一种精密型超声波测距系统的方案研究.doc

1、一种精密型超声波测距系统的方案研究摘要：随着科技的快速发展，在测量领域中，对超声波的使用越来越高，本文主要研究一种为 TDC-GP2 芯片与 ATM 系列单片机核心器件所构成的精密型超声波测距系统，希望对同行有所帮助。 关键词：超声波，测距系统，方案 Abstract: with the rapid development of science and technology, in the measurement field, the higher of the ultrasonic waves are used, this paper mainly studies a is composed

2、 of TDC-GP2 chip and ATM MCU core device precision ultrasonic ranging system, and they hope to be helpful. Keywords: ultrasonic ranging system, scheme, 中图分类号：TB51 文献标识码：A 文章编号： 一、引言 超声波由于指向性强，能量消耗缓慢，传输距离较远，在距离测量如测距仪和物位测量仪等领域中应用十分广泛。目前，常用于实现超声波测量功能的实现方案有离散器件实现、集成电路实现和专用超声波测量芯片实现等三种。第一种方案成本低但器件参数较分散，测

3、量准确度和距离受到限制; 第二种方案，借助于集成电路实现，如常用的采用音频芯片 CX20106A 实现，由于受到芯片敏感频率的限制，测量的精度和距离受到限制; 第三种方案，采用专用的超声波测量芯片实现，测量精度高，相对成本高一些。本文提出一种基于德国 ACAM 公司高精度时间数字转换芯片 TDC-GP21 的实现方案。 二、超声波测距系统的构成 超声波测距系统构成如图 1 所示。控制芯片选用 ATMEGA8A，它是一款采用低功耗 CMOS 工艺生产的基于 AVR RISC 结构的 8 位单片机，自带SPI 接口，可以达到接近 1MIPS/M 的性能，运行速度比普通 CISC 单片机高出 10

4、倍。 图 1 超声波测距系统构成图 超声波测量部分由 TDC-GP21、超声波探头、发射控制电路、温度传感器、超声波信号处理电路等组成。 温度测量选用 DALLAS 公司的 DS18B20 数字式温度传感器，它通过输出 9 位(二进制)数字来直接表示所测量的温度值，温度值是通过 DS18B20的数据总线直接输入 CPU，无需 A/D 转换，而且读写指令、温度转换指令都是通过数据总线传入 DS18B20，无需外部电源。 在测距时超声波发射器有规律发射超声波，遇到被检测对象后反射回来，通过超声波接收器接收到反射波信号，并将其转变为电信号，测出从发射超声波至接收到反射波的时间差( 时间间隔 t) 。

5、t 与超声波传播速度 c 相乘可求出被测距离 s，即: s =1/2ct(1) 由于超声波的声速和温度有关，在测距精度要求高的场合需要通过温度补偿的方法加以校正。不同温度下超声波在空气中的传播速度随温度变化关系为: c = 331.4 + 0.61T(2) 式中: T 为实际温度。 2.1、时间数字转换芯片控制与配置电路的设计 TDC-GP21 内部主要由脉冲发生器、数据处理单元 ALU、时间数字转换器单元 TDC、温度测量单元、时钟控制单元、配置寄存器以及与单片机相接的 SPI 接口组成。芯片工作方式和各功能部分协调需要通过外部控制芯片 ATMEGA8 用 SPI 接口实现。TDC-GP21

6、 功能控制与配置电路如图 2所示。 图 2 计时芯片配置电路图 2.2、基于 TDC-GP21 的时间测量模块设计 在实际的测量过程中，超声波只有发射开始时间和返回信号接收时间两个时间节点，因而可以采用单一通道的时间间隔测量方法。测量过程中保持 STOP2 通道导通，STOP1 通道截止。 在 TDC-GP21 测量芯片中，提供了两种测量范围可供选择，分别是测量范围 1 和测量范围 2。结合实际情况，利用超声波测量距离要考虑声波的传输速度，发射、接收时间间隔较长，因而就限定了只能选择测量范围 2。对应测量范围 2 的时序图如图 3 所示。 图 3 测量范围 2 时序图 TDC-GP21 有两种

7、时钟，包括作为内部定时器的 32 kHz 时钟和外部高速时钟，供不同工作模式选择。在测量范围 2 中，作为前置配器的外部高速时钟一般采用 4MHz 陶瓷晶振。借助于 TDC-GP21 提供的自校正原始数据( Cal1 和 Cal2) 对时钟进行校正有利于减小因外部时钟抖动和温漂引起的 TDC-GP21 内部计数及延迟通道误差，有利于实现高精度的测距。 2.3、超声波测量系统的软件设计 ATMEGA8A 单片机通过 SPI 接口控制 TDC-GP21，对 TDC-GP21 芯片功能配置进行选择。配置完成后，TDC-GP21 芯片产生频率为 1MHz 的超声波，1MHz 超声波送到超声波换能器驱动

8、探头。接收探头收到的回波经过开关电路，进入超声波调理电路进行信号处理，该测量回波返回到 TDC-GP21芯片，TDC-GP21 芯片判断接收到回波后结束测量，同时通过中断通知ATMEA8A 单片机，AT-MEGA8A 单片机读取测时时间，结合测量的当前温度计算距离并最终显示在 LCM141 液晶上。 由上面的系统工作过程说明可知，系统软件设计的核心工作是对TDC-GP21 芯片进行控制和功能配置。软件编程的操作主要有两个步骤，分别是写寄存器的配置和初始化，以确定 TDC-GP21 的工作模式和寄存器的读取工作。首先对 TDC-GP21 进行寄存器配置，设置测量范围和通道2 的采样次数，定义 A

9、LU 的计算方法; 然后初始化 TDC-GP21、选通 START 和 STOP2，TDC-GP21 进入测量状态，等待 START 和 STOP2 信号; 接收指令后进行测量，测量完成后单片机读取 TDC-GP21 测量数据。超声波测距系统程序流程图如图 4 所示。 图 4 超声波测距系统程序流程图 三、测量误差分析 时间间隔测量模块在测量时间间隔小于 4ms 时，时间测量误差在90ps 以下。由于时间间隔测量模块采用延时通道测量，延时时间受温度影响，这样工作时间过长或温差较大会引起测量误差。在实际应用中可通过控制 TDC 的工作电压来稳定延时时间; 在实际测量中，晶振的稳定性也会影响到测量

10、的准确性，一般采用高质量的晶振和内部时钟校正法改善测量的精确性。测量信号在传输和反射过程中的衰减也是引起测量误差的原因，收到信号过小，需要进行信号放大，一方面其他的弱小信号就容易叠加到初始测量信号上；另一方面，信号放大后获取信号上升沿的陡度不够，也会引起测量误差。为了保证测量的准确性，可以在测量过程中多次测量，抛弃明显的粗大误差数据，对剩余数据取平均值的方法。 四、结束语 本文介绍了基于 TDC-GP21 的超声波测距仪的设计，充分利用 TDC-GP21 本身时标脉冲和触发测量的特点，借助于高精度时间间隔测量功能，实现了距离的精确测量。该设计提高了超声波测距的精度，降低了系统的功耗和体积，尤其适用于低功耗和高测量精度的场合。实验结果表明，采用 TDC-GP21 专用时间测量芯片研制的超声波测距仪控制和使用非常方便，借助于单片机的通信功能可实现对传感器的远程监控。 参考文献 1 王安敏,张凯.基于 AT89C52 单片机的超声波测距系统J.仪表技术与传感器.2006(06) 2 张攀峰,王玉萍,张健,张开生.带有温度补偿的超声波测距仪的设计J.计算机测量与控制.2012(06) 3 李佰庚.超声波测距仪设计J.工具技术.2012(06) 4 滕艳菲,陈尚松.超声波测距精度的研究J.国外电子测量技术.2006(02)