0 导言
超声波测距作为一种非触摸性的检测办法，因其结构简略紧凑、可靠性高、价格低廉、实时性强等长处，近年来现已得到了广泛应用，如液位丈量，筑路过程中路面平坦检测，轿车倒车雷达，机器人辅佐视觉识别体系等。但因超声波在空气中传达时遭到比如环境温度、湿度、风速等影响，传统的超声波测距体系精度遍及较低。文献[4]选用了在体系中添加硬件温度补偿模块仅在必定程度上能够防止因环境温度改变带来的丈量差错。文献[5，6]中选用小波等处理算法，也并不能补偿体系本质上的缺点。因而，研讨了一种操控精度高，适用范围宽的高精度多路同步超声波测距体系。
1 超声波测距作业原理与结构
1.1 作业原理
谐振频率高于20 kHz的声波被称为超声波。超声波测距的根本作业原理是：发射探头宣布超声波，在介质中传达遇到障碍物反射后再通过介质回来到接纳探头，测出超声波从发射到接纳所需的时刻，然后依据介质中的声速，使用公式S=0.5ct就能算得从探头到障碍物的距离，式中：S为所测的距离，c为超声波在介质中的传达速度.￡为超声波从发到收所通过的时刻。
1.2 超声波测距体系的一般结构
一般情况下，超声波测距体系的根本结构如图1所示。
体系常选用频率为40 kHz的方波信号由单片机内部发生。为了防止温度对声波传达速度的影响，都选用温度补偿以习惯在不同环境下正常作业的需求。时刻的准确丈量可由单片机内部独自的计数器完结，也可由外部的计时电路完结。
2 多路同步超声波测距体系
体系由单片机、FPGA模块、6对收发同体的超声波换能器、功率扩大电路、回波高增益扩大电路、带通滤波电路以及比较整形电路等组成。体系组成框图如图2。
本体系中。单片机体系与FPGA体系是测距仪的核心部件，用来和谐各部分元件作业。单片机操控器单元首要是发动超声波发射与计时计数器开端计数的同步以及接纳到回波后对其计时计数器的值进行处理等运算。FPGA单元首要用来发生超声波的发射脉冲频率125 kHz与计时计数器的频率(>170 kHz)，通过微操控器MCU来发动超声波的发射，FPGA发射必定数量(这儿挑选8至10)的脉冲串之后，中止发射一起发动计时计数器计数，超声波途经障碍物回来。当超声波换能器接纳到回波信号之后，将其信号送入FPGA内部，用来操控计时计数器的中止，将所得的计数值送入单片机。榜首路到第五路超声波换能器用于丈量距离，丈量距离的五路超声波换能器按等距离分别装置在测距仪的固定板上，体系选用收发同体的探头，其波束角很小，有用的确保了各探头到被测物体的笔直丈量距离。第六路超声波换能器装置在测距仪的左边，在测距仪的右侧装置一块规范档板，较准确的丈量其时环境下的声速，用于温度补偿。操控或显现模块用于调整平衡或输出显现丈量距离的意图。
2.1 发射电路
发射电路如图3(a)所示。发射电路将接纳到的方波脉冲信号送入乙类推挽扩大电路，用其输出信号驱动CMOS管，接着将其脉冲信号加到高频脉冲变压器进行功率扩大，使幅值添加到100多伏，最终将扩大的脉冲方波信号加到超声波换能器上发生频率为125 kHz的超声波并将其发射出去。
2.2 接纳电路
接纳电路由OP37构成的两级运放电路，TL082构成的二阶带通滤波电路以及LM393构成的比较电路三部分组成。因本体系频率较高，回波信号十分弱，为毫伏级，因而规划成两级扩大电路，榜首级扩大100倍，第二级扩大50倍，共扩大5 000倍左右。
别的考虑到本体系要习惯各种杂乱的作业环境，因而规划了由TL082构成的高精度带通滤波电路，以供回波信号扩大后进跋涉一步滤波，将滤波后的信号输入到 LM393构成的比较器反相输入端，与基准电压比较较，而且对其比较输出电压进行限幅，将其电压接至D触发器，比较器将通过扩大后的沟通信号整形出方波信号，将其接至FPGA，发动接纳模块计数，到达脉冲串设定值时，封闭计时计数器中止计数。
2.3 FPGA内部各组成模块规划
FPGA首要完结125 kHz的超声波的发射与接纳以及六路超声波从发射到接纳之间时刻的丈量。其内部结构如图4所示。
FPGA首要由发射模块、次序履行计数器、数据挑选器、计时计数器与接纳模块五部分组成。其间：发射模块完结脉冲串的发射与计数器的发动，首要由96分频器、发射脉冲串计数器和发射脉冲串的操控器三部分组成。次序履行计数器模块首要由六与非门、计数器和非门组成。
一切的接纳模块接纳完数据后，通过与非门及非门输出高电平(FINISH端口)，以触发单片机使单片机处于接纳数据状况，单片机宣布信号使次序履行计数器开端计数，计数值每次加1，输出端口就是相应的计时计数器，单片机便从相应的计时计数器中读取计数值。数据挑选器与次序履行计数器完结计数值数据的读取。
计时计数器模块首要完结丈量脉冲宣布去到接纳到的时刻距离和脉冲的计数，首要由发动与封闭计数器操控、12分频器、16位计时计数器、二选一数据挑选器及 8位数据锁存器组成(见图5)。接纳模块首要接纳回波信号和封闭计数器，当接纳模块接纳到信号今后，便发动计数，到达计数值，就输出高电平，用来封闭计时计数器中止计数。为防止信号串扰，在信号发射时，CUAN端输入高电平，对其信号进行屏蔽。
3 成果
通过实验室调试，本文给出的根据单片机与FPGA相结合的多路同步超声波测距体系与其它体系具有如下优势：
(1)抗环境影响要素能力强。在作业环境中，对声速影响的要素许多。如温度、风力，湿度等，体系使用装置规范校对板的办法能准确丈量其时环境下的声速，能够防止因各种环境要素的改变而形成的差错。
(2)选用125 kHz的频率，一起选用多路超声波准确同步测距。确保了体系的丈量精度。
(3)选用FPGA与AT89C51结合的计划，由FPGA来完结多路超声波传达时刻的准确丈量，AT89C51完结信号的发动以及数据的处理。与惯例体系比较，尽管添加了FP-GA硬件，可是体系也放弃了一些体系所选用的温度补偿模块，大大提高了体系的精度和体系的灵活性。
