內(nèi)Boot裝載程序可實現(xiàn)在系統(tǒng)應(yīng)用編程(ISP／IAP)，通過片內(nèi)PLL可實現(xiàn)60 MHz的CPU操作頻率，具有空閑和掉電2種低功耗模式，并可通過外部中斷喚醒，圖2為LPC2138的整體結(jié)構(gòu)圖。