CN104777473A - 一种超声波传感器检波方法 - Google Patents

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Abstract

一种超声波传感器检波方法，涉及一种信号检测方法，该方法是被障碍物反射回来并经超声波探芯接收后的回波信号经限幅滤波、信号放大，再由超声波传感器内置的单片机利用其内部A/D模块，对输入到I/O口的回波信号进行采样识别，实现将模拟信号转换成数字信号；通过比较超声波收发信号的时间差，计算出障碍物距离。本发明通过利用单片机内部的A/D模块实现对信号的采样，从而实现模数转换，其可操作性好，可控性高，精度易于控制，在节省硬件成本的同时，实现了对信号真实可靠的检测，是一种非常理想的信号检测方法。

Description

一种超声波传感器检波方法
技术领域
本发明涉及一种信号检测方法，特别是一种倒车雷达超声波传感器将接收到的模拟信号转换为数字信号的超声波传感器检波方法。
背景技术
目前市场上广泛使用的倒车雷达，其传感器都是基于超声波原理实现的，其工作频率集中为40KHz/48KHz/58KHz/68KH，其基本工作原理为：传感器在接收到来自控制模块的启动指令后，由传感器内部的单片机输出一定数量的一定频率的单一脉冲方波，经过中频变压器（俗称中周）升压后驱动超声传感单元（探芯）工作，对外发射超声波。当超声波遇到障碍物后反射回来被传感器接收，被传感器接收后的信号称为回波信号，回波信号经过限幅滤波后再由放大电路对信号做放大处理。之后采用简单的三极管或者模拟比较器实现模数转换，其可控性少，稳定性不理想，精度无法掌控。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种超声波传感器检波方法，以解决现有技术存在的上述可控性少、稳定性不理想、精度无法掌控的不足之处。
解决上述技术问题的技术方案是：一种超声波传感器检波方法，该方法是被障碍物反射回来并经超声波探芯接收后的回波信号经限幅滤波、信号放大，再由超声波传感器内置的单片机利用其内部A/D模块，对输入到I/O口的回波信号进行采样识别，实现将模拟信号转换成数字信号；通过比较超声波收发信号的时间差，计算出障碍物距离。
本发明的进一步技术方案是：所述的将模拟信号转换成数字信号包括以下过程：
在超声波传感器通电后，没有驱动超声波探芯工作之前，由超声波传感器内置的单片机利用其内部的A/D模块对I/O口的电压进行采样，其电压值为中心电压；然后由单片机控制探芯驱动模块发射一定数量一定频率的双脉冲方波驱动超声波探芯工作，在设定采样时间T内实时读取I/O口的电压值，该电压值为瞬时电压； 将瞬时电压与中心电压作差，其差值的绝对值为比较电压，再设定一个切割电平，当比较电压大于切割电平时，采样信号有效，反之无效；通过连续采样连续判断，实现将模拟信号转换成数字信号。
本发明的再进一步技术方案是：该方法包括以下具体步骤：
S1. A/D模块检测中心电压：
超声波传感器通电后，单片机利用其内部的A/D模块开始检测输入引脚电压，该电压为中心电压；通过多次采样再取平均值的方法来保证测试数据的精确度；
S2. 超声波探芯定时开始发波：
单片机控制探芯驱动模块发射一定数量一定频率的双脉冲方波驱动超声波探芯工作，超声波探芯在接收到该启动指令后开始工作，定时对外发射超声波；
S3. 采样瞬时电压：
超声波探芯开始发波后即转入接收信号，接收到的回波信号经限幅滤波、信号放大，输入至单片机的回波输入引脚；单片机的A/D模块在接下来的设定采样时间T内实时对回波输入引脚进行信号检测，即采样瞬时电压，并记录采样点时间；
S4. 瞬时电压与中心电压作差：
将瞬时电压与中心电压作差，其差值的绝对值为比较电压；
S5. 将比较电压与切割电平比对：
设定一个数组，数组中设定不同的电压值，每一个电压值都称为切割电平，从超声波探芯发波开始计时，每隔512us一段时间，数组标号取值变量递增1，实现切割电平改变，利用此数组中的数据和比较电压进行比对，当比较电压大于切割电平时，进入步骤S6；当比较电压小于或等于切割电平，进入步骤S8；
S6. 采样信号有效，记录有效回波信号：
采样信号有效，在连续检测多次的采样信号都有效后，开始记录有效的回波信号，进入步骤S8；
S7. 采样信号无效：
采样信号无效，重复步骤S3，当采样点时间tn > 采样时间T后，检波结束；
S8. 判定检测的障碍物最终是否有效：
从比较信号有效开始到无效结束这段时间长度为TMN，若TMN满足设定条件并且采样点时间tn <采样时间 T ,则判定为检测的障碍物最终有效，进入步骤S9；如果否，则判定检测的障碍物最终无效，重复步骤S3；
S9. 计算出障碍物距离：
根据收发波的时间差，计算出障碍物距离，若采样点时间tn >采样时间T，检波结束。
本发明的再进一步技术方案是：所述的采样时间T为从发波开始到收波结束这段时间长度，其范围值为10～20ms。
所述的时间TMN为回波宽，其范围值为350～450us。
所述的采样点时间tn为从发波计时开始到第n次A/D采样初始的时间长度，即从0开始计时，到第n个采样点的时间长。
所述的双脉冲方波为互补对称的双脉冲方波。
由于采用上述结构，本发明之一种超声波传感器检波方法与现有技术相比，具有以下有益效果：
1. 可操作性好，可控性高，精度较高：
以往检波都是用硬件方式实现，其阈值电压不能根据距离的变化做调整。而本发明采用A/D采样方式检波，可根据不同的距离设置不同的阈值电压来，可操作性好，可控性高，而且还避免了单一阈值电压所造成的误判或漏判，精度较高。
2. 可获得很高的驱动能量和稳定性：
现有技术方案都是采用单驱动模式，即驱动中周的脉冲为单一方波，而本发明采用的是互补对称的双脉冲驱动方式，从而可以获得很高的驱动能量和稳定性。
3. 对外辐射效果改善明显：
本发明由于采用了互补对称的双脉冲驱动方式，其驱动能力大幅提升，因此在中周初级只需要+5V即达到传统方案中+8V的效果，不仅节省了+8V的DC转换芯片，对EMC实验的对外辐射效果改善明显。
4. 节省了硬件成本：
传统技术方案中都会使用可调电位器，用于调节电路放大倍数，在生产时达到一致的回波强度。本发明通过增减发射超声波个数的方法来实现达到一致的回波强度，从而省略了机械可调电位器，节省硬件成本。
5. 能够识别不同障碍物：
由于障碍物反射面越大，其反射能力超强，因此其回度幅值也越大，本发明通过计算出其面积大小，再结合经验数据，就能够很方便的识别是何种障碍物。
6. 抗干扰能力强：
由于本发明内部A/D模块实时的监测输入信号的变化，对于离散的、无规则的信号都能够被识别，因此很容易过滤噪声而引入的干扰，其抗干扰能力强。
因此，本发明通过利用单片机内部的A/D模块实现对信号的采样，从而实现模数转换，其可操作性好，可控性高，精度易于控制，在节省硬件成本的同时，实现了对信号真实可靠的检测，是一种非常理想的信号检测方法。
下面，结合附图和实施例对本发明之一种超声波传感器检波方法的技术特征作进一步的说明。
附图说明
图1：本发明之一种超声波传感器检波方法的流程图；
图2：超声波传感器的硬件结构框图；
图3：超声波传感器发射完超声波后，遇障碍物所返回的波形图；
图4：A/D模块对信号采样原理图；
图5：通过A/D采样实现了模数转换实际效果图。
其中：
图3中的Tn、Tm为超声传感器到障碍物的往返距离以声速传播所用的时间；
图4中的t1、t2、t3、t4是单片机A/D模块在该点采样时所记录的时间。
具体实施方式
实施例一：
 一种超声波传感器检波方法，该方法是被障碍物反射回来并经超声波探芯接收后的回波信号经限幅滤波、信号放大，再由超声波传感器内置的单片机利用其内部A/D模块，对输入到I/O口的回波信号进行采样识别，实现将模拟信号转换成数字信号；通过比较超声波收发信号的时间差，计算出障碍物距离。
所述的将模拟信号转换成数字信号包括以下过程：
在超声波传感器通电后，没有驱动超声波探芯工作之前，由超声波传感器内置的单片机利用其内部的A/D模块对I/O口的电压进行采样，其电压值为中心电压；然后由单片机控制探芯驱动模块发射一定数量一定频率的双脉冲方波驱动超声波探芯工作，在设定采样时间T内实时读取I/O口的电压值，该电压值为瞬时电压；以中心电压为参考值，若瞬时电压高于中心电压则为正电压，反之为负电压；将瞬时电压与中心电压作差，其差值的绝对值为比较电压，再设定一个切割电平，当比较电压大于切割电平时，采样信号有效，反之无效；通过连续采样连续判断，实现将模拟信号转换成数字信号。
本发明之一种超声波传感器检波方法包括以下具体步骤（参见图1）：
S1. A/D模块检测中心电压：
超声波传感器通电后，单片机利用其内部的A/D模块开始检测输入引脚电压，该电压为中心电压；通过多次采样再取平均值的方法来保证测试数据的精确度；
S2. 超声波探芯定时开始发波：
单片机控制探芯驱动模块发射一定数量一定频率的互补对称的双脉冲方波驱动超声波探芯工作，超声波探芯在接收到该启动指令后开始工作，定时对外发射超声波；
S3. 采样瞬时电压：
超声波探芯开始发波后即转入接收信号，接收到的回波信号经限幅滤波、信号放大，输入至单片机的回波输入引脚；单片机的A/D模块在接下来的设定采样时间T内实时对回波输入引脚进行信号检测，即采样瞬时电压，并记录采样点时间；
S4. 瞬时电压与中心电压作差：
将瞬时电压与中心电压作差，其差值的绝对值为比较电压；
S5. 将比较电压与切割电平比对：
设定一个数组，数组中设定不同的电压值，每一个电压值都称为切割电平，从超声波探芯发波开始计时，每隔512us，数组标号取值变量递增1，实现切割电平改变，利用此数组中的数据和比较电压进行比对，当比较电压大于切割电平时，进入步骤S6；当比较电压小于或等于切割电平，进入步骤S8；
S6. 采样信号有效，记录有效回波信号：
采样信号有效，在连续检测多次的采样信号都有效后，开始记录有效的回波信号，进入步骤S8；
S7. 采样信号无效：
采样信号无效，重复步骤S3，当采样点时间tn > 采样时间T后，检波结束；
S8. 判定检测的障碍物最终是否有效：
从比较信号有效开始到无效结束这段时间长度为TMN，若TMN满足设定条件（如TMN > 200us）并且采样点时间tn <采样时间 T ,则判定为检测的障碍物最终有效，进入步骤S9；如果否，则判定检测的障碍物最终无效，重复步骤S3；
S9. 计算出障碍物距离：
根据收发波的时间差，计算出障碍物距离，若采样点时间tn >采样时间T，检波结束。
上述的采样时间T为从发波开始到收波结束这段时间长度，其范围值为10～20ms。
上述的时间TMN为回波宽，即将高1米，直径为￠75cm的PVC管竖直放置在距离探芯120cm处，超声波遇PVC管被反射回来的信号宽度，其范围值为350～450us。
上述的采样点时间tn为从发波计时开始到第n次A/D采样初始的时间长度，即从0开始计时，到第n个采样点的时间长。

Claims (7)

1.一种超声波传感器检波方法，其特征在于：该方法是被障碍物反射回来并经超声波探芯接收后的回波信号经限幅滤波、信号放大，再由超声波传感器内置的单片机利用其内部A/D模块，对输入到I/O口的回波信号进行采样识别，实现将模拟信号转换成数字信号；通过比较超声波收发信号的时间差，计算出障碍物距离。
2.根据权利要求1所述的一种超声波传感器检波方法，其特征在于：所述的将模拟信号转换成数字信号包括以下过程：
在超声波传感器通电后，没有驱动超声波探芯工作之前，由超声波传感器内置的单片机利用其内部的A/D模块对I/O口的电压进行采样，其电压值为中心电压；然后由单片机控制探芯驱动模块发射一定数量一定频率的双脉冲方波驱动超声波探芯工作，在设定采样时间T内实时读取I/O口的电压值，该电压值为瞬时电压； 将瞬时电压与中心电压作差，其差值的绝对值为比较电压，再设定一个切割电平，当比较电压大于切割电平时，采样信号有效，反之无效；通过连续采样连续判断，实现将模拟信号转换成数字信号。
3. 根据权利要求2所述的一种超声波传感器检波方法，其特征在于：该方法包括以下具体步骤：
S1. A/D模块检测中心电压：
超声波传感器通电后，单片机利用其内部的A/D模块开始检测输入引脚电压，该电压为中心电压；通过多次采样再取平均值的方法来保证测试数据的精确度；
S2. 超声波探芯定时开始发波：
单片机控制探芯驱动模块发射一定数量一定频率的双脉冲方波驱动超声波探芯工作，超声波探芯在接收到该启动指令后开始工作，定时对外发射超声波；
S3. 采样瞬时电压：
超声波探芯开始发波后即转入接收信号，接收到的回波信号经限幅滤波、信号放大，输入至单片机的回波输入引脚；单片机的A/D模块在接下来的设定采样时间T内实时对回波输入引脚进行信号检测，即采样瞬时电压，并记录采样点时间；
S4. 瞬时电压与中心电压作差：
将瞬时电压与中心电压作差，其差值的绝对值为比较电压；
S5. 将比较电压与切割电平比对：
设定一个数组，数组中设定不同的电压值，每一个电压值都称为切割电平，从超声波探芯发波开始计时，每隔一段时间，数组标号取值变量递增1，实现切割电平改变，利用此数组中的数据和比较电压进行比对，当比较电压大于切割电平时，进入步骤S6；当比较电压小于或等于切割电平，进入步骤S8；
S6. 采样信号有效，记录有效回波信号：
采样信号有效，在连续检测多次的采样信号都有效后，开始记录有效的回波信号，进入步骤S8；
S7. 采样信号无效：
采样信号无效，重复步骤S3，当采样点时间tn > 采样时间T后，检波结束；
S8. 判定检测的障碍物最终是否有效：
从比较信号有效开始到无效结束这段时间长度为TMN，若TMN满足设定条件并且采样点时间tn <采样时间 T ,则判定为检测的障碍物最终有效，进入步骤S9；如果否，则判定检测的障碍物最终无效，重复步骤S3；
S9. 计算出障碍物距离：
根据收发波的时间差，计算出障碍物距离，若采样点时间tn >采样时间T，检波结束。
4. 根据权利要求3所述的一种超声波传感器检波方法，其特征在于：所述的采样时间T为从发波开始到收波结束这段时间长度，其范围值为10～20ms。
5. 根据权利要求3所述的一种超声波传感器检波方法，其特征在于：所述的时间TMN为回波宽，其范围值为350～450us。
6. 根据权利要求3所述的一种超声波传感器检波方法，其特征在于：所述的采样点时间tn为从发波计时开始到第n次A/D采样初始的时间长度，即从0开始计时，到第n个采样点的时间长。
7. 根据权利要求2至6任一权利要求所述的一种超声波传感器检波方法，其特征在于：所述的双脉冲方波为互补对称的双脉冲方波。
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Application publication date: 20150715