一種高精度的超聲波多路同步測距系統(tǒng)設(shè)計

另外考慮到本系統(tǒng)要適應(yīng)各種復(fù)雜的工作環(huán)境，因此設(shè)計了由TL082構(gòu)成的高精度帶通濾波電路，以供回波信號放大后進(jìn)行進(jìn)一步濾波，將濾波后的信號輸入到LM393構(gòu)成的比較器反相輸入端，與基準(zhǔn)電壓相比較，并且對其比較輸出電壓進(jìn)行限幅，將其電壓接至D觸發(fā)器，比較器將經(jīng)過放大后的交流信號整形出方波信號，將其接至FPGA，啟動接收模塊計數(shù)，達(dá)到脈沖串設(shè)定值時，關(guān)閉計時計數(shù)器停止計數(shù)。
2．3 FPGA內(nèi)部各組成模塊設(shè)計
FPGA主要實現(xiàn)125 kHz的超聲波的發(fā)射與接收以及六路超聲波從發(fā)射到接收之間時間的測量。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。

FPGA主要由發(fā)射模塊、順序執(zhí)行計數(shù)器、數(shù)據(jù)選擇器、計時計數(shù)器與接收模塊五部分組成。其中：發(fā)射模塊完成脈沖串的發(fā)射與計數(shù)器的啟動，主要由96分頻器、發(fā)射脈沖串計數(shù)器和發(fā)射脈沖串的控制器三部分組成。順序執(zhí)行計數(shù)器模塊主要由六與非門、計數(shù)器和非門組成。
所有的接收模塊接收完數(shù)據(jù)后，通過與非門及非門輸出高電平(FINISH端口)，以觸發(fā)單片機(jī)使單片機(jī)處于接收數(shù)據(jù)狀態(tài)，單片機(jī)發(fā)出信號使順序執(zhí)行計數(shù)器開始計數(shù)，計數(shù)值每次加1，輸出端口便是相應(yīng)的計時計數(shù)器，單片機(jī)便從相應(yīng)的計時計數(shù)器中讀取計數(shù)值。數(shù)據(jù)選擇器與順序執(zhí)行計數(shù)器完成計數(shù)值數(shù)據(jù)的讀取。
計時計數(shù)器模塊主要完成測量脈沖發(fā)出去到接收到的時間間隔和脈沖的計數(shù)，主要由啟動與關(guān)閉計數(shù)器控制、12分頻器、16位計時計數(shù)器、二選一數(shù)據(jù)選擇器及8位數(shù)據(jù)鎖存器組成(見圖5)。接收模塊主要接收回波信號和關(guān)閉計數(shù)器，當(dāng)接收模塊接收到信號以后，便啟動計數(shù)，達(dá)到計數(shù)值，就輸出高電平，用來關(guān)閉計時計數(shù)器停止計數(shù)。為防止信號串?dāng)_，在信號發(fā)射時，CUAN端輸入高電平，對其信號進(jìn)行屏蔽。

3 結(jié)果
經(jīng)過實驗室調(diào)試，本文給出的基于單片機(jī)與FPGA相結(jié)合的多路同步超聲波測距系統(tǒng)與其它系統(tǒng)具有如下優(yōu)勢：
(1)抗環(huán)境影響因素能力強(qiáng)。在工作環(huán)境中，對聲速影響的因素很多。如溫度、風(fēng)力，濕度等，系統(tǒng)利用安裝標(biāo)準(zhǔn)校正板的方法能精確測量當(dāng)時環(huán)境下的聲速，可以避免因各種環(huán)境因素的變化而造成的誤差。
(2)采用125 kHz的頻率，同時采用多路超聲波精確同步測距。保證了系統(tǒng)的測量精度。
(3)采用FPGA與AT89C51結(jié)合的方案，由FPGA來完成多路超聲波傳播時間的精確測量，AT89C51完成信號的啟動以及數(shù)據(jù)的處理。與常規(guī)系統(tǒng)相比，雖然增加了FP-GA硬件，但是系統(tǒng)也舍棄了一些系統(tǒng)所采用的溫度補(bǔ)償模塊，大大提高了系統(tǒng)的精度和系統(tǒng)的靈活性。