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STM32 超声相控阵导盲系统

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楼主: goodluck09876
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goodluck09876|  楼主 | 2019-9-6 09:34 | 只看该作者 |只看大图 回帖奖励 |倒序浏览
整个系统包含的模块主要有:
    (1)电源部分
    电源是系统工作的动力之源,该部分为整个系统提供能量,主要包括MCU
供电,CPLD供电,放大电路的电源等。
    (2)系统的MCU部分
    该模块作为超声相控阵导盲系统的核心,控制着超声信号的发射部分,回波
信号接收部分。回波信号经过比例放大,低通滤波,经STM32自带的ADC进行模
数转换。转换后的信号存入RAM,由STM32对信号进行相关处理,从而实现对障
碍物的判别。
      (3)超声相控阵信号的发射部分
      相位延时的精度和分辨率对波束特性的影响很大,如果使用系统的主控芯
片STM32实现相控阵阵元之间的发射延时,会出现较大的误差。所以这里采用
CPLD设计了系统的发射部分。
    (4)回波信号的接收
    由于超声信号经过反射之后到达接收探头时幅度很小,仅为几毫伏,所以信
号要经过放大之后才能为单片机识别。该部分包括两级的比例放大,低通滤波。
      (5)告警系统
    系统对环境扫描完成之后应根据扫描结果返回相应的提示信息,对使用者的
下一步行动作出明确的指示。

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goodluck09876|  楼主 | 2019-9-6 09:36 | 只看该作者
    主控芯片是一个系统工作的主要部分。该主控芯片要控制超声信号的发射部
分,为接收部分的低通滤波器提供高达5MHz的时钟信号,这要求芯片的工/0口
应有较高的反转速率;放大后的信号要经过A/D转换存入芯片的RAM,并且要对
信号进行数字检波识别,这要求芯片应该具有大容量的存储器和比较强大的数据
处理能力;为了保障使用导盲仗的盲人有较高的行走速度,系统要在短时间内对
设定的25个点进行扫描,这要求芯片要有较高的速度。综合对性能和价格因素
考虑,本系统采用的主控芯片是ST公司推出的ARM Cortex-M3内核的32位微控
制器芯片STM32F103RBT6

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goodluck09876|  楼主 | 2019-9-6 09:36 | 只看该作者

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goodluck09876|  楼主 | 2019-9-6 09:36 | 只看该作者
    产生超声波的传感器主要有四种,分别是:机械式超声产生设备、压电型超
声换能器、磁致伸缩型超声换能器和光生型超声换能器。目前应用比较广泛的是
压电型超声传感器「3.]。压电效应指的是在某些电介质的适当方向施加作用力时,
介质内部的电极化状态会发生改变,在电介质的某相对两表面会出现与外力成正
比的符号相反的束缚电荷,这种由于外力作用使电介质带点的现象就是压电效
应。为了简化电路结构,设计中采用的超声传感器型号为TCF40-18TR 1 X38',这
是一款收发一体的压电陶瓷超声传感器,该传感器的中心发射频率为40KHz,发
射的声压为lOV;当接收的回波信号频率为40KHz时,传感器的接收灵敏度可达
-65dB;静电容量为1800士30%PF,有效探测距离为0. 2至3米,声束角为600,能
够对空间一定范围进行扫描。该传感器属于通用型,具有良好的防水性能,这一
性能使得导盲仗在雨天或者潮湿环境中也能稳定工作。图3. 5为超声传感器的发
射声压方位特性图。

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goodluck09876|  楼主 | 2019-9-6 09:37 | 只看该作者

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goodluck09876|  楼主 | 2019-9-6 09:38 | 只看该作者

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goodluck09876|  楼主 | 2019-9-6 09:38 | 只看该作者

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goodluck09876|  楼主 | 2019-9-6 09:39 | 只看该作者

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goodluck09876|  楼主 | 2019-9-6 09:39 | 只看该作者
CPLD部分作为相控阵延时的主要器件,需要和系统的主控芯片进行通信:
(1)从系统的MCU获得扫描启动信号,当收到启动信号之后,按照预定
      的延迟时间依次驱动5个超声传感器,发送方波信号,直至将25个
      点扫描完成。
(2)  CPLD每扫描完成一个点之后,应根据预先计算的数值,在回波信号
      到达接收探头之前和之后的0. 75ms向MCU发送一个信号,作为要转
      换数据的帧头和帧尾,告知MCU开始进行A/D转换。
(3)如果MCU超过一定时间没有接收到帧同步信号,说明扫描过程中出
      现错误,此时应强制重启CPLD,重新扫描。

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goodluck09876|  楼主 | 2019-9-6 09:39 | 只看该作者

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goodluck09876|  楼主 | 2019-9-6 09:40 | 只看该作者

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goodluck09876|  楼主 | 2019-9-6 09:40 | 只看该作者
    超声发射电路是本文设计超声相控阵导盲系统的关键部分。超声发射电路可
分为三类:方波调制的脉冲发射电路,单脉冲发射电路和连续脉冲发射电路。本
文的上一章介绍过,系统采用的是超声波传感器TCF40-18TR1,是一款收发同体
的超声探头。所以采用的是单脉冲发射,发送脉冲一次,停止发送一段时间,接
收并检测一次,间断的激励换能器晶片的振动。

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goodluck09876|  楼主 | 2019-9-6 09:40 | 只看该作者

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goodluck09876|  楼主 | 2019-9-6 09:40 | 只看该作者

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goodluck09876|  楼主 | 2019-9-6 09:41 | 只看该作者

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goodluck09876|  楼主 | 2019-9-6 09:42 | 只看该作者

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goodluck09876|  楼主 | 2019-9-6 09:42 | 只看该作者

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goodluck09876|  楼主 | 2019-9-6 09:43 | 只看该作者
STM32和CPLD的通信主要包括:
(1)  STM32向CPLD发送扫描起始信号;CPLD按照一定规则扫描25个焦点。
(2)  CPLD每扫描完一个焦点之后过一定时间即向STM32发送一个信号,
    告诉STM32开始采集数据,进行A/D转换,这个信号作为帧头。在帧
      头信号发射以后的1. 5ms时,CPLD再向STM32发送一个信号,此信
      号告知STM32停止数据采集,该信号作为帧尾。STM32每接收一个完
      整的帧信号则计数一次,当在规定时间内计数25次之后,等待一定
      时间,重新向CPLD发送扫描起始信号。
(3)如果STM32超过一定时间没有接收到帧头或者帧尾信号,则说明扫描
      出现问题,这时候需要向CPLD芯片发送一个扫描起始信号,强制CPLD
      重新按照预定规则对所有25个焦点进行扫描。同时丢弃上次扫描的
      不完整数据。

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goodluck09876|  楼主 | 2019-9-6 09:44 | 只看该作者

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goodluck09876|  楼主 | 2019-9-6 09:44 | 只看该作者
    由于超声相控阵扫描的25个焦点位置都是已经确定的,而超声信号在空气
中的速度也是确定的,一般记为v=340m/s。所以回波信号到达接收探头的时间
也是能够计算出来的。考虑到聚焦的误差,以及对焦点周围的信息的反映,我们
开启一个0. 5m的窗口长度,焦点位于窗口的中间。将这个窗口长度内的信息进
行采集并分析。

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