超声相控阵自动测距

1万 · 2019-9-8 13:20

超声回波信号经过带通滤波后对回波信号进行包络检波，包络检波部分电路原理图如
图4.10所示。通过用示波器对接收到的超声波回波信号的波形进行观察，对同一个探测物
体，即使回波传播的距离不同，接收到的回波波形都基本一样，有区别的只是回波信号的
幅度不一样，也即是说，回波信号的包络线都有比较好的一致性即在工程精度条件下可以
认为超声回波信号幅度的包络线形状基本不受回波信号的大小而改变[[33]，超声回波信号到
达包络峰值的时间点和超声回波前沿到达的时间点之间的时间差不随超声波传播的距离
不同而改变。
对于回波信号到达包络峰值的时间点，本设计采用时延估计法完成对超声回波信号的
处理，从而得到超声波发射电路从发送超声波到超声波接收电路接收到回波信号的时间间
隔。与传统的闽值检测和微分过零检测相比，不仅简化了电路设计，而且还提高了超声相
控阵自动测距系统的适应性和测距的精度。

1万 · 2019-9-8 13:20

在图4.10的包络检波电路原理图中，前级运放放大器和检波二极管构成半波整流电
路，工作过程如下:当Vol<Vin时，检波二极管D201处于截止状态，检波二极管D202
处于导通状态，前级运算放大器将误差电压放大，通过二极管D202输送给R13和C7组
成的RC网络，Vol的值将跟随Vin的变化而变化:当Vo 1 >Vin时，检波二极管D201处于
导通状态，检波二极管D202处于截止状态，R13和C7与前级运放隔离，电压Vol与电容
C7两端的电压相等，电容C7通过R13放电，由于R13的值远远大于检波二极管D201的
导通电阻，所以电容C7充电速度远大于其放电速度，因而有效地将超声回波的信号的包
络检出。在检波网络与输出负载之间添加一级电压跟随器可以起缓冲隔离作用，使前、后
级电路之间互不影响。检波之后需要进一步滤掉包络检波中的高次谐波成分，后级滤波电
路采用正反馈型有源低通滤波器。本电路中的集成运算放大器依然选用OPA2725 0

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要完成数据的接收和发送，只需要用到RXD , TXD , GND即可。连接时需要注意:
PC机的数据接收端RXD与STM32F407单片机的数据发送端TXD相连，PC机的数据发
送端TXD与STM32F407单片机的数据接收端RXD相连，PC机和STM32F407单片机的
地线相连，即两者的TXD和RXD是交叉连接的。

1万 · 2019-9-8 13:22

本系统软件设计采用模块化设计:主程序、温度测量子程序、确定焦点位置的算法、
显示子程序、A/D中断服务子程序等，其中主程序主要完成系统的初始化工作、各个超声
换能器阵元的电激励脉冲延迟信号的发射、A/D转换的启动和停止等任务，A/D中断服务
子程序主要用来完成对超声波回波信号的采集、转换等任务。A/D中断服务子程序流程图
如图5.1所示。

1万 · 2019-9-8 13:22

主程序流程图如图5.3所示。首先使用数字温度传感器DS 18B20采集环境温度，通过
查表得到当前环境温度下的超声波声速;通过STM32F407的PWM模块产生8个周期的
40KHz的方波脉冲和输入捕捉模块捕获回波信号。待回波进入接收电路经过信号处理后送
入单片机。
第一个延时0.2ms是STM32F407的PWM模块产生8个周期的40KHz的方波脉冲的
长度。
超声波换能器在发射超声波信号之后并不是立即停止振荡，而是会继续震一段时间，
也就是余震，如图5.2所示。在这段时间里余震产生的信号会通过超声换能器的壳体和空
气直接到达接收探头，从而会导致超声回波接收电路误认为是实际发射的超声波经障碍物
发射回来的回波信号，干扰正常回波的检测，所以，如果发射超声波之后立即接收回波信
号，将会影响系统探测的性能，导致误报。因此在超声相控阵停止发射超声波后需要延时
O.Sms来消除超声波换能器探头的余震的影响。
最后的15ms的延时是等待超声波的幅度衰减至零，如果此时超声波接收电路还没收
到超声回波信号，说明超声相控阵列前方没有被测物体，可以结束本轮的测距过程而从新
开始新一轮的测距。

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以超声相控阵列的中心为圆心、
100、150、200、350、400、450, 500、
5米为半径布置一个1/4圆弧，在圆心角00, 20, 50,
600处的圆弧上分别放置光滑挡板并和超声相控阵列
等高，光滑挡板距地面高度为1米。

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一方面，在硬件电路上，在进行PCB设计的时候超声波发射电路和接收电路的地线分
开，超声换能器探头的阻抗匹配;在软件上，采用最小均方时延估计LMSTDE算法确定从
超声相控阵发射超声波信号到接收到的超声回波信号之间的时间间隔，使得系统测距的盲
区在30cm以下，测距精度在一定程度上也有了很大的提高。
另一方面，从表中数据看到，随着测距范围的增大，测量误差也增大，这是由于系统
没有采用时间增益补偿控制电路，因而当超声波换能器与被测物体之间的距离发生改变
时，超声波在空气中的衰减程度也会发生改变，从而使得回波信号在空气中传播的时间也
就会有较大的改变。

只看该作者 · 2019-9-11 09:22

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