CN113721229B - 超声波测距自动增益校准装置、系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超声波测距自动增益校准装置、系统及方法，包括：用于采集回波信号的超声波接收模块、自调整放大模块、检波模块、回波信号检测模块以及MCU模块；自调整放大模块对回波信号进行增益放大且使增益值连续可调，输出放大后的回波信号；检波模块采集放大后的回波信号，并对放大后的回波信号进行检波处理；回波信号检测模块将检波处理后的信号与基准电平进行比较，输出有效回波信号；MCU模块持续调节自调整放大模块的增益值，直至有效回波信号能持续达到有效回波强度，将自调整放大模块的增益值作为待校准超声波单元在待测距离的校准增益值。本发明能够自动获取待校准超声波单元的校准增益值，具有结构简单的优点。

Description

超声波测距自动增益校准装置、系统及方法

技术领域

本发明涉及超声测距仪校准领域，尤其涉及一种超声波测距自动增益校准装置、系统及方法。

背景技术

超声探测是一种应用广泛的探测手段，其中超声测距仪在汽车的倒车雷达、身高测量仪、车位车辆感应、机器人避障测量等方面应用非常突出。超声测距是一种基于TOF原理测距的方法，但由于超声波在空气中的衰减特性，要使得测量距离增加，就必须提高测距装置的灵敏度，也就是必须大幅提高测量装置的回波信号的放大倍率；但由于回波中处理目标回波信号之外，还包含各种干扰信号，所以放大倍率的提高往往造成近距离干扰信号的增加，使得测距计算发生错误。

现有的，存在一种利用水声学技术进行超声波测深仪校准的方法，包括：首先对待测测深仪进行N组测深实验；再采用测深结果与标尺刻度进行比较，计算误差，按照测深参数算法得到各个测深参数的修正值；再通过标准间距，如1m，调节校准检测装置的DA控压，此时测量测深仪能检测到的最大作用距离；最后，缩短两个换能器的间距，调节校准检测装置的DA控压，测量测深仪能检测到的最小作用距离；该方法中所述的测深仪使用了超声波传感器，但是，其采用标准间距对校准检测装置的DA控压进行调节，获取测深仪，即超声波传感器，能够检测的最大距离与最小距离；但是，该方法无法对超声波传感器本身进行增益校准。

同时，已有技术也会对超声测距仪在出厂前进行分段校准，在不同的距离范围采用不同的回波信号放大倍率，如近距离采用较小放大倍率，远距离采用较大放大倍率，使得干扰信号与目标信号得到有效平衡，如此得到属于该模块一组分段放大倍率参数；当分段校准做的越精细，则超声测距性能越稳定。

众所周知的，由于超声探头制造工艺的限制，导致即使是同一批次的收发探头的转换效能及灵敏度都在一个很大的范围区间，想要保证超声测距模块的测量性能的一致性，每个都必须校准，无法使用同一组参数来取代。但是整个校准过程非常繁琐，人工投入工作量巨大，校准时间长，效率低下，增加了装置的出厂成本。

鉴于此，一种超声波测距自动增益校准装置亟待研发。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种超声波测距自动增益校准装置、系统及方法，用于解决前述技术问题中的至少一个。

具体地，其技术方案如下：

一种超声波测距自动增益校准装置，包括：

超声波接收模块，用于采集待校准超声波单元在待测距离发出的回波信号；

自调整放大模块，与所述超声波接收模块电性连接，用于对所述回波信号进行增益放大且使增益值从小至大连续可调，输出放大后的所述回波信号；

检波模块，与所述自调整放大模块电性连接，用于采集放大后的所述回波信号，并对放大后的所述回波信号进行检波处理，输出检波处理后的信号；

回波信号检测模块，与所述检波模块电性连接，用于将所述检波处理后的信号与基准电平进行比较，输出有效回波信号；

MCU模块，与所述检波模块电性连接，用于持续调节所述自调整放大模块的增益值，直至所述有效回波信号能持续达到有效回波强度，将所述自调整放大模块的增益值作为所述待校准超声波单元在所述待测距离的校准增益值。

所述自调整放大模块，包括：

回波信号放大单元，与所述超声波接收模块电性连接，用于通过一定的增益值放大所述回波信号；

增益调节单元，与所述回波信号放大单元电性连接，用于调整所述回波信号放大单元的放大增益值；

所述增益调节单元与所述MCU模块电性连接，用于根据所述MCU模块的指令调整所述回波信号放大单元的放大增益值。

所述回波信号放大单元，包括：

第一运算放大电路，与所述超声波接收模块电性连接，用于对所述回波信号进行一级放大；

第二运算放大电路，与所述第一运算放大电路电性连接，用于对所述回波信号进行二级放大；

所述增益调节单元设置在所述第一运算放大电路与所述第二运算放大电路之间，用于根据所述MCU模块的指令调整所述第二运算放大电路的放大倍数。

所述回波信号放大单元，包括：第十四电阻、第十六电阻、第十八电阻、第十九电阻以及第一运算放大器、第二运算放大器；

所述第一运算放大器与第十四电阻和第十八电阻电性连接后形成所述第一运算放大电路；

所述第二运算放大器与第十六电阻电性连接后形成所述第二运算放大电路；

所述第十九电阻设置在所述第一运算放大电路与第二运算放大电路之间并与所述增益调节单元并联，用于调整所述增益调节单元的阻值从而改变所述第二运算放大电路的放大倍数。

所述第一运算放大电路的增益为A1=-R14/R18；

所述第二运算放大电路的增益为A2=-R16*（R19+RU3）/（R19*RU3）；

其中，RU3为增益调节单元的阻值；R14为第十四电阻的阻值；R16为第十六电阻的阻值；R18为第十八电阻的阻值；R19为第十九电阻的阻值。

所述增益调节单元，包括：数字电位器；

所述数字电位器的控制端与所述MCU模块电性连接；

所述数字电位器并联在所述第一运算放大电路与所述第二运算放大电路之间。

所述的一种超声波测距自动增益校准装置，还包括：通信模块；

所述通信模块与所述MCU模块电性连接，用于将所述待校准超声波单元的校准增益值发送至外界接收端。

一种超声波测距自动增益校准系统，包括：

如上述的超声波测距自动增益校准装置；

连接件，用于设置所述超声波测距自动增益校准装置和待校准超声波单元；

反射件，设置在所述待校准超声波单元的感应侧，并能够沿所述待校准超声波单元的感应方向移动；

PC端，与所述超声波测距自动增益校准装置进行数据交互，用于采集所述超声波测距自动增益校准装置发出的校准增益值并将所述校准增益值显示在所述PC端上。

所述待校准超声波单元设置在所述连接件的中部，用于向所述反射件的中部发出超声波；

所述PC端与所述待校准超声波单元电性连接，用于控制所述待校准超声波单元的启停。

一种利用如上述的超声波测距自动增益校准装置的自动增益校准方法，包括：

利用超声波接收模块采集待校准超声波单元在待测距离发出的回波信号；

通过自调整放大模块对所述回波信号进行增益放大且使增益值从小至大连续可调，输出放大后的所述回波信号；

通过检波模块采集放大后的所述回波信号，并对放大后的所述回波信号进行检波处理，输出检波处理后的信号；

利用回波信号检测模块将所述检波处理后的信号与基准电平进行比较，输出有效回波信号；

通过MCU模块持续调节所述自调整放大模块的增益值，直至所述有效回波信号能持续达到有效回波强度，将所述自调整放大模块的增益值作为所述待校准超声波单元在所述待测距离的校准增益值。

本发明至少具有以下有益效果：

本发明所述的装置，通过采集待校准超声波单元在待测距离发出的回波信号，并对所述回波信号进行增益放大且增益值可调，然后采集放大后的所述回波信号，并对放大后的所述回波信号进行检波处理，获得检波处理后的信号；再将所述检波处理后的信号与基准电平进行比较，输出有效回波信号；最后，在连续采集到所述有效回波信号时，记录所述自调整放大模块的增益值作为所述待校准超声波单元在所述待测距离的校准增益值；本发明所述的装置，能够自动调整回波信号的增益，并在合适的增益值时，获取待校准超声波单元的校准增益值，具有结构简单、校准效率高的优点。

本发明所述的系统，应用了上述的装置，通过反射件沿所述待校准超声波单元的感应方向移动，对待校准超声波单元在不同距离上的校准增益值分别校准，能够通过自动校准机制实现对待校准超声波单元的分段校准，自动判断、自动完成，校准效率高，性能一致性高，可靠性强，可极大的促进生产出货效率，并降低成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明所述超声波测距自动增益校准装置的结构框图；

图2为本发明所述超声波测距自动增益校准装置中超声波接收模块、自调整放大模块的电路原理图；

图3为本发明所述超声波测距自动增益校准装置中检波模块的电路原理图；

图4为本发明所述超声波测距自动增益校准装置中回波信号检测模块的电路原理图；

图5为本发明所述超声波测距自动增益校准系统的结构示意图；

图6为本发明所述超声波测距自动增益校准方法的流程图。

其中，100.超声波接收模块；200. 自调整放大模块；300. 检波模块；400. MCU模块；500. 待校准超声波单元；600. 通信模块；700. 超声波发射单元；800. 回波信号检测模块；201. 回波信号放大单元；202. 增益调节单元；

其中，1. 连接件；2. 反射件；3. PC端；

需要明确的是：图2~4中的两个“A”端表示相互连接的导线；两个“B”端也表示相互连接的导线。

具体实施方式

本领域技术人员可以理解实施场景中的装置中的模块可以按照实施场景描述进行分布于实施场景的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施场景的一个或多个装置中。上述实施场景的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

名词解释：

有效回波信号：回波信号检测模块800的输出产生电平跳变，即有效回波信号；

有效回波强度：MCU模块400通过ADC对检波模块300输出的回波信号进行模拟信号强度采集，从有效回波信号跳变边沿开始对回波信号连续采集时长t ≈ 500us（大于5次采集）的均值电压大于回波信号检测模块800中的比较器的基准电压。

为了解决现有技术的问题，本发明公开以下实施例：

具体实施例I：

本发明公开一种超声波测距自动增益校准装置，如图1，包括：采集待校准超声波单元500在待测距离发出的回波信号的超声波接收模块100、自调整放大模块200、检波模块300、MCU模块400、通信模块600、超声波发射单元700以及回波信号检测模块800；自调整放大模块200与所述超声波接收模块100电性连接，用于对所述回波信号进行增益放大且增益值可调，输出放大后的所述回波信号；检波模块300与所述自调整放大模块200电性连接，用于采集放大后的所述回波信号，并对放大后的所述回波信号进行检波处理，输出检波处理后的信号；回波信号检测模块800与所述检波模块300电性连接，用于将所述检波处理后的信号与基准电平进行比较，输出有效回波信号；MCU模块400也与所述检波模块300电性连接，用于持续调节所述自调整放大模块200的增益值，直至所述有效回波信号能持续达到有效回波强度，将所述自调整放大模块200的增益值作为所述待校准超声波单元在所述待测距离的校准增益值；所述通信模块600与所述MCU模块400电性连接，用于将所述待校准超声波单元500的校准增益值发送至外界接收端；所述超声波发射单元700包括超声波发射电路，该电路用于连接待校准超声波单元500，用于发射超声波。

所述自调整放大模块200，包括：回波信号放大单元201和增益调节单元202；其中，回波信号放大单元201与所述超声波接收模块100电性连接，用于通过一定的增益值放大所述回波信号；增益调节单元202，与所述回波信号放大单元201电性连接，用于调整所述回波信号放大单元201的放大增益值；所述增益调节单元202与所述MCU模块400电性连接，用于根据所述MCU模块400的指令调整回波信号放大单元201的放大增益值。

优选的，如图2~4，所述回波信号放大单元，由二级放大电路构成，包括：第一运算放大电路和第二运算放大电路；其中，第一运算放大电路与所述超声波接收模块电性连接，用于对所述回波信号进行一级放大；第二运算放大电路与所述第一运算放大电路电性连接，用于对所述回波信号进行二级放大；所述增益调节单元202设置在所述第一运算放大电路与所述第二运算放大电路之间，用于根据所述MCU模块400的指令调整所述第二运算放大电路的放大倍数，以产生增益调节效果；进一步的，增益调节单元202优选为数字电位器；该数字电位器的控制端与所述MCU模块400电性连接；该数字电位器并联在第一运算放大电路与第二运算放大电路之间。

结合附图2~4，对本实施例的工作原理进行说明：

本实施例将超声波接收模块100接收的回波信号输入到回波信号放大单元201中进行放大；回波信号放大单元201与增益调节单元202进行组合作用，调节了回波信号放大单元201中第二运算放大电路的增益大小，从而使增益可调；回波信号放大单元201主要由第十四电阻R14、第十六电阻R16、第十八电阻R18、第十九电阻R19以及第一运算放大器、第二运算放大器构成；所述第一运算放大器与第十四电阻R14、第十八电阻R18电性连接后形成所述第一运算放大电路；所述第二运算放大器与第十六电阻R16电性连接后形成所述第二运算放大电路；所述第十九电阻R19设置在所述第一运算放大电路与第二运算放大电路之间并与所述数字电位器U3并联，用于调整所述数字电位器U3的阻值RU3从而改变所述第二运算放大电路的放大倍数；第一运算放大电路的增益为A1=-R14/R18，第二运算放大电路的增益为A2=-R16*（R19+RU3）/（R19*RU3）；通过改变与第十九电阻R19并联的数字电位器U3的阻值RU3从而改变第二运算放大电路的放大倍数，以产生增益调节效果。被放大的回波信号经过由检波二极管D1、第二十四电阻R24、第二十四电容C24、第二十六电容C26构成的检波模块300进行检波处理，然后分别输出至回波信号检测模块800和MCU模块400的ADC通道；回波信号检测模块800主要由比较器U4、第二十三电阻R23、第十七电阻R17、第十三电阻R13、第二十五电阻R25构成，能够将回波信号与参考电压Vref（Vref = +5VR*R25/(R13+R25)）进行比较，而产生电平脉冲输入MCU模块400，以触发有效回波强度检测过程；最终，在有效回波信号能持续达到有效回波强度时，将所述自调整放大模块200的增益值作为所述待校准超声波单元在所述待测距离的校准增益值；该校准增益值可通过通信模块600发送至外界接收机，如PC端或便携设备端；所述PC端或便携设备端设置有显示装置，如显示器或显示屏幕，直观显示相关信息，便于查看。

具体实施例II：

本发明还提供一种实施例：

如图5所示，一种超声波测距自动增益校准系统，包括：如具体实施例I所公开的超声波测距自动增益校准装置，以及用于设置所述超声波测距自动增益校准装置和待校准超声波单元500的连接件1、反射件2、PC端3；其中，反射件2设置在所述待校准超声波单元500的相对侧，并能够沿所述待校准超声波单元500的发出的超声波的方向移动；PC端3与所述超声波测距自动增益校准装置进行数据交互，用于采集超声波测距自动增益校准装置发出的校准增益值并将所述校准增益值通过通信模块600发送至PC端3，并显示在所述PC端3上。

优选的，为保证检测效果，连接件1优选为台式固定体；待校准超声波单元500设置在连接件1的中心；反射件2优选为板状物，可平移的设置在台式固定体的相对侧，用于反射待校准超声波单元500发出的超声波；连接件1可以根据需要调整距离，保证多段距离的校准。

校准基本流程：待校准超声波单元500在校准开始时，PC端3需发送启动校准命令，然后本发明实施例I中的超声波测距自动增益校准装置自动开始校准，通过调整数字电位器U3的阻值大小来实现增益控制；在进行调整时，增益放大倍率由小变大连续变化，直至能稳定触发产生有效回波信号并达到有效回波强度，进而确定当前测量距离段的校准增益值。

如果需要对待校准超声波单元500进行多段距离的增益值检测，则由近及远分段校准，反射件2分段依次平移，如依次移动0.5米、1.5米、3米…10米，每段校准完成都会向PC端3反馈对应的增益与距离数值，由校准操作员确认测量距离无误后，自动开始下一段距离校准，一旦模块进行完所有分段校准，则自动结束，完成整个校准过程。

具体实施例III：

本发明还提供一种实施例：

如图6，一种超声波测距自动增益校准方法，包括：采集待校准超声波单元500在待测距离发出的回波信号；利用持续可调的增益值对所述回波信号进行增益放大，获得放大后的所述回波信号；采集放大后的所述回波信号，并对放大后的所述回波信号进行检波处理，获得检波处理后的信号；将所述检波处理后的信号与基准电平进行比较，获得有效回波信号；持续调节增益值，直至所述有效回波信号能持续达到有效回波强度，将此时的增益值作为所述待校准超声波单元在所述待测距离的校准增益值；优选的，在进行有效回波强度检测时，采集时长t 与发射端发射脉冲数相关，一般发射脉冲数为8个，40KHz频率下需200us的发射时长，t一般为2~3倍发射时长比较合适。

具体的，在校准时：PC端3需发送启动校准命令，超声波测距自动增益校准装置自动开始校准，通过调整增益调节单元202中数字电位器的阻值大小来实现增益控制，优选的，增益放大倍率由小变大，直至所述有效回波信号能持续达到有效回波强度，将此时的增益值作为所述待校准超声波单元在所述待测距离的校准增益值；如果需要检测多段距离的增益值，则由近及远分段校准，反射件2分段依次平移，每段校准完成都会向PC端3反馈对应的增益与距离数值，由校准操作员确认测量距离无误后，自动开始下一段距离校准，直至完成所有分段校准。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施场景，但是，本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。上述本发明序号仅仅为了描述，不代表实施场景的优劣。

Claims (8)

1.一种超声波测距自动增益校准装置，其特征在于，包括：

超声波接收模块，用于采集待校准超声波单元在待测距离发出的回波信号；

自调整放大模块，与所述超声波接收模块电性连接，用于对所述回波信号进行增益放大且使增益值从小至大连续可调，输出放大后的所述回波信号；

检波模块，与所述自调整放大模块电性连接，用于采集放大后的所述回波信号，并对放大后的所述回波信号进行检波处理，输出检波处理后的信号；

回波信号检测模块，与所述检波模块电性连接，用于将所述检波处理后的信号与基准电平进行比较，输出有效回波信号；

MCU模块，与所述检波模块电性连接，用于持续调节所述自调整放大模块的增益值，直至所述有效回波信号能持续达到有效回波强度，将所述自调整放大模块的增益值作为所述待校准超声波单元在所述待测距离的校准增益值；

所述自调整放大模块，包括：

回波信号放大单元，与所述超声波接收模块电性连接，用于通过一定的增益值放大所述回波信号；

增益调节单元，与所述回波信号放大单元电性连接，与所述MCU模块电性连接；

所述回波信号放大单元，包括：

第一运算放大电路，与所述超声波接收模块电性连接，用于对所述回波信号进行一级放大；

第二运算放大电路，与所述第一运算放大电路电性连接，用于对所述回波信号进行二级放大；所述增益调节单元设置在所述第一运算放大电路与所述第二运算放大电路之间，用于根据所述MCU模块的指令调整所述第二运算放大电路的放大倍数。

2.根据权利要求1所述的一种超声波测距自动增益校准装置，其特征在于，所述增益调节单元，包括：数字电位器；

所述数字电位器的控制端与所述MCU模块电性连接；

所述数字电位器并联在所述第一运算放大电路与所述第二运算放大电路之间。

3.根据权利要求1所述的一种超声波测距自动增益校准装置，其特征在于，所述回波信号放大单元，包括：第十四电阻、第十六电阻、第十八电阻、第十九电阻以及第一运算放大器、第二运算放大器；

所述第一运算放大器与第十四电阻和第十八电阻电性连接后形成所述第一运算放大电路；

所述第二运算放大器与第十六电阻电性连接后形成所述第二运算放大电路；

所述第十九电阻设置在所述第一运算放大电路与第二运算放大电路之间并与所述增益调节单元并联，用于调整所述增益调节单元的阻值从而改变所述第二运算放大电路的放大倍数。

4.根据权利要求3所述的一种超声波测距自动增益校准装置，其特征在于：

所述第一运算放大电路的增益为A1=-R14/R18；

所述第二运算放大电路的增益为A2=-R16*（R19+RU3）/（R19*RU3）；

其中，RU3为增益调节单元的阻值；R14为第十四电阻的阻值；R16为第十六电阻的阻值；R18为第十八电阻的阻值；R19为第十九电阻的阻值。

5.根据权利要求1所述的一种超声波测距自动增益校准装置，其特征在于，还包括：通信模块；

所述通信模块与所述MCU模块电性连接，用于将所述待校准超声波单元的校准增益值发送至外界接收端。

6.一种超声波测距自动增益校准系统，其特征在于，包括：

如权利要求1~5任一权利要求所述的超声波测距自动增益校准装置；

连接件，用于设置所述超声波测距自动增益校准装置和待校准超声波单元；

反射件，设置在所述待校准超声波单元的感应侧，并能够沿所述待校准超声波单元的感应方向移动；

PC端，与所述超声波测距自动增益校准装置进行数据交互，用于采集所述超声波测距自动增益校准装置发出的校准增益值并将所述校准增益值显示在所述PC端上。

7.根据权利要求6所述的一种超声波测距自动增益校准系统，其特征在于：

所述待校准超声波单元设置在所述连接件的中部，用于向所述反射件的中部发出超声波；

所述PC端与所述待校准超声波单元电性连接，用于控制所述待校准超声波单元的启停。

8.一种利用如权利要求1所述的超声波测距自动增益校准装置的自动增益校准方法，其特征在于，包括：

利用超声波接收模块采集待校准超声波单元在待测距离发出的回波信号；

通过自调整放大模块对所述回波信号进行增益放大且使增益值从小至大连续可调，输出放大后的所述回波信号；回波信号放大单元通过一定的增益值放大所述回波信号；通过第一运算放大电路对所述回波信号进行一级放大，通过第二运算放大电路对所述回波信号进行二级放大，利用增益调节单元根据MCU模块的指令调整所述第二运算放大电路的放大倍数；

通过检波模块采集放大后的所述回波信号，并对放大后的所述回波信号进行检波处理，输出检波处理后的信号；

利用回波信号检测模块将所述检波处理后的信号与基准电平进行比较，输出有效回波信号；

通过MCU模块持续调节所述自调整放大模块的增益值，直至所述有效回波信号能持续达到有效回波强度，将所述自调整放大模块的增益值作为所述待校准超声波单元在所述待测距离的校准增益值。

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