基于FPGA控制的超聲波測距系統設計

陳云超 ，程曉鋒 ，郭 鋒

（1.西南科技大學 信息工程學院，四川 綿陽 621010；2.中國工程物理研究院激光聚變研究中心，四川 綿陽621900）

超聲波是頻率大于20 kHz的機械波，在不同介質中以不同的速度傳播，具有定向性好、能量集中、衰減較小、反射能力較強等優點。因而超聲波傳感器可廣泛應用于非接觸式檢測方法，對惡劣的工作環境具有一定的適應能力，在液位測量、汽車倒車雷達、清洗技術等領域有著廣泛的應用，已越來越引起人們的重視。本文著重介紹脈沖回波法的超聲波測距原理[1-2]及系統構成。

1 超聲波測距原理

目前，超聲波測距一般利用壓電方式產生超聲波，去激勵超聲探頭向外發射超聲波，同時接收從被測物體反射回來的超聲波（簡稱回波），通過計數器計算從發射超聲波至接收回波所經歷的傳輸時間t，根據其傳播速度v和傳播時間t的關系，計算出其傳播距離，得到超聲波傳感器和被測物體之間的距離。超聲波測距原理如圖1所示。

圖中被測距離為S，兩探頭中心距離的一半用L表示，由圖中關系可得：S=vtcos[arctan（L/S）]，當被測距離 S 遠遠大于 L 時，cos[arctan（L/S）]≈1，即 S=vt。

圖1 超聲波測距的基本原理圖

2 系統組成

本系統采用Altera公司的Cyclone系列的FPGA芯片EP1C60240C8，FPGA通過內部鎖相環（PLL）精確控制時鐘產生超聲波驅動信號，同時定時器開始計數，驅動信號經超聲波發射電路放大后驅動超聲波換能器發射出測距聲波，測距聲波經障礙物反射后的回波信號由超聲波接收電路放大、濾波后，由FPGA檢測回波信號，進行數據處理后顯示輸出。系統FPGA控制模塊框圖如圖2所示。

圖2 系統控制模塊框圖

3 系統設計

3.1 超聲波發射電路

FPGA輸出的電流比較小，不能夠驅動超聲波換能器，必須采用功放電路，因此將兩只9013三極管接成復合管，放大輸出電流，驅動超聲波換能器向外發射超聲波。超聲波發射電路如圖3所示。

圖3 超聲波發射電路

3.2 超聲波接收電路

由于超聲波接收探頭接收的信號很微弱，通常只有幾百毫伏，對于FPGA對回波信號的處理方式，需要將回波信號放大到3.3 V左右，并且是方波信號，因此必須對回波信號進行放大、濾波處理。

本設計采用器件AD620[3]作為放大元件，AD620是一款低成本、高精度儀表放大器，僅需要一個外部電阻來設置增益，增益范圍為1～1 000，尺寸小于分立電路設計，功耗很低（最大工作電流僅為1.3 mA），具有高精度（最大非線性度 40 ppm）、低失調電壓（最大 50 μV）和低失調漂移（最大0.6 μV/℃）等特性，是傳感器接口的理想之選。

接收電路采用兩級放大，前級為固定放大100倍，設定AD620器件1腳和8腳之間的電阻Rg=0.5 kΩ，后級為可變放大，根據測距遠近、信號的強度，確定二級放大的倍數，便于調試。

中間采用帶通濾波，中心頻率為40 kHz，考慮到超聲波換能器的性能指標引起中心頻率的偏差，設計帶寬BW=2 kHz，可以有效去除噪聲干擾。

放大、濾波后的交流信號輸入到電壓比較器LM311，將交流信號整形輸出一個方波信號，送給FPGA處理。超聲波接收電路如圖4所示。

3.3 測溫電路

超聲波的聲速隨溫度、壓力、介質密度、風向等外界條件的變化而變化，而其中溫度最為密切，聲速與溫度的關系式可用公式表示如下：

由此關系可以得出聲速和溫度的關系，如表1所示。

表1 聲速和溫度的關系表

系統軟件校正[4]時，可采用公式進行修正，修正后的結果如表2所示。

表2 修正的聲速和溫度關系表

由表2結果可知，修正后的聲速值的最大誤差不超過1%，完全可以運用于工程領域。

測溫電路采用的元器件是美國Dallas半導體公司生產的單總線數字溫度傳感器DS18B20，溫度測量范圍從-55℃～125℃， 在-10℃～85℃檢測誤差不超過0.5℃。其具有精度高、智能化、體積小、線路簡單等特點。采用外部供電方式單點測溫電路，如圖5所示。

圖4 超聲波接收電路

圖5 測溫電路

3.4 電源電路

供電部分采用兩片單片集成LM2576-5V穩壓芯片，其具有優異的線性度和負載調整能力，POWER端的輸入電壓約為12 V～24 V，實驗測試時采用電源適配器獲得12 V～24 V的電壓，可以得到穩定的、電路所需的正負5 V電壓，實現雙電源供電。電源電路如圖6所示。

圖6 電源電路

3.5 系統軟件設計

軟件控制部分設計總體思想：系統內部產生40 kHz的方波信號給外圍超聲波發射電路，在發出第一個脈沖的同時給計時標志位一個觸發電平，開始計時。在接收端接收到反射回來的有效信號后，停止計數，由S=vt就可以計算出所測距離。由于超聲波的繞射作用，超聲波發射電路發射出來的超聲波會直接干擾接收電路，造成數據誤差，采用延時接收[5]的辦法來解決這一問題。由于實際測量中，數據受溫度的影響及系統誤差，因而需要通過軟件修正誤差。系統軟件部分有以下功能：聲速校正、平滑處理等。軟件流程圖如圖7所示。

圖7 軟件流程圖

借助FPGA設計了一款精度較高超聲波測距系統，實驗表明，此種方式搭建的超聲波測距電路結構簡單、穩定可靠，可有效地抑制噪聲干擾，實現了目標距離在可調節范圍內的非接觸式測量。

[1]李茂山.超聲波測距原理及實踐技術[M].北京：機械工業出版社，1994.

[2]丁鷺飛，耿富錄.雷達原理（第三版）[M].西安：西安電子科技大學出版社，2002.

[3]KITCHIN C，COUNTS L.儀表放大器應用工程師指南[M].馮新強，劉福強，蔣曉穎，等譯.美國模擬器件公司，2005.

[4]王紅云，姚志敏，王竹林，等.超聲波測距系統設計[J].儀表技術，2010（10）：47-49.

[5]張波，王朋亮.基于STC89C51單片機超聲波測距系統的設計[J].機床與液壓，2010（9）：56-58.