一種高精度的超聲波多路同步測距系統設計

另外考慮到本系統要適應各種復雜的工作環(huán)境，因此設計了由TL082構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構成的比較器反相輸入端，與基準電壓相比較，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(guò)放大后的交流信號整形出方波信號，將其接至FPGA，啟動(dòng)接收模塊計數，達到脈沖串設定值時(shí)，關(guān)閉計時(shí)計數器停止計數。
2．3 FPGA內部各組成模塊設計
FPGA主要實(shí)現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(shí)間的測量。其內部結構如圖4所示。

FPGA主要由發(fā)射模塊、順序執行計數器、數據選擇器、計時(shí)計數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)射與計數器的啟動(dòng)，主要由96分頻器、發(fā)射脈沖串計數器和發(fā)射脈沖串的控制器三部分組成。順序執行計數器模塊主要由六與非門(mén)、計數器和非門(mén)組成。
所有的接收模塊接收完數據后，通過(guò)與非門(mén)及非門(mén)輸出高電平(FINISH端口)，以觸發(fā)單片機使單片機處于接收數據狀態(tài)，單片機發(fā)出信號使順序執行計數器開(kāi)始計數，計數值每次加1，輸出端口便是相應的計時(shí)計數器，單片機便從相應的計時(shí)計數器中讀取計數值。數據選擇器與順序執行計數器完成計數值數據的讀取。
計時(shí)計數器模塊主要完成測量脈沖發(fā)出去到接收到的時(shí)間間隔和脈沖的計數，主要由啟動(dòng)與關(guān)閉計數器控制、12分頻器、16位計時(shí)計數器、二選一數據選擇器及8位數據鎖存器組成(見(jiàn)圖5)。接收模塊主要接收回波信號和關(guān)閉計數器，當接收模塊接收到信號以后，便啟動(dòng)計數，達到計數值，就輸出高電平，用來(lái)關(guān)閉計時(shí)計數器停止計數。為防止信號串擾，在信號發(fā)射時(shí)，CUAN端輸入高電平，對其信號進(jìn)行屏蔽。

3 結果
經(jīng)過(guò)實(shí)驗室調試，本文給出的基于單片機與FPGA相結合的多路同步超聲波測距系統與其它系統具有如下優(yōu)勢：
(1)抗環(huán)境影響因素能力強。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，系統利用安裝標準校正板的方法能精確測量當時(shí)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(shí)采用多路超聲波精確同步測距。保證了系統的測量精度。
(3)采用FPGA與AT89C51結合的方案，由FPGA來(lái)完成多路超聲波傳播時(shí)間的精確測量，AT89C51完成信號的啟動(dòng)以及數據的處理。與常規系統相比，雖然增加了FP-GA硬件，但是系統也舍棄了一些系統所采用的溫度補償模塊，大大提高了系統的精度和系統的靈活性。