CN105277933A - 一种多通道超声波障碍物防串扰检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多通道超声波防串扰障碍物检测方法，该方法结合(2，1，2)卷积编码和两步相关函数，对超声波发射信号进行卷积编码，对超声波回波信号进行减噪处理。微处理器初始化各类寄存器参数、卷积编码器和超声波信号收发周期；选通相应超声波通道，利用卷积函数对相应通道编码，将编码后的序列值作为超声波激励信号发送，并开启回波电路、使能回波接收中断寄存器和A/D采集寄存器；实时采集A/D信号，若有回波则触发外部中断寄存器，记录到达时间，开启定时器，采集回波信号并存储；完成后关闭定时寄存器，利用微处理器对采集的回波信号与激励波进行两步相关处理，若相关则根据得到的时间计算障碍物距离，否则丢弃并接受下一个回波。

Description

一种多通道超声波障碍物防串扰检测方法

技术领域

本专利属于电子测量领域、工业测量领域、生物医疗检测领域的控制技术，涉及了本发明提出一种多通道超声波障碍物防串扰检测方法。

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。一种好的超声波障碍物检测技术应能有效避免串扰现象，同时能够准确识别出障碍物所在距离范围。

超声波障碍物检测其本质是通过传感器发射一定频率和周期的超声波激励信号，如果在其探测范围内有障碍物存在，则信号以回波的形式反射回传感器，当传感器检测到回波时，进行相应的预处理转换成可识别的脉冲信号，并利用计数器统计超声波信号从发射到接收所经历的时间，最后根据计算公式得到传感器与障碍物之间的距离。

国内外涉及超声波检测技术的发明专利中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。现有专利中虽然有许多超声波检测实现方法，但没有详细说明面对多通道超声波检测情况下，如何来区分每个通道超声波检测。而针对多通道超声波检测所存在的串扰问题也并未作介绍，且没有相关的专利来描述如何解决这一问题。

在此背景下，本发明提出一种多通道超声波障碍物防串扰检测方法具有重要意义。

发明内容

本发明目的在于提供一种多通道超声波障碍物防串扰检测方法，该方法结合(2，1，2)卷积编码和两步相关函数，对超声波发射信号进行卷积编码处理，对超声波回波信号进行相关减噪处理，同时依托相应的硬件平台框架完成了实践应用。为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种多通道超声波障碍物防串扰检测方法，其特征在于：第一步，系统启动运行，初始化各寄存器参数、卷积编码器、超声波信号收发周期；第二步，选通相应超声波通道，利用卷积函数对相应通道进行编码，将编码后的序列值作为超声波激励信号发送，并开启回波接收电路、使能回波接收中断寄存器和A/D采集寄存器；第三步，实时采集A/D信号，若有回波则触发外部中断寄存器，并记录此时刻回波到达时间，同时开启定时器，定时采集此时刻的回波信号并存储；第四步，定时采集完成后关闭定时寄存器，利用微处理器对定时采集的回波信号与激励波进行两步相关处理，如果相关则根据相关处理后得到的ToF时间来计算障碍物距离，否则丢弃此回波并继续接收该通道的下一个回波，重复第三步和第四步，若当前回波接收周期结束，则继续下一周期的信号发射与处理，重复第二步。

在第一步中，初始化各寄存器参数，寄存器包括：总线时钟寄存器、A/D中断寄存器、I/O口寄存器、PWM定时寄存器、协处理器寄存器、卷积编码寄存器和定时寄存器，同时初始化(2，1，2)卷积编码器和超声波信号发射与接收周期。

在第二步中，多路超声波信号采用轮询机制激励产生，首先选定需要激励的超声波传感器通道编号并转换成二进制序列，序列位数由超声波通道数决定，假设通道数为N，则序列位数为log₂N并向上取整；根据(2，1，2)卷积编码函数对输入序列进行编码，得到一个输出系列，超声波激励电路将此输出系列转换成激励信号并输出，激励信号输出后关闭此通道激励电路并开启相应的回波接收电路和A/D采集函数；当该通道开启回波接收后，根据轮询机制选择下一通道进行激励，重复上述的编码操作、激励电路闭合操作和回波电路开启操作，直至N通道都轮询完毕，即N个通道都进入回波接收状态，并在设定回波接收周期内实时接收回波。

在第三步中，N通道进入回波接收阶段，若已激励通道检测到回波，则会触发相应的通道外部中断寄存器并进行中断处理函数，记录此时刻的回波到达时间，同时开启定时寄存器进入A/D定时采集阶段并存储相应的A/D值。

在第四步中，当定时采集接收完成，关闭定时中断，利用两步相关函数对定时采集的回波A/D值与该通道的激励信号进行相关处理，若回波信号与激励信号匹配则根据相关处理后所得到的ToF时间计算障碍物距离，若不匹配则丢弃此次记录回波信号并继续接收下一次回波的到来直至当前回波接收周期结束。

本发明的有益效果在于：本发明提供了一种多通道超声波障碍物防串扰检测方法，引入卷积编码和相关函数相结合的方式，达到编码防串扰、相关回波减噪两个目的。为了有效减少处理器的数据处理时间，本发明还引入了大步长相关处理、细步长相关处理混合的办法，有效的减少了微处理器在回波相关处理所花费的时间，增强了系统的实时性。

附图说明

图1为本发明提出的超声波传感平台框图；

图2为本发明引入的(2，1，2)卷积编码；

图3为本发明引入两步相关减噪处理框图；

图4为本发明提出的超声波信号激励和回波电路；

具体实施方式

本发明包含如下部分：系统结构和软件机制。以下结合附图对系统结构和软件机制作进一步说明。主要分为几个阶段：卷积编码阶段、超声波信号激励阶段、回波接收阶段和回波减噪阶段，下面依次介绍。

本发明系统结构如图1所示，主要由由微处理器、通道选择器、激励电路、回波电路和超声波传感器组成。其中，微处理器负责各类寄存器参数的初始化、设定卷积编码规则、载波调制、A/D采集、两步相关处理和超声波距离计算等功能；通道选择器根据所选择的通道开启相应的激励电路和回波电路；激励电路负责相应通道超声波信号的激励，回波电路负责相应通道回波的接收处理。

在卷积编码阶段，主要工作如下：系统启动后，首先定义(2，1，2)卷积编码器，如图2所示。其中，u为输入的信息序列，D₁和D₂表示移位寄存器，其初始值为0，c₁和c₂表示两路卷积编码输出，表示两两异或操作，即模2和操作。卷积的本质过程为得到其状态转移方程，本发明将其一般形式定义成如式(1)所示。

C＝u·G(1)

其中，C为经过卷积后的编码序列，u为输入的信息序列，G为卷积码的生成多项式矩阵，式中所有的操作均为模2和操作，该式为卷积的理论计算公式。状态转移方程的具体形式可定义成如式(2)所示。

$\left\{\begin{array}{c}{c}_i^{\left(1\right)}=u_i\⊕D_1\⊕D_2\\ c_i^{\left(2\right)}=u_i\⊕D_2\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，i为输入序列的位数，表示当前进行的是第i位卷积编码过程。在实际卷积过程中，即可根据式(2)进行相应通道的卷积编码处理，实时判断移位寄存器中的值并与输入序列值进行异或操作从而得到卷积编码输出序列C。D1和D2中的值依据u_i值进行移位变化，即当完成一次异或操作后，将D2寄存器设定为D1寄存器值，将D1寄存器设定为u_i值，从而进入下一次异或操作直至完成卷积过程。

在超声波信号激励阶段，主要工作如下：卷积完成后，微处理器将卷积序列进行载波处理，以载波信号形式通过通道选择器传输至激励电路，最后以激励信号形式通过超声波传感器发射完成超声波信号激励过程，同时开启该通道的回波接收电路和A/D采集通道，进入回波信号采集阶段；当该通道完成激励后，依据轮询机制选通下一通道进行激励，并重复卷积过程、信号发射过程、回波通道和A/D采集通道开启过程，当N路通道激励轮询结束时，即N个通道都进入回波接收状态，并在设定回波接收周期内实时接收回波。

在回波接收阶段，主要工作如下：N通道回波接收同样采用轮询机制，即循环检测N通道查看是否相应的外部中断寄存器被触发，若通道检测到回波，会触发相应的外部中断寄存器，并进入相应的中断处理函数，记录此时刻该通道回波到达时间，同时开启相应通道的定时寄存器进入A/D定时采集阶段并存储相应的A/D值。定时采集的目的是为了得到一段完整的回波信号，以便进行两步相关处理。定时采集具体过程为：即开启定时寄存器后，将相应通道的A/D值存储在相应的数组中，当定时结束后，停止A/D值的存储，并关闭定时寄存器。

在回波减噪阶段，主要工作如下：首先，微处理器器从超声波传感器回波通道采集到回波信号u(n)，并按照数字滤波规则得到s(n)。然后，将s(n)与卷积编码信号T(n)进行大步长相关处理，得到一个最大相关峰值。最后，在最大相关峰值处进行将s(n)与T(n)进行小步长相关处理，记录此时的回波时间TOF及回波信号。减噪原理图如图3所示，u(t)是通过带通滤波放大后的回波连续信号，u(n)是A/D采样后的回波离散信号，T(t)是带卷积编码的发射激励波信号，T(n)是A/D采样后的发射激励离散信号，S(n)是回波数字滤波信号，Cr_B_max是大步长的相关函数峰值序列，Cr_F_max是小步长的相关函数峰值序列，δ(t-nt)是采样信号。减噪具体流程如下：

首先，对采样后的回波信号u(n)进行二阶数字滤波，消除平方运算在1/2采样频率附近产生的频谱成分，由此得到一个回波函数，如式(3)所示：

S(n)＝u(n)²+2×u(n+1)²+u(n+2)²(3)

其次，把采样后发射信号T(n)与回波函数S(n)进行相关处理。为了减少回波处理过程中处理器的计算量。本发明采用两个阶段的相关处理方式，即大步长相关处理、小步长相关处理。

假设超声波传感器单个周期内障碍物检测总时间为T，发送信号时间为T₁，模/数采样时间T₂。由此可以计算出，单个周期内采样总数据量N＝T₂/T，发送信号数据量M＝T₁/T₂。

为了减少回波采样后相关函数的计算量。在大步长相关函数处理阶段，以采样周期为T₂×M/k(1≤k≤M)进行回波函数与发送信号的相关计算。这时单周期内采样数据量从N减少到N_k＝k×N/M，在此基础上计算出大步长相关函数的最大峰值Cr_B_max，找出它所对应的峰值序列位移I₁，如式(4)所示。

$\mathrm{Cr}\_B\_\max ={\mathrm{\Σ}}_{i=0}^{k-1}s(i\·N_k)\·T[(i+j)\·N_k],j=\mathrm{1,2},...,k(N-M)/M---\left(4\right)$

然后在I₁附近已以采样时间T₂为周期，进行小步长相关函数最大峰值Cr_F_max计算，以找出它所对应的序列位移I₂，如式(5)所示。

$\mathrm{Cr}\_F\_\max ={\mathrm{\Σ}}_{i=0}^{M-1}s\left(i\right)\·T[(i+j)\·N_k],j=I,I+1,...,I+M-1---\left(5\right)$

其中，I＝M(I₁-k)/k。当完成以上两步相关函数处理后，可以确定单周期内传感器回波时间ToF，如式(6)所示。

$\mathrm{ToF}=T_2\×[M\×\frac{I_1-K}{k}+I_2-M]---\left(6\right)$

在得到ToF时间后，根据D＝C·ToF/2计算障碍物距离，C为超声波传输速率。

整个系统电路工作原理图如图4所示，其由超声波传感器激励单元、回波预处理两部分组成。超声波传感器激励单元由R1～R4、C1、C2、D1、Q1、Q2及T1组成，具体工作原理如下：当IN\OUT端口输入高电平或低电平时，C1将T1与前级隔离，从而超声波传感器不工作；当IN\OUT端口输入脉冲方波信号时，方波信号首先经过Q1、Q2放大信号功率；最后，该信号进过C1、T1初级，使T1次级输出连续正弦信号，此时超声波传感器工作。超声波回波预处理电路由R5、R6、D2、D3、Q3、C3、C4、C5组成，具体工作原理如下：当超声波信号通过超声波传感器回到预处理电路时，Q3将回波信号进行回波放大、滤波，此时回波信号由IN\OUT端口输出。

Claims (4)

1.一种多通道超声波障碍物防串扰检测方法，其特征在于：

第一步，系统启动运行，初始化各寄存器参数、卷积编码器、超声波信号收发周期；

第二步，选通相应超声波通道，利用卷积函数对相应通道进行编码，将编码后的序列值作为超声波激励信号发送，并开启回波接收电路、使能回波接收中断寄存器和A/D采集寄存器；

第三步，实时采集A/D信号，若有回波则触发外部中断寄存器，并记录此时刻回波到达时间，同时开启定时器，定时采集从此时刻开始的回波信号并存储；

第四步，定时采集完成后关闭定时寄存器，利用微处理器对定时采集的回波信号与激励波进行线性相关处理，如果线性相关则根据记录的回波到达时间计算障碍物距离，否则丢弃此回波并继续接收该通道的下一个回波，重复第三步和第四步；若当前回波接收周期结束，则继续下一周期的信号发射与处理，重复第二步。

2.根据权利要求1所述的一种多通道超声波障碍物防串扰检测方法，其特征在于：在第一步中，启动多通道超声波探测系统，初始化各寄存器参数值：总线时钟寄存器、A/D中断寄存器、I/0口寄存器、PWM定时寄存器、协处理器寄存器和定时寄存器，初始化(2，1，2)卷积编码器和超声波信号的发射与接收周期。

3.根据权利要求1所述的一种多通道超声波障碍物防串扰检测方法，其特征在于：在第二步中，当系统启动后，根据所设定的(2，1，2)卷积编码函数，分别对多路超声波通道进行编码，每路通道编码后得到一个二进制编码序列，经过载波调制处理，将各通道超声波信号以一定周期发射出，并开启回波接收电路、使能回波接收中断寄存器和A/D采集寄存器；超声波传感器驱动单元是一种脉冲低压激励器，只在输入脉冲信号状态下工作，在输入高电平或低电平状态下不工作；多路信号发射采用轮询机制；卷积编码寄存器输入码以“1”为开始，并以“1”为结束。

4.根据权利要求1所述的一种多通道超声波障碍物防串扰检测方法，其特征在于：在第三步中，当超声波信号发射后，系统开启回波接收中断，实时采集所接收的A/D回波信号，利用两步相关法将激励信号与回波信号进行匹配，如果匹配成功则根据记录的回波到达时间计算障碍物距离，否则丢弃此回波并继续接收该通道的下一个回波，若当前回波接收周期结束，则继续下一周期的信号发射与处理；回波接收单元是一种小信号放大耦合器，放大信号的同时抑制中心频率处±5KHz以外的高频信号。