一種高精度超聲波測距儀系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種高精度超聲波測距儀系統(tǒng)，包括控制器單元、處理器單元、存儲器單元、溫度補償電路和總線，所述存儲器單元與所述控制器單元連接，所述控制器單元、處理器單元、溫度補償電路分別與所述總線連接，所述控制器單元包括超聲波測距單元，所述超聲波測距單元包括超聲波控制器和超聲波收發(fā)模塊，所述超聲波控制器與所述超聲波收發(fā)模塊連接。本實用新型的有益效果是：具有可靠性高、集成度高、響應(yīng)速度快、精度高和成本低廉等特點。
【專利說明】
-種高精度超聲波測距儀系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實用新型設(shè)及超聲波測距，尤其設(shè)及一種高精度超聲波測距儀系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 超聲波測距儀，是利用超聲波測量距離的一種非接觸式距離測量工具。因超聲波 具有定向性好、使用方便、成本低廉、抗干擾能力強等優(yōu)點，所W超聲波測儀在工業(yè)測量、車 輛避障、安全預(yù)警、液位測量、機械內(nèi)部損傷檢、車輛自動導(dǎo)航W及機器人等領(lǐng)域得到廣泛 地應(yīng)用。然而，目前大多數(shù)超聲波測距儀一般采用MCS-5 1單片機作為控制器，其測量精度， 由于受到定時器鐘頻率的限制，難W令人滿意。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的問題，本實用新型提供了一種高精度超聲波測距儀系統(tǒng)。
[0004] 本實用新型提供了一種高精度超聲波測距儀系統(tǒng)，包括控制器單元、處理器單元、 存儲器單元、溫度補償電路和總線，所述存儲器單元與所述控制器單元連接，所述控制器單 元、處理器單元、溫度補償電路分別與所述總線連接，所述控制器單元包括超聲波測距單 元，所述超聲波測距單元包括超聲波控制器和超聲波收發(fā)模塊，所述超聲波控制器與所述 超聲波收發(fā)模塊連接。
[0005] 作為本實用新型的進一步改進，所述超聲波控制器包括接口單元電路、狀態(tài)寄存 器、啟動寄存器、計數(shù)寄存器、狀態(tài)機、計數(shù)器和倍頻器，其中，所述倍頻器的輸出端分別與 所述狀態(tài)機、計數(shù)器連接，所述狀態(tài)機的輸出端分別與所述狀態(tài)寄存器、計數(shù)器連接，所述 計數(shù)器的輸出端與所述計數(shù)寄存器連接，所述計數(shù)寄存器的輸出端與所述接口單元電路連 接，所述狀態(tài)寄存器的輸出端與所述接口單元電路連接，所述接口單元電路與所述總線連 接，所述接口單元電路的輸出端與所述啟動寄存器連接，所述啟動寄存器與所述狀態(tài)機連 接。
[0006] 作為本實用新型的進一步改進，所述狀態(tài)機設(shè)有TRIG引腳和ECHO引腳，所述狀態(tài) 機分別通過所述TRIG引腳、EC冊引腳與所述超聲波收發(fā)模塊連接，所述超聲波控制器通過 所述TRIG引腳向所述超聲波收發(fā)模塊發(fā)送觸發(fā)信號，所述超聲波收發(fā)模塊通過所述EOTO引 腳向所述超聲波控制器發(fā)送超聲波反射波接收判斷輸入信號。
[0007] 作為本實用新型的進一步改進，所述狀態(tài)機設(shè)有化R引腳、Η引腳和ST引腳，所述狀 態(tài)機分別通過所述化R引腳、Η引腳、ST引腳與所述計數(shù)器連接，所述狀態(tài)機通過所述化R引 腳向所述計數(shù)器發(fā)送計數(shù)器清零信號，所述狀態(tài)機通過所述Η引腳向所述計數(shù)器發(fā)送高電 平，所述狀態(tài)機通過所述ST引腳向所述計數(shù)器發(fā)送計數(shù)器啟動信號。
[000引作為本實用新型的進一步改進，所述控制器單元還包括JTAG控制器、UART控制器、 EPCS控制器、LCD控制器、SDRAM控制器，其中，所述LCD控制器連接有LCD顯示器，所述JTAG控 制器、UART控制器、EPCS控制器、LCD控制器、SDRAM控制器分別與所述總線連接。
[0009] 作為本實用新型的進一步改進，所述總線為Avalon-MM總線。
[0010] 作為本實用新型的進一步改進，所述高精度超聲波測距儀系統(tǒng)還包括PC機，所述 JTAG控制器、UART控制器分別與所述PC機連接。
[0011] 作為本實用新型的進一步改進，所述存儲器單元包括EPCS4存儲器、SDRAM存儲器， 所述SDRAM控制器與所述SDRAM存儲器連接，所述EPCS控制器與所述EPCS4存儲器連接。
[0012] 作為本實用新型的進一步改進，所述處理器單元包括NiosII處理器，所述NiosII 處理器與所述總線連接。
[0013] 作為本實用新型的進一步改進，所述溫度補償電路包括通用輸入輸出接口和溫度 傳感器，所述溫度傳感器通過所述通用輸入輸出接口與所述總線連接。
[0014] 本實用新型的有益效果是:超聲波控制器是根據(jù)外部的超聲波收發(fā)模塊的電氣特 性而設(shè)計的用戶自定義控制器，其與外部的超聲波收發(fā)模塊相連，控制超聲波收發(fā)模塊進 行測距;溫度對超聲波的傳播速度影響較大，通過溫度補償電路來提高測量精度，具有可靠 性高、集成度高、響應(yīng)速度快、精度高和成本低廉等特點。
【附圖說明】
[0015] 圖1是本實用新型一種高精度超聲波測距儀系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖。
[0016] 圖2是本實用新型一種高精度超聲波測距儀系統(tǒng)的超聲波控制器的硬件框圖。
[0017] 圖3是本實用新型一種高精度超聲波測距儀系統(tǒng)的狀態(tài)機的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。
[0018] 圖4是本實用新型一種高精度超聲波測距儀系統(tǒng)的控制流程圖。
【具體實施方式】
[0019] 下面結(jié)合【附圖說明】及【具體實施方式】對本實用新型進一步說明。
[0020] 圖1至圖4中的附圖標號為:超聲波控制器1;接口單元電路11;狀態(tài)寄存器12;啟動 寄存器13;計數(shù)寄存器14;狀態(tài)機15;計數(shù)器16;倍頻器17;EPCS控制器2;NiosII處理器3; PI04;超聲波收發(fā)模塊5; EP盼4存儲器6;溫度傳感器7;總線8; SDRAM控制器9; LCD作控制器 10; JTAG控制器11; UART控制器12; SDRAM存儲器13; LCD顯示器14。
[0021] 如圖1所示，一種高精度超聲波測距儀系統(tǒng)，包括控制器單元、處理器單元、存儲器 單元、溫度補償電路和總線8,所述存儲器單元與所述控制器單元連接，所述控制器單元、處 理器單元、溫度補償電路分別與所述總線8連接，所述控制器單元包括超聲波測距單元，所 述超聲波測距單元包括超聲波控制器1和超聲波收發(fā)模塊5,所述超聲波控制器1與所述超 聲波收發(fā)模塊5連接。
[0022] 如圖1所示，所述超聲波收發(fā)模塊5優(yōu)選為HC-SR04超聲波收發(fā)模塊。
[0023] 如圖2所示，所述超聲波控制器1包括接口單元電路11、狀態(tài)寄存器12、啟動寄存器 13、計數(shù)寄存器14、狀態(tài)機15、計數(shù)器16和倍頻器17,其中，所述倍頻器17的輸出端分別與所 述狀態(tài)機15、計數(shù)器16連接，所述狀態(tài)機15的輸出端分別與所述狀態(tài)寄存器12、計數(shù)器16連 接，所述計數(shù)器16的輸出端與所述計數(shù)寄存器14連接，所述計數(shù)寄存器14的輸出端與所述 接口單元電路11連接，所述狀態(tài)寄存器12的輸出端與所述接口單元電路11連接，所述接口 單元電路11與所述總線8連接，所述接口單元電路11的輸出端與所述啟動寄存器13連接，所 述啟動寄存器13與所述狀態(tài)機15連接。
[0024] 如圖1至圖2所示，所述狀態(tài)機15設(shè)有TRIG引腳和ECHO引腳，所述狀態(tài)機15分別通 過所述TRIG引腳、ECHO引腳與所述超聲波收發(fā)模塊5連接，所述超聲波控制器1通過所述 TRIG引腳向所述超聲波收發(fā)模塊5發(fā)送觸發(fā)信號，所述超聲波收發(fā)模塊5通過所述EOTO引腳 向所述超聲波控制器1發(fā)送超聲波反射波接收判斷輸入信號。
[0025] 如圖1所示，所述狀態(tài)機15設(shè)有化R引腳、Η引腳和ST引腳，所述狀態(tài)機15分別通過 所述化R引腳、Η引腳、ST引腳與所述計數(shù)器16連接，所述狀態(tài)機15通過所述化R引腳向所述 計數(shù)器16發(fā)送計數(shù)器清零信號，所述狀態(tài)機15通過所述Η引腳向所述計數(shù)器16發(fā)送高電平， 所述狀態(tài)機15通過所述ST引腳向所述計數(shù)器16發(fā)送計數(shù)器啟動信號。
[0026] 如圖1所示，所述控制器單元還包括JTAG控制器11、UART控制器12、EPCS控制器2、 LCD控制器10、SDRAM控制器9，其中，所述LCD控制器10連接有LCD顯示器14，所述JTAG控制器 11、UART控制器12、EPCS控制器2、LCD控制器10、SDRAM控制器9分別與所述總線8連接。
[0027] 如圖1至圖2所示，所述總線8優(yōu)選為Avalon-MM總線。
[00%]如圖1所示，所述高精度超聲波測距儀系統(tǒng)還包括PC機，所述JTAG控制器11、UART 控制器12分別與所述PC機連接。
[0029] 如圖1所示，所述存儲器單元包括EP盼4存儲器6、SDRAM存儲器13，所述SDRAM控制 器9與所述SDRAM存儲器13連接，所述EPCS控制器2與所述EPCS4存儲器6連接。
[0030] 如圖1所示，所述處理器單元包括NiosII處理器3,所述NiosII處理器3與所述總線 8連接。
[0031] 如圖1所示，所述溫度補償電路包括通用輸入輸出接口和溫度傳感器7,所述溫度 傳感器7通過所述通用輸入輸出接口與所述總線8連接，所述通用輸入輸出接口簡稱為PI04 (并行輸入/輸出控制器）。
[0032] 如圖1所示，溫度傳感器7優(yōu)選為DS18B20數(shù)字溫度傳感器。
[0033] 在硬件系統(tǒng)上，本實用新型采用了一片高密度的可編程邏輯口列陣(FPGA)作為硬 件設(shè)計平臺，為了實現(xiàn)復(fù)雜的控制，在可編程邏輯口列陣（FPGA)中內(nèi)嵌了一個32位的 NiosII處理器3eNiosII處理器3是Altera公司提供的32位軟核處理器。在系統(tǒng)設(shè)計時，設(shè)計 者根據(jù)項目的要求，把Nios II軟核CPU免費地內(nèi)嵌在A1 tera公司生產(chǎn)的FPGA中。SDRAM控制 器9控制著外圍的SDRAM存儲器13，用于存放數(shù)據(jù)。JTAG控制器11、UART控制器12能實現(xiàn)程序 的下載和在線調(diào)試功能;EPSC控制器2控制著EPSC4存儲器6,用于存儲FPGA配制文件;LCD控 審IJ器10控制著LCD顯示器14,用于顯示測得的數(shù)據(jù)。超聲波控制器1是根據(jù)外部的超聲波收 發(fā)模塊5的電氣特性而設(shè)計的用戶自定義控制器，其輸出引腳TRIG和EC冊與外部的超聲波 收發(fā)模塊相連，控制超聲波收發(fā)模塊5進行測距。溫度對超聲波的傳播速度影響較大，本系 統(tǒng)設(shè)計溫度補償電路來提高測量精度。本系統(tǒng)通過PI04與DS18B20數(shù)字溫度傳感器相連。
[0034] 如圖2所示，接口單元電路11，起著連接Avalo-MM總線和超聲波控制器1的作用。因 為在接口單元電路11內(nèi)部有地址譯碼器，所WNios II處理器3可W通過地址譯碼器，訪問控 制器中的所有寄存器。倍頻器17的作用是把50MHz的系統(tǒng)時鐘倍頻到lOOMHz，從而提高系統(tǒng) 的測量精度。狀態(tài)機15控制中各個模塊協(xié)調(diào)的工作，通過產(chǎn)生各種時序信號來實現(xiàn)的。TRIG 是超聲波收發(fā)模塊的觸發(fā)信號;ECHO是超聲波反射波接收判斷輸入信號；ST是計數(shù)器啟動 信號，高電平計數(shù)器開始計數(shù);CLR是計數(shù)器清零信號，CLR為高電平時對計數(shù)器的值清零;Η 是計數(shù)器值保存控制信號，Η為高電平時，計數(shù)器的當前值被保存在計數(shù)器寄存器。在超聲 波控制器1中，還定義Ξ個寄存器，運Ξ個寄存器定義和地址分配情況如表1所示。
[0035] 表1寄存器定義與地址分配
[0036]
[0037] 超聲波測距儀的SOP網(wǎng)更件設(shè)計，采用是Altera公司的S0PC Builder開發(fā)工具進行 開發(fā)。S0PC Builder是一個Altera公司提供的功能強大的系統(tǒng)開發(fā)工具，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計 師可W利用此工具非常輕松地設(shè)計一個基于NiosII處理器的片上系統(tǒng)。在S0PC Builder的 圖形用戶界面中，設(shè)計者可W把S0PC Builder庫中功能模塊添加到系統(tǒng)中，除此之外，S0PC Builder還允許設(shè)計者把用戶自定義邏輯單元添加到S0PC Builder庫中。表2,是利用S0PC Builder開發(fā)工具定義的硬件系統(tǒng)，其中，ultrasonc是超聲波控制器，是用戶自定義邏輯控 制單元。
[0038] 表2硬件系統(tǒng)模塊的定義
[0039]
[0040] 如圖3所示，狀態(tài)機15是超聲波控制器1的關(guān)鍵模塊，其作用是能產(chǎn)生各種控制時 序。圖3為狀態(tài)機的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖，一共設(shè)有空閑、啟動、計數(shù)、數(shù)據(jù)保存和計數(shù)器清零五個狀 態(tài)。在加電時，狀態(tài)機處于空閑狀態(tài)，一旦NiosII軟核CPU向控制寄存器寫入啟動指令時，狀 態(tài)機15進入啟動狀態(tài)。在啟動狀態(tài)中，狀態(tài)機15-方面對啟動寄存器13進行清零操作，另一 方面，產(chǎn)生超聲波測距啟動信號TRIG,啟動超聲波測距模塊產(chǎn)生超聲波，運些任務(wù)完成之 后，狀態(tài)機15進入計數(shù)狀態(tài)。在計數(shù)狀態(tài)中，計數(shù)器16對lOOMHz時鐘進行計數(shù)，當超聲波收 發(fā)模塊5收到被障礙物反射回來的超聲波時，ECHO變?yōu)榈碗娖?，計?shù)器16停止計數(shù)，狀態(tài)機 15進行數(shù)據(jù)保存狀態(tài)。在數(shù)保存狀態(tài)中，計數(shù)數(shù)16據(jù)被保存在計數(shù)寄存器14中。數(shù)據(jù)被保存 之后，狀態(tài)機15進入計數(shù)器16數(shù)據(jù)清零狀態(tài)，運時計數(shù)器16中的值被清零，為下次計數(shù)做好 準備。
[0041] 超聲波的傳播速度極易受到溫度的影響。超聲波在常溫下的傳播速度大約為％ο 米/秒，但當溫度發(fā)生變化時，超聲波的傳播速度會發(fā)生變化，例如，當溫度每升高rc時，超 聲波的傳播速度會增加0.6米/秒，因此，在利用超聲波測量距離時，必需考慮溫度對超聲波 傳播速度的影響。
[0042] 為了提高測量精度，本系統(tǒng)設(shè)計溫度補償電路。本系統(tǒng)的溫度補償電路主要是采 用了 DS18B20全數(shù)字溫度傳感器來測量環(huán)境溫度，再利用公式（1)對超聲波傳播速度進行溫 度補償。
[0043] V = 331.4+0.61T (1)
[0044] 在式(1)中，V為超聲波補償后的傳播速度，T為實際攝氏溫度值。
[0045] 如圖4所示，為了讓本測試儀正常工作，還需要設(shè)計本系統(tǒng)的控制程序。系統(tǒng)程序 采用Altera公司的Nios II EDS 8.0集成開發(fā)環(huán)境對系統(tǒng)程序進行開發(fā)。圖4為本系統(tǒng)程序 算法流程圖。程序啟動后，首先Nios II主程序?qū)ο到y(tǒng)的有關(guān)設(shè)備進行初始化操作，例如， LO)液晶屏初始化、溫度傳感器DS18B20初始化和串口初始化等。系統(tǒng)初始化完成之后，Nios II軟核CPU讀取DS18B20溫度值，獲取當前測試環(huán)境的溫度值。完成溫度讀取之后，Nios II 向超聲波控制中的啟動寄存器發(fā)送啟動指令，啟動超聲波測距模塊進行測距。然后，Nios II讀取狀態(tài)寄存器的值，了解控制器的工作狀態(tài)。如果控制器正處于"忙"工作狀態(tài)時，控制 器延時一段時間，再次讀取狀態(tài)信息，如果了解到控制器正處于"閑"工作狀態(tài)時，讀取計數(shù) 寄存器中的值，通過公式（1)對超聲波的傳播速度進行修正。再利用修正過的傳播速度，計 算測距并顯示距離。
[0046] 為了進一步的評估本超聲波測距精度，我們根據(jù)W上的設(shè)計方法，利用一塊高密 度的可編程邏輯口列陣(FPGA)和超聲波收發(fā)模塊，設(shè)計了一臺試驗樣機，并對該試驗樣機 進行性能測試?？删幊踢壿嬁诹嘘?FPGA)采用Altera公司生產(chǎn)的EP1C6Q240C8,超聲波收發(fā) 模塊5采用了 HC-SR04模塊。表3為試驗樣機的一組測試結(jié)果，從測試結(jié)果可W看出，利用本 測試測量距離時，除了測量近距離的相對誤差在2 %之外，測量中長距離的相對誤差保持在 1 % W內(nèi)，因此，本測試儀具有較高的測量精度。
[0047] 表3測試結(jié)果
[004引
[0049] 如圖1至圖4所示，本實用新型提供的一種高精度超聲波測距儀系統(tǒng)，超聲波測距 儀是一種非接觸式距離測量工具，具有很多的優(yōu)點，本實用新型針對傳統(tǒng)單片機超聲波測 距儀測量誤差大的缺點，采用軟硬件協(xié)同設(shè)計方法和自定義用戶IP核技術(shù)，設(shè)計一套基于 NiosII的高精度超聲波距離測量系統(tǒng)，本系統(tǒng)具有可靠性高、集成度高、響應(yīng)速度快、精度 高和成本低廉等優(yōu)點，因此有一定的實用價值和推廣價值。
[0050] W上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實施方式對本實用新型所作的進一步詳細說明，不能 認定本實用新型的具體實施只局限于運些說明。對于本實用新型所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù) 人員來說，在不脫離本實用新型構(gòu)思的前提下，還可W做出若干簡單推演或替換，都應(yīng)當視 為屬于本實用新型的保護范圍。
【主權(quán)項】
1. 一種高精度超聲波測距儀系統(tǒng)，其特征在于:包括控制器單元、處理器單元、存儲器 單元、溫度補償電路和總線，所述存儲器單元與所述控制器單元連接，所述控制器單元、處 理器單元、溫度補償電路分別與所述總線連接，所述控制器單元包括超聲波測距單元，所述 超聲波測距單元包括超聲波控制器和超聲波收發(fā)模塊，所述超聲波控制器與所述超聲波收 發(fā)模塊連接。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度超聲波測距儀系統(tǒng)，其特征在于:所述超聲波控制器包 括接口單元電路、狀態(tài)寄存器、啟動寄存器、計數(shù)寄存器、狀態(tài)機、計數(shù)器和倍頻器，其中，所 述倍頻器的輸出端分別與所述狀態(tài)機、計數(shù)器連接，所述狀態(tài)機的輸出端分別與所述狀態(tài) 寄存器、計數(shù)器連接，所述計數(shù)器的輸出端與所述計數(shù)寄存器連接，所述計數(shù)寄存器的輸出 端與所述接口單元電路連接，所述狀態(tài)寄存器的輸出端與所述接口單元電路連接，所述接 口單元電路與所述總線連接，所述接口單元電路的輸出端與所述啟動寄存器連接，所述啟 動寄存器與所述狀態(tài)機連接。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的高精度超聲波測距儀系統(tǒng)，其特征在于:所述狀態(tài)機設(shè)有TRIG 弓丨腳和ECHO引腳，所述狀態(tài)機分別通過所述TRIG引腳、ECHO引腳與所述超聲波收發(fā)模塊連 接，所述超聲波控制器通過所述TRIG引腳向所述超聲波收發(fā)模塊發(fā)送觸發(fā)信號，所述超聲 波收發(fā)模塊通過所述ECHO引腳向所述超聲波控制器發(fā)送超聲波反射波接收判斷輸入信號。4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的高精度超聲波測距儀系統(tǒng)，其特征在于:所述狀態(tài)機設(shè)有CLR 引腳、H引腳和ST引腳，所述狀態(tài)機分別通過所述CLR引腳、H引腳、ST引腳與所述計數(shù)器連 接，所述狀態(tài)機通過所述CLR引腳向所述計數(shù)器發(fā)送計數(shù)器清零信號，所述狀態(tài)機通過所述 H引腳向所述計數(shù)器發(fā)送高電平，所述狀態(tài)機通過所述ST引腳向所述計數(shù)器發(fā)送計數(shù)器啟 動信號。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度超聲波測距儀系統(tǒng)，其特征在于:所述控制器單元還包 括JTAG控制器、UART控制器、EPCS控制器、IXD控制器、SDRAM控制器，其中，所述IXD控制器連 接有LCD顯示器，所述JTAG控制器、UART控制器、EPCS控制器、IXD控制器、SDRAM控制器分別 與所述總線連接。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的高精度超聲波測距儀系統(tǒng)，其特征在于:所述總線為Avalon-麗總線。7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的高精度超聲波測距儀系統(tǒng)，其特征在于:所述高精度超聲波測 距儀系統(tǒng)還包括PC機，所述JTAG控制器、UART控制器分別與所述PC機連接。8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的高精度超聲波測距儀系統(tǒng)，其特征在于:所述存儲器單元包括 EPCS4存儲器、SDRAM存儲器，所述SDRAM控制器與所述SDRAM存儲器連接，所述EPCS控制器與 所述EPCS4存儲器連接。9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度超聲波測距儀系統(tǒng)，其特征在于:所述處理器單元包括 Nios II處理器，所述Nios II處理器與所述總線連接。10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度超聲波測距儀系統(tǒng)，其特征在于:所述溫度補償電路 包括通用輸入輸出接口和溫度傳感器，所述溫度傳感器通過所述通用輸入輸出接口與所述 總線連接。
【文檔編號】G01S7/52GK205484791SQ201521046391
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2015年12月15日
【發(fā)明人】楊秀增, 鄭鑫, 韋樹貢, 李姍姍, 劉志濤, 羅曉芳, 肖麗玲
【申請人】廣西民族師范學院