專利名稱：一種多功能超聲波測(cè)距數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多功能超聲波測(cè)距數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
智能移動(dòng)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人等智能移動(dòng)設(shè)備在日常生活、工程作業(yè)以及軍事上有著廣泛的應(yīng)用，它們?cè)谖粗膹?fù)雜環(huán)境中進(jìn)行目標(biāo)作業(yè)時(shí)都需要對(duì)自身狀態(tài)，如位移，壓力，溫度等進(jìn)行采集；同時(shí)還需要對(duì)障礙物信息具備很強(qiáng)的感知能力。智能移動(dòng)機(jī)器人上安裝著多種傳感器，例如超聲波傳感器，溫度傳感器，接觸開(kāi)關(guān)等，這些傳感器就組成了機(jī)器人的環(huán)境和狀態(tài)感知系統(tǒng)。為了對(duì)感知系統(tǒng)中傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，機(jī)器人需要使用ー個(gè)數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集傳感器數(shù)據(jù)，并將結(jié)果傳輸給決策層。目前有使用各類總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪M信號(hào)采集系統(tǒng)和使用串ロ進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)某暡y(cè)距系統(tǒng)，然而現(xiàn)有的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)無(wú)法對(duì)智能移動(dòng)機(jī)器人上使用的超聲波測(cè)距傳感器、溫度傳感器、壓カ傳感器和位置開(kāi)關(guān)信號(hào)同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。智能移動(dòng)機(jī)器人中應(yīng)用的現(xiàn)有的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)， 由于沒(méi)有集成超聲波傳感器和多個(gè)其他傳感器，從而增加了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度，且容易造成系統(tǒng)不穩(wěn)定；在超聲波回波信號(hào)的檢測(cè)過(guò)程中，由于存在信號(hào)干擾，測(cè)量結(jié)果往往不準(zhǔn)確。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種多功能超聲波測(cè)距數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，包括微處理器、RAM存儲(chǔ)器和模擬信號(hào)采集模塊，RAM存儲(chǔ)器和模擬信號(hào)采集模塊均與微處理器連接；所述模擬信號(hào)采集模塊至少包括超聲波采集模塊和溫度采集模塊；超聲波采集模塊包括譯碼器、發(fā)送通路模擬開(kāi)關(guān)、超聲波發(fā)送電路、接收通路模擬開(kāi)關(guān)、超聲波接收電路以及超聲波檢測(cè)電路；譯碼器具有2N個(gè)輸出端；發(fā)送通路模擬開(kāi)關(guān)和接收通路模擬開(kāi)關(guān)分別具有N個(gè)輸出端和N個(gè)輸入端；超聲波接收電路以及超聲波檢測(cè)電路均為N個(gè)；N為大于或等于2的整數(shù)；譯碼器的地址輸入端與微處理器相連；發(fā)送通路模擬開(kāi)關(guān)的輸入信號(hào)自微處理器引出，發(fā)送通路模擬開(kāi)關(guān)的N個(gè)輸出端分別接N路超聲波發(fā)送電路；發(fā)送通路模擬開(kāi)關(guān)的N個(gè)控制端與譯碼器的第一組的N個(gè)輸出端對(duì)應(yīng)相接；N路超聲波接收電路的輸出端分別接接收通路模擬開(kāi)關(guān)的N個(gè)輸入端；接收通路模擬開(kāi)關(guān)的輸出信號(hào)經(jīng)超聲波檢測(cè)電路處理后進(jìn)入微處理器；接收通路模擬開(kāi)關(guān)的N個(gè)控制端與譯碼器的第二組的N個(gè)輸出端對(duì)應(yīng)相接。該系統(tǒng)還包括PC104總線控制器和地址譯碼電路；所述的RAM存儲(chǔ)器為雙ロ RAM處理器，地址譯碼電路與雙ロ RAM存儲(chǔ)器相連；PC104總線控制器、地址譯碼電路和雙ロ RAM存儲(chǔ)器均通過(guò)PC104總線互聯(lián)。
所述系統(tǒng)還包括與微處理器相連的數(shù)字信號(hào)采集模塊。所述的N大于等于4，所述的譯碼器為3輸入-8輸出譯碼器。所述模擬信號(hào)采集模塊包括跳選接ロ和將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換電路。一種超聲波測(cè)距數(shù)據(jù)采集方法，采用上述的多功能超聲波測(cè)距數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，基于PC/104總線將超聲波傳感器和溫度傳感器、壓カ傳感器、位置開(kāi)關(guān)信號(hào)等其他多個(gè)傳感器的集成設(shè)計(jì)，通過(guò)主控器對(duì)總線進(jìn)行控制，通過(guò)總線與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接后，同時(shí)收集所有傳感器信號(hào)。所述方法中采用所測(cè)溫度對(duì)超聲波速度進(jìn)行修正，修正公式為
C = 331.45Jl + ~~ & 331.45 + 0.61/，其中c為超聲波速度，t為溫度傳感器所測(cè)
V 273.16溫度。所述方法中采集的模擬信號(hào)包括電壓信號(hào)和電流信號(hào)。有益效果本發(fā)明ー種多功能超聲波測(cè)距數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)基于PC/104總線將超聲波傳感器和溫度傳感器、壓カ傳感器、位置開(kāi)關(guān)信號(hào)等其他多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)采集進(jìn)行集成設(shè)計(jì)，保障了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的速度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)所有傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行同時(shí)采集，能夠利用處理器接收多路超聲波傳感器的信號(hào)，利用雙ロ RAM實(shí)現(xiàn)了PC/104總線的控制器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互，方便了不同采樣速度的傳感器數(shù)據(jù)與外界進(jìn)行交互，通過(guò)電流到電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換電路結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)0-5V或4-20mA兩種模擬信號(hào)進(jìn)行采集，采用多路模擬開(kāi)關(guān)對(duì)超聲波發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)進(jìn)行切換，對(duì)聲波發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)進(jìn)行了有效隔離，減輕超聲波發(fā)射信號(hào)對(duì)接收檢測(cè)的干擾，并使用自帶信號(hào)放大、自動(dòng)增益控制與檢波電路的CX20106進(jìn)行超聲波回波信號(hào)檢測(cè)，使檢測(cè)精度得到保障，同時(shí)還擴(kuò)展了模擬信號(hào)采集功能和數(shù)字信號(hào)輸入輸出功能，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，可靠性強(qiáng)，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。


圖I為本發(fā)明的硬件結(jié)構(gòu)圖；圖2為本發(fā)明的總線接ロ電路圖；圖3為單片機(jī)與超聲波檢測(cè)模塊連接圖；圖4為超聲波信號(hào)選通電路圖；圖5為電流到電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換電路；圖6為電流到電壓轉(zhuǎn)換曲線圖；圖7(a)和(b)分別為擴(kuò)展數(shù)字信號(hào)輸入和輸出模塊電路圖；圖8為譯碼電路圖；圖9為本發(fā)明中處理器和總線與雙ロ RAM訪問(wèn)地址對(duì)應(yīng)關(guān)系圖。
具體實(shí)施例方式以下將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)ー步說(shuō)明如圖I所示為本發(fā)明的硬件結(jié)構(gòu)圖，多功能超聲波測(cè)距數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括電壓或電流信號(hào)采集模塊、超聲波采集模塊、數(shù)字信號(hào)輸入模塊、數(shù)字信號(hào)輸出模塊、處理器、雙ロRAM、地址譯碼電路及PC104總線。如圖2所示為本發(fā)明的總線接ロ電路圖，處理器通過(guò)雙ロ RAM與PC/104總線連接，與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。如圖3所示為處理器與超聲波檢測(cè)模塊連接圖，處理器與譯碼芯片74LS138與模擬開(kāi)關(guān)相連；四路超聲波發(fā)送電路分別受四個(gè)模擬開(kāi)關(guān)輸出信號(hào)控制，接收到的超聲波回波信號(hào)，可以經(jīng)過(guò)四個(gè)模擬開(kāi)關(guān)傳送到超聲波檢測(cè)電路中進(jìn)行檢測(cè)。聲波測(cè)距檢測(cè)步驟如下步驟I :單片機(jī)輸出40kHz占空比為50%的脈沖信號(hào)至模擬開(kāi)關(guān)輸入端；步驟2 :控制74LS138模擬開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)間為125 μ S，保證至少輸出4個(gè)超聲波脈沖 至IJ超聲波發(fā)送電路；步驟3 :控制74LS138的使能端輸入等于0，關(guān)閉所有模擬開(kāi)關(guān)；步驟4:避開(kāi)余震影響時(shí)間經(jīng)過(guò)Ims后打開(kāi)模擬開(kāi)關(guān)，通常余震影響時(shí)間小于O. 8ms，為了避余震的影響經(jīng)過(guò)Ims后打開(kāi)模擬開(kāi)關(guān)進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)，將傳感器接收到的回波信號(hào)通過(guò)引入到超聲波信號(hào)檢測(cè)電路，檢測(cè)電路開(kāi)始進(jìn)行超聲波回波信號(hào)的檢測(cè)，并將檢測(cè)結(jié)果輸入到單片機(jī)的外部中斷O端ロ；步驟5 :如果檢測(cè)到回波信號(hào)則產(chǎn)生單片機(jī)中斷，通過(guò)測(cè)量從發(fā)射超聲波信號(hào)到接收超聲波回波信號(hào)的時(shí)間計(jì)算障礙物距離；步驟6 :單通道檢測(cè)時(shí)間25ms結(jié)束后，一個(gè)測(cè)距通道的檢測(cè)完成，進(jìn)入下一測(cè)距通道的檢測(cè)，控制選通下一個(gè)超聲波檢測(cè)通道相關(guān)的模擬開(kāi)關(guān)，重復(fù)步驟I到步驟5。其中，模擬開(kāi)關(guān)采用包含四個(gè)模擬開(kāi)關(guān)的⑶4066，總共用了兩片⑶4066，一片74LS138 ;非門采用兩片74LS04。如圖4所示為超聲波信號(hào)選通電路圖，單片機(jī)輸出譯碼電路控制信號(hào)到74LS138和40kHz超聲波信號(hào)到四個(gè)模擬開(kāi)關(guān)的信號(hào)輸入端，74LS138譯碼輸出信號(hào)進(jìn)過(guò)非門后連接到八個(gè)模擬開(kāi)關(guān)的控制端，八個(gè)模擬開(kāi)關(guān)中有四個(gè)用于選通單片機(jī)傳輸?shù)?0kHz超聲波脈沖信號(hào)到四路超聲波發(fā)送電路，四個(gè)用于選通超聲波回波信號(hào)到超聲波信號(hào)檢測(cè)電路。擴(kuò)展模擬信號(hào)采集模塊連接到處理器AD信號(hào)輸入通道，處理器通過(guò)對(duì)AD信號(hào)輸入通道上的信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，可以采集得到輸入的模擬信號(hào)值。模塊通過(guò)跳選接ロ選擇不同的信號(hào)輸入類型。如圖5所示為電流/電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換電路圖，該轉(zhuǎn)換電話包含跳選接ロ JP1，其中CONl為傳感器信號(hào)輸入接ロ，支持兩線制傳感器和三線制傳感器輸入，引腳I為電壓信號(hào)輸入，引腳2為電流信號(hào)輸入，3和4為電源引腳；JPl為跳選接ロ，2腳連接到單片機(jī)AD采集ロ，I和2引腳相連時(shí)為電流信號(hào)采集模式，2和3腳相連時(shí)為電壓信號(hào)采集模式。跳選接ロ的設(shè)計(jì)提高了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)用性，讓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以適應(yīng)不同信號(hào)類型傳感器的應(yīng)用場(chǎng)合。模擬信號(hào)采集電路的4-20mA電流到0-5V電壓轉(zhuǎn)換曲線如圖6所示，從該曲線可以看出電流到電壓的轉(zhuǎn)換性非常好，能滿足采集需求。如圖7 Ca)和(b)示分別為擴(kuò)展數(shù)字信號(hào)輸入和輸出模塊電路圖，電路與單片機(jī)I/O ロ相連，單片機(jī)通過(guò)控制單片機(jī)I/O的輸入和輸出從而控制數(shù)字信號(hào)輸入輸出模塊進(jìn)行數(shù)字信號(hào)的輸出和讀取；數(shù)字信號(hào)輸入電路中的INPUT和數(shù)字信號(hào)輸出電路的OUTPUT連接到單片機(jī)的I/o ロ，每個(gè)數(shù)字信號(hào)可以從輸入端子的I或2腳輸入一路開(kāi)關(guān)量信號(hào)，如將1，2腳分別和接觸開(kāi)關(guān)兩端連接；還可以從輸入端子的I腳輸入一路數(shù)字電壓信號(hào)，其中輸出電路中1、3腳為電源腳，2腳為信號(hào)輸出腳；主控制器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過(guò)總線進(jìn)行控制信號(hào)和采樣數(shù)據(jù)交互，為了不和其他可能需要占用I/O地址的外設(shè)發(fā)生地址沖突，采集卡設(shè)計(jì)了一個(gè)地址可以選擇的譯碼電路。如圖8所示為譯碼電路圖，譯碼電路產(chǎn)生的片選信號(hào)連接到雙ロ RAM的CER端ロ，撥碼開(kāi)關(guān)可以對(duì)地址的高四位進(jìn)行選擇，高四位地址0000到1111可選，中間一位地址固定為O。另外五根地址線與IDT7130的ARO. . AR4連接。為了使用IDT7130的中斷控制“郵箱”3FEH和3FFH，IDT7130的AR5-AR9地址線被拉高。這樣PC/104總線訪問(wèn)到的總是IDT7130的3E0H-3FFH空間。同樣的單片機(jī)只對(duì)IDT7130的ADLO…ADL4地址 線操作有效，AL5…AL9地址線被拉高，這樣單片機(jī)訪問(wèn)到的也是3E0H—3FFH的地址空間，其單片機(jī)和PC/104總線訪問(wèn)雙ロ RAM時(shí)地址對(duì)應(yīng)關(guān)系圖如9所示。
權(quán)利要求
1.一種多功能超聲波測(cè)距數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于，包括微處理器、RAM存儲(chǔ)器和模擬信號(hào)采集模塊，RAM存儲(chǔ)器和模擬信號(hào)采集模塊均與微處理器連接； 所述模擬信號(hào)采集模塊至少包括超聲波采集模塊和溫度采集模塊； 超聲波采集模塊包括譯碼器、發(fā)送通路模擬開(kāi)關(guān)、超聲波發(fā)送電路、接收通路模擬開(kāi)關(guān)、超聲波接收電路以及超聲波檢測(cè)電路； 譯碼器具有2N個(gè)輸出端；發(fā)送通路模擬開(kāi)關(guān)和接收通路模擬開(kāi)關(guān)分別具有N個(gè)輸出端和N個(gè)輸入端；超聲波接收電路以及超聲波檢測(cè)電路均為N個(gè)；N為大于或等于2的整數(shù)；譯碼器的地址輸入端與微處理器相連； 發(fā)送通路模擬開(kāi)關(guān)的輸入信號(hào)自微處理器引出，發(fā)送通路模擬開(kāi)關(guān)的N個(gè)輸出端分別接N路超聲波發(fā)送電路；發(fā)送通路模擬開(kāi)關(guān)的N個(gè)控制端與譯碼器的第一組的N個(gè)輸出端對(duì)應(yīng)相接； N路超聲波接收電路的輸出端分別接接收通路模擬開(kāi)關(guān)的N個(gè)輸入端；接收通路模擬開(kāi)關(guān)的輸出信號(hào)經(jīng)超聲波檢測(cè)電路處理后進(jìn)入微處理器；接收通路模擬開(kāi)關(guān)的N個(gè)控制端與譯碼器的第二組的N個(gè)輸出端對(duì)應(yīng)相接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多功能超聲波測(cè)距數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于，還包括PC104總線控制器和地址譯碼電路；所述的RAM存儲(chǔ)器為雙口 RAM處理器，地址譯碼電路與雙口RAM存儲(chǔ)器相連；PC104總線控制器、地址譯碼電路和雙口 RAM存儲(chǔ)器均通過(guò)PC104總線互聯(lián)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多功能超聲波測(cè)距數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于，還包括與微處理器相連的數(shù)字信號(hào)采集模塊。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多功能超聲波測(cè)距數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于，所述的N大于等于4，所述的譯碼器為3輸入-8輸出譯碼器。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種多功能超聲波測(cè)距采集系統(tǒng)，其特征在于，所述模擬信號(hào)采集模塊包括跳選接口和將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換電路。
6.一種超聲波測(cè)距數(shù)據(jù)采集方法，其特征在于，采用權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的多功能超聲波測(cè)距數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，基于PC/104總線將超聲波傳感器和溫度傳感器、壓力傳感器、位置開(kāi)關(guān)信號(hào)等其他多個(gè)傳感器的集成設(shè)計(jì)，通過(guò)主控器對(duì)總線進(jìn)行控制，通過(guò)總線與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接后，同時(shí)收集所有傳感器信號(hào)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的超聲波測(cè)距數(shù)據(jù)采集方法，其特征在于，所述方法中采用所測(cè)溫度對(duì)超聲波速度進(jìn)行修正，修正公式為C = 331.45J1+~~ 331.45 + 0.61/ ,其中c為V 273.16超聲波速度，t為溫度傳感器所測(cè)溫度。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的超聲波測(cè)距數(shù)據(jù)采集方法，其特征在于，所述方法中采集的模擬信號(hào)包括電壓信號(hào)和電流信號(hào)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種多功能超聲波測(cè)距數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)包括微處理器、RAM存儲(chǔ)器和模擬信號(hào)采集模塊，RAM存儲(chǔ)器和模擬信號(hào)采集模塊均與微處理器連接；所述模擬信號(hào)采集模塊中的超聲波采集模塊包括譯碼器、發(fā)送和接收通路模擬開(kāi)關(guān)、超聲波發(fā)送和發(fā)送電路以及超聲波檢測(cè)電路。采用該方法基于PC/104總線將超聲波傳感器和溫度傳感器、壓力傳感器、位置開(kāi)關(guān)信號(hào)等其他多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)采集進(jìn)行集成設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)所有傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行同時(shí)采集，通過(guò)譯碼器對(duì)模擬開(kāi)關(guān)的選通從而控制超聲波的發(fā)送和接收，對(duì)聲波發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)進(jìn)行有效隔離，減輕超聲波發(fā)射信號(hào)對(duì)接收檢測(cè)的干擾，提高檢測(cè)精度，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，可靠性強(qiáng)，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。
文檔編號(hào)G01S15/08GK102819021SQ201210315599
公開(kāi)日2012年12月12日 申請(qǐng)日期2012年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月30日
發(fā)明者王耀南, 肖贊, 陳友輝, 劉理 申請(qǐng)人:湖南大學(xué)