CN102819021A

CN102819021A - 一种多功能超声波测距数据采集系统及方法

Info

Publication number: CN102819021A
Application number: CN2012103155999A
Authority: CN
Inventors: 王耀南; 肖赞; 陈友辉; 刘理
Original assignee: Hunan University
Current assignee: Hunan University
Priority date: 2012-08-30
Filing date: 2012-08-30
Publication date: 2012-12-12

Abstract

本发明公开了一种多功能超声波测距数据采集系统及方法，该系统包括微处理器、RAM存储器和模拟信号采集模块，RAM存储器和模拟信号采集模块均与微处理器连接；所述模拟信号采集模块中的超声波采集模块包括译码器、发送和接收通路模拟开关、超声波发送和发送电路以及超声波检测电路。采用该方法基于PC/104总线将超声波传感器和温度传感器、压力传感器、位置开关信号等其他多个传感器的数据采集进行集成设计，实现了对所有传感器的数据进行同时采集，通过译码器对模拟开关的选通从而控制超声波的发送和接收，对声波发射信号和接收信号进行有效隔离，减轻超声波发射信号对接收检测的干扰，提高检测精度，系统结构简单紧凑，可靠性强，具有很强的实用性。

Description

一种多功能超声波测距数据采集系统及方法

技术领域

本发明涉及一种多功能超声波测距数据采集系统及方法。

背景技术

智能移动机器人、服务机器人等智能移动设备在日常生活、工程作业以及军事上有着广泛的应用，它们在未知的复杂环境中进行目标作业时都需要对自身状态，如位移，压力，温度等进行采集；同时还需要对障碍物信息具备很强的感知能力。智能移动机器人上安装着多种传感器，例如超声波传感器，温度传感器，接触开关等，这些传感器就组成了机器人的环境和状态感知系统。为了对感知系统中传感器数据进行采集，机器人需要使用一个数据采集和传输系统实时采集传感器数据，并将结果传输给决策层。目前有使用各类总线进行数据传输的模拟信号采集系统和使用串口进行数据传输的超声波测距系统，然而现有的数据采集系统无法对智能移动机器人上使用的超声波测距传感器、温度传感器、压力传感器和位置开关信号同时进行数据采集。智能移动机器人中应用的现有的数据采集系统，由于没有集成超声波传感器和多个其他传感器，从而增加了数据采集系统的设计的复杂程度，且容易造成系统不稳定；在超声波回波信号的检测过程中，由于存在信号干扰，测量结果往往不准确。

发明内容

本发明的技术方案如下：

一种多功能超声波测距数据采集系统，包括微处理器、RAM存储器和模拟信号采集模块，RAM存储器和模拟信号采集模块均与微处理器连接；

所述模拟信号采集模块至少包括超声波采集模块和温度采集模块；

超声波采集模块包括译码器、发送通路模拟开关、超声波发送电路、接收通路模拟开关、超声波接收电路以及超声波检测电路；

译码器具有2N个输出端；发送通路模拟开关和接收通路模拟开关分别具有N个输出端和N个输入端；超声波接收电路以及超声波检测电路均为N个；N为大于或等于2的整数；译码器的地址输入端与微处理器相连；

发送通路模拟开关的输入信号自微处理器引出，发送通路模拟开关的N个输出端分别接N路超声波发送电路；发送通路模拟开关的N个控制端与译码器的第一组的N个输出端对应相接；

N路超声波接收电路的输出端分别接接收通路模拟开关的N个输入端；接收通路模拟开关的输出信号经超声波检测电路处理后进入微处理器；接收通路模拟开关的N个控制端与译码器的第二组的N个输出端对应相接。

该系统还包括PC104总线控制器和地址译码电路；所述的RAM存储器为双口RAM处理器，地址译码电路与双口RAM存储器相连；PC104总线控制器、地址译码电路和双口RAM存储器均通过PC104总线互联。

所述系统还包括与微处理器相连的数字信号采集模块。

所述的N大于等于4，所述的译码器为3输入-8输出译码器。

所述模拟信号采集模块包括跳选接口和将电流信号转换成电压信号的转换电路。

一种超声波测距数据采集方法，采用上述的多功能超声波测距数据采集系统进行数据采集，基于PC/104总线将超声波传感器和温度传感器、压力传感器、位置开关信号等其他多个传感器的集成设计，通过主控器对总线进行控制，通过总线与数据采集系统连接后，同时收集所有传感器信号。

所述方法中采用所测温度对超声波速度进行修正，修正公式为：

其中c为超声波速度，t为温度传感器所测温度。

所述方法中采集的模拟信号包括电压信号和电流信号。

有益效果

本发明一种多功能超声波测距数据采集系统及方法，该系统基于PC/104总线将超声波传感器和温度传感器、压力传感器、位置开关信号等其他多个传感器的数据采集进行集成设计，保障了数据采集系统与外界进行数据交互的速度，实现了对所有传感器的数据进行同时采集，能够利用处理器接收多路超声波传感器的信号，利用双口RAM实现了PC/104总线的控制器与数据采集系统的数据交互，方便了不同采样速度的传感器数据与外界进行交互，通过电流到电压信号转换电路结构，实现0-5V或4-20mA两种模拟信号进行采集，采用多路模拟开关对超声波发射信号与接收信号进行切换，对声波发射信号和接收信号进行了有效隔离，减轻超声波发射信号对接收检测的干扰，并使用自带信号放大、自动增益控制与检波电路的CX20106进行超声波回波信号检测，使检测精度得到保障，同时还扩展了模拟信号采集功能和数字信号输入输出功能，系统结构简单紧凑，可靠性强，具有很强的实用性。

附图说明

图1为本发明的硬件结构图；

图2为本发明的总线接口电路图；

图3为单片机与超声波检测模块连接图；

图4为超声波信号选通电路图；

图5为电流到电压信号的转换电路；

图6为电流到电压转换曲线图；

图7(a)和(b)分别为扩展数字信号输入和输出模块电路图；

图8为译码电路图；

图9为本发明中处理器和总线与双口RAM访问地址对应关系图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明做进一步说明：

如图1所示为本发明的硬件结构图，多功能超声波测距数据采集系统包括电压或电流信号采集模块、超声波采集模块、数字信号输入模块、数字信号输出模块、处理器、双口RAM、地址译码电路及PC104总线。

如图2所示为本发明的总线接口电路图，处理器通过双口RAM与PC/104总线连接，与外界进行数据通信。

如图3所示为处理器与超声波检测模块连接图，处理器与译码芯片74LS138与模拟开关相连；四路超声波发送电路分别受四个模拟开关输出信号控制，接收到的超声波回波信号，可以经过四个模拟开关传送到超声波检测电路中进行检测。

声波测距检测步骤如下：

步骤1：单片机输出40kHz占空比为50%的脉冲信号至模拟开关输入端；

步骤2：控制74LS138模拟开关打开时间为125μs，保证至少输出4个超声波脉冲到超声

波发送电路；

步骤3：控制74LS138的使能端输入等于0，关闭所有模拟开关；

步骤4：避开余震影响时间经过1ms后打开模拟开关，通常余震影响时间小于0.8ms，为了避余震的影响经过1ms后打开模拟开关进行信号检测，将传感器接收到的回波信号通过引入到超声波信号检测电路，检测电路开始进行超声波回波信号的检测，并将检测结果输入到单片机的外部中断0端口；

步骤5：如果检测到回波信号则产生单片机中断，通过测量从发射超声波信号到接收超声波回波信号的时间计算障碍物距离；

步骤6：单通道检测时间25ms结束后，一个测距通道的检测完成，进入下一测距通道的检测，控制选通下一个超声波检测通道相关的模拟开关，重复步骤1到步骤5。

其中，模拟开关采用包含四个模拟开关的CD4066，总共用了两片CD4066，一片74LS138；非门采用两片74LS04。

如图4所示为超声波信号选通电路图，单片机输出译码电路控制信号到74LS138和40kHz超声波信号到四个模拟开关的信号输入端，74LS138译码输出信号进过非门后连接到八个模拟开关的控制端，八个模拟开关中有四个用于选通单片机传输的40kHz超声波脉冲信号到四路超声波发送电路，四个用于选通超声波回波信号到超声波信号检测电路。

扩展模拟信号采集模块连接到处理器AD信号输入通道，处理器通过对AD信号输入通道上的信号进行模数转换，可以采集得到输入的模拟信号值。模块通过跳选接口选择不同的信号输入类型。

如图5所示为电流/电压信号转换电路图，该转换电话包含跳选接口JP1，其中CON1为传感器信号输入接口，支持两线制传感器和三线制传感器输入，引脚1为电压信号输入，引脚2为电流信号输入，3和4为电源引脚；JP1为跳选接口，2脚连接到单片机AD采集口，1和2引脚相连时为电流信号采集模式，2和3脚相连时为电压信号采集模式。跳选接口的设计提高了数据采集系统的实用性，让数据采集系统可以适应不同信号类型传感器的应用场合。模拟信号采集电路的4-20mA电流到0-5V电压转换曲线如图6所示，从该曲线可以看出电流到电压的转换性非常好，能满足采集需求。

如图7（a）和（b）示分别为扩展数字信号输入和输出模块电路图，电路与单片机I/O口相连，单片机通过控制单片机I/O的输入和输出从而控制数字信号输入输出模块进行数字信号的输出和读取；数字信号输入电路中的INPUT和数字信号输出电路的OUTPUT连接到单片机的I/O口，每个数字信号可以从输入端子的1或2脚输入一路开关量信号，如：将1，2脚分别和接触开关两端连接；还可以从输入端子的1脚输入一路数字电压信号，其中输出电路中1、3脚为电源脚，2脚为信号输出脚；

主控制器与数据采集系统通过总线进行控制信号和采样数据交互，为了不和其他可能需要占用I/O地址的外设发生地址冲突，采集卡设计了一个地址可以选择的译码电路。如图8所示为译码电路图，译码电路产生的片选信号连接到双口RAM的CER端口，拨码开关可以对地址的高四位进行选择，高四位地址0000到1111可选，中间一位地址固定为0。另外五根地址线与IDT7130的AR0..AR4连接。为了使用IDT7130的中断控制“邮箱”3FEH和3FFH，IDT7130的AR5-AR9地址线被拉高。这样PC/104总线访问到的总是IDT7130的3E0H-3FFH空间。同样的单片机只对IDT7130的ADL0…ADL4地址线操作有效，AL5…AL9地址线被拉高，这样单片机访问到的也是3E0H--3FFH的地址空间，其单片机和PC/104总线访问双口RAM时地址对应关系图如9所示。

Claims

1.一种多功能超声波测距数据采集系统，其特征在于，包括微处理器、RAM存储器和模拟信号采集模块，RAM存储器和模拟信号采集模块均与微处理器连接；

2.根据权利要求1所述的多功能超声波测距数据采集系统，其特征在于，还包括PC104总线控制器和地址译码电路；所述的RAM存储器为双口RAM处理器，地址译码电路与双口RAM存储器相连；PC104总线控制器、地址译码电路和双口RAM存储器均通过PC104总线互联。

3.根据权利要求1所述的多功能超声波测距数据采集系统，其特征在于，还包括与微处理器相连的数字信号采集模块。

4.根据权利要求1所述的多功能超声波测距数据采集系统，其特征在于，所述的N大于等于4，所述的译码器为3输入-8输出译码器。

5.根据权利要求1所述的一种多功能超声波测距采集系统，其特征在于，所述模拟信号采集模块包括跳选接口和将电流信号转换成电压信号的转换电路。

6.一种超声波测距数据采集方法，其特征在于，采用权利要求1-5任一项所述的多功能超声波测距数据采集系统进行数据采集，基于PC/104总线将超声波传感器和温度传感器、压力传感器、位置开关信号等其他多个传感器的集成设计，通过主控器对总线进行控制，通过总线与数据采集系统连接后，同时收集所有传感器信号。

7.根据权利要求6所述的超声波测距数据采集方法，其特征在于，所述方法中采用所测温度对超声波速度进行修正，修正公式为

其中c为超声波速度，t为温度传感器所测温度。

8.根据权利要求6所述的超声波测距数据采集方法，其特征在于，所述方法中采集的模拟信号包括电压信号和电流信号。