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(shí)及發(fā)射
相位延時(shí)是超聲相控陣技術(shù)的核心。為了實(shí)現(xiàn)超聲相控陣的聚焦、偏轉(zhuǎn)等功能，各個(gè)陣元應(yīng)按照不同的相位來(lái)發(fā)射信號(hào)。現(xiàn)有的技術(shù)能將相位延時(shí)精度做到5ns以內(nèi)?？紤]到導(dǎo)盲對(duì)聚焦精度的要求不是太高，本設(shè)計(jì)采用STM32的定時(shí)器實(shí)現(xiàn)延時(shí)，也能夠滿足設(shè)計(jì)要求的精度。另一方面STM32芯片的價(jià)格也比較低，適于本項(xiàng)目對(duì)低成本產(chǎn)品的定位需求。
本設(shè)計(jì)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(jì)中采用軟件的方法產(chǎn)生頻率為40 kHz超聲信號(hào)。STM32F103RBT6包含1個(gè)高級(jí)定時(shí)器和3個(gè)通用定時(shí)器。通用定時(shí)器時(shí)鐘可由下列時(shí)鐘源提供：內(nèi)部時(shí)鐘、外部時(shí)鐘、內(nèi)部觸發(fā)輸入。此處采用APB1外設(shè)時(shí)鐘，頻率為36 MHz?？删幊掏ㄓ枚〞r(shí)器的主要部分是一個(gè)16位計(jì)數(shù)器和與其相關(guān)的自動(dòng)裝載寄存器。通用定時(shí)器包含4個(gè)獨(dú)立通道，每個(gè)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(shí)器TIM2和TIM3的4個(gè)獨(dú)立通道設(shè)置成輸出比較模式，以產(chǎn)生40 kHz的方波信號(hào)。信號(hào)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(hào)的接收部分
超聲信號(hào)經(jīng)反射回到探頭位置，探頭接收到的回波信號(hào)一般在毫伏量級(jí)。先經(jīng)過(guò)兩級(jí)的比例放大將信號(hào)幅度放大到幾百毫伏。比例放大采用的是美國(guó)TexasInstruments公司的OPA2725運(yùn)算放大器，OPA2725具有兩個(gè)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(jì)中比例放大由兩級(jí)運(yùn)放組成。將收到的回波信號(hào)加到同相端和地之間，在反相輸入端引入電壓負(fù)反饋。
信號(hào)經(jīng)比例放大后幅度增大至幾百毫伏，此時(shí)的信號(hào)已經(jīng)夾雜一定的高頻噪聲，由于回波信號(hào)中的有用信號(hào)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(hào)。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(hào)的頻率的5倍即200 kHz。低通濾波后的信號(hào)再經(jīng)過(guò)一級(jí)時(shí)間增益(TGC)放大之后進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，并存入單片機(jī)的存儲(chǔ)器中，以進(jìn)行相關(guān)的信號(hào)分析。

5 回波信號(hào)處理與分析
對(duì)應(yīng)不同的障礙物和地形，系統(tǒng)收到回波的波形和時(shí)間都會(huì)有區(qū)別。根據(jù)這2個(gè)條件可以實(shí)現(xiàn)對(duì)障礙物和地形的判斷。這里用到1個(gè)由N個(gè)探頭組成的線陣。探頭分別編號(hào)為1，2，…，N-1，N。當(dāng)遇到如圖3所示障礙物時(shí)，相控陣在中間的焦點(diǎn)碰到障礙物接收到的回波，應(yīng)該是N路聲波在焦點(diǎn)處的疊加；而在左右兩邊聚焦點(diǎn)處由于沒(méi)有碰到障礙物，所以不會(huì)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(lèi)的障礙物時(shí)，如圖6所示，這里假設(shè)編號(hào)N-1探頭接收回波信號(hào)，當(dāng)人走到a處時(shí)，相控陣聚焦在c點(diǎn)，此時(shí)焦點(diǎn)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(diǎn)返回探頭的時(shí)間為t=2l／c，c為空氣中超聲波的速度。當(dāng)人走到b點(diǎn)時(shí)，相控陣聚焦在d點(diǎn)，這時(shí)在d處不會(huì)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(hào)N-1探頭為例，從發(fā)射到接收到回波的時(shí)間應(yīng)為t’=，△l為聚焦點(diǎn)到到溝壑的長(zhǎng)度。從上面的分析可以看出，當(dāng)相控陣的位置從a移動(dòng)到b，系統(tǒng)收到的回波波形以及接收到波形的時(shí)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)。