一种收发一体式超声波精密测距仪及测距方法

摘要

一种收发一体式超声波精密测距仪及其测距方法，测距仪电源子系统输入侧连接直流电源，输出端分别输出10V发射电至换能器驱动及收发隔离子系统、3.3V数字电至信号处理子系统、以及至少一路模拟电至回波程控放大子系统；信号处理子系统输出3.3V电平低压脉冲串至换能器驱动及收发隔离子系统，从而驱动控制电路工作，控制换能器处于发射状态，将高压脉冲能量通过换能器辐射出去；当信号处理子系统不输出低压脉冲串时，换能器处于接收状态，换能器驱动及收发隔离子系统输出换能器回波信号至回波程控放大控制子系统；回波程控放大控制子系统对换能器回波信号进行放大滤波，放大滤波后换能器回波信号输出至信号处理子系统。本发明体积小，精度高。

说明书

技术领域

本发明涉及一种收发一体式超声波精密测距仪，并涉及应用该装置而实现的测距方法。

背景技术

在工业制造领域，由于结构或环境参数的限制，通常需要基于一些非接触式测量机制实现对被测件的尺寸测量，此时传统的测距仪器如卷尺、游标卡尺、螺旋测微器等均难上正常使用。

为达到非接触式测量的目的，通常需要向被测件发射激光或超声波，然后接收由被测件反射回来的回波信号，并通过计算收发传输时间来间接得到传播距离，这两种方式通常也被称作激光测距和超声波测距，二者各有所长，激光测距的优点是能量集中、测量距离远，最远可达100m以上，但因为其传播速度极快（约3*10

与激光测距相比，超声波的特点正好与之相反，其传播速度相对较慢(约340m/s)，对时间测量的要求大大降低，测距精度高，但衰减快，主要用于10m以下的近距测量。

随着电子测量技术的发展，超声波测距仪已成为工业领域中一种常见的测量仪器，然而，传统的超声波测距仪存在以下两个缺陷，说明如下：

1、测量精度难以满足精密领域的特殊要求

传统的超声波测距仪通常使用收发一体式超声波换能器，工作频率20~40KHz，其优点是制造工艺成熟、空气中衰减速度慢、回波能量强，利用简单的过零比较器和单片机对回波信号处理和检测即可得到收发传输时间，并根据当前温度下的理论声速反推最终得到测量距离，但受限于软硬件架构，最终得到的测量距离仍有一定的测量误差，通常为测量距离的4%，如测量距离为2米，其误差已达8mm。虽然通过多次测量求平均机制可以在一定程度上减少该误差，但在一些特殊高精度领域中仍不能满足要求。

2、探头体积大，难以小型化

为了达到较窄的波束宽度和较高的灵敏度，换能器的尺寸不宜过小，且在同样的波束宽度指标下，工作频率越低，换能器体积就越大，典型的收发一体式20~40KHz超声波换能器直径通常在40mm左右，高度也普遍在80mm以上，这种换能器尺寸在一些狭小空间场合的非接触式测量领域中是难以接收的。

发明内容

针对前述超声波测距仪存在的问题，本发明专利提出了一种收发一体式超声波精密测距仪及其测距方法。

本发明的技术方案具体为：

一种收发一体式超声波精密测距仪，包括测距仪电源子系统以及与其相连接的信号处理子系统、换能器驱动及收发隔离子系统和回波程控放大控制子系统；其中，测距仪电源子系统输入侧连接直流电源，输出端分别输出10V发射电至换能器驱动及收发隔离子系统、3.3V数字电至信号处理子系统、以及至少一路模拟电至回波程控放大子系统；信号处理子系统输出3.3V电平低压脉冲串至换能器驱动及收发隔离子系统，从而驱动控制电路工作，控制换能器处于发射状态，将高压脉冲能量通过换能器辐射出去；当信号处理子系统不输出低压脉冲串时，换能器处于接收状态，换能器驱动及收发隔离子系统输出换能器回波信号至回波程控放大控制子系统；回波程控放大控制子系统对换能器回波信号进行放大滤波，放大滤波后换能器回波信号输出至信号处理子系统，由信号处理子系统进行精密测距。

测距仪电源子系统包括三路电源支路，即发射电源支路、模拟电源支路和数字电源支路；数字电源支路包括开关电源I以及与其相连接的LC滤波器I；模拟电源支路包括依次连接的开关电源II、LC滤波器II、低压差线性电源I和低压差线性电源II，其中，开关电源II将输入电压转换为6V供电至LC滤波器II，5V模拟电从低压差线性电源I输出端引出，2.5V模拟电从低压差线性电源II引出；发射电源支路包括开关电源III以及与其连接的LC滤波器III。

换能器驱动及收发隔离子系统包括升压变压器T，升压变压器T的初级线圈一端通过第一电阻连接从测距仪电源子系统接收的10V发射电，初级线圈另一端连接MOS开关管，MOS开关管的控制端连接从信号处理子系统接收的3.3V电平低压脉冲串；升压变压器T的次级线圈连接一组单向导通二极管阵列，在换能器处于发射状态时，单向导通二极管阵列电路输出高压脉冲能量通过换能器辐射出去；当换能器处于接收状态，单向导通二极管阵列电路截止，通过与之相连的第二电阻串联连接钳位二极管电路，使换能器回波信号到达回波程控放大控制子系统。

回波程控放大控制子系统包括放大电路，放大电路两个输入端的输入信号分别为：从换能器驱动及收发隔离子系统输出的换能器回波信号和测距仪电源子系统输出的2.5V模拟电，其中，2.5V模拟电直接连接放大电路，换能器回波信号经过RC滤波电路后连接放大电路；放大电路在输出端和RC滤波电路输出端之间设有反馈电路，反馈电路由第三电阻和数控电位器串联组成，其中，数控电位器连接信号处理子系统的程控数字接口；经过反馈的输出通过有源带通滤波器后，输出为放大滤波后换能器回波信号。

信号处理子系统主要由晶振、A/D转换芯片、可编程逻辑芯片CPLD、微控制器、温湿度气压传感器、显示装置构成；其中，晶振为所有数字元器件提供统一的高稳时钟基准，A/D转换芯片将放大滤波后的模拟回波信号转换为数字量，并经CPLD进行预处理后最终由微控制器接收；温湿度气压传感器将采集到的信号送入微控制器，用来获取环境参数并计算理论声速以减少测距误差；CPLD作为微控制器的协处理器存在，主要用于完成硬件级时钟计数和A/D数据高速采样，向外提供程控数字接口和3.3V电平低压脉冲串；微控制器是整个测距仪的主控模块，利用异步串行通讯接口1实现与CPLD的全双工通信，并通过CPLD控制换能器的收发和放大增益，以及获取A/D量化数据以进一步完成距离测量，在测量完成后将测量结果直接送至显示装置或通过异步串行通讯接口2传输至外部监控设备。

一种超声波精密测距方法，它包括如下步骤：

在微控制器收到外部的测距请求指令后，微控制器被唤醒，启动测量；

首先读取当前环境的温度、湿度以及气压值，计算理论声速；

置程控放大电路为最小增益，启动一次换能器三段式脉冲串发射并采集回波信号；

读取A/D采集数据，根据量化数值大小调整数控电位器步进，选择合适的放大增益；

启动一次换能器三段式脉冲串发射并采集回波信号，控制CPLD清零计数器并开始计时；

读取A/D采集数据并获取回波包络，得到包络的凹陷位置对应计时值，根据该值和晶振频率获取收发传输时间；

根据收发传输时间和理论声速计算得到测量距离。

三段式脉冲串测量，该脉冲串由3个子脉冲串构成，同时相邻子脉冲串的相位恰好相反。

对每次测距均发起4次测量，4个测量结果经过排序后剔除最大值和最小值后再做均值处理。

相对于现有技术，具有以下优点：

1、使用200~300KHz高频超声波换能器代替传统的20~40KHz超声波换能器，与低频换能器相比，200~300KHz高频换能器可达到更小的体积，甚至在10mm直径尺寸限制下仍能达到较窄的波束宽度和一定的灵敏度，使得超声波测距仪的探头体积大大缩小，有助于仪器小型化。同时，较高的工作频率使回波波形更为陡峭，从而可以十分准确地标定收发传播时间，有效提高了测量精度。

2、提出了一种可靠的发射升压和收发隔离电路，适用于收发一体式换能器；与传统低频换能器相比，高频换能器在空气中的衰减速度较快，在同样的波束宽度、驱动电压和收发距离下，其回波能量普遍小于低频换能器，一般为mV量级，而发射电压Vpp可达数百伏，这无疑对整个测距电路的小信号放大能力和收发隔离提出了很高的要求，本发明针对该特点专门设计了一套优化的供电系统和放大电路，可使用普通的9~32V直流电源适配器供电，并在电路板上设计了多级模拟和数字供电线路，经实测可有效放大0.2mV级别的微弱回波信号。

3、通过特殊设计的3段式发射脉冲串，大大减轻了各脉冲串的回波过渡时间，并使回波包络形成一个十分明显的凹坑，直接检测回波包络的最小值即可完成收发传输时间的精确标定，大大方便了收发时间标定，提高测量精度。

4、利用CPLD代替微控制器用于对超声波收发进行硬件计时，提出了一种以微控制器+CPLD为核心的超声波测距仪信号处理子系统，能自动根据测量距离选择合适的放大增益，时间测量稳定度和精度远优于微控制器，可达100ns量级；

5、在多次测量结果中增加了剔除最大值和最小值功能，有效避免测量异常干扰。

附图说明

图1为本发明测距仪整体框图。

图2是测距仪电源子系统。

图3是换能器驱动及收发隔离子系统。

图4是回波程控放大控制子系统单级放大电路组成示意图。

图5是信号处理子系统硬件部分组成示意图。

图6是信号处理子系统软件部分流程图。

图7是三段式发射脉冲串。

图8是三段式发射脉冲串典型回波波形。

图9是三段式发射脉冲串典型回波包络。

具体实施方式

本发明不受下述实施例的限制，可根据本发明的技术方案与实际情况来确定具体的实施方式。

如图1所示，一种收发一体式超声波精密测距仪，包括测距仪电源子系统以及与其相连接的信号处理子系统、换能器驱动及收发隔离子系统和回波程控放大控制子系统。其中，测距仪电源子系统输入侧连接直流电源适配器，输出端分别输出10V发射电至换能器驱动及收发隔离子系统、3.3V数字电至信号处理子系统、以及至少一路模拟电至回波程控放大子系统。本发明中，以输出两路模拟电（2.5V模拟电和5V模拟电）为例来说明。

在图1中，信号处理子系统输出3.3V电平低压脉冲串至换能器驱动及收发隔离子系统，从而驱动控制电路工作，控制换能器处于发射状态，将高压脉冲能量通过换能器辐射出去；当信号处理子系统不输出低压脉冲串时，换能器处于接收状态，换能器驱动及收发隔离子系统输出换能器回波信号至回波程控放大控制子系统。回波程控放大控制子系统对换能器回波信号进行放大滤波，放大滤波后换能器回波信号输出至信号处理子系统，由信号处理子系统进行精密测距。

由于本发明需要使用大量的模拟、数字电子元器件，同时为了有效检测高频换能器回波信号，还必须具备优良的小信号放大能力，而供电质量的好坏直接影响小信号电路的放大效果，本发明设计的电源子系统如图2所示。该测距仪电源子系统包括三路电源支路，即发射电源支路、模拟电源支路和数字电源支路。

数字电源支路包括开关电源I以及与其相连接的LC滤波器I。其中，开关电源I用于为各类数字集成芯片(图中简称为数字芯片)，如微控制器、CPLD等供电，供电电压为最常见的3.3V电，因为数字芯片对供电纹波要求并不高，故这里使用开关电源供电以达到尽可以高的转换效率，通过电感和电容构成的LC滤波处理后，其输出纹波可控制在30mV以下。

模拟电源支路包括依次连接的开关电源II、LC滤波器II、低压差线性电源I和低压差线性电源II。其中，开关电源II将输入电压转换为6V供电至LC滤波器II，5V模拟电从低压差线性电源I输出端引出，2.5V模拟电从低压差线性电源II引出。为了保证测距仪中精密放大电路的正常工作，本发明使用2个低压差线性电源输出高质量的5V和2.5V模拟电，这也是模拟芯片最常见的2种工作电压，可满足诸如运算放大器、模数转换、模拟开关等多种器件的正常工作。同时也为了提高线性电源的转换效率，本发明并非直接将电源输入接至线性电源，而是先使用开关电源II将输入电压高效转换为6V供电，并经LC滤波器II后得到纹波在30mV以下的中间电，然后由低压差线性电源I输出高质量的5V模拟电，通过选择合适的线性电源芯片，其输出电压波动可控制在输入电压波动的0.1%以下，即约30uV。同样地，低压差线性电源II直接接至+5V模拟电上，产生更高质量的2.5V模拟电，其电压波动在20uV以下，为精密放大电路提供了极好的供电质量。

发射电源支路包括开关电源III以及与其连接的LC滤波器III。本发明为了增强超声波换能器的测量距离，需要为其提供较高的发射电压，一般地，发射脉冲电压峰值(Vpp)通常在100V~500V之间，如此高的电压直接使用外部供电是不现实的，更可行的选择是使用储能电容和升压变压器将低压脉冲升高至较高的电压，如1:20变压器可将输入的10V脉冲电压升压至200V脉冲，有效提高换能器的发射能量，该部分供电同样对纹波要求不高，故仍采用转换效率高的开关电源III，即图中的开关电源III+LC滤波器III输出10V发射电。

可以看出，上述电源子系统同时使用了多片开关电源和低压差线性电源，这也是电源设计中最常用的两种电源，前者的优点是效率高（转换效率可达90%以上），但输出电源质量较差，通常需要使用大功率电感和滤波电容改善输出电压质量，常见的开关电源输出纹波通常在50mV左右，该纹波不会影响数字电路器件的正常工作，但却会影响许多模拟电路，尤其是小信号调理放大电路。而线性电源的特点与开关电源正好相反，其转换效率较低，如将5V转为2.5V电压时，其转换效率只有50%，但输出纹波小，广泛用于各类高精度供电系统中。

需要说明的是，上述电源子系统中不同的供电电压均有自己独立的电源回路，不同的电源回路之间通过磁珠进行隔离，可有效滤除高频干扰，保证了各模拟电源的供电质量，且各电源回路仍形成同一个地平面。

对于收发一体式换能器，其发射电压可达数百伏，而回波电压可能只有几mV，必须对其原始回波信号放大后方可有效检测，而这种小信号放大电路普遍工作电压较低，不能承受高压信号。为此，本发明设计了换能器驱动及收发隔离子系统，如图3所示，它包括升压变压器T，升压变压器T的初级线圈一端通过第一电阻R1连接从测距仪电源子系统接收的10V发射电，初级线圈另一端连接MOS开关管，MOS开关管的控制端连接从信号处理子系统接收的3.3V电平低压脉冲串。这里，MOS开关管采用NMOS管Q1。升压变压器T的次级线圈连接由四个二极管D1-D4构成的单向导通二极管阵列电路，在换能器处于发射状态时，单向导通二极管阵列电路输出高压脉冲能量通过换能器辐射出去；当换能器处于接收状态，单向导通二极管阵列电路截止，通过与之相连的第二电阻R2串联连接钳位二极管电路D5和D6，使换能器回波信号到达回波程控放大控制子系统。

图3的工作原理为：当需要控制换能器处于发射状态时，信号处理子系统的只需要给出一串3.3V电平低压脉冲串以控制NMOS管Q1分别处于导通和饱和状态，再加上在第一电阻R1与数字地之间设置第一电容C1，而第一电容C1的存在，使升压变压器的初级线圈电压在10V和0V之间随着低压脉冲串的变化而变化，从而可在升压变压器次级线圈得到高压脉冲，如使用1：20升压变压器，升压变压器输出脉冲VPP可达200V，在高压脉冲的正半周，第一二极管D1和第二二极管D2均导通，反之在脉冲的负半周，第三二极管D3和第四二极管D4导通，最终将高压脉冲能量通过换能器辐射出去。

在换能器发射期间，钳位二极管电路D5和D6也交替导通，无论发射电压多高，均可使第二电阻R2与第五二极管D5/第六二极管D6公共端的电位箝位在+-0.7V范围内，而当换能器处于接收状态时，NMOS管Q1截止，升压变压器T输出电压为0V，由于回波电压十分微弱，不足以达到二极管的0.7V开启电压，故第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6均处于截止状态，因此换能器的回波电压可以顺利通过第二电阻R2传递至后级的回波程控放大控制子系统。

随着超声波测距仪的测量距离不同，其回波幅度变化范围十分巨大，典型值可从1mV变化至200mV，如果使用固定增益的放大电路，则难以同时满足大信号与小信号的无失真放大。为此，放大电路必须具备程控放大功能，在远距测量时使用高增益放大，而在近距测量时使用低增益放大，即自动增益控制功能，该功能需要软件与硬件的同步配合，本发明描述的该回波程控放大控制子系统仅包含硬件电路部分，软件部分则由信号处理子系统完成，对应的单级程控放大电路组成框图如图4所示。图4显示的回波程控放大控制子系统包括放大电路U1，放大电路U1为反相比例放大电路，放大电路U1两个输入端的输入信号分别为：从换能器驱动及收发隔离子系统输出的换能器回波信号和测距仪电源子系统输出的2.5V模拟电，其中，2.5V模拟电直接连接放大电路U1，换能器回波信号经过RC滤波电路后连接放大电路U1。放大电路U1在输出端和RC滤波电路输出端之间设有反馈电路，反馈电路由第三电阻R3和数控电位器串联组成，其中，数控电位器连接信号处理子系统的程控数字接口。经过反馈的输出通过有源带通滤波器后，输出为放大滤波后换能器回波信号。

在图4中，该放大电路在普通反相比例放大电路的基础上进行了2点改进，一是将常见的双极性供电放大电路简化为单电源供电，从而使整个电路板无需使用负电源，二是将运放的反馈电阻改进为固定电阻R3+数控电位器，这样微控制器只需要简单地增加或减少数控电位器的步进，即可改变整个电路的放大倍数，同时为了滤除带外噪声，对运放输出增加了一级有源带通滤波器，有效提高了信噪比。

需要指出的是，由于数控电位器阻值和带宽选择余地较小，前述单级放大电路的增益调节范围可能仍不能满足整个系统的需要，此时可对该电路进行简单的复制构成多级程控放大电路(有源带通滤波器无需多次复制，仅保留最后一级有源带通滤波器即可)。一般地，2级程控放大可达70dB左右的动态范围，即归一化增益变化范围可达3000:1，足以满足绝大多数环境下的测量需要。

信号处理子系统同时包含硬件和软件两部分，硬件部分如图5所示。主要由晶振、A/D转换芯片、可编程逻辑芯片CPLD、微控制器、温湿度气压传感器、显示装置构成。其中，晶振为所有数字元器件提供统一的高稳时钟基准，A/D转换芯片将放大滤波后的模拟回波信号转换为数字量，并经CPLD进行预处理后最终由微控制器接收。温湿度气压传感器将采集到的信号送入微控制器，用来获取环境参数并计算理论声速以减少测距误差。

与微控制器不同，CPLD是一种硬件级可编程芯片，其内部包含有丰富的触发器和门电路，在该子系统中，CPLD作为微控制器的协处理器存在，主要用于完成硬件级时钟计数和A/D数据高速采样，有效减轻了微控制器的数据处理压力，同时大大提高了计时测量精度和稳定度，同时，向外提供程控数字接口和3.3V电平低压脉冲串。

微控制器是整个测距仪的主控模块，它通常是一个单片机芯片，利用异步串行通讯接口1实现与CPLD的全双工通信，并通过CPLD控制换能器的收发和放大增益，以及获取A/D量化数据以进一步完成距离测量，在测量完成后将测量结果直接送至显示装置或通过异步串行通讯接口2传输至外部监控设备。

信号处理子系统的软件部分指运行在微控制器上的嵌入式软件，其流程图如图6所示：为了尽可能降低系统功耗，在非测量期间，微控制器处于待机状态，此时整体功耗可低于0.1mW甚至更低，非常适用于电池供电场合。在收到外部的测距请求指令后，微控制器被唤醒，首先读取当前环境的温度、湿度以及气压值，这是因为测距仪测量得到的实际上是超声波在空气中的传播时间，必须要获取超声波的传播速度才能得到真实距离，而理论声速与这3个参数均有一定关系，许多超声波测距仪仅仅考虑了温度和声速的传播关系，而忽视了湿度以及气压值对其影响，如下表为不同温度和湿度下的实测声速：

可以看到，湿度变化对声速存在一定影响，如果不作修正，也会在一定程度上影响测距精度，同样地，气压变化也会影响声速。故本发明采用了同时测量以上3个环境参数，并拟合出温湿度、气压与声速的计算公式，从而可以十分精确地得到当前环境下的实时理论声速。

本发明使用的理论声速拟合公式为（其中temp为温度，单位摄氏度，hum为相对湿度，press为气压，单位hPa）：

在获取理论声速后正式启动距离测量，因为此时并不知道收发距离是多少，故先置放大增益为最小值，然后查看A/D采样得到的回波量化数据，若该数值过小，代表需要提高增益，且数值的大小直接决定了应该使用的放大倍数，反之如果回波能量已经足够，则无需调整，直接维持现有增益即可。

与现有的超声波测距仪仅发射一段简单的脉冲串不同，本发明的发射波形采用三段式脉冲串测量，其典型发射波形如图7所示，其中上面波形代表基准时钟，下面波形为实际送至换能器驱动及收发隔离子系统的3.3V低压脉冲串。

可以看到，该脉冲串由3个子脉冲串构成，每个子脉冲串均可由一串0、1、0、1二进制调制比特串代替，与普通脉冲串不同的是，相邻子脉冲串的相位相反，以图7中的第一子脉冲串和第二子脉冲串为例，如果将第一子脉冲串在时间轴上向后延迟整数个周期以与第一子脉冲串混叠，会发现第一子脉冲串调制比特串的0、1、0、1正好对应第二子脉冲串的1、0、1、0。采用这种设计后，换能器产生的回波信号也可大致分为3段，因为接收滤波器的影响，这3段回波在时间轴上是有部分重叠的，但因相邻发射脉冲串相位相反，对应回波信号的相位也相反，从而其重叠部分可以相互抵消，进而可得到如图8所示波形。

可以看到，图8波形中的第一回波串和第二回波串之间形成了一个明显的凹陷，对上述第一回波串和第二回波串进行包络检波后得到的典型曲线如图9所示。

得到包络曲线后，CPLD即可简单地利用本地计数器来标定从开始发射到回波包络曲线极小值（即第一回波串和第二回波串之间的凹陷）之间的传播时间，这一传播时间与超声波在空气中的真实传播时间存在一个固定偏差，但可以通过事先的距离校准补偿掉该偏差，从而得到十分精确的超声波收发传输时间。

其后，微控制器根据收发传输时间和理论声速得到精确的传播距离，因为是双程传播，将该距离除以2即为真实的测量距离。因为采用CPLD硬件计时测量，单次测量时间误差可低于100ns，折合至距离测量精度仅为0.03mm，经多次测量后精度还可进一步提升，远优于现有的超声波测距仪性能指标。

为了进一步提高测量精度，本发明对每次测距均发起4次测量，4个测量结果经过排序后剔除最大值和最小值后再做均值处理，有效避免测量异常干扰，测量效果优于简单的多次测量求平均机制。测量完成后，微控制器再次回到待机状态。

可以看到，本发明在测量时仅用到了第1、2发射子脉冲串的回波，而之所以引入第3发射子脉冲串，其目的是为了压制第2发射子脉冲串的回波信号拖尾，从而可以尽快启动下一次测量，减少多次测量之间的等待时间，也降低了整体功耗。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明整体构思前提下，还可以作出若干改变和改进，这些也应该视为本发明的保护范围。