C8051F060設(shè)計(jì)的超聲波導(dǎo)盲系統(tǒng)

盲人既是普通人民中的一員，又是一個(gè)特殊群體，他們由于先天的生理缺陷在日常生活中比常人會(huì)遇到更多的不方便，不能準(zhǔn)確及時(shí)地躲避障礙物就是一個(gè)重要的弊端。如果有一根既輕巧，又便宜，同時(shí)又能及時(shí)地識(shí)別周圍障礙物并發(fā)出報(bào)警信號(hào)的手杖在盲人的手中將會(huì)為盲人的生活提供極大的方便。同時(shí)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)及工業(yè)機(jī)器人的不斷出現(xiàn)，測(cè)距與識(shí)別技術(shù)在工業(yè)中已經(jīng)得到了普遍的發(fā)展，如何把這種非接觸式檢測(cè)與識(shí)別技術(shù)應(yīng)用與民用領(lǐng)域也變得十分重要。這里介紹的倒盲杖系統(tǒng)設(shè)計(jì)就是很好地結(jié)合二者產(chǎn)需的例子。

因?yàn)槌暡▊鞑ニ俣嚷?，指向性?qiáng)，能級(jí)消耗緩慢，對(duì)色彩、光照度不敏感，同時(shí)超聲波傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、費(fèi)用低、信息處理簡(jiǎn)單可靠，易于小型化與集成化，并且可以進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，因此該系統(tǒng)采用超聲波檢測(cè)的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)障礙物的識(shí)別。該設(shè)計(jì)是利用美國(guó)Silicon Laboratories公司的高性能、高集成度SoCC8051F060為核心硬件，通過(guò)其對(duì)外圍電路的控制以自身強(qiáng)大的信號(hào)處理能力實(shí)現(xiàn)障礙物檢測(cè)的功能。

1系統(tǒng)構(gòu)成及設(shè)計(jì)原理

該設(shè)計(jì)是利用美國(guó)Silicon Laboratories公司的高性能、高集成度SoC(System on a Chip)C8051F060為核心硬件。在手杖的著地端的前上方、前下方、左前方、右前方各安置一個(gè)超聲探頭，通過(guò)芯片與探頭及外圍電路共同組成的信號(hào)發(fā)送與識(shí)別系統(tǒng)完成導(dǎo)盲的功能。系統(tǒng)工作原理方框示意圖如圖1所示。



超聲信號(hào)的工作頻率是40 kHz，首先C8051F060MCU產(chǎn)生4路40 kHz的方波信號(hào)分別由換能器輸送到手杖末端的超聲探頭。工作時(shí)第一個(gè)探頭先發(fā)出16個(gè)周期的超聲波信號(hào)，之后開始接收回波信號(hào)，回波信號(hào)先經(jīng)比例放大后得到較大的信號(hào)，再進(jìn)入自動(dòng)增益控制部分，將信號(hào)放大為單片機(jī)能夠識(shí)別的信號(hào)，然后再對(duì)信號(hào)低通濾波后送入單片機(jī)，然后第二個(gè)探頭再發(fā)送16個(gè)周期的超聲信號(hào)，以同樣的方式接收處理，隨后是第三個(gè)、第四個(gè)、第一個(gè)，如此循環(huán)發(fā)送接收。將兩個(gè)探頭發(fā)送時(shí)間問(wèn)隔定為18.5 ms，這樣除去發(fā)送時(shí)間、消余震時(shí)間與信號(hào)處理時(shí)間總計(jì)約2.9 ms，剩余的15.6 ms用來(lái)接收34 cm～3 m內(nèi)的障礙物反射回來(lái)的回波信號(hào)。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1超聲波發(fā)送部分

大多數(shù)的超聲波產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì)都會(huì)采用硬件集成振蕩電路實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)較為繁瑣，精度不高，而該設(shè)計(jì)的超聲波的產(chǎn)生由軟件編程的方法實(shí)現(xiàn)。

C8051F060 MCU內(nèi)有一個(gè)片內(nèi)可編程計(jì)數(shù)器／定時(shí)器陣列PCA。PCA包括一個(gè)專用的16位計(jì)數(shù)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(CEXn)。當(dāng)被允許時(shí)，I／O線通過(guò)交叉開關(guān)連到端口I／O，該設(shè)計(jì)就是利用了其中的四個(gè)捕捉、比較模塊(CEX0～CEX3)，通過(guò)交叉開關(guān)連接到端口P0.0～P0.3，因此可以獨(dú)立的在P0.0～P0.3端口上產(chǎn)生40 kHz的方波信號(hào)。時(shí)間基準(zhǔn)可以是下面的6個(gè)時(shí)鐘源之一：系統(tǒng)時(shí)鐘／12，系統(tǒng)時(shí)鐘／4，定時(shí)器0溢出，外部時(shí)鐘輸入ECI，系統(tǒng)時(shí)鐘和外部振蕩源頻率／8。實(shí)驗(yàn)證明應(yīng)用外部振蕩時(shí)鐘源8分頻作為時(shí)間基準(zhǔn)較其他方法得到的方波信號(hào)更為精確、穩(wěn)定。每個(gè)捕捉／比較模塊可以被編程為獨(dú)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(hào)由單片機(jī)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(hào)，用時(shí)0.4 ms，然后消余震2 ms，此時(shí)開始接收回波信號(hào)，過(guò)15.6 ms后停止接收信號(hào)，再經(jīng)過(guò)0.5 ms的信號(hào)處理時(shí)間后第一個(gè)探頭的工作結(jié)束，轉(zhuǎn)為下一個(gè)超聲波傳感器進(jìn)行相同的工作。也就是系統(tǒng)僅接收信號(hào)發(fā)出后2～17.6 ms之間的回波信號(hào)，又因?yàn)槌暡ㄔ诳諝庵械膫鞑ニ俣燃s為340 m／s，也就是系統(tǒng)能識(shí)別的障礙物的距離范圍在34 cm～3 m。

2.2信號(hào)接收部分

信號(hào)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?hào)信號(hào)一般較弱，僅為幾毫伏，該系統(tǒng)先將接收到的回波進(jìn)行比例放大，使回波信號(hào)增大到幾百毫伏。比例放大部分采用的芯片是CADEKA Microcircuits的CLC4600運(yùn)算放大器，CLC4600運(yùn)算放大器據(jù)具有四信道，每通道供電電流消耗僅3.3 mA，具有300 MHz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(yuǎn)近不同以及超聲在空氣中的衰減程度，得到的回波信號(hào)幅度會(huì)有所變化：越早接收到的回波信號(hào)越強(qiáng)，越晚越弱。針對(duì)不同時(shí)刻接收到的回波的強(qiáng)度不同，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行不同倍數(shù)的放大，使放大后的信號(hào)都有相同的幅值，因此需要一個(gè)增益隨時(shí)間變化可調(diào)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(shè)計(jì)中TGC部分主要是由運(yùn)算放大器與數(shù)字電位器相互配合共同實(shí)現(xiàn)的。運(yùn)算放大器采用的是CADEKA Microcircuits的單路，低失調(diào)，軌到軌輸入／輸出放大器CLC1003。數(shù)字電位器選用美國(guó)ADI公司生產(chǎn)的AD8403A10，是一種具有數(shù)字接口的有源器件，可方便地與單片機(jī)相連接，用來(lái)精確調(diào)整其阻值。他可以代替電路中的機(jī)械電位器，從而實(shí)現(xiàn)操作上的智能化。采用固定數(shù)字電位器來(lái)控制放大電路的增益，可以用簡(jiǎn)單的線路，實(shí)現(xiàn)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(shù)字電位器，每通道的電阻的標(biāo)稱值為10 kΩ，有256個(gè)分支點(diǎn)，最小的電阻調(diào)整精度可達(dá)39 Ω，采用兩通道并聯(lián)可將精度降至20 Ω以內(nèi)，每通道的不同分支點(diǎn)的處的電阻值都有相應(yīng)的串行數(shù)據(jù)與之對(duì)應(yīng)。將AD8403的兩通道串聯(lián)用來(lái)調(diào)節(jié)增益，另兩通道串聯(lián)用來(lái)調(diào)節(jié)偏執(zhí)電壓，當(dāng)回波信號(hào)接收后，單片機(jī)通過(guò)向AD8403不斷送入串行數(shù)據(jù)來(lái)調(diào)節(jié)不同時(shí)刻的增益，最終使得到的回波信號(hào)幅度在一定的范圍之內(nèi)。本單元的硬件原理圖如圖3所示。


信號(hào)經(jīng)自動(dòng)增益部分的處理后幅度增大至單片機(jī)可識(shí)別的范圍，因?yàn)榇藭r(shí)的信號(hào)還夾雜一定的高頻噪聲信號(hào)，因此需要一級(jí)截止頻率為200 kHz的低通濾波器。該設(shè)計(jì)的低通濾波器采用的是選用美國(guó)Lineartechnology公司的8階線性相位濾波器LTC1069-7。LTC1069-7是一個(gè)單片、時(shí)鐘調(diào)諧、線性相位、8次低通濾波器。截止頻率通過(guò)一個(gè)外時(shí)鐘設(shè)置和等時(shí)鐘頻率除以25得到，因此要得到200 kHz的截止頻率輸入時(shí)鐘頻率為5 MHz。內(nèi)部取樣頻率對(duì)截止頻率比是50：1，LTC1069-7能工作在單電源5 V直至雙±5 V電源。此部分的應(yīng)用電路如圖4所示。

從低通濾波器輸出的信號(hào)送入MCU，單片機(jī)將此模擬信號(hào)經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后進(jìn)行分析處理，如有障礙物的回波信息則發(fā)送報(bào)警信號(hào)。

3 軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括超聲波信號(hào)的產(chǎn)生并選通發(fā)送、信號(hào)選通接收、TGC單元的控制、低通濾波器的時(shí)鐘輸入等四部分。根據(jù)C8051F060的資源及特點(diǎn)，方波信號(hào)的產(chǎn)生通過(guò)設(shè)置PCA中的特殊功能寄存器PCA0CN，PCA0MD，PCA0CPMn，PCA0L，PCA0H實(shí)現(xiàn)，其中PCA0MD寄存器可控制PCA的時(shí)鐘源選擇；PCA0CPMn寄存器可配置PCA捕捉／比較模塊的工作方式；而PCA01，PCA0H寄存器則用于控制信號(hào)產(chǎn)生與停止的時(shí)間周期。TGC單元的控制需要串行數(shù)據(jù)信號(hào)、片選和時(shí)鐘信號(hào)，此部分通過(guò)設(shè)置SPI0中的寄存器SPI0CN，SPI0DAT，SPI0CFG，SPI0CKR實(shí)現(xiàn)。其中SPI0DAT用于發(fā)送和接收SPI0數(shù)據(jù)；SPI0CFG寄存器決定SPI0的工作方式；SPI0CKR決定時(shí)鐘信號(hào)的頻率。低通濾波器需要5 MHz的時(shí)鐘信號(hào)，也由設(shè)置PCA中的特殊功能寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)。信號(hào)的選通接收部分則由通用的I／O口配合多路對(duì)模擬開關(guān)的控制實(shí)現(xiàn)。圖5是該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的軟件結(jié)構(gòu)流程圖。


4 結(jié) 語(yǔ)

這里主要介紹一種基于C8051F060的超聲波導(dǎo)盲系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并詳細(xì)介紹了設(shè)計(jì)的硬件部分，該系統(tǒng)經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明滿足設(shè)計(jì)要求。對(duì)于不同的障礙物類別，所得到的回波信號(hào)也有所不同，通過(guò)對(duì)采集的回波信號(hào)的分析能夠得到更詳細(xì)的障礙物信息，因此可開發(fā)成為能夠?qū)Σ煌恼系K物進(jìn)行識(shí)別的路障識(shí)別系統(tǒng)。