基于C8051F060的超聲波導盲系統設計

2 硬件設計
2．1 超聲波發(fā)送部分
大多數的超聲波產(chǎn)生電路的設計都會(huì )采用硬件集成振蕩電路實(shí)現，設計較為繁瑣，精度不高，而該設計的超聲波的產(chǎn)生由軟件編程的方法實(shí)現。
C8051F060 MCU內有一個(gè)片內可編程計數器／定時(shí)器陣列PCA。PCA包括一個(gè)專(zhuān)用的16位計數器／定時(shí)器和6個(gè)可編程的捕捉／比較模塊。每個(gè)捕捉／比較模塊都有其自己的I／O線(xiàn)(CEXn)。當被允許時(shí)，I／O線(xiàn)通過(guò)交叉開(kāi)關(guān)連到端口I／O，該設計就是利用了其中的四個(gè)捕捉、比較模塊(CEX0～CEX3)，通過(guò)交叉開(kāi)關(guān)連接到端口P0．O～P0．3，因此可以獨立的在P0．O～P0．3端口上產(chǎn)生40 kHz的方波信號。時(shí)間基準可以是下面的6個(gè)時(shí)鐘源之一：系統時(shí)鐘／12，系統時(shí)鐘／4，定時(shí)器O溢出，外部時(shí)鐘輸入ECI，系統時(shí)鐘和外部振蕩源頻率／8。實(shí)驗證明應用外部振蕩時(shí)鐘源8分頻作為時(shí)間基準較其他方法得到的方波信號更為精確、穩定。每個(gè)捕捉／比較模塊可以被編程為獨立工作在下面的6種工作方式之一：邊沿觸發(fā)捕捉、軟件定時(shí)器、高速輸出、頻率輸出、8位PWM或16位PWM，在此采用的是頻率輸出方式。
40 kHz方波信號由單片機產(chǎn)生后，經(jīng)通用I／O口輸出到換能器放大，再由超聲波傳感器的探頭發(fā)出，四個(gè)探頭的工作是輪流進(jìn)行的。每一個(gè)探頭工作時(shí)都是先發(fā)出16個(gè)周期的超聲波脈沖信號，用時(shí)O．4 ms，然后消余震2 ms，此時(shí)開(kāi)始接收回波信號，過(guò)15．6 ms后停止接收信號，再經(jīng)過(guò)O．5 ms的信號處理時(shí)間后第一個(gè)探頭的工作結束，轉為下一個(gè)超聲波傳感器進(jìn)行相同的工作。也就是系統僅接收信號發(fā)出后2～17．6 ms之間的回波信號，又因為超聲波在空氣中的傳播速度約為340 m／s，也就是系統能識別的障礙物的距離范圍在34 cm～3 m。
2．2 信號接收部分
信號發(fā)送出去以后若遇障礙物就會(huì )反射回來(lái)，即為回波?；夭ㄐ盘栃盘栆话爿^弱，僅為幾毫伏，該系統先將接收到的回波進(jìn)行比例放大，使回波信號增大到幾百毫伏。比例放大部分采用的芯片是CADEKAMicrocircuits的CLC4600運算放大器，CLC4600運算放大器據具有四信道，每通道供電電流消耗僅3．3 mA，具有300MHz的單位增益帶寬。比例放大部分的電路原理圖如圖2所示。

由于障礙物的遠近不同以及超聲在空氣中的衰減程度，得到的回波信號幅度會(huì )有所變化：越早接收到的回波信號越強，越晚越弱。針對不同時(shí)刻接收到的回波的強度不同，需要對信號進(jìn)行不同倍數的放大，使放大后的信號都有相同的幅值，因此需要一個(gè)增益隨時(shí)間變化可調的放大電路，這樣的放大電路即為時(shí)間增益控制(TGC)電路。
該設計中TGC部分主要是由運算放大器與數字電位器相互配合共同實(shí)現的。運算放大器采用的是CADEKA Microcircuits的單路，低失調，軌到軌輸入／輸出放大器CLC1003。數字電位器選用美國ADI公司生產(chǎn)的AD8403A10，是一種具有數字接口的有源器件?？煞奖愕嘏c單片機相連接，用來(lái)精確調整其阻值。他可以代替電路中的機械電位器，從而實(shí)現操作上的智能化。采用固定數字電位器來(lái)控制放大電路的增益，可以用簡(jiǎn)單的線(xiàn)路，實(shí)現量程多極變化，并且具有很高的增益分辨率。AD8403A10是四通道的數字電位器，每通道的電阻的標稱(chēng)值為10 kΩ，有256個(gè)分支點(diǎn)，最小的電阻調整精度可達39Ω，采用兩通道并聯(lián)可將精度降至20Ω以?xún)?，每通道的不同分支點(diǎn)的處的電阻值都有相應的串行數據與之對應。將AD8403的兩通道串聯(lián)用來(lái)調節增益，另兩通道串聯(lián)用來(lái)調節偏執電壓，當回波信號接收后，單片機通過(guò)向AD8403不斷送入串行數據來(lái)調節不同時(shí)刻的增益，最終使得到的回波信號幅度在一定的范圍之內。本單元的硬件原理圖如圖3所示。