CN103472452B - 一种多通道超声波传感器系统快速检测方法及系统 - Google Patents

一种多通道超声波传感器系统快速检测方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种多通道超声波传感器系统快速检测系统及方法。涉及信号检测技术。鉴于现有技术对多通道超声波传感检测中只是提出了多通道快速实现检测设想，对多路超声波检测传感器缺乏必要的控制处理，本发明提出一种多通道超声波传感器系统快速检测方法，包括：多通道超声波并行发射、多通道回波轮询中断及数据融合处理三个阶段，本发明实现了多通道超声波的快速检测，减少多通道超声波检测中的耗时过高问题。

Description

一种多通道超声波传感器系统快速检测方法及系统
技术领域
本发明涉及信号检测技术领域，具体涉及了一种多通道超声波传感器检测方法。
背景技术
超声波检测技术在工业领域、生物医疗领域被广泛应用，如汽车主动安全、工业机器人、医药流体检测等行业。常用超声波检测方法包括三个步骤：首先超声波发射传感器向空气中发射一串频率固定超声波；然后，超声波波束撞击到被检体后反射到超声波回波传感器；最后，回波传感器收到回波后，交给回波处理电路进行回波处理。
国内外涉及超声波检测技术公开文献大多以功能模块框图的形式简单的提及多通道超声波检测技术；实用型专利中以硬件电路形式讲述了多通道超声波检测发射电路及接收电路。而没有对多通道超声波检测的具体实现做详细描述。
专利申请号为200980145051.0的日本株式会社日立医疗器械专利申请文件所述，由超声波探头对被检体发送超声波波束，并且接收来自所述被检体的反射回声信号，由波束形成部提供使该超声波探头发送所述超声波波束的驱动信号，由数据变换部对将所述反射回声信号进行数字化而得到的回声数据实施多个信号处理。该发明的超声波收发部生成了多个合成波束数据集，生成与被检体有关的超声波图像数据。说明书中虽然讲述了超声波检测部分的图像数据生成功能，但没有详细分解多路超声波检测传感器的控制。
专利号为CN202518203U的实用新型专利，公开了从硬件原理出发，提出了一种基于汽车总线CAN控制多路超声波倒车雷达，多通道超声波传感器依靠超声波发送单元驱动超声波传感器，放大单元处理超声波回波信号，选通单元完成多通道选择。但没有提出多通道超声波倒车雷达软件处理机制的详细控制过程。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，鉴于现有技术对多通道超声波传感检测中只是提出了多通道快速实现检测设想，对多路超声波检测传感器缺乏必要的控制处理，本发明提出一种多通道超声波传感器系统快速检测方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案是，一种多通道超声波传感器系统快速检测方法，包括：多通道超声波并行发射、多通道回波轮询中断及数据融合处理三个阶段，其中，多通道超声波并行发射为：微处理器控制多路超声波通道在多通道超声波发射时间T1内并行发射一系列频率固定的超声波信号，并开启回波中断处理；多通道回波轮询中断包括：微处理器在剩余的T-T1时间内，按照T2时间间隔进行回波通道轮询，当多通道回波接收单元接收到一个回波信号，记录此时的回波通道信息及所有通道的回波时间；数据融合处理包括：微处理器在T时间点后，根据公式SR[n]＝(TR[n]·v)/2计算通道n的检测距离，获得所有通道的检测距离，完成多通道超声波检测，其中，TR[n]为第n通道回波时间，v为超声波传输速度。
若在所有通道花费最大执行时间T内，某一个通道没有收到回波信号，则微处理器设置该通道的超声波检测距离为最大值。在并行发射前确定所有通道花费的最大执行时间T，时间T由单通道的最大检测量程S决定，发射时间T1由单通道超声波传感器余震时间T4及超声波发射频率fc确定，满足：1\fc≤T1<T4,1\fc≤T2<T1。
本发明还提出一种多通道超声波传感器系统快速检测系统，包括：多通道超声波发射单元、多通道超声波发射传感器、多通道回波接收单元、微处理器、数据存储显示单元，多通道超声波发射单元包含由微处理器直接控制的N通道相互独立的超声波激励电路，多通道超声波发射单元在多通道超声波发射时间T1内并行发射一系列频率固定的方波信号，该方波信号激励多通道超声波发射传感器发射对应的超声波信号，并开启回波中断处理；微处理器在T-T1时间内以时间T2为周期循环选择回波通道，当多通道回波接收单元接收到一个回波信号，记录此时的回波通道信息及及所有通道的回波时间；微处理器在T时间点后，根据公式SR[n]＝(TR[n]·v)/2计算通道n的检测距离，获得所有通道的检测距离，完成多通道超声波检测，数据存储显示单元负责对微处理器检测的多个通道超声波距离进行存储和显示，其中，TR[n]为第n通道回波时间，v为超声波传输速度。
本发明运用处理器分时中断处理方式，进行轮询接收超声波回波信号，有效的缩短了多通道超声波回波的检测时间。总时间从传统轮询机制的N*T秒缩短为T秒，全部耗时缩短至传统方式的1/N倍（N为超声波通道数），增加了系统的实时性。
本发明实现了多通道超声波的快速检测，减少多通道超声波检测中的耗时过高问题。同时本发明方法具有很强的移植性。根据系统要求移植到不同的多通道检测设备中，具有很高的应用前景。
附图说明
图1为本发明提出的系统结构框图；
图2为本发明多通道超声波的快速检测控制处理时序图；
图3为本发明多通道超声波快速检测控制处理流程图。
具体实施方式
以N通道超声波障碍物检测为例，假设采用普通轮询超声波收发检测机制，每个通道超声波收发处理时间花费T秒，则N通道超声波回波信号全部处理完毕，需要花费的总时间为N*T秒。此时，通道数越多，则处理器处理超声波花费时间越多，实时性越差。为了克服N通道超声波检测导致测试时间过长的缺点。
本发明以微处理器为主控核心，运用超声波多通道并行发射、超声波多通道回波轮询中断接收两种执行方式来实现控制机制。本发明采用多通道超声波并行发射、多通道回波轮询中断接收及数据融合处理三个阶段实施。
第一阶段：微处理器进行系统初始化操作，确定所有通道花费的最大执行时间T。微处理器控制多路超声波通道并行发射几个频率固定的超声波信号，设定多通道超声波发射时间为T1（T1<<T），并开启回波中断处理。
第二阶段：微处理器设定在剩余的T-T1时间内，按照T2（T2<<T-T1）时间间隔进行回波通道轮询。当回波程序接收到一个回波信号，则记录此时的回波通道信息n(通道数n=1,2,3,…)及回波时间TR[n]（通道数n=1,2,3,…）。时间T由单通道的最大检测量程S决定。发射时间T1由单通道超声波传感器余震时间T4及超声波发射频率fc确定，即1\fc≤T1<T4,T2应满足1\fc≤T2<T1。
第三阶段：微处理器进行数据处理，微处理器在T时间点后，根据公式SR[n]＝(TR[n]·v)/2计算通道1至通道n的所有检测距离，完成多通道超声波检测工作。其中SR[n]为第n通道回波检测距离，TR[n]为第n通道回波时间，v为超声波传输速度。
以下结合附图对系统结构和实现机制作进一步说明。
本发明的系统结构如图1所示，图1所示中，系统结构框图由多通道超声波发射单元、多通道回波接收单元、微处理器单元及数据存储显示单元组成。多通道超声波发射单元包含了N通道相互独立的超声波激励电路，每个超声波激励电路之间互不干扰，由微处理器单元直接控制；多通道回波接收单元包含了回波通道选择单元、回波处理及回波数字化单元几个部分，由微处理器控制其完成回波通道选择和回波小信号处理功能，保证微处理器单元能检测到超声波回波信号，同时也对回波通道进行选择控制。数据存储显示单元包含数据存储器、数据显示器两个部分，负责对微处理器检测的多个通道超声波数据进行存储和显示。
首先，微处理器在T1时间内输出几个超声波信号，并打开定时器及外部中断，记录回波时间，此时n通道超声波发射单元同时工作，从而每一个超声波发射单元都会发射出超声波信号。然后，微处理器控制回波通道选择器在T1点处选中回波传感器1，此时传感器1等待接收回波信号。如在T1～T1+T2时间段内，回波通道得到一个回波信号，则此时定时器记录传感器1的回波时间，否则定时器不记录传感器1的回波时间；以T1时间点为基准，当时间点为T1+T2时，回波通道选择器选中通道2，此时传感器2等待接收回波信号。如在T1+T2～T1+2*T2时间段内，回波通道得到一个回波信号，则此时定时器记录传感器2的回波时间，否则定时器不记录传感器2的回波时间；当时间点为T1+2*T2时，回波通道选择器选中通道3，此时传感器3等待接收回波信号.如在T1+2*T2～T1+3*T2时间段内，回波通道得到一个回波信号，则此时定时器记录传感器3的回波时间，否则定时器不记录传感器3的回波时间；以此类推，当时间点到达T1+(n-1）*T2时，回波通道选择器选中通道n，此时传感器n等待接收回波信号；直到T时间结束，完成T时间内n通道超声波回波信号接收工作。另外，若某些通道传感器未收到回波信号，则默认该通道障碍物检测距离为SR[n]＝(T·v)/2。
图2所示为通道超声波的快速检测控制处理时序图，进一步阐述了本发明的控制流程。时序图中横坐标表示时间t，纵坐标代表电压V，在微处理器激励时序中，在T1时刻内，微处理器产生几个频率固定的方波信号,如(a)，该方波信号激励多通道超声波发射传感器，向空气中发射对应的超声波信号,如(b)。在T1周期后，微处理器开启回波中断处理程序，并在T-T1时间内，以T2时间为周期选择回波通道,等待回波信号，如图（c）。图（d）中所示，回波通道选择器在T1点处选中回波传感器1，此时传感器1等待接收回波信号；以T1时间点为基准，当时间点为T1+T2时，回波通道选择器选中通道2，此时传感器2等待接收回波信号；当时间点为T1+2*T2时，回波通道选择器选中通道3，此时传感器3等待接收回波信号；以此类推，当时间点到达T1+(n-1）*T2时，回波通道选择器选中通道n，此时传感器n等待接收回波信号；直到T时间结束，完成回波接收工作。图3所示多通道超声波快速检测控制处理流程图，首先，系统完成初始化操作。微处理器在T1时间内输出几个超声波信号，并打开定时器子程序及外部中断子程序，记录回波时间，此时n通道超声波发射单元同时工作，从而每一个超声波发射单元都会发射出超声波信号。然后，微处理器以T2周期在T-T1时间内进行通道轮询选择。
首先主程序判断外部中断是否触发，若外部中断被触发，则说明检测到回波信息，此时判断该通道是否记录，若已记录，则继续检测回波，直到该通道时间结束；若没有记录，则记录该通道信息后，记录该通道回波时间，并计算超声波回波距离。然后把超声波回波检测数据存入存储器中，转入选择下一通道。直到T时间后结束。（针对附图3具体说明整个处理过程，具体说明如何轮询？）
微处理器回波输入口检测是否有回波信号，若检测到回波信号上升沿/下降沿，则触发外部中断，微处理器记录该时刻的通道信息，并读取该时刻定时器记录时间，作为通道回波时间。然后，按照公式SR[n]＝(TR[n]·v)/2计算此刻此通道的超声波检测距离数据，把该检测距离数据被存入存储器中。若未检测到回波信号上升沿/下降沿，则不触发外部中断。微处理器也不记录该时候通道信息及定时器回波时间。
微处理器控制回波通道转入下一通道的选择中。若没有检测到回波数据，则微处理器从存储器中读取当前的数据值显示到屏幕上。若检测到回波数据，则微处理器更新存储器中的数据，把存储器中新的距离数据，显示在屏幕上。

Claims (6)

1.一种多通道超声波传感器系统快速检测方法，其特征在于，包括：多通道超声波并行发射、多通道回波轮询中断及数据融合处理三个阶段，其中，多通道超声波并行发射为：微处理器控制多路超声波通道在多通道超声波发射时间T1内并行发射一系列频率固定的超声波信号，并开启回波中断处理；多通道回波轮询中断包括：微处理器在剩余的T-T1时间内，按照T2时间间隔进行回波通道轮询，当多通道回波接收单元接收到一个回波信号，记录此时的回波通道信息及所有通道的回波时间；数据融合处理包括：微处理器在所有通道花费的最大执行时间T后，根据公式SR[i]=(TR[i]·v)/2计算通道i的检测距离，获得所有通道的检测距离，完成多通道超声波检测，其中，TR[i]为通道i的回波时间，1≤i≤n，n是通道个数，v为超声波传输速度；
所述进行回波通道轮询的步骤包括：
首先，微处理器在T1时间内输出几个超声波信号，并打开定时器及外部中断，记录回波时间，此时n个通道超声波发射单元同时工作，从而每一个超声波发射单元都会发射出超声波信号；
然后，微处理器控制回波通道选择器在T1点处选中回波传感器1，此时传感器1等待接收回波信号；
如在T1~T1+T2时间段内，回波通道得到一个回波信号，则此时定时器记录传感器1的回波时间，否则定时器不记录传感器1的回波时间；
以T1时间点为基准，当时间点为T1+T2时，回波通道选择器选中通道2，此时传感器2等待接收回波信号；
如在T1+T2~T1+2*T2时间段内，回波通道得到一个回波信号，则此时定时器记录传感器2的回波时间，否则定时器不记录传感器2的回波时间；
当时间点为T1+2*T2时，回波通道选择器选中通道3，此时传感器3等待接收回波信号，如在T1+2*T2~T1+3*T2时间段内，回波通道得到一个回波信号，则此时定时器记录传感器3的回波时间，否则定时器不记录传感器3的回波时间；
以此类推，当时间点到达T1+(i-1)*T2时，回波通道选择器选中通道i，此时传感器i等待接收回波信号；直到T时间结束，完成T时间内n个通道超声波回波信号接收工作。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在并行发射前确定所有通道花费的最大执行时间T，时间T由单通道的最大检测量程S决定，发射时间T1由单通道超声波传感器余震时间T4及超声波发射频率fc确定，满足：1\fc≤T1<T4，1\fc≤T2<T1。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，若在所有通道花费最大执行时间T内，某一个通道没有收到回波信号，则微处理器设置该通道的超声波检测距离为最大值。
4.一种多通道超声波传感器系统快速检测系统，其特征在于，包括：多通道超声波发射单元、多通道超声波发射传感器、多通道回波接收单元、微处理器、数据存储显示单元，多通道超声波发射单元包含由微处理器直接控制的n个通道相互独立的超声波激励电路，多通道超声波发射单元在多通道超声波发射时间T1内并行发射一系列频率固定的方波信号，该方波信号激励多通道超声波发射传感器发射对应的超声波信号，并开启回波中断处理；微处理器在T-T1时间内以时间T2为周期循环选择回波通道，当多通道回波接收单元接收到一个回波信号，记录此时的回波通道信息及所有通道的回波时间；微处理器在所有通道花费的最大执行时间T后，根据公式SR[i]=(TR[i]·v)/2计算通道i的检测距离，获得所有通道的检测距离，完成多通道超声波检测，数据存储显示单元负责对微处理器检测的多个通道超声波距离进行存储和显示；其中，TR[i]为通道i的回波时间，1≤i≤n，n是通道个数，v为超声波传输速度；
所述循环选择回波通道的步骤包括：
首先，微处理器在T1时间内输出几个超声波信号，并打开定时器及外部中断，记录回波时间，此时n个通道超声波发射单元同时工作，从而每一个超声波发射单元都会发射出超声波信号；
然后，微处理器控制回波通道选择器在T1点处选中回波传感器1，此时传感器1等待接收回波信号；
如在T1~T1+T2时间段内，回波通道得到一个回波信号，则此时定时器记录传感器1的回波时间，否则定时器不记录传感器1的回波时间；
以T1时间点为基准，当时间点为T1+T2时，回波通道选择器选中通道2，此时传感器2等待接收回波信号；
如在T1+T2~T1+2*T2时间段内，回波通道得到一个回波信号，则此时定时器记录传感器2的回波时间，否则定时器不记录传感器2的回波时间；
当时间点为T1+2*T2时，回波通道选择器选中通道3，此时传感器3等待接收回波信号，如在T1+2*T2~T1+3*T2时间段内，回波通道得到一个回波信号，则此时定时器记录传感器3的回波时间，否则定时器不记录传感器3的回波时间；
以此类推，当时间点到达T1+(i-1)*T2时，回波通道选择器选中通道i，此时传感器i等待接收回波信号；直到T时间结束，完成T时间内n个通道超声波回波信号接收工作。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，在并行发射前确定所有通道花费的最大执行时间T，时间T由单通道的最大检测量程S决定，发射时间T1由单通道超声波传感器余震时间T4及超声波发射频率fc确定，满足：1\fc≤T1<T4，1\fc≤T2<T1。
6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，若在所有通道花费最大执行时间T内，某一个通道没有收到回波信号，则微处理器设置该通道的超声波检测距离为最大值。
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