一种高精度超声波测距仪系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供了一种高精度超声波测距仪系统，包括控制器单元、处理器单元、存储器单元、温度补偿电路和总线，所述存储器单元与所述控制器单元连接，所述控制器单元、处理器单元、温度补偿电路分别与所述总线连接，所述控制器单元包括超声波测距单元，所述超声波测距单元包括超声波控制器和超声波收发模块，所述超声波控制器与所述超声波收发模块连接。本实用新型的有益效果是：具有可靠性高、集成度高、响应速度快、精度高和成本低廉等特点。
【专利说明】
-种高精度超声波测距仪系统
技术领域
[0001] 本实用新型设及超声波测距，尤其设及一种高精度超声波测距仪系统。
【背景技术】
[0002] 超声波测距仪，是利用超声波测量距离的一种非接触式距离测量工具。因超声波 具有定向性好、使用方便、成本低廉、抗干扰能力强等优点，所W超声波测仪在工业测量、车 辆避障、安全预警、液位测量、机械内部损伤检、车辆自动导航W及机器人等领域得到广泛 地应用。然而，目前大多数超声波测距仪一般采用MCS-5 1单片机作为控制器，其测量精度， 由于受到定时器钟频率的限制，难W令人满意。
【发明内容】
[0003] 为了解决现有技术中的问题，本实用新型提供了一种高精度超声波测距仪系统。
[0004] 本实用新型提供了一种高精度超声波测距仪系统，包括控制器单元、处理器单元、 存储器单元、溫度补偿电路和总线，所述存储器单元与所述控制器单元连接，所述控制器单 元、处理器单元、溫度补偿电路分别与所述总线连接，所述控制器单元包括超声波测距单 元，所述超声波测距单元包括超声波控制器和超声波收发模块，所述超声波控制器与所述 超声波收发模块连接。
[0005] 作为本实用新型的进一步改进，所述超声波控制器包括接口单元电路、状态寄存 器、启动寄存器、计数寄存器、状态机、计数器和倍频器，其中，所述倍频器的输出端分别与 所述状态机、计数器连接，所述状态机的输出端分别与所述状态寄存器、计数器连接，所述 计数器的输出端与所述计数寄存器连接，所述计数寄存器的输出端与所述接口单元电路连 接，所述状态寄存器的输出端与所述接口单元电路连接，所述接口单元电路与所述总线连 接，所述接口单元电路的输出端与所述启动寄存器连接，所述启动寄存器与所述状态机连 接。
[0006] 作为本实用新型的进一步改进，所述状态机设有TRIG引脚和ECHO引脚，所述状态 机分别通过所述TRIG引脚、EC册引脚与所述超声波收发模块连接，所述超声波控制器通过 所述TRIG引脚向所述超声波收发模块发送触发信号，所述超声波收发模块通过所述EOTO引 脚向所述超声波控制器发送超声波反射波接收判断输入信号。
[0007] 作为本实用新型的进一步改进，所述状态机设有化R引脚、Η引脚和ST引脚，所述状 态机分别通过所述化R引脚、Η引脚、ST引脚与所述计数器连接，所述状态机通过所述化R引 脚向所述计数器发送计数器清零信号，所述状态机通过所述Η引脚向所述计数器发送高电 平，所述状态机通过所述ST引脚向所述计数器发送计数器启动信号。
[000引作为本实用新型的进一步改进，所述控制器单元还包括JTAG控制器、UART控制器、 EPCS控制器、LCD控制器、SDRAM控制器，其中，所述LCD控制器连接有LCD显示器，所述JTAG控 制器、UART控制器、EPCS控制器、LCD控制器、SDRAM控制器分别与所述总线连接。
[0009] 作为本实用新型的进一步改进，所述总线为Avalon-MM总线。
[0010] 作为本实用新型的进一步改进，所述高精度超声波测距仪系统还包括PC机，所述 JTAG控制器、UART控制器分别与所述PC机连接。
[0011] 作为本实用新型的进一步改进，所述存储器单元包括EPCS4存储器、SDRAM存储器， 所述SDRAM控制器与所述SDRAM存储器连接，所述EPCS控制器与所述EPCS4存储器连接。
[0012] 作为本实用新型的进一步改进，所述处理器单元包括NiosII处理器，所述NiosII 处理器与所述总线连接。
[0013] 作为本实用新型的进一步改进，所述溫度补偿电路包括通用输入输出接口和溫度 传感器，所述溫度传感器通过所述通用输入输出接口与所述总线连接。
[0014] 本实用新型的有益效果是:超声波控制器是根据外部的超声波收发模块的电气特 性而设计的用户自定义控制器，其与外部的超声波收发模块相连，控制超声波收发模块进 行测距;溫度对超声波的传播速度影响较大，通过溫度补偿电路来提高测量精度，具有可靠 性高、集成度高、响应速度快、精度高和成本低廉等特点。
【附图说明】
[0015] 图1是本实用新型一种高精度超声波测距仪系统的系统框图。
[0016] 图2是本实用新型一种高精度超声波测距仪系统的超声波控制器的硬件框图。
[0017] 图3是本实用新型一种高精度超声波测距仪系统的状态机的状态转换图。
[0018] 图4是本实用新型一种高精度超声波测距仪系统的控制流程图。
【具体实施方式】
[0019] 下面结合【附图说明】及【具体实施方式】对本实用新型进一步说明。
[0020] 图1至图4中的附图标号为:超声波控制器1;接口单元电路11;状态寄存器12;启动 寄存器13;计数寄存器14;状态机15;计数器16;倍频器17;EPCS控制器2;NiosII处理器3; PI04;超声波收发模块5; EP盼4存储器6;溫度传感器7;总线8; SDRAM控制器9; LCD作控制器 10; JTAG控制器11; UART控制器12; SDRAM存储器13; LCD显示器14。
[0021] 如图1所示，一种高精度超声波测距仪系统，包括控制器单元、处理器单元、存储器 单元、溫度补偿电路和总线8,所述存储器单元与所述控制器单元连接，所述控制器单元、处 理器单元、溫度补偿电路分别与所述总线8连接，所述控制器单元包括超声波测距单元，所 述超声波测距单元包括超声波控制器1和超声波收发模块5,所述超声波控制器1与所述超 声波收发模块5连接。
[0022] 如图1所示，所述超声波收发模块5优选为HC-SR04超声波收发模块。
[0023] 如图2所示，所述超声波控制器1包括接口单元电路11、状态寄存器12、启动寄存器 13、计数寄存器14、状态机15、计数器16和倍频器17,其中，所述倍频器17的输出端分别与所 述状态机15、计数器16连接，所述状态机15的输出端分别与所述状态寄存器12、计数器16连 接，所述计数器16的输出端与所述计数寄存器14连接，所述计数寄存器14的输出端与所述 接口单元电路11连接，所述状态寄存器12的输出端与所述接口单元电路11连接，所述接口 单元电路11与所述总线8连接，所述接口单元电路11的输出端与所述启动寄存器13连接，所 述启动寄存器13与所述状态机15连接。
[0024] 如图1至图2所示，所述状态机15设有TRIG引脚和ECHO引脚，所述状态机15分别通 过所述TRIG引脚、ECHO引脚与所述超声波收发模块5连接，所述超声波控制器1通过所述 TRIG引脚向所述超声波收发模块5发送触发信号，所述超声波收发模块5通过所述EOTO引脚 向所述超声波控制器1发送超声波反射波接收判断输入信号。
[0025] 如图1所示，所述状态机15设有化R引脚、Η引脚和ST引脚，所述状态机15分别通过 所述化R引脚、Η引脚、ST引脚与所述计数器16连接，所述状态机15通过所述化R引脚向所述 计数器16发送计数器清零信号，所述状态机15通过所述Η引脚向所述计数器16发送高电平， 所述状态机15通过所述ST引脚向所述计数器16发送计数器启动信号。
[0026] 如图1所示，所述控制器单元还包括JTAG控制器11、UART控制器12、EPCS控制器2、 LCD控制器10、SDRAM控制器9，其中，所述LCD控制器10连接有LCD显示器14，所述JTAG控制器 11、UART控制器12、EPCS控制器2、LCD控制器10、SDRAM控制器9分别与所述总线8连接。
[0027] 如图1至图2所示，所述总线8优选为Avalon-MM总线。
[00%]如图1所示，所述高精度超声波测距仪系统还包括PC机，所述JTAG控制器11、UART 控制器12分别与所述PC机连接。
[0029] 如图1所示，所述存储器单元包括EP盼4存储器6、SDRAM存储器13，所述SDRAM控制 器9与所述SDRAM存储器13连接，所述EPCS控制器2与所述EPCS4存储器6连接。
[0030] 如图1所示，所述处理器单元包括NiosII处理器3,所述NiosII处理器3与所述总线 8连接。
[0031] 如图1所示，所述溫度补偿电路包括通用输入输出接口和溫度传感器7,所述溫度 传感器7通过所述通用输入输出接口与所述总线8连接，所述通用输入输出接口简称为PI04 (并行输入/输出控制器）。
[0032] 如图1所示，溫度传感器7优选为DS18B20数字溫度传感器。
[0033] 在硬件系统上，本实用新型采用了一片高密度的可编程逻辑口列阵(FPGA)作为硬 件设计平台，为了实现复杂的控制，在可编程逻辑口列阵（FPGA)中内嵌了一个32位的 NiosII处理器3eNiosII处理器3是Altera公司提供的32位软核处理器。在系统设计时，设计 者根据项目的要求，把Nios II软核CPU免费地内嵌在A1 tera公司生产的FPGA中。SDRAM控制 器9控制着外围的SDRAM存储器13，用于存放数据。JTAG控制器11、UART控制器12能实现程序 的下载和在线调试功能;EPSC控制器2控制着EPSC4存储器6,用于存储FPGA配制文件;LCD控 审IJ器10控制着LCD显示器14,用于显示测得的数据。超声波控制器1是根据外部的超声波收 发模块5的电气特性而设计的用户自定义控制器，其输出引脚TRIG和EC册与外部的超声波 收发模块相连，控制超声波收发模块5进行测距。溫度对超声波的传播速度影响较大，本系 统设计溫度补偿电路来提高测量精度。本系统通过PI04与DS18B20数字溫度传感器相连。
[0034] 如图2所示，接口单元电路11，起着连接Avalo-MM总线和超声波控制器1的作用。因 为在接口单元电路11内部有地址译码器，所WNios II处理器3可W通过地址译码器，访问控 制器中的所有寄存器。倍频器17的作用是把50MHz的系统时钟倍频到lOOMHz，从而提高系统 的测量精度。状态机15控制中各个模块协调的工作，通过产生各种时序信号来实现的。TRIG 是超声波收发模块的触发信号;ECHO是超声波反射波接收判断输入信号；ST是计数器启动 信号，高电平计数器开始计数;CLR是计数器清零信号，CLR为高电平时对计数器的值清零;Η 是计数器值保存控制信号，Η为高电平时，计数器的当前值被保存在计数器寄存器。在超声 波控制器1中，还定义Ξ个寄存器，运Ξ个寄存器定义和地址分配情况如表1所示。
[0035] 表1寄存器定义与地址分配
[0036]
[0037] 超声波测距仪的SOP网更件设计，采用是Altera公司的S0PC Builder开发工具进行 开发。S0PC Builder是一个Altera公司提供的功能强大的系统开发工具，嵌入式系统设计 师可W利用此工具非常轻松地设计一个基于NiosII处理器的片上系统。在S0PC Builder的 图形用户界面中，设计者可W把S0PC Builder库中功能模块添加到系统中，除此之外，S0PC Builder还允许设计者把用户自定义逻辑单元添加到S0PC Builder库中。表2,是利用S0PC Builder开发工具定义的硬件系统，其中，ultrasonc是超声波控制器，是用户自定义逻辑控 制单元。
[0038] 表2硬件系统模块的定义
[0039]
[0040] 如图3所示，状态机15是超声波控制器1的关键模块，其作用是能产生各种控制时 序。图3为状态机的状态转换图，一共设有空闲、启动、计数、数据保存和计数器清零五个状 态。在加电时，状态机处于空闲状态，一旦NiosII软核CPU向控制寄存器写入启动指令时，状 态机15进入启动状态。在启动状态中，状态机15-方面对启动寄存器13进行清零操作，另一 方面，产生超声波测距启动信号TRIG,启动超声波测距模块产生超声波，运些任务完成之 后，状态机15进入计数状态。在计数状态中，计数器16对lOOMHz时钟进行计数，当超声波收 发模块5收到被障碍物反射回来的超声波时，ECHO变为低电平，计数器16停止计数，状态机 15进行数据保存状态。在数保存状态中，计数数16据被保存在计数寄存器14中。数据被保存 之后，状态机15进入计数器16数据清零状态，运时计数器16中的值被清零，为下次计数做好 准备。
[0041] 超声波的传播速度极易受到溫度的影响。超声波在常溫下的传播速度大约为％ο 米/秒，但当溫度发生变化时，超声波的传播速度会发生变化，例如，当溫度每升高rc时，超 声波的传播速度会增加0.6米/秒，因此，在利用超声波测量距离时，必需考虑溫度对超声波 传播速度的影响。
[0042] 为了提高测量精度，本系统设计溫度补偿电路。本系统的溫度补偿电路主要是采 用了 DS18B20全数字溫度传感器来测量环境溫度，再利用公式（1)对超声波传播速度进行溫 度补偿。
[0043] V = 331.4+0.61T (1)
[0044] 在式(1)中，V为超声波补偿后的传播速度，T为实际摄氏溫度值。
[0045] 如图4所示，为了让本测试仪正常工作，还需要设计本系统的控制程序。系统程序 采用Altera公司的Nios II EDS 8.0集成开发环境对系统程序进行开发。图4为本系统程序 算法流程图。程序启动后，首先Nios II主程序对系统的有关设备进行初始化操作，例如， LO)液晶屏初始化、溫度传感器DS18B20初始化和串口初始化等。系统初始化完成之后，Nios II软核CPU读取DS18B20溫度值，获取当前测试环境的溫度值。完成溫度读取之后，Nios II 向超声波控制中的启动寄存器发送启动指令，启动超声波测距模块进行测距。然后，Nios II读取状态寄存器的值，了解控制器的工作状态。如果控制器正处于"忙"工作状态时，控制 器延时一段时间，再次读取状态信息，如果了解到控制器正处于"闲"工作状态时，读取计数 寄存器中的值，通过公式（1)对超声波的传播速度进行修正。再利用修正过的传播速度，计 算测距并显示距离。
[0046] 为了进一步的评估本超声波测距精度，我们根据W上的设计方法，利用一块高密 度的可编程逻辑口列阵(FPGA)和超声波收发模块，设计了一台试验样机，并对该试验样机 进行性能测试。可编程逻辑口列阵(FPGA)采用Altera公司生产的EP1C6Q240C8,超声波收发 模块5采用了 HC-SR04模块。表3为试验样机的一组测试结果，从测试结果可W看出，利用本 测试测量距离时，除了测量近距离的相对误差在2 %之外，测量中长距离的相对误差保持在 1 % W内，因此，本测试仪具有较高的测量精度。
[0047] 表3测试结果
[004引
[0049] 如图1至图4所示，本实用新型提供的一种高精度超声波测距仪系统，超声波测距 仪是一种非接触式距离测量工具，具有很多的优点，本实用新型针对传统单片机超声波测 距仪测量误差大的缺点，采用软硬件协同设计方法和自定义用户IP核技术，设计一套基于 NiosII的高精度超声波距离测量系统，本系统具有可靠性高、集成度高、响应速度快、精度 高和成本低廉等优点，因此有一定的实用价值和推广价值。
[0050] W上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能 认定本实用新型的具体实施只局限于运些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术 人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可W做出若干简单推演或替换，都应当视 为属于本实用新型的保护范围。
【主权项】
1. 一种高精度超声波测距仪系统，其特征在于:包括控制器单元、处理器单元、存储器 单元、温度补偿电路和总线，所述存储器单元与所述控制器单元连接，所述控制器单元、处 理器单元、温度补偿电路分别与所述总线连接，所述控制器单元包括超声波测距单元，所述 超声波测距单元包括超声波控制器和超声波收发模块，所述超声波控制器与所述超声波收 发模块连接。2. 根据权利要求1所述的高精度超声波测距仪系统，其特征在于:所述超声波控制器包 括接口单元电路、状态寄存器、启动寄存器、计数寄存器、状态机、计数器和倍频器，其中，所 述倍频器的输出端分别与所述状态机、计数器连接，所述状态机的输出端分别与所述状态 寄存器、计数器连接，所述计数器的输出端与所述计数寄存器连接，所述计数寄存器的输出 端与所述接口单元电路连接，所述状态寄存器的输出端与所述接口单元电路连接，所述接 口单元电路与所述总线连接，所述接口单元电路的输出端与所述启动寄存器连接，所述启 动寄存器与所述状态机连接。3. 根据权利要求2所述的高精度超声波测距仪系统，其特征在于:所述状态机设有TRIG 弓丨脚和ECHO引脚，所述状态机分别通过所述TRIG引脚、ECHO引脚与所述超声波收发模块连 接，所述超声波控制器通过所述TRIG引脚向所述超声波收发模块发送触发信号，所述超声 波收发模块通过所述ECHO引脚向所述超声波控制器发送超声波反射波接收判断输入信号。4. 根据权利要求2所述的高精度超声波测距仪系统，其特征在于:所述状态机设有CLR 引脚、H引脚和ST引脚，所述状态机分别通过所述CLR引脚、H引脚、ST引脚与所述计数器连 接，所述状态机通过所述CLR引脚向所述计数器发送计数器清零信号，所述状态机通过所述 H引脚向所述计数器发送高电平，所述状态机通过所述ST引脚向所述计数器发送计数器启 动信号。5. 根据权利要求1所述的高精度超声波测距仪系统，其特征在于:所述控制器单元还包 括JTAG控制器、UART控制器、EPCS控制器、IXD控制器、SDRAM控制器，其中，所述IXD控制器连 接有LCD显示器，所述JTAG控制器、UART控制器、EPCS控制器、IXD控制器、SDRAM控制器分别 与所述总线连接。6. 根据权利要求5所述的高精度超声波测距仪系统，其特征在于:所述总线为Avalon-丽总线。7. 根据权利要求5所述的高精度超声波测距仪系统，其特征在于:所述高精度超声波测 距仪系统还包括PC机，所述JTAG控制器、UART控制器分别与所述PC机连接。8. 根据权利要求5所述的高精度超声波测距仪系统，其特征在于:所述存储器单元包括 EPCS4存储器、SDRAM存储器，所述SDRAM控制器与所述SDRAM存储器连接，所述EPCS控制器与 所述EPCS4存储器连接。9. 根据权利要求1所述的高精度超声波测距仪系统，其特征在于:所述处理器单元包括 Nios II处理器，所述Nios II处理器与所述总线连接。10. 根据权利要求1所述的高精度超声波测距仪系统，其特征在于:所述温度补偿电路 包括通用输入输出接口和温度传感器，所述温度传感器通过所述通用输入输出接口与所述 总线连接。
【文档编号】G01S7/52GK205484791SQ201521046391
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2015年12月15日
【发明人】杨秀增, 郑鑫, 韦树贡, 李姗姗, 刘志涛, 罗晓芳, 肖丽玲
【申请人】广西民族师范学院