测距系统（通用12篇）
测距系统 篇1
0 引言
《煤矿安全规程》规定“2机车或2列车在同一轨道同一方向行驶时, 必须保持不少于100m的距离”, 机车的制动距离“运送物料时不得超过40 m;运送人员时不得超过20m”。但是在井下肉眼很难准确判断距离, 如果2机车运行时不保持足够的距离, 很可能发生碰撞事故。机车防撞系统能够较好地解决该问题。目前一些矿井机车防撞系统采用超声波、雷达、激光及视觉等技术对前方机车及行人进行测距。其中超声波测距易受外界温度、湿度等因素影响, 只适用于较短距离的测距;雷达测距的空间覆盖范围有限, 相互之间可能会产生电磁干扰;基于单目视觉或双目视觉的测距方法虽然精确度较高, 但造价及能耗较高[1,2]。本文介绍一种基于激光测距的矿井机车防撞测距系统。该系统能准确测量出机车与前方目标物体的间距, 通过液晶显示或声光报警方式向机车司机发出预警, 避免发生碰撞事故。
1 激光测距原理及目标物体状态判断
1.1 激光测距原理
激光测距是一种光波测距方式。设激光以光速c (本文取c=3×108m/s) 在空气中传播, 在两点间往返1次所需时间为t, 则两点间距离为
由式 (1) 可知, 测量两点间距离实际上是测量激光传播时间[3]。根据时间测量方法, 激光测距通常分为脉冲式和相位式两种方式。相位式激光测距方式一般应用于精密测距中, 远距离测距能力较脉冲式激光测距方式差。因此, 本文采用脉冲式激光测距方式。
脉冲式激光测距过程:①激光发射源发射激光脉冲, 同时启动计时器开始计时;②激光脉冲遇到目标物体, 发生漫反射并产生回波, 接收机接收到回波的同时计时器停止计时;③根据计时结果计算出目标物体与接收机的间距。脉冲式激光测距时序如图1所示。其中t0为激光实际飞行时间;ta为发射的激光脉冲的上升沿到计时器开始计时的时间;tb为回波上升沿到计时结束的时间;t′为计时器计时时间。
从图1可看出计时误差为
当时钟信号频率提高时, ta, tb同时减小, e随之减小, 所以提高计时脉冲频率可提高脉冲式激光测距的测量精度。本文介绍的矿井机车防撞测距系统采用基于传输线延迟法的高精度计时芯片TDC-GP1, 其校正和控制时钟的频率可达350 MHz。
井下温度、粉尘、光源等对激光具有吸收、散射作用, 影响激光测距精度。在考虑激光对人体安全因素的同时, 系统选用波长为905nm的近红外半导体激光, 其对烟、尘、雾等具有较好的穿透性, 测量范围为0.1~150m。
1.2 目标物体状态分析
机车运行时, 系统检测到的前方目标物体有静止和移动2种状态。可根据机车与目标物体之间的距离s判断具体状态。受机车运行速度v0 (可通过机车速度传感器获得) 和前方目标物体速度v1影响, s时刻发生变化。设在极短的时间Δt内, 分别为v0, v1的平均速度, 机车与目标物体之间的距离变化为Δs, 则有
当ds/dt>0, 即v0
其加速度为
2 系统硬件设计
2.1 系统结构
基于激光测距的矿井机车防撞测距系统主要包括以STC90C516RD+单片机为核心的控制器单元、激光发射及回波检测单元、激光飞行计时单元、显示器等, 如图2所示。
控制器控制半导体LD (Laser Diode, 激光二极管) 发出激光脉冲, 同时启动激光飞行计时单元计时。大部分出射激光脉冲遇到前方目标物体时发生漫反射, 反射波 (即回波信号) 被回波检测单元接收, 经光电转换及放大整形处理后触发激光飞行计时单元停止计时。系统根据式 (1) 计算机车与前方目标物体的距离, 再结合当前机车速度, 根据式 (4) —式 (6) 判断目标物体的运行状态及速度、加速度信息, 并由显示器显示相关信息。机车在弯道运行时, 角度传感器可检测当前机车轨道的弯度, 控制器控制LD转动一定角度来减少弯道对测距的影响。
2.2 激光发射驱动电路
激光在飞行过程中受环境影响, 其回波强度会大大削弱。为提高系统测距精度, 在激光射出时设计驱动电路来压缩激光脉冲宽度, 提高上升沿上升速度。《煤矿安全规程》规定信号传输电气设备的额定供电电压不超过127V, 尽可能设计低电流的驱动电路。系统选用PGEW 1S09LD, 其价格低廉, 能用较低的驱动电流获得高峰值输出功率, 输出波长为905nm, 能够保持良好的温度操作范围和较小的输出光束发散角。激光发射驱动电路如图3所示。
STC90C516RD+引脚P1.0输出的脉冲信号经反相器74HC04反相后控制电子开关MAX4516闭合与断开, 从而控制晶体管Q1导通与关闭。当Q1关闭时, 直流电压经R5, R6, R7对C4充电;当Q1导通时, C4经Q1, R6, LD迅速放电, 从而使LD发出功率较大的激光脉冲。
2.3 激光接收电路
激光接收电路采用Si-APD C30724E半导体光电二极管进行设计。该二极管工作的中心波长为905nm。电路前端将接收到的微弱回波信号转换成随光强度变化而变化的电流信号。由于接收信号比较弱, 转换后的电流信号比较小, 一般不直接用于控制信号, 所以需设计光电转换电路及前置放大电路将电流信号转换成电压信号, 再将该电压信号经主放大电路放大至激光飞行计时单元的最佳输入电压范围才能触发计时器停止计时[4]。激光接收电路如图4所示。
主放大电路选用带宽为150 MHz、压摆率为1 500V/μs的可变增益放大器AD8330进行设计。AD8330可将输出提高至10V峰值, 增益主要由引脚VMAG, VDBS控制, W1, W2用于调节VMAG和VDBS引脚的电压VMAG和VDBS。主放大电路的放大倍数η为
2.4 计时器与单片机接口电路
激光飞行时间的测量精度直接决定了系统测距精度[5]。当起始计时脉冲和停止计时脉冲的上升沿之间或下降沿之间的时间差为几十或几百ns时, 传统的采用低频率脉冲的计时方法已不能满足要求。本系统选用的TDC-GP1计时精度可达250ps, 这是传统计时方法达不到的。根据实际需求, 激光飞行计时单元选用TDC-GP1的量程1 (3 ns~7.6μs) 进行设计。
STC90C516RD+控制激光发射驱动电路发出激光脉冲信号。激光脉冲发出时少量的内部采样信号经整形放大后触发TDC-GP1启动计时。出射激光脉冲遇前方目标物体发生漫反射后被回波检测单元接收, 回波信号经光电转换及放大电路整形放大后触发TDC-GP1停止计时。TDC-GP1通过内部计算逻辑单元ALU计算出时间间隔并将其存入结构寄存器, 同时向STC90C516RD+发出中断信号告知计时结束。
2.5 显示电路
STC90C516RD+读取计时数据, 计算出机车与目标物体的间距, 同时与安全距离数据进行对比, 由显示器显示目标物体距离、是否在安全距离范围之内等信息。显示器选用可显示汉字与图形的DM12864M液晶显示屏。
2.6 弯道运行时测量方法
系统在实际应用中需考虑运输巷弯曲、存在坡度等情况对测距的影响。参考文献[6]指出:机车运输适用于平均坡度3‰~5‰的水平巷道;局部最大坡度不超过30‰。针对坡度对系统测距的影响, 系统采用如图5所示的安装方式。假设巷道最大坡度为30‰, 将系统安装在离地面高1.5 m处时, 上坡时可测距离sab=50m (下坡时当机车到达a点时测距也是50m) , 满足机车的制动距离“运送物料时不得超过40 m;运送人员时不得超过20 m”的要求。实际坡度越低, 系统的测距范围越大。实际应用时根据坡度适当调整安装高度即可。
针对弯曲巷道对系统测距的影响, 系统采用角度传感器测出当前机车转动角度, STC90C516RD+采集转动角度信息后控制电动机适当转动激光发射及接收端, 从而降低测量误差。
3 系统软件设计
系统软件采用模块化结构设计方法, 在Keil C51集成开发环境下采用C51语言编程设计。软件主要由主程序和激光测距、数据传递、距离计算、显示等子程序组成。
上电后系统对STC90C516RD+、DM12864M及TDC-GP1初始化, 选择GP1工作模式。STC 90C516RD+引脚P1.0控制LD发出激光脉冲, GP1start通道接收到脉冲信号 (start) 后开始计数, stop1通道接收到脉冲 (stop) 后停止计数。计数结束后, GP1中的ALU按照设定模式计算出start脉冲和stop脉冲之间的时间差, 将其存于结果寄存器, 并向STC90C516RD+发出测量结束中断信号。若采样到start脉冲后在7.6μs (量程1) 内还没接收到stop脉冲, 则GP1产生溢出中断。STC90C516RD+通过读GP1的状态寄存器来判断上述2种中断, 如果是测量结束中断则直接读取结果寄存器中数值, 如果是溢出中断则判断为无效, 重新初始化, 准备下一次测量。
4 测试结果与分析
井下环境比较复杂, 结合《煤矿安全规程》的规定, 模拟矿井环境并采用该系统对指定目标物体进行了20~100m范围的测试, 结果见表1。
m
从表1可看出, 系统测量的初始平均误差不大于0.22 m。产生误差的主要原因及解决方案:①式 (2) 中的误差只能有效降低, 但依然存在, 提高计时脉冲频率可适当减小该误差[7];②放大电路输出的信号幅度不同导致出现误差, 可通过改进放大电路, 使其输出信号为一个固定值来减小该误差;③温度变化引起测量误差, 根据参考文献[8]可知, TDC-GP1工作温度为25℃时测量误差最小, 此外, 该芯片的制造工艺参数、供电电压的变化都会引起测量误差。
对测得的数据进行修正可降低误差。在Matlab中采用最小二乘法对一阶多项式y=ax+b进行线性拟和, 得a=0.999 1, b=-0.131 0, 则
修正后的误差见表1。可看出修正后的误差基本上在0.03m以内, 符合机车运行时的测距要求。
5 结语
基于激光测距的矿井机车防撞测距系统测距精确度高, 成本低, 可应用于井下机车、工厂车间运输车及汽车防撞报警系统中, 也可用于教学研究。下一步将深入研究如何降低运输巷弯曲对系统测距精度的影响。
参考文献
[1]王铖.电机车平巷运输防撞信号系统的探索与实现[J].矿山机械, 2010, 38 (12) :91-92.
[2]候培培.提高矿井机车防撞系统视觉测距精度的方法研究[D].重庆:重庆大学, 2010.
[3]王世康, 潘炜, 陈静, 等.汽车防撞系统高速激光脉冲收发回路的实验研究[J].光电子·激光, 2008, 19 (5) :656-659.
[4]王强, 孙志慧, 倪家升, 等.一种应用于脉冲激光测距系统的宽动态-高速接收电路[J].山东科学, 2012, 25 (2) :53-58.
[5]纪荣祎, 赵长明, 任学成, 等.脉冲激光测距高精度计时系统的设计[J].工矿自动化, 2010, 36 (8) :18-22.
[6]于学谦.矿山运输机械[M].徐州:中国矿业大学出版社, 1998.
[7]张黎明, 张毅, 赵欣.基于TDC的激光测距传感器飞行时间测量研究[J].传感器与微系统, 2011, 30 (12) :71-74.
[8]卢静怡, 杨志卿, 赵向凯, 等.基于TDC-GP1的高精度激光测距研究[J].光电技术应用, 2013, 28 (1) :60-65.
测距系统 篇2
本文论述了相位法激光测距的原理和引起误差的`原因,提出了电路系统设计方案,着重对频率电路和精密检相电路进行了较为深入的分析与讨论.针对大小角度、零点漂移和信号幅度等原因引起的测量误差,本文提出了具体的解决措施,提高了数字检相电路的测相精度和稳定性,最后给出了测试方法和测试结果.
作 者：金宁 汪伟 翁剑枫 张增耀 作者单位：金宁(中国计量学院信息工程学院,)汪伟,翁剑枫(中国计量学院机电工程学院,)
测距系统 篇3
关键词： TMS320F28335； M序列； QPSK； 无线电测距
中图分类号： TP242文献标识码： A文章编号： 1673-5048（2016）04-0042-05
Abstract： In order to improve the ability of working machine range， ranging system should not only have quick and accurate judgement for the measured distance， and must have a high antiinterference ability. Using the QPSK principle， the M sequence is modualted by radio ranging system based on pseudorandom sequence， and then the M sequence is transmitted by radio as the distance measuring medium， which has the characteristics of wide ranging and strong antiinterference ability. At the same time， the system uses TMS320F28335 as the main control chip to comput and control， which has the characteristics of high accuracy and strong realtime. The experimental results show the feasibility of the system.
Key words： TMS320F28335； M sequence； QPSK； radio ranging
0引言
工业技术的发展要求工作机具有很强的测距能力， 包括测距范围和精度、 实时性以及抗干扰能力。 由此衍生出许多测距的方法： 利用超声波作为测距介质， 精度较高， 但是抗干扰能力较差， 测距范围小； 利用红外线作为测距介质， 精度较高， 但是测距范围较窄且成本高； 利用激光作为测距介质， 精度较高， 所测范围广， 但是对工作环境要求高， 测距系统成本高。
基于伪随机序列的无线电测距系统采用硬件的编码法， 将DSP生成的M序列经过QPSK调制电路进行数字调制， 通过电磁波发射器发射。 电磁波遇到目标物体后反射回来， 被电磁波接收器接收， 将其放大、 解扩、 滤波、 采样， 提取出回波中的M序列， 将其与本地的M序列在DSP中做自相关运算， 计算出延迟时间τ， 从而计算出所测距离。 系统编码采用码元较小、 周期较长的M序列， 可提高系统测距精度和测距范围。
1伪随机序列的概述
伪随机序列拥有较好的特性， 一方面其随机性与随机序列相似， 另一方面其相关函数与白噪声接近， 最重要的是可以通过其结构预先确定并且能够重复的产生。 本文所设计系统采用的M序列便是伪随机序列中具有代表性的一种。
1.1M序列的测距原理
式中： τ为延迟时间。 正交编码即对应位两两正交的编码， 其互相关性很弱， 但有较强的自相关性， 即使受到外部噪声干扰也容易区分。 因为噪声与伪随机序列的互相关性极低， 噪声会被相关函数抑制， 因此正交编码拥有较强抗干扰能力。 当M序列的周期足够大时， 其自相关函数便会和δ函数十分接近， 呈现明显尖锐的二电平特性， 如图1所示。 利用M序列的这一特性将几组M序列在DSP中做一系列计算， 实时检测出现最大值的时刻， 得出电磁波的发射与接收时差， 从而计算出所要测量的距离。
M序列可以通过MATLAB编程产生， 或由Simulink仿真模块建模产生。 上述方法的特点是可视化强， 但是可移植性较差， 与脱离PC机的系统无法联接， 不利于系统调试。 本系统选择通过DSP编程产生M序列， 较为高效可靠。
电磁波测距系统需产生一个周期为p=212-1=4 095的M序列。 确定n=12级的本原多项式， 首个移位寄存器和最后一个移位寄存器必须参与反馈计算， 并且不能全为1， 因此本测距系统从众多本原多项式中选取的本原多项式为
1.4M序列调制与解调
QPSK即所谓的正交相移键控， 是一种在无线通信等领域被广泛应用的调制解调方法， 能通过载波的四种不同相位对数字信息进行表达。 QPSK正交调制过程如图4所示， 将数字信号输入， 用a表示前一个二进制码元， 用b表示后一个二进制码元， QPSK信号便可以被认为是两个正交载波2PSK信号的合成。
对QPSK信号的解调方法同样可以采用2PSK信号的解调方法。 QPSK信号解调原理图如图5所示。 首先分别采用相干解调方式对同相支路和正交支路进行解调， 从而得到I（t）和Q（t）两路信号， 然后将两路信号进行抽样判决， 最后经过并/串交换器， 把支路的并行数据恢复成系统所需的串行数据。
2测距系统硬件电路设计
基于伪随机序列的无线电测距系统的硬件电路共有六大模块， 分别是发射接收模块、 放大滤波模块、 QPSK调制解调模块、 ADC模块、 核心处理器模块以及人机对话模块， 如图6所示。
2.1核心处理器模块
测距电路采用TI公司的TMS320F28335芯片作为控制运算芯片， 其特点是拥有较多的外设功能， 高达150 MHz的处理能力， 32位浮点处理单元， 独立的乘法器、 加法器和DMA等配置使其做大量数据运算的时间大大减少。 相比较TI公司的TMS320F2812芯片， 其整体性能提高近一倍， 能较好地完成本测距系统的数据运算与控制功能。 电源采用TPS767D318电源转换芯片实现DSP所需的1.8 V， 1.8 VA， 3.3 V， 3.3 VA电压， 为了防止电磁干扰， 其中模拟地和数字地用小电阻或磁珠连接。
2.2人机对话模块
人机对话部分包括按键（6个）、 3.3 V供电的液晶LCM128645ZK显示器、 利用DSP的GPIOA、 B口、 连接按键和液晶， 如图7所示。
2.3QPSK调制解调电路模块
QPSK调制解调模块的硬件电路采用ST公司的STV0299B芯片， 内部集成了双 6-Bit 的模数转换器， I2C总线控制等电路。 拥有90 Mbps 的采样速率以及可达±45 MHz载波回路跟踪范围， 还拥有串、 并行选择输出的功能以及对邻频道有很好的抑制特性， 完全满足测距系统的要求。
2.4高速的数据采样与处理电路模块
对回波信号中的M序列进行采样转化， 波形较为简单， 所以ADC芯片的位数可以选择较低的版本， 同时M序列的码元较窄， 所以必须采用高频率的ADC芯片。 因此测距系统采用AD公司的AD9054芯片。 AD9054是一款8位单芯片模数转换器（ADC）， 公司专门对其做了优化。 该器件提供的编码速率高达200 MSps， 同时其全功率模拟带宽范围在350 MHz左右， 完全满足测距系统高动态性能的要求。 AD9054的硬件连接如图8所示。
2.5信号的放大滤波电路
由于回波信号能量较为弱小， 同时信号中夹杂着干扰信号， 所以必须对回波信号进行放大和滤波处理。 测距系统选用AD公司的AD620芯片作为信号放大芯片， 具有操作简单、 增益精度高的优点， 只需外加一个电阻便可起到放大的作用， 系统采用二级放大电路， 增大放大倍数， 同时确保放大精度， 放大电路如图9所示。 测距系统选用AD公司的OP27E作为滤波电路， 将二谐高通和二谐低通相串联构成带通滤波器， 有效地衰减带通以外的信号， 滤波电路如图10所示。
3测距系统程序设计
测距系统的应用程序采用模块化编程， 便于调用和调试。 包括： M序列的产生程序、 STV0299B芯片的初始化设定程序、 STV0299B芯片与控制芯片的数据传输程序、 本地M序列和回波M序列的自相关运算程序、 人机交互程序。
3.1M序列的产生程序
3.2M序列自相关运算程序
MATLAB的一系列仿真证明了测距系统的可行性。 本次室外实验的测量距离为1～4.5 km， 测距绝对误差在10 m内， 实验结果如表1所示， 可见系统具有较强的远距离测距能力。
5结论
基于伪随机序列的无线电测距系统相比较其他原理的测距方法有其独特的优势。
测距系统的测距精度为电磁波的速度与码元的乘积。 因此要提高系统的测距精度就必须减小码元的宽度。 测距系统的测距范围为电磁波的速度与M序列周期的乘积， 要提高系统的测距范围精度必须增大M序列的周期， 随着系统程序的不断完善和硬件功能的不断强大， 测距的性能也将不断提高。
参考文献：
[1] 赵小川， 罗庆生， 韩宝玲.基于伪随机序列自相关性的新型超声波测距系统[J]. 压电与声光， 2009， 31（6）： 856-861.
[2] 韦伟， 周凌翱， 刘青.一种便携式的红外测距系统[J].电子设计工程， 2011， 19（21）： 40-42.
[3] 贾方秀， 丁振良， 袁锋.相位法激光测距接收系统[J].光学精密工程， 2009， 17（10）： 2377-2384.
[4] 杨保平， 江修富， 卜格鸿， 等.基于扩谱技术的高精度无线电测距[J].装备指挥技术学院学报， 2006， 17（5）： 78-81.
[5] 吴浩， 郝燕玲， 徐定杰.DSP在伪随机序列发生器中的应用[J].应用科技， 2002， 29（8）： 43-44.
[6] 杨东红， 张彦梅.基于DSP的伪随机序列相关系统研究[J].制导与引信， 2004， 25（1）： 30-33.
[7] 李鹏.M序列码的DSP产生及压缩技术研究[J].电子元器件应用， 2010， 12（5）： 36-38.
[8] 刘明亮， 朱江淼.数字信号处理对电子测量与仪器的影响研究[J].电子测量与仪器学报， 2014， 28（10）： 1041-1046.
[9] 唐苏明， 张旭， 屠大维. 伪随机编码结构光系统的标定[J].仪器仪表学报， 2014， 35（6）： 1354-1362.
测距系统 篇4
超声波作为一种检测技术, 采用的是非接触式测量, 此特点可使测量仪器不受被测介质的影响[1,2]。这就大大解决了在粉尘多情况下, 给人类引起的身体接触伤害, 腐蚀性质的被测物对测量仪器腐蚀, 触点接触不良造成的误测情况。且对被测元件无磨损, 使测量仪器牢固耐用, 使用寿命加长, 而且还降低了能量消耗, 节省人力和劳动的强度。无论从精度还是从可靠性方面, 超声波测距做得都比较好[3,4]。利用超声波检测即迅速, 方便, 计算简单, 又易于做到实时控制, 并且在测量精度方面能达到工业实用的要求, 具有广泛的发展前景。
这些年来, 随着超声波技术研究的不断深入, 超声波的应用变得越来越普及。目前已经广泛地应用在机械制造、电子冶金、航海等工业领域。目前国内专用超声波测距专用集成电路都是只有厘米级的测量精度[5,6,7,8]。
1 超声波测距原理
本硬件设计采用超声波往返时间检测法, 其原理为:检测从超声波发射器发出的超声波, 经气体介质的传播到接收器的时间, 即往返时间。往返时间与气体介质中的声速相乘, 就是声波传输的距离。而所测距离是声波传输距离的一半, 即:
在上式中, L为待测距离, v为超声波的声速, t为往返时间。由下式计算测量误差;
式中, σL为测距误差, v为声速, σ△t为时间测量误差, σv为声速误差。
2 超声波测距系统的硬件设计
发射电压从理论上来说是越高越好, 因为对同一只发射传感器而言, 电压越高, 发射的超声波功率就越大, 这样能够在接受传感器上接收的回波功率就比较大, 对于接收电路的设计就相对简单一点。但是, 每一只实际的发射传感器有其工作电压的极限值, 会对传感器的内部电路造成不可恢复的伤害。
发射部分的点脉冲电压很高, 但是由于障碍物回波引起的压电晶片产生的射频电压不过几十毫伏, 要对这样小的信号进行处理就必须放大到一定的幅度, 最终达到对回波进行放大检测, 产生一个单片机能够识别的中断信号作为回波到达的标志。
2.1 发射部 分
(1) 发射波形
发射部分用单片机产生40k Hz的方波, 然后加以驱动。波形经过放大后发生轻微变化后送至发射传感器发射出的信号, 理论上是稳定变化的, 为使传感器充分震荡, 发射脉宽不可以过小, 一般来说我们选择40k Hz的方波信号, 但是实际情况是我们可以得到频率为39k Hz到40k Hz之间的信号。
(2) 发射电压
传感器发射电压大小主要取决于发射信号损失及接收器的灵敏度。在发射端电源处极其容易产生干扰, 可以选择适当大小的电容进行滤波。设计的发射电路如图2所示。
2.2 接收部分
在传感器接收的信号中, 除了障碍物反射的回波外, 总混有杂波和干扰脉冲等环境噪声。环境噪声主要集中在低频段, 远离回波信号频率。因此系统的总噪声系数主要有接收机的内部噪音决定, 其功率谱宽度远大于接收机的通频带, 而且内部会产生一个有用信号频率基本相同, 只有辐值不同的信号, 可以使用一些特殊的电路将其隔离。接收电路如图3所示。
2.3 检 测单 元
接收信号放大到2V左右时, 就可以进行信号检测, 信号检测的目的是确定接收信号的到达时间, 这是整个电路一个关键的地方。因为它不仅决定系统的测量精度, 还关系到整个系统是否能正常工作。
检测电路设计的要求是保证每次接收信号都能被准确的鉴别出来转换成数字脉冲去触发单片机的外中断引脚, 通常采用某一固定电平或滑动门限电平作为比较电平, 以零电作为比较电平是行不通的。这样一来, 即使没有接收信号, 也会造成比较器反复触发, 从而无法判断那个信号是真正的接收信号。若采用某一高于一般噪声峰值的固定电平, 这样就可以消除一般噪声的影响, 而且比较电平固定, 可以实现对电路信号的准确检测。
2.4 显示单 元
显示器是一个典型的输出设备, 而且其应用是极为广泛的, 几乎所有的电子产品都要用到显示器, 其差别仅在于显示器的结构类型不同而已。最简单的显示器可以使用LED发光二极管, 给出一个简单的开关量信息。
2.5 声速校 正
要想通过测量超声波传播时间确定距离, 声速C必须恒定。实际上, 声速随着介质、温度、压力等变化而变化。一般情况下, 由于大气压力变化比较小, 因此传播速度主要考虑温度的影响。通过温度修正, 即根据声速与温度的关系计算出测量时实际环境中的声速, 再根据测距公式得到距离。空气中声速C与温度T的关系在常温下可以用公式 (3) 表示。
2.6 干扰问题的解决方法
干扰主要是外界高频噪音及电源等对信号产生的干扰。由于这类干扰信号尤其是电源干扰信号和有用信号极其相似, 因此不容易检测出回波信号。针对这样的干扰信号, 可以通过选择合适的元器件, 加之滤波电路就可以消除干扰。
3 超声波测距系统的软件设计
3.1 信号控制
在系统软件中, 要完成接收控制信号、发射脉冲信号、峰值采集信号的时序及输出信号处理后的显示等。
3.2 数 据存 储
为了得到发射信号与接收回波间的时间差, 要读出此刻计数器的数值, 然后存储在RAM中, 而且每次发射周期的开始, 需要计数器清零, 以备后续处理。
3.3 信 号处 理
用超声频脉冲激励超声波探头, 使之向外界辐射超声波, 并接收从被测物体反射回来的超声波 (简称回波) , 通过检测或估计从发射超声波至接收回波所经历的时间段t (称为射程时间) , 然后按下式计算超声波探头与被测物体之间的距离L, 即
式中, C为空气介质中声波的传播速度。
由式 (4) 可知, 当传播介质的温度发生变化时, 声的传播速度。也随之改变。因此, 在超声波测距仪中均内置温度探头, 用于实时检测声传播介质的温度, 以补偿环境温度变化对测距精度的影响。为了改善超声波测距系统的性能, 仅仅从系统的硬件入手是不够的, 还必须研究与硬件系统相适应的测量信息处理方法。
在此超声波测距仪的设计中, RAM中存储的计数值不能作为距离值直接显示输出, 因为计数值与实际的距离值之间的转换公式。
其中, t为发射信号到接收信号之间经历的时间, Tr为方波信号作为计数脉冲时计数器的时间分辨率, N为计数器的值。
3.4 数据输出与显示
经软件处理得到距离传送的四位LED显示。
由于距离值的得到及显示是中断子程序中完成的, 因此在初始化发射程序后进入中断响应的等待, 在中断响应的之后, 原始数据经计数值与距离值换算子程序, 二进制与十进制转换后显示输出。
整个系统软件功能的实现可以分为主程序、子程序、中断服务程序几个主要部分。
3.5 超声波测距系统软件流程图
4 结论
基于时差测距原理设计了8051单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距系统, 给出了原理框图和硬件各部分的实现, 并进行了软件设计。在本设计方案中还存在着一些不足, 例如环境温度的变化将影响超声波在媒质中的传播速度受温度影响造成的误差无法消除。
摘要：超声波测距技术在社会生活中己有广泛的应用, 超声波测距传感器在车辆避障与安全预警系统、车辆自动导航和现场机器人等专题中具有广阔的应用前景。本文根据超声波特征及测距原理, 完成了一款以单片机为核心的基于时差测距原理的一种超声波测距系统的软硬件设计。
关键词：超声波,距离测量,单片机
参考文献
[1]卜英勇, 王纪婵, 赵海鸣, 等.基于单片机的高精度超声波测距系统[J].仪表技术与传感器, 2007, 3:66-68
[2]马大猷.现代声学理论基础[M].北京:科学出版社, 2004.
[3]曹建海, 路长厚, 韩旭东.基于单片机的超声波液位测量系统[J].仪表技术与传感器, 2004 (1) :39-40.
测距系统 篇5
【摘要】本文主要是以学习移动机器人智能避障测距系统为主，阐述学习过程中的心得体会。测距系统的应用场合非常的多，比如测距雷达、测速仪、测深仪、汽车倒车的报警装置等等。这里就浅谈智能的测距避障系统。【关键词】测距系统智能控制单片机
1.引言
智能控制（intelligent controls）是指在无人干预的情况下能自主地驱动智能机器实现控制目标的自动控制技术。控制理论发展至今已有100多年的历史，经历了“经典控制理论”和“现代控制理论”的发展阶段，已进入“大系统理论”和“智能控制理论”阶段。智能控制理论的研究和应用是现代控制理论在深度和广度上的拓展。20世纪80年代以来，信息技术、计算技术的快速发展及其他相关学科的发展和相互渗透，也推动了控制科学与工程研究的不断深入，控制系统向智能控制系统的发展已成为一种趋势。
自1971年傅京孙教授提出“智能控制”概念以来，智能控制已经从二元论（人工智能和控制论）发展到四元论（人工智能、模糊集理论、学运筹和控制论），在取得丰硕研究和应用成果的/ 7 同时，智能控制理论也得到不断的发展和完善。智能控制是多学科交叉的学科，它的发展得益于人工智能、认知科学、模糊集理论和生物控制论等许多学科的发展，同时也促进了相关学科的发展。智能控制也是发展较快的新兴学科，尽管其理论体系还远没有经典控制理论那样成熟和完善，但智能控制理论和应用研究所取得的成果显示出其旺盛的生命力，受到相关研究和工程技术人员的关注。随着科学技术的发展，智能控制的应用领域将不断拓展，理论和技术也必将得到不断的发展和完善。
本文就移动机器人其中一个小系统进行学习研究，体现出智能控制的特点：智能控制的核心在高层控制，即组织级；智能控制器具有非线性特性；智能控制具有变结构特点；智能控制器具有总体自寻优特性；智能控制系统应能满足多样性目标的高性能要求；智能控制是一门边缘交叉学科；智能控制是一个新兴的研究领域。
2.测距系统的组成及工作原理
智能移动机器人的出现给人们的生活带来越来越多的惊喜，要想机器人在移动过程中的路径准确,就必须将其安装测距系统，以使其及时获取距障碍物的信息(距离和方向),为了躲避障碍物,机器人的移动路径要能做智能调整, 使其在二维空间中，在起始点、目标点已知的条件下，当移动机器人避障成功后执行规划系统预先规划的路径，获得较短的路径长度并到达目标点为止。测距系统中涉及了超声波和单片机。这里就超声波和单片机作简要介绍和选取型号。/ 7 科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率，它的单位是赫兹。我们人类耳朵能听到的声波频率为 20 ～ 20000Hz。当声波的振动频率大于 20KHz 或小 于 20Hz 时，我们便听不见了。因此，我们把频率高于 20000 赫兹的声波称为 “ 超声波 ”。为什么测距系统中要用超声波来测距，那是因为我们机器人获取障碍物信息要它的距离和方向，而超声波具有：a.超声波在传播时，方向性强，能量易于集中；b.超声波能在各种不同媒质中传播，且可传播足够远的距离；c.超声波与传声媒质的相互作用适中，易于携带有关传声媒质状态的信息。正因为这些特点所以采用超声波。
单片机就是我们经常接触的CPU，它可以处理许多指令，最初的8031单片机生产成本低，功能够用所以当时被很多产品所采用。研读的这篇移动机器人采用了AT89S52单片机，AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业51系列单片机产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
这篇文章针对移动机器人的在行驶过程中需要获取障碍物距离和方向信息,设计了基于超声波测距模块URM37V3.2的测距系统, 同时，在假设起始点、目标点位置已知的条件下，以遗传算法对于模糊避障控制器进行最优化设计，设计在三个障碍物环境最佳避障模糊控制器。/ 7 3.软件设计和路径规划算法
原文是这么说的“单片机通过超声波测距模块U R M 3 7 V 3.2 要获得正确的距离、角度信息，就必须按照URM37V3.2的通信协议进行工作。启动16位距离信息读取命令的格式为0 x 2 2 + 度数+ N C + S U M ,其中N C 代表任意数据，SUM代表校验和,度数被测方位的角度信息，当测量完毕以后URM37V3.2返回给单片机的数据格式为0x22+距离高+距离低+ S U M，S U M 代表校验和，如果检验和正确,，经过距离运算子程序即可得到发送角度方位对应的距离。”其中测距系统模块化之后大大减少了系统的复杂性，可以由多个子系统组成一个大系统。模块的编程都采用和汇编语言，编程直接简单，模块通信接口多功能强大。
而路径规划则是采用了模糊规则与遗传算法相结合，这个规则是这样的移动机器人按照规划系统所规定的路径，向目标点方向前进，当移动机器人遇到障碍物时，反馈系统,即以遗传算法设计的避障模糊控制器，复杂做避障运动,等到避障成功后，继续执行规划系统预先规划的路径，并到达目标点为止。遗传算法通过调整避障模糊控制器的参数，包括模糊规则,模糊隶属函数的低端参数、范围，以及加入染色体遗传基因，并由适应度函数的计算，比较适应度,搜索最佳染色体，并得到最佳避障模糊控制器。三个障碍物环境下以遗传算法设计最佳避障模糊控制器的方法和步骤为：首先进行遗传算法参数编码,得到调整参数。包括对输入变量移动机器人前端到障碍物边缘的距离Dco、移动机器人分别与障碍物及目标点的角度差Ae以及输出变量移动机器人的转角的隶属函数底端参数，控制规则库参数、基因算子参数进行编码。其中输/ 7 入、输出变量的隶属函数底端每个变量取5个，三个变量共15个参数，控制规则库参数取25条，基因算子参数分别为输入变量Dco、输入变量Ae以及输出变量f 三个，所以调整参数共有43个，即为遗传算法的染色体长度，图1为染色体调整参数编码图。其次对路径规划定义适应函数，本文的路径规划要求机器人不能碰撞到障碍物,并使得路径越短越好，所以这个问题为路径最短问题，路径越短，其适应度越高,被选择的概率越大,定义的适应函数如下：
fit = 100-(d + cob + cow)其中fit:适应度 d:：总路径
cob：碰撞到障碍物的系数 cow：碰撞到墙的系数。
从适应函数可以看出,总路径长d越短时，适应度就越大,越符合设计要求，碰撞到障碍物的系数cob和碰撞到墙的系数cow越小，适应度就越大,越符合设计要求。将模拟参数定义为：
基因算子搜索范围: dco[-10 10]、Sae [-10 10]、Stheta[0 100] 搜索数：15 种群大小：50 / 7 交配率：0.9 变异率：0.03 通过计算机对三个障碍物的环境下以遗传算法设计避障模糊控制器进行模拟，可以获得三个障碍物环境的最佳避障模糊控制器，将未经由遗传算法最优化的避障模糊控制器和经由遗传算法最优化的最优模糊避障控制器进行模拟比较，设定障碍物环境为100×80单位长,障碍物边界为墙,移动机器人的起始位置(xsi,ysi)=(10,10),目标点位置为(xg,yg)=(90,70)，定义up为未最优化的避障模糊控制器，op3为以三个障碍物环境为基础的最优避障模糊控制器。d为移动机器人由起始位置经由避开障碍物，最后到达目标所行驶的总路径长度,通过计算机仿真可得，移动机器人采用未经由遗传算法最优化的避障模糊控制器所行驶的路程d=118，采用经由遗传算法最优化的最优模糊避障控制器所行驶的路程d=114。
根据作者的设计思路我们可以看出通过操控URM37V3.2模块可以很方便地获得多方位的障碍物距离信息，在复杂的环境下以遗传算法进行模糊控制器的最优化设计,可以提高模糊控制器的适应性，使其适应不同的环境，使移动机器人由起始位置开始，能够避免与障碍物发生撞墙的错误情形发生，并到达目标点,使移动机器人的行走的路径为最短。/ 7 4.结束语
从上文可以看出智能控制的趋势，其中人工智能为智能控制提供了机遇。自动控制理论发展到今天的智能控制，主要有三个阶段：第一阶段是以上世纪 40 年代兴起的调节原理为标志，称为经典控制理论阶段；第二阶段以 60 年 代兴起的状态空间法为标志 , 称为现代控制理论阶段；第三阶段则是 80 年代兴起的智能控制理论阶段。
指套测距仪等 篇6
设计师设计了一款戴在手指上的电子测距仪。它由用来测距的指套和充电器组成,可以测量戴有指套的两指间的距离。使用者在任意两个手指上分别带上测距仪,按下其中一个手指套上的“测量”按钮,距离数值便会以LED灯形式显示在其表面,并处理成数字信息,可以在米、厘米、英寸等单位之间随意切换。
不用电池的电视遥控器
这款遥控器装有磁铁滑块和线圈,用户可以通过晃动让遥控器发电。每次晃动都可以产生20～30mA的电流,足以供遥控器正常使用。遥控器上没有按钮,用户要通过晃动遥控器来遥控电视,上下晃动是调节频道,左右晃动是调节音量。
震动按摩手套
这款震动按摩手套表面采用仿麂皮材料制成,柔软舒适,可以按摩身体的各个地方,缓解疲劳。
智能雨水净化器
在水资源匮乏的今天,雨水的充分利用显得尤为重要。这款嵌在屋外水管上的智能雨水净化器,结构紧凑,功能强大:当夹杂着各种杂物的雨水顺着管道流下后,梳篦式分离器将体积较大的物体(如树叶等)过滤掉;更细小的杂质(如小沙子等)由可自动清洁的振动筛过滤掉。然后,内置感应器的分流器开关被打开,雨水从侧向出口流入花园、田地等需要水的地方。
电子笔记记录笔
这杆笔在笔头部分加装了动作捕捉器,通过记录笔尖的运动轨迹,将使用者写的字或画的画,经由传感装置传人电脑,并以文字或图案的形式再现出来。
大脑读取机
浅析超声波测距系统 篇7
目前在国民生活生产中的各个领域里都得到了人们的应用, 尤其是化工, 航海, 机械制造, 交通等领域内, 另外在医学、材料科学、生物科学等领域中也占有重要的地位。
1 超声波测距的原理
由超声波发生器在控制系统的控制下, 向被测物体发射超声波, 同时控制计时器进行计时, 超声波在向被测物体传播时, 当它接触到被测物体时, 会被反射, 回波被接收装置接收, 同时控制计时器结束计时, 计时器所记录的时间即为超声波来回的时间, 通过计算就可以得到发射点距被测物的距离。原理如图1所示。
超声波在空气中的传播速度为C, 根据计时器上记录的时间t, 就可以计算出测试点距被测物体的距离L, 即:
测量误差满足公式 (2) :
式中:
σL———为距离误差;
σC———为声速误差;
σt———为时间误差。
测量电路简单, 测量的范围适中, 精度较好, 使用较为广泛。
2 国内外超声波测距技术研究进展
近年来, 由于各种超声波检测仪器大量问世, 带动了超声波测距系统的长足发展。目前在超声波回波信号的处理方法上、新型的超声波换能器的研发上、超声波发射脉冲的选取三个方面, 做了大量的研究工作, 并针对影响超声波测距的因素, 提出了温度补偿、接收回路串入自动增益调节等措施, 提高了超声波测距系统的准确度。但是作为超声波测距系统的关键技术之一, 回波信号处理仍然是目前研究的重点方向。
2.1 国内超声波测距技术研究进展
国内在超声波测距仪器上的研究也步入了国际先进行列。其中, 由某研究院设计的型号为2000A的超声分析检测装置, 是一个智能化测量仪器, 在它的内部自带一个微处理器, 所有的操作全部在微处理器的控制之下, 其测试波形清晰, 状态稳定, 且操作简单, 并具有断电存贮的功能。其先进的设计理念, 齐全的使用功能, 且在设计上的创新和突破都遥遥领先与国内同类产品, 并进入了国际领先行列。
李云龙等人在2012年第1期《仪表技术与传感器》发表的“新型嵌入式超声波测距系统”一文中, 设计了一种以C8051F320单片机、反激变换器和专用集成电路为核心元件的超声波测距系统, 它可以增大超声波的发射频率和准确接收回波信号。测试结果表明这种系统测量数据准确, 线性度好, 性能稳定, 成本低等特点可以广泛应用于工业领域。
王小华等人在2012年第33期《广西物理》发表的“基于温度补偿的超声波测距系统设计”一文中, 设计了一个超声波测距系统, 它包含AT8951单片机, 发射、接收电路, 温度补偿电路及显示电路等5部分。对温度、距离衰减及时间差测量进行补偿。实验结果证明该系统, 稳定, 精度较高, 最大误差小于2cm。
2.2 国外超声波测距技术研究进展
国外在超声波测距领域起步较早, 尤其在超声波测距精度方面做了大量的研究, 其中Zhenjing Yao, Tao Gao等人在2012年第7期《Journal of Networks》发表的“The Optimized Pseudorandom Digital Modulation Excitation Sequences for Multichannel Ultrasonic Ranging system”一文中, 提出了采用多通道超声波传感器随机数字调制激励序列, 以避免串扰。充分利用了传感器的带宽来配置传感器的调制参数, 它可以使八通道超声波测距系统协同工作, 并无串扰, 具有最大误差不超过4.1cm的精度。
Jackson Joseph, Summan Rahul等人在2013年第60卷《Ferroelectrics and Frequency Control》发表的“Time-of-flight measurement techniques for airborne ultrasonic ranging”一文中, 对超声测距方法的不同技术和局限性进行了综述, 重点对测量精度和可重复性进行了讨论。得出“简单的时域方法都与它们的频域等值相关”的结论。
3 结论
纵观上述可以发现, 超声波测距技术的研究, 除了采用先进的计算机控制技术之外, 主要集中在对测距信号的影响因素以及补偿处理方法等方面, 以提高测距精度与可靠性。
摘要：超声波检测的优点在于非接触型, 高精度, 简单易操作, 因此在国民生产生活的各个领域都得到了广泛的应用。本文通过对超声波测距原理进行阐述, 并针对国内外超声波测距技术发展的现状进行了论述, 表明了超声波测距的先进性和准确性以及可操作性。
关键词：超声波,测距,技术
参考文献
[1]李云龙, 卜雄洙, 赵文, 朱雅平.新型嵌入式超声波测距系统.仪表技术与传感器, 2012, No.1:97-99.
[2]苏琳.基于HC-SR04的超声波测距器的设计.机械与电子, 2012, 9:124-125.
超声波测距系统设计 篇8
本系统设计的超声波波测距系统采用PIC16F73作为主控制芯片,首先产生40KHz的方波,驱动超声波发射探头发出超声波。在发波的同时,开启T1定时器,用来记下收到回波的时间。接收部分先对接受到的回波信号两级放大,然后整流成一较平稳的信号,再通过一个比较器将模拟信号转化成数字信号作为有无回波的识别。当单片机接收回波信号时,使用单片机捕捉功能,产生中断,在中断程序中读出T1计数寄存器中的数值即为超声波发射与接收的时间间隔。测得回波的时间,根据声在空气中的传播特性,通过计算S=v*t/2,即可得到障碍物的距离。
1.1 超声波发波电路
超声波的发波部分,首先由软件产生40KHz的方波,经引脚RCO输出,分两路驱动超声波发射探头,一路经一个4011与非门反向,驱动探头之前分别先各由一个9013NPN的三极管做开关,后由4069反向器来增强驱动能力,使超声波发射探头发出40KHz的超声波。
1.2 超声波接收电路
接收部分先对接受到的回波信号放大,然后将信号整流,最后通过一个比较器将模拟信号转化成数字信号作为有无回波的识别信号。
1.3 放大电路
放大电路有两个LM358构成一个两级放大电路,第一级放大约100倍,第二级放大约10倍。
其中C4可除去超声波传感器接收头收到的信号的直流信号,第一级放大其放大倍数为R1/R4=100,第二级放大器放大倍数为R2/R4=10。由于LM358是双电源供电,这里为了使电路的供电系统简单点,在LM358的第3脚输入一个2.5V的电压,来取代器件的双电源供电,从而使器件能正常工作。
1.4 整形、比较电路
由于超声波传感器接收头接收到的信号是一个正弦信号,不便于单片机处理,故在电路上用两个检波二极管和一个电容组成的整流电路将回波信号整形成一平稳的电平,信号经整流后通过LM358构成的一个比较器将模拟信号转化成数字信号,然后与单片机引脚RA5共同经一个4011与非门输出到单片机RC2/CCP1引脚,以产生单片机的中断。其中R10、R1 1构成一个分压电路产生一个比较电压,当回波信号的电压大于此比较电压时,LM358输出一个高电平;当回波信号小于此比较电压时,LM358输出一个低电平。单片机引脚RA5用做信号接收的使能控制,当RA5为高电平时允许接收,当RA5为低电平时,回波信号无效,不允许接收。
1.5 数据传输
当模块将距离测出后,需将数据传输到外围的电路以供应用,此系统采用两种数据传输方式,D/A数据传输和I2C数据传输。
1.6 D/A数据传输
D/A数据传输是利用单片机的PWM输出将测得的距离值转化成电压值输出,使得测得的距离与输出的脉宽调制方波的占空比成正比,PWM波再经整流输出平稳电压,这样就能将测得的距离按一定的线性关系输出,外围电路可使用A/D转换器将数据读取。
1.7 I2C数据传输
I2C要求两条总线线路一条串行数据线SDA和一条串行时钟线SCL,每个连接到总线的器件都可以通过一个唯一的地址与主机获得通信。它是一个真正的多主机总线,如果两个或更多主机同时初始化数据传输可以通过冲突检测和仲裁防止数据被破坏。串行的8位双向数据传输位速率在标准模式下可达100kbit/s,快速模式下可达400Kbit/s,高速模式下可达3.4Mbit/s。片上的滤波器可以滤去总线数据线上的毛刺波以保证数据完整。
本系统采用12C数据传输方式,可使得测量距离毫无偏差得传输到外围电路中,避免D/A数据传输过程中的转化误差。
I2C地址的设置使用一个4位的拨码开关,电路如图4.9示。4位的拨码开关最多可识别16个I2C地址,本系统使用前三个开关,提供8个不同的12C地址,8个地址0×BO,0×B2,0×B4,0×B6,0×B8,0×BA,0×BC,0×B E,具体设置由软件实现。
2 超声波波测距系统软件设计
其中初始化中包括I/O口设置、中断系统设置、I2C初始化,CAP初始化,然后发送超声波,开始时按短距离模式发波,发完波开启接收回波,同时开始计时,当有回波信号产生中断时,计时停止,并计算出距离。随后将距离以D/A数据传输的方式输出,最后根据当前的测量结果来选择下次发波的模式。I2C数据传输采用中断实现,测距模块实时响应外围电路中I2C主控器对数据读取的要求。
3 总结
超声波测距已广泛的应用于工业定位检测、移动机器人、汽车防碰撞和海洋捕捞作业等领域。随着信号处理技术和计算机技术的发展,超声波测距的应用范围越来越广,测量精度和响应速度也越来越高。这种测距方法不仅可以避免人为因素带来的影响,而且系统测量精度高,适用性强。
由于测量的过程全都式是电子化,可实时存贮测量结果,并生成自动报表方便技术人员进行质量分析与管理,且容易实现联网,通过联网实现数据共享,技术管理人员不用到生产现场就能及时掌握生产状况,实现品质管理。
基于这些优点,这类非接触的测量方法有着广泛的应用前景。
摘要：超声波作为一种传输信息的媒体，由于其本身的直射性和反射性，以及不易受光照、电磁波等外界因素影响的特性，在探伤、测距、测速等多种领域越来越受到重视。
脉冲——相位式激光测距系统研究 篇9
research
Liu Ji Yong Zhao Lei
School of Electronics&Information Engineering Xi’an Technological University
近年来, 随着半导体激光器的出现和集成电路、信号数字化处理等领域的快速发展, 激光测距仪的设计更侧重于小型化、数字化。脉冲-相位式激光测距技术在发射端发射一束半连续正弦波, 在接收端对接收的信号同时进行相位和飞行时间的测量。设计可以分为三个模块:激光发射模块、激光接收模块、相位测量模块。激光发射模块使用可控的DDS芯片发射正弦频率4MHz重复频率10KHz半连续正弦信号, 半导体激光二极管作为激光发射器;激光接收模块使用PIN做为激光机接收器, 并完成信号放大滤波;相位测量模块使用高速A/D芯片完成4MHz的信号采样, 最后通过改进的正交测相法在FPGA中完成高精度相位差测量。课题对激光发射模块和接收模块进行理论设计和仿真, 完成了相位测量模块的硬件设计。设计划分为分为三个部分:激光发射模块、激光接收模块、信号处理模块。激光发射模块实现由电信号向光信号的转变, 并完成正弦调制;激光接收模块使用光电传感器接收反射过来的光信号并转换为电信号, 并设计合理的放大电路和滤波器;处理模块完成两路信号的相位测量和距离的显示。
一、脉冲-相位式激光测距系统原理
综合脉冲法和相位法信号调制的方式, 通过发射和接收一种半连续的波形, 在接收端同时进行飞行时间和相位差的测量, 这种测距方法可以实现量程和精度的统一。脉冲-相位法测距示意图如图所示:
图中1-参考信号, 2-发送信号, 3-接收信号, δ-发送信号和接收信号的相位差, RBF-脉冲序列的重复频率。
参考信号1是一个频率为f的高频正弦信号, 经过脉冲信号f1调制后生成半连续的正弦波对激光半导体进行调制, 这样在发射信号中就同时包含了飞行时间的信息和信号相位的信息。因此在距离测量中要测量两个量, 一个是飞行时间的测量, 我们称之为粗侧;另外一个是相位差的测量我们称之为精测。
设计中f取值为4MHz, f1取值为10KHz, f和f1的取值直接影响到了测距的精度和距离。设计中使用FPGA来设计脉冲计数器, FPGA内部嵌入PLL倍频器, 可以把计数器的频率做的很高, 设定计数器频率为100MHz, 则由式2.2得到粗测部分精度△σ=1.5m。这就要求由相位差确定的最大距离要大于△σ, 根据式2.6, 相位测量的最大距离为c/2f, 计算得37.5m, 满足要求。测距的最终精度由精测部分所决定, 由式2.6得精测部分的精度由测量的相位差所决定, 为此设计中提出了一种改进的时域数字鉴相器, 在不加入接收噪声情况下, 测距精度达到0.0004rad, 在接收信号噪比为15d B的情况下, 误差不大于0.0032rad。
按照模块的设计思想将设计划分为分为三个部分:激光发射模块、激光接收模块、信号处理模块。激光发射模块实现由电信号向光信号的转变, 并完成正弦调制;激光接收模块使用光电传感器接收反射过来的光信号并转换为电信号, 并设计合理的放大电路和滤波器;处理模块完成两路信号的相位测量和距离的显示。激光发射模块由正弦信号发生器、半导体激光器及驱动电路组成。这里使用高精度DDS芯片产生正弦信号, 半导体激光器经调制信号调制后生成半连续正弦激光信号。
激光接收模块由PIN及其信号放大滤波电路组成。激光接收模设计的好坏是决定测量精度的一个重要因素, 在进行信号放大和过滤噪声的同时尽量减小正弦信号相位的偏移。
信号处理模块是设计部分的核心模块也是本课题中完成硬件设计的模块。使用FPGA作为控制芯片, 周围配置DDS正弦信号发生器芯片、两块高频A/D转换芯片、比较器、及LCD12864显示模块, 实现信号的数字测相及距离的显示[14]。
二、硬件主要芯片功能
EP2C8Q208C8:这款FPGA芯片拥有8256的LE, 208个管脚, 36M4K RAM blocks, 内嵌36个9bit乘法器, 2个PLL, 182个I/O引脚。EP2C8Q208C8是一款性价比很高的FPGA芯片, 8526的LE满足了鉴相器和信号控制所用的逻辑资源, 内嵌的36个乘法器简化了相位测量中乘法器的设计, 182个I/O管脚满足了A/D采样芯片、DDS芯片和显示模块对大量I/O口的要求。
AD9850:AD9850是AD公司生产的可编程DDS芯片, 其最高工作时钟为125 MHz。AD9850有40位控制字, 32位的频率控制字和5位的相位控制字可以灵活的完成输出信号频率和相位的控制。在设计中使用AD9850产生4MHZ的正弦激励信号。
RLD65MPT3:RLD65MPT3是一款半导体激光发射器, 其阈值电流为20m A, 中心波长为655nm, 最大输出功率为7m W, 水平与垂直发射角分别为8°与27°, 波长与输出功率保证的使用时的安全性以及调试的方便, 同时较小的发射角保证了较高的光照效率。
PD204-6C:PD204-6C是一款PIN型光电转换器, 它具有较宽的波长响应范围 (400~1100nm) , 极小的反向暗电流 (一般为10n A) , 在加入5V反向电压后, 其反向结电容仅为5p F。
AD9225:AD9225是ADI公司生产的单电源, 12位高速A/D转换器, 其最大采样频率为25MHz, 片内数据处理4级流水线结构。为了满足后期数字鉴相器的需要, 信号的抽样速率要等于发射信号频率的5倍, 在设计中信号发生器输出信号的频率为4Mhz, 需要一个高速的转换器来完成20MHZ的抽样。
通过对分析激光测距系统不同方法的优缺点, 设计中提出一种脉冲-相位式激光测距系统, 该测距方式综合了脉冲法测距和相位法测距的优点, 解决了精度和距离的矛盾。
三、系统发射模块的整体设计
激光调调制的重点是将高精度的正弦信号加在稳定的偏置电流上, 因此将激光的发射模块分为三个部分:正弦信号发生电路、直流偏置电路和加法器电路。整体硬件设计电路图如图所示:
LM7905和LM317是两片电源稳压芯片分别提供稳定±5V电压, 这里介绍一下LM317的使用。在进行信号调制的过程中, 需要稳定的直流偏置电流, 尤其是温度对电流的影响要低。LM317是一款可调电源芯片, 具有良好的温度稳定系数, 在正常工作环境下其温度稳定系数可以达到1%, 温度的变换引起的电流的抖动约为0.5m A, 满足LD对直流偏置信号稳定性的要求。
其输出电压式:V0=VREF (1+R2/R1) +IADJR2
VREF为一端口和三端口之间电压, 稳定在1.25V左右。IADJ一般小于100u A, 可以忽略不计。根据式3.3, 经过计算当取R1=1K, R2=3K时, 输出电压稳定在+5V左右, 在实际应用中R1和R2值的选择不必非常精确, 只需要保证输出电压的高稳定性即可。为了提供50m A的偏置电流, 选取输出端串联的电阻R7为100Ω。
2.加法器模块
设计中使用高速运放L M7171完成了调制信号和直流信号的叠加功能, 电路图如图3.9所示。LM7171工作带宽可以达到200MHz, 其谐波失真也较小, 在±5V电压下, 输入信号频率为5MHz时二次谐波失真仅为-70d B, 低谐波失真运放有利于获得纯净的正弦信号, 能够大大增加接收信号的信噪比。
三、FPGA系统硬件设计
FPGA系统主要包括AS模块、JTAG模块、电源模块、FPGA芯片、SDRAM、晶振模块。JTAG口为FPGA提供在线调试, AS将程序固化到EPCS中, 上电后加载到FPGA上, 电源模块提供稳定的3.3V和1.2V的电压, SDRAM为外置的数据模块。
AS口电路图如下图所示:AS为10口接口, 可以将FPGA程序固化在EPCS16中, EPCS16为8管脚16M串行程序存储器。由于FPGA内部逻辑的编程上电丢失, 需要将程序固化在EPCS16中。JTAG口外形上同AS口相同, 区别是JTAG口不支持程序的下载, 其功能为FPGA的在线调试。JTAG模块和AS模块的硬件电路图如图所示:
四、结语
(1) 通过分析现有激光测距仪的优缺点提出了一种脉冲-相位式激光测距系统, 并对其整体设计进行了详细的介绍。
(2) 设计了激光发射、接收、和控制部分硬件电路。通过设计前仿真和设计后调试来对电路进行改进。
(3) 完成了测相系统软硬件的设计, 通过matlab和modelsim软件的对不同噪声下测相误差进行分析。
(4) 对实验过程中的误差进行分析, 并通过查阅资料提出了一些设计改进方案。
参考文献
[1]孔东.相位法激光测距仪的研究[D].西安电子科技大学, 2007:44.
[2]王丽, 许安涛, 王瑛.激光器的发展及激光测距的方法[J].焦作大学学报, 2007, 10 (4) :55-56.
[3]吴应明.便携式脉冲激光测距仪的研制[D].西安电子科技大学, 2009:18.
[4]杨建.基于DDS的激光测距仪硬件研究与设计[D].国防科技大学, 2008:48.
[5]黄勇.基于Pspice的仿真分析与设计[J].湖北教育学院学报, 2007, 10 (2) :13.
[6]张慧.提高相位激光测距精确度的研究[J].精密制造与自动化, 2007, 1 (3) :24-26.
高精度超声测距系统设计 篇10
超声测距系统是现代工业、铁路、勘探以及消费电子系统中不可缺少的技术, 它要求高精度、高稳定及可控性好, 特别是对精度有着越来越高的要求。本系统通过单片机实现渡越时间测量算法, 并在硬件系统上采用高精度的温度补偿机制, 结合软件编程算法, 从而实现了精确的距离测量。且系统采用便携式设计, 完全可以在现代工业、勘探以及消费电子系统得到广泛使用。
1 系统结构框图
本系统整体框图如图1所示, 由MCU单片机组成的控制及算法系统、整形电路、滤波、放大电路、LCD距离显示、超声收发器以及温度测量等部分构成。
2 设计实现
2.1 渡越时间测量和距离补偿算法
渡越时间是指从超声发射器发出的超声波, 经气体介质的传播后, 然后反射回到接收器的时间。渡越时间与空气中的声速相乘, 就是声波传输的距离, 即:
式中, L为待测距离, v为超声波的声速, t为渡越时间。若用σL=vσΔt+Δtσv来表示测量误差, σL为测距误差, v为声速, σΔt为时间测量误差, σv为声速误差。则可知提高测量精度的方法有:
(1) 由于超声波在媒质中的传播速度和温度关系很大, 所以必须要采取温度补偿措施, 降低温度变化对测量精度的影响。采用专用数字温度传感器DS 18B20测温, 然后利用下面公式来计算当前声速, 从而得到补偿温度导致的影响:
式中, f为计数脉冲的频率, v为声速。
2.2 超声系统硬件部分设计
硬件系统主要包括了整形电路、滤波、放大电路、LCD距离显示、超声收发器以及温度测量等部分的设计。超声收发器部分采用频率为40k Hz左右的电气方式产生超声波, 由一级运算放大电路将超声控制脉冲加载到超声发射器上, 经过被测物反射回来的超声经过接收端的差分放大器放大1000倍左右。放大后的信号经带通滤波、整形后输出一个脉冲信号, 此脉冲信号再经过反相器送入到单片机停止计数, 然后根据时间计数器的计数值算出初始距离, 最后根据数字温度传感器DS 18B20测出的环境温度, 对该值进行补偿得到最终距离, 最终通过LCD显示出来。
2.3 软件编程实现
单片机控制系统的设计, 主要完成对超声收发器脉冲的控制及计数, 完成渡越时间算法及温度测量和距离补偿, 同时控制一般仪器使用时所必须的显示系统。从而可以实现测量距离为0-50米, 精度为0.01米的高精度程控电流源系统设计。单片机软件控制流程图如图2所示。
3 结论
本系统采用单片机和渡越时间算法及温度测量和距离补偿, 在多种距离和不同环境温度下进行测试, 其稳定性良好且精度较高, 具有较强的实用价值。部分测试结果如表1所示。
参考文献
[1]王荣扬, 钱振华, 殷勇辉.基于FPGA的互相关无串扰超声测距系统[J].计算机工程, 2013 (08) .
[2]杨旺喜, 茅嘉伟, 沈明明, 王荣扬.科技信息[J], 2014 (09) .
[3]游兆延, 胡志超, 吴努, 吴惠昌.电子设计工程[J], 2014, 22 (6) .
[4]郁亚男.电子世界[J], 2014 (3) .
高压架空线路故障测距技术探析 篇11
【关键词】高压;架空线路;故障测距
高压架空输电具有传输功率大，线路造价低，控制性能好等特点，是目前世界发达国家作为解决高电压、大容量、长距离送电和异步联网的重要手段。高压架空线路传输距离远(一般在500 km以上)，沿途地形和天气变化大，这使得线路故障的查找变得异常困难。架空线路发生故障时，准确的故障定位一方面能减轻巡线负担，另一方面又能加快线路恢复供电，减少因停电造成的经济损失。可见，大力发展故障定位测距技术具有极其重大的现实意义。
1.架空线路故障测距方法
输电线路的故障类型主要有：单相接地故障、相间短路故障、两相短路接地故障、三相短路故障。其中单相接地故障的几率最大(占80%左右)，本文以单相接地故障为例进行说明。按采用的线路模型、测距原理、被测量和测量设备等的不同，故障测距可以有多种分类方法，一般将其分为阻抗法和行波法2 大类。
1.1阻抗法
阻抗法是根据故障时测量到的电压、电流量计算出故障回路的阻抗。由于线路长度与阻抗成正比，因此可求出测距装置安装处与故障点的距离。阻抗法按照测量电气量位置的不同可分为利用单端电压、电流量的单端算法和利用双端电压、电流量的双端算法。单端算法由于造价低，不受通信条件限制，长期以来一直是人们关注的热点。单端阻抗法在实际中应用非常广泛，其优点是简单可靠，缺点是测距精度不高。现有的继电保护和数字故障滤波器中都包含这种单端算法的软件包。单端算法又可分为故障分量电流算法、故障电流相位修正算法、解二次方程算法、解一次方程算法和解微分方程算法。这些算法的共同特点是受过渡电阻、负荷电流和對侧系统阻抗变化的影响。通信技术和GPS同步技术的发展使利用双端电气量的测距算法得以实现。双端算法可以克服单端算法原理上的缺陷，因此在精度上有所提高。双端算法按照数据同步的方式可分为GPS同步算法、自同步算法和不同步算法。在调度中心安装故障信息系统可将各变电站的录波信息采集上来，利用双端测距算法可以给出故障点的准确信息，为调度决策提供有力的支持。
1.2行波法
行波法是根据行波理论实现的输电线路故障测距方法，行波算法也可分为单端算法和双端算法。输电线路发生故障时，从母线向故障点传播的行波经过一段时间后又从故障点反射回来，这段时间间隔与故障距离成正比，检测这一时间是单端行波测距算法的基本思想。测距原理如图1所示。
图1单端测距原理
双端行波法是利用故障点产生的行波第1次到达两端的时间差实现测距，测距原理如图2 所示。
图2双端测距原理
GPS 在电力系统中的推广也为这种算法的实现提供了可能。行波法测距的精度在理论上不受线路类型、过渡电阻和两侧系统阻抗的影响，但对硬件要求较高，要求高速采样，并对大量的数据存储和分析提出了较高的要求。随着对行波理论研究的深入和小波分析工具的应用，行波测距装置得到了实际应用，我国已有多套行波测距装置研制成功。
2.工程实践
2.1工程概况
某直流输电线路自投入运行以来，故障定位问题一直是一个老大难问题。尽管线路上已经配备了一套行波故障测距装系统，但其测距性能难以满足现场要求，有时测距误差甚至超过15 km。近几年来，为了将现代行波故障测距的最新研究成果用于直流输电线路，电力调度通信中心开展了现代行波故障测距技术用于直流输电线路的研究工作，并安装了所研制的行波故障测距系统。
2.2系统简介
直流输电线路行波故障测距系统由三部分构成，即行波采集与处理系统（共3套）、通讯网络和行波综合分析系统，如图3所示。整个测距系统实际上包含A——B和B——C两个双端行波故障测距子系统。
图3 直流输电线路行波故障测距系统示意图
3套行波采集与处理系统均采用集中组屏式结构，分别安装在A换流站、B中继站和C换流站。每套行波采集与处理系统包括行波采集装置、电力系统同步时钟以及当地处理机3部分，其中行波采集装置通过专门研制的行波耦合器（串联安装在过电压吸收电容的接地导线回路中）获取故障暂态信号，进而对其进行高速采集（采样频率为1 MHz）和缓存，并生成暂态启动报告；电力系统同步时钟内置全球定位系统（GPS）信号接收模块，它负责给行波采集装置提供精确秒同步脉冲信号（1PPS）及全球统一时间信息；当地处理机由一台工控机构成，它负责接收、存储来自行波采集装置的暂态启动报告，并与安装在线路对端所在变电所内的行波采集与处理系统交换启动数据，从而自动给出双端行波故障测距结果。
行波综合分析系统一般设在调度端。它由1台普通计算机（PC）构成，主要具有以下功能：自动或人工远程提取行波采集与处理系统的暂态启动报告，并永久保存；自动给出双端行波故障测距结果；提供人工波形分析功能以及计算机辅助分析功能，以便对单端和双端行波故障测距结果进行验证和校正；由于故障测距对实时性要求不是太高，因此采用公共电话网作为暂态数据传输通道，这样还能够与继电保护和其它自动化系统保持绝对的独立性，避免相互影响。
2.3系统运行
2008年1月B段线路发生故障，该段两侧行波采集与处理系统记录到的故障暂态波形如图4所示。原先安装的行波测距系统所给出的故障点位置距A侧145.6 km，而本系统给出的故障点位置距A侧130.9 km。据此，首先对（145.6±10）km段进行了带电登杆检查，并对201＃－511＃杆塔进行了地面巡视，结果没有发现故障点。1月29日，又对（130.9±10）km段进行了带电登杆检查，结果在333＃塔（距A侧129.88 km）右极发现明显故障闪络痕迹。进一步分析表明，本次故障为一起典型的雾闪故障。
图4 AB段两侧故障暂态波形及行波测距结果
2008年，AB累计发生故障20余次，所有故障均被本系统所捕获。
3.结束语
行波法不受系统参数、运行方式、线路不对称及互感器变换误差等因素的影响，构成简单、容易实现。故障行波信号在传播途中会夹杂着一些混合信号，使得行波信号在传播过程中发生畸变，检测起来困难。所以，行波测距法的关键是要能够准确地识别来自故障点的行波波头并确定相应的时刻。本文采用的行波故障测距系统在某直流输电线路的运行经验表明，该系统具有很高的可靠性和准确性，其绝对测距误差一般不超过3 km，即不超过线路全长的0.3%，因而彻底解决了该输电线路的故障定位问题。■
【参考文献】
［１］鹿洪刚,覃剑,陈祥训等.电力电缆故障测距综述［J］.电网技术.2004,28(20):58-63.
［２］李明华,闫春江,严璋.高压电缆故障测距及定位方法［J］.高压电器.2002,38(6):38-40,52．
［３］熊小伏,林金洪.基于小波重构的电力电缆故障测距方法［J］.电网技术.2003,27(6):36-38,70.
［４］梁军,麻常辉,贠志皓.基于线路参数估计的高压架空线路故障测距新算法［J］.电网技术.2004,28(4):60-63,68.
超声波测距高精度系统设计 篇12
随着科学技术的快速发展, 超声波在测距仪中的应用越来越大。这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术产业。未来, 超声波测距将朝着更加高精度的方向发展, 研制具有更高定位精度的被动测距声奶等技术以满足社会发展的各方面的需要。
一、超声波测距原理
1. 超声波测距
发生器发出的超声波以一定速度v在空气中传播, 到达被测物体时被反射返回, 接收器接受, 其间经过的时间t, 由s=vt/2即可算出被测物体距离。
超声波发生器可以分为两类:电气方式产生超声波和用机械方式产生超声波。
2. 影响精度的一些因素
超声波作为一种声波, 其声速与温度有关。如果测距精度要求分很高, 就应通过温度补偿的方法加以矫正。
根据超声波测距式S=340t/2可知测距的误差主要好似有超声波的传播速度误差和测量距离传播的时间误差引起的。时间误差主要由发送计时点和接受即时点准确性确定的, 应该对发射信号和接受信号校正的方式来实现准确计时。使用12MH晶体作时钟基准的89C51单片机定时器能反复煸的计数到1μs的精度, 因此系统采用AT89S51的定时器能保证时间误差在1mm的测量范围内。此外, 使用具有自动增益控制功能的接受放大器, 可以使近距离的增益很小, 远距离使得增益很大, 这样一方面发射信号的余震幅度变小, 相应的延续时间缩短, 可以分辨出近处的接受回拨信号, 故可使盲区减少。另一方面, 可使远处的回拨信号的幅度增大, 以提高测量精度。
二、系统总体设计
1. 系统软件设计
根据设计要求并综合各方面因素, 可以采用由单片机AT89C2051作为主控制器, 驱动信号用单片机的定时器完成, 动态扫面来实现LED数字显示。
测距系统采用一般模块化编程, 由发射脉冲子程序用中断实现回波接受子程序, 计算程序, 显示程序几部分组成。
超声波发射设计:超声波发射电路由反向器74HC04和超声波换能器构成, 通过点击之间转换调节, 放大的信号通过检波电路调解后把多个脉冲波解调成多个大脉冲波。转换波利用压电晶体谐振工作。
由于超声波会受到温度的影响, 本次设计决定采用运用较为广泛的TCT40-16Tzuowei超声波发射探头, 采用TCT40-16Rzuowei超声波的接受探头, TCT40-16T/Rjuyou抗温度、湿度的能力, 环境的温度湿度变化对其性能影响不大, 能在极其恶劣的条件下稳定工作, 而且它具有很好的抗撞击、振动能力。总之, 要尽可能的缩短声波自由震荡的时间。
软件的整体系统为:首先系统控制部分初始化整个系统:初始化LED, 初始化计数控制部分, 清除计数值, 使之恢复为0。当单片机连续发射40KHZ的脉冲波, 立即启动INT0, 系统进入中断激活系统, 等待计数值满产生中断, 开始启动接收程序。接着立刻置INTO为0, 等待回波信号。回波信号到达, 关闭计时器, 捕获INT1的值超。单片机将计数值进行计算后得出的距离值, 显示在LED上。
此外超声波存在的盲区处理也应给予关注, 超大超声波换能器之间的距离能减少盲区的范围, 但由于受整个系统体积所限, , 本系统超声波换能器之间的距离要尽量缩小, 一部分波不经反射就直接进入接收还能器, 形成绕射现象。因此, 系统处理要更加精细。
2. 系统硬件设计
在超声波发射电路包括超声波振荡器和超声波发射头两部分组成。发射超声波需要在超声波振荡器的外接电路两端产生振荡, 超声波发射头才能发射超声波, 利用单片机的I/0口输出40KHZ方波见过反向器74LS04一级一级推免式将方波信号加载到超声波发射头上, 可以调发射强度, 提高驱动能力。超声波接收电路:本设计采用一种常用的集成电路CX20106A作为超声波接受电路的核心。而该集成电路一般常见于电视机红外遥控接收器, 一般接受38KHZ或者40KHZ频率的信号。在实际中, 用CX20106A组成的超声波接收电路的抗干扰能力和灵敏度都非常理想, 并且适当改变电容和电阻就可以改变接受的频率, 提高灵敏度和抗干扰能力。
三、结束语
在电路设计制作完成调节后, 程序编译运行, 并根据实际情况修改声波发生所有程序, 以适应不同距离的测量需要。此外, 本文介绍采用了74LS04和CX20106A两款集成电路, 减少电路之间的干扰, 可以用于小距离测距。系统软硬件设计结构紧凑, 软硬件资源得到充分利用, 有效压缩了系统成本, 提高了系统性价比和稳定性。系统利用老一些的技术更安全稳定。系统多次对测量误差和重复一致性进行多次实验分析, 不断优化系统达到实际使用的测量需求。使系统的设计力求达到可读性、可理解性、可维护性。
摘要：超声波频率高于20000赫兹, 能获得较集中的声能, 在介质中能够直线传播, 穿透力强。超声波测距是一种非接触式的检测方式, 它能够在特定场合或比较恶劣的环境下使用。超声波测距多适用于工业实用应用, 水下定位与通讯、地下勘察等, 适用于高精度的中长距离测距。利用超声波距离, 设计方便, 计算处理也简单。
关键词：超声波接收,精度计算,系统设计
参考文献
[1]李录锋.基于AT89C51超声波测距控制系统设计[J].制造业自动化, 2012 (4) .
[2]李翠花;梁德民;周晓美.高精度的超声波测距系统的设计与实现[J].合肥学院学报 (自然科学版) , 201 (21) .
[3]张禾;李俊兰;葛亮.一种高精度超声波测距系统的设计[J].自动化仪表, 201 (22) .