基于C8051F060的超声波导盲系统设计

0 引  言

　　随着人民生活水平的不断进步，让生活变得越来越简单、方便成为了人民普遍追求的生活理念。盲人既是普通人民中的一员，又是一个特殊群体，他们由于先天的生理缺陷在日常生活中比常人会遇到更多的不方便，不能准确及时地躲避障碍物就是一个重要的弊端。如果有一根既轻巧，又便宜，同时又能及时地识别周围障碍物并发出报警信号的手杖在盲人的手中将会为盲人的生活提供极大的方便。同时随着计算机技术、自动化技术及工业机器人的不断出现，测距与识别技术在工业中已经得到了普遍的发展，如何把这种非接触式检测与识别技术应用与民用领域也变得十分重要。这里介绍的倒盲杖系统设计就是很好地结合二者产需的例子。

　　因为超声波传播速度慢，指向性强，能级消耗缓慢，对色彩、光照度不敏感，同时超声波传感器结构简单、体积小、费用低、信息处理简单可靠，易于小型化与集成化，并且可以进行实时控制，因此该系统采用超声波检测的方法实现对障碍物的识别。该设计是利用美国Silicon Laboratories公司的高性能、高集成度SoCC8051F060为核心硬件，通过其对外围电路的控制以自身强大的信号处理能力实现障碍物检测的功能。

1 系统构成及设计原理

　　该设计是利用美国Silicon Laboratories公司的高性能、高集成度SoC(System on a Chip)C8051F060为核心硬件。在手杖的着地端的前上方、前下方、左前方、右前方各安置一个超声探头，通过芯片与探头及外围电路共同组成的信号发送与识别系统完成导盲的功能。系统工作原理方框示意图如图1所示。

      超声信号的工作频率是40 kHz，首先C8051F060MCU产生4路40 kHz的方波信号分别由换能器输送到手杖末端的超声探头。工作时第一个探头先发出16个周期的超声波信号，之后开始接收回波信号，回波信号先经比例放大后得到较大的信号，再进入自动增益控制部分，将信号放大为单片机能够识别的信号，然后再对信号低通滤波后送入单片机，然后第二个探头再发送16个周期的超声信号，以同样的方式接收处理，随后是第三个、第四个、第一个，如此循环发送接收。将两个探头发送时间问隔定为18.5 ms，这样除去发送时间、消余震时间与信号处理时间总计约2.9 ms，剩余的15.6 ms用来接收34 cm～3 m内的障碍物反射回来的回波信号。

2 硬件设计

　　2.1 超声波发送部分

　　大多数的超声波产生电路的设计都会采用硬件集成振荡电路实现，设计较为繁琐，精度不高，而该设计的超声波的产生由软件编程的方法实现。

　　C8051F060 MCU内有一个片内可编程计数器／定时器阵列PCA。PCA包括一个专用的16位计数器／定时器和6个可编程的捕捉／比较模块。每个捕捉／比较模块都有其自己的I／O线(CEXn)。当被允许时，I／O线通过交叉开关连到端口I／O，该设计就是利用了其中的四个捕捉、比较模块(CEX0～CEX3)，通过交叉开关连接到端口P0.0～P0.3，因此可以独立的在P0.0～P0.3端口上产生40 kHz的方波信号。时间基准可以是下面的6个时钟源之一：系统时钟／12，系统时钟／4，定时器0溢出，外部时钟输入ECI，系统时钟和外部振荡源频率／8。实验证明应用外部振荡时钟源8分频作为时间基准较其他方法得到的方波信号更为精确、稳定。每个捕捉／比较模块可以被编程为独立工作在下面的6种工作方式之一：边沿触发捕捉、软件定时器、高速输出、频率输出、8位PWM或16位PWM，在此采用的是频率输出方式。

　　40 kHz方波信号由单片机产生后，经通用I／O口输出到换能器放大，再由超声波传感器的探头发出，四个探头的工作是轮流进行的。每一个探头工作时都是先发出16个周期的超声波脉冲信号，用时0.4 ms，然后消余震2 ms，此时开始接收回波信号，过15.6 ms后停止接收信号，再经过0.5 ms的信号处理时间后第一个探头的工作结束，转为下一个超声波传感器进行相同的工作。也就是系统仅接收信号发出后2～17.6 ms之间的回波信号，又因为超声波在空气中的传播速度约为340 m／s，也就是系统能识别的障碍物的距离范围在34 cm～3 m。  

　　2.2 信号接收部分

　　信号发送出去以后若遇障碍物就会反射回来，即为回波。回波信号信号一般较弱，仅为几毫伏，该系统先将接收到的回波进行比例放大，使回波信号增大到几百毫伏。比例放大部分采用的芯片是CADEKA Microcircuits的CLC4600运算放大器，CLC4600运算放大器据具有四信道，每通道供电电流消耗仅3.3 mA，具有300 MHz的单位增益带宽。比例放大部分的电路原理图如图2所示。

　　由于障碍物的远近不同以及超声在空气中的衰减程度，得到的回波信号幅度会有所变化：越早接收到的回波信号越强，越晚越弱。针对不同时刻接收到的回波的强度不同，需要对信号进行不同倍数的放大，使放大后的信号都有相同的幅值，因此需要一个增益随时间变化可调的放大电路，这样的放大电路即为时间增益控制(TGC)电路。