一種高精度超聲波測(cè)距儀系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及超聲波測(cè)距，尤其涉及一種高精度超聲波測(cè)距儀系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 超聲波測(cè)距儀，是利用超聲波測(cè)量距離的一種非接觸式距離測(cè)量工具。因超聲波 具有定向性好、使用方便、成本低廉、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，所以超聲波測(cè)儀在工業(yè)測(cè)量、車 輛避障、安全預(yù)警、液位測(cè)量、機(jī)械內(nèi)部損傷檢、車輛自動(dòng)導(dǎo)航以及機(jī)器人等領(lǐng)域得到廣泛 地應(yīng)用。然而，目前大多數(shù)超聲波測(cè)距儀一般采用MCS-51單片機(jī)作為控制器，其測(cè)量精度， 由于受到定時(shí)器鐘頻率的限制，難以令人滿意。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種高精度超聲波測(cè)距儀系統(tǒng)。
[0004] 本發(fā)明提供了一種高精度超聲波測(cè)距儀系統(tǒng)，包括控制器單元、處理器單元、存儲(chǔ) 器單元、溫度補(bǔ)償電路和總線，所述存儲(chǔ)器單元與所述控制器單元連接，所述控制器單元、 處理器單元、溫度補(bǔ)償電路分別與所述總線連接，所述控制器單元包括超聲波測(cè)距單元，所 述超聲波測(cè)距單元包括超聲波控制器和超聲波收發(fā)模塊，所述超聲波控制器與所述超聲波 收發(fā)模塊連接。
[0005] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述超聲波控制器包括接口單元電路、狀態(tài)寄存器、啟 動(dòng)寄存器、計(jì)數(shù)寄存器、狀態(tài)機(jī)、計(jì)數(shù)器和倍頻器，其中，所述倍頻器的輸出端分別與所述狀 態(tài)機(jī)、計(jì)數(shù)器連接，所述狀態(tài)機(jī)的輸出端分別與所述狀態(tài)寄存器、計(jì)數(shù)器連接，所述計(jì)數(shù)器 的輸出端與所述計(jì)數(shù)寄存器連接，所述計(jì)數(shù)寄存器的輸出端與所述接口單元電路連接，所 述狀態(tài)寄存器的輸出端與所述接口單元電路連接，所述接口單元電路與所述總線連接，所 述接口單元電路的輸出端與所述啟動(dòng)寄存器連接，所述啟動(dòng)寄存器與所述狀態(tài)機(jī)連接。
[0006] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述狀態(tài)機(jī)設(shè)有TRIG引腳和ECHO引腳，所述狀態(tài)機(jī)分 別通過(guò)所述TRIG引腳、ECHO引腳與所述超聲波收發(fā)模塊連接，所述超聲波控制器通過(guò)所述 TRIG引腳向所述超聲波收發(fā)模塊發(fā)送觸發(fā)信號(hào)，所述超聲波收發(fā)模塊通過(guò)所述ECHO引腳 向所述超聲波控制器發(fā)送超聲波反射波接收判斷輸入信號(hào)。
[0007] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述狀態(tài)機(jī)設(shè)有CLR引腳、Η引腳和ST引腳，所述狀態(tài) 機(jī)分別通過(guò)所述CLR引腳、Η引腳、ST引腳與所述計(jì)數(shù)器連接，所述狀態(tài)機(jī)通過(guò)所述CLR引 腳向所述計(jì)數(shù)器發(fā)送計(jì)數(shù)器清零信號(hào)，所述狀態(tài)機(jī)通過(guò)所述Η引腳向所述計(jì)數(shù)器發(fā)送高電 平，所述狀態(tài)機(jī)通過(guò)所述ST引腳向所述計(jì)數(shù)器發(fā)送計(jì)數(shù)器啟動(dòng)信號(hào)。
[0008] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述控制器單元還包括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控制器連接有IXD顯示器，所述JTAG 控制器、UART控制器、EPCS控制器、IXD控制器、SDRAM控制器分別與所述總線連接。
[0009] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述總線為Avalon-MM總線。
[0010] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述高精度超聲波測(cè)距儀系統(tǒng)還包括PC機(jī)，所述JTAG 控制器、UART控制器分別與所述PC機(jī)連接。
[0011] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述存儲(chǔ)器單元包括EPCS4存儲(chǔ)器、SDRAM存儲(chǔ)器，所 述SDRAM控制器與所述SDRAM存儲(chǔ)器連接，所述EPCS控制器與所述EPCS4存儲(chǔ)器連接。
[0012] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述處理器單元包括NiosII處理器，所述NiosII處理 器與所述總線連接。
[0013] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述溫度補(bǔ)償電路包括通用輸入輸出接口和溫度傳感 器，所述溫度傳感器通過(guò)所述通用輸入輸出接口與所述總線連接。
[0014] 本發(fā)明的有益效果是：超聲波控制器是根據(jù)外部的超聲波收發(fā)模塊的電氣特性而 設(shè)計(jì)的用戶自定義控制器，其與外部的超聲波收發(fā)模塊相連，控制超聲波收發(fā)模塊進(jìn)行測(cè) 距；溫度對(duì)超聲波的傳播速度影響較大，通過(guò)溫度補(bǔ)償電路來(lái)提高測(cè)量精度，具有可靠性 高、集成度高、響應(yīng)速度快、精度高和成本低廉等特點(diǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0015] 圖1是本發(fā)明一種高精度超聲波測(cè)距儀系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖。
[0016] 圖2是本發(fā)明一種高精度超聲波測(cè)距儀系統(tǒng)的超聲波控制器的硬件框圖。
[0017] 圖3是本發(fā)明一種高精度超聲波測(cè)距儀系統(tǒng)的狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。
[0018] 圖4是本發(fā)明一種高精度超聲波測(cè)距儀系統(tǒng)的控制流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 下面結(jié)合【附圖說(shuō)明】及【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。
[0020] 圖1至圖4中的附圖標(biāo)號(hào)為：超聲波控制器1 ;接口單元電路11 ;狀態(tài)寄存器12 ; 啟動(dòng)寄存器13 ;計(jì)數(shù)寄存器14 ;狀態(tài)機(jī)15 ;計(jì)數(shù)器16 ;倍頻器17 ;EPCS控制器2 ;Ni〇sII處 理器3 ;PI04 ;超聲波收發(fā)模塊5 ;EPCS4存儲(chǔ)器6 ;溫度傳感器7 ;總線8 ;SDRAM控制器9 ; IXD作控制器10JTAG控制器11 ;UART控制器12 ;SDRAM存儲(chǔ)器13 ;IXD顯示器14。
[0021] 如圖1所示，一種高精度超聲波測(cè)距儀系統(tǒng)，包括控制器單元、處理器單元、存儲(chǔ) 器單元、溫度補(bǔ)償電路和總線8,所述存儲(chǔ)器單元與所述控制器單元連接，所述控制器單元、 處理器單元、溫度補(bǔ)償電路分別與所述總線8連接，所述控制器單元包括超聲波測(cè)距單元， 所述超聲波測(cè)距單元包括超聲波控制器1和超聲波收發(fā)模塊5,所述超聲波控制器1與所述 超聲波收發(fā)模塊5連接。
[0022] 如圖1所示，所述超聲波收發(fā)模塊5優(yōu)選為HC-SR04超聲波收發(fā)模塊。
[0023] 如圖2所示，所述超聲波控制器1包括接口單元電路11、狀態(tài)寄存器12、啟動(dòng)寄存 器13、計(jì)數(shù)寄存器14、狀態(tài)機(jī)15、計(jì)數(shù)器16和倍頻器17,其中，所述倍頻器17的輸出端分 別與所述狀態(tài)機(jī)15、計(jì)數(shù)器16連接，所述狀態(tài)機(jī)15的輸出端分別與所述狀態(tài)寄存器12、計(jì) 數(shù)器16連接，所述計(jì)數(shù)器16的輸出端與所述計(jì)數(shù)寄存器14連接，所述計(jì)數(shù)寄存器14的輸 出端與所述接口單元電路11連接，所述狀態(tài)寄存器12的輸出端與所述接口單元電路11連 接，所述接口單元電路11與所述總線8連接，所述接口單元電路11的輸出端與所述啟動(dòng)寄 存器13連接，所述啟動(dòng)寄存器13與所述狀態(tài)機(jī)15連接。
[0024] 如圖1至圖2所示，所述狀態(tài)機(jī)15設(shè)有TRIG引腳和ECHO引腳，所述狀態(tài)機(jī)15分 別通過(guò)所述TRIG引腳、ECHO引腳與所述超聲波收發(fā)模塊5連接，所述超聲波控制器1通過(guò) 所述TRIG引腳向所述超聲波收發(fā)模塊5發(fā)送觸發(fā)信號(hào)，所述超聲波收發(fā)模塊5通過(guò)所述ECHO引腳向所述超聲波控制器1發(fā)送超聲波反射波接收判斷輸入信號(hào)。
[0025] 如圖1所示，所述狀態(tài)機(jī)15設(shè)有CLR引腳、Η引腳和ST引腳，所述狀態(tài)機(jī)15分別 通過(guò)所述CLR引腳、Η引腳、ST引腳與所述計(jì)數(shù)器16連接，所述狀態(tài)機(jī)15通過(guò)所述CLR引 腳向所述計(jì)數(shù)器16發(fā)送計(jì)數(shù)器清零信號(hào)，所述狀態(tài)機(jī)15通過(guò)所述Η引腳向所述計(jì)數(shù)器16 發(fā)送高電平，所述狀態(tài)機(jī)15通過(guò)所述ST引腳向所述計(jì)數(shù)器16發(fā)送計(jì)數(shù)器啟動(dòng)信號(hào)。
[0026] 如圖1所示，所述控制器單元還包括JTAG控制器11、UART控制器12、EPCS控制 器2、IXD控制器10、SDRAM控制器9,其中，所述IXD控制器10連接有IXD顯示器14,所述 JTAG控制器11、UART控制器12、EPCS控制器2、IXD控制器10、SDRAM控制器9分別與所述 總線8連接。
[0027] 如圖1至圖2所示，所述總線8優(yōu)選為Avalon-MM總線。
[0028] 如圖1所示，所述高精度超聲波測(cè)距儀系統(tǒng)還包括PC機(jī)，所述JTAG控制器11、 UART控制器12分別與所述PC機(jī)連接。
[0029] 如圖1所示，所述存儲(chǔ)器單元包括EPCS4存儲(chǔ)器6、SDRAM存儲(chǔ)器13，所述SDRAM控 制器9與所述SDRAM存儲(chǔ)器13連接，所述EPCS控制器2與所述EPCS4存儲(chǔ)器6連接。
[0030] 如圖1所示，所述處理器單元包括NiosII處理器3,所述NiosII處理器3與所述 總線8連接。
[0031] 如圖1所示，所述溫度補(bǔ)償電路包括通用輸入輸出接口和溫度傳感器7,所述溫 度傳感器7通過(guò)所述通用輸入輸出接口與所述總線8連接，所述通用輸入輸出接口簡(jiǎn)稱為 PI〇4(并行輸入/輸出控制器）。
[0032] 如圖1所示，溫度傳感器7優(yōu)選為DS18B20數(shù)字溫度傳感器。
[0033] 在硬件系統(tǒng)上，本發(fā)明采用了一片高密度的可編程邏輯門列陣（FPGA)作為硬件 設(shè)計(jì)平臺(tái)，為了實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制，在可編程邏輯門列陣（FPGA)中內(nèi)嵌了一個(gè)32位的NiosII 處理器3。NiosII處理器3是Altera公司提供的32位軟核處理器。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì) 者根據(jù)項(xiàng)目的要求，把NiosII軟核CPU免費(fèi)地內(nèi)嵌在Altera公司生產(chǎn)的FPGA中。SDRAM 控制器9控制著外圍的SDRAM存儲(chǔ)器13,用于存放數(shù)據(jù)。JTAG控制器11、UART控制器12 能實(shí)現(xiàn)程序的下載和在線調(diào)試功能；EPSC控制器2控制著EPSC4存儲(chǔ)器6,用于存儲(chǔ)FPGA 配制文件；LCD控制器10控制著IXD顯示器14,用于顯示測(cè)得的數(shù)據(jù)。超聲波控制器1是 根據(jù)外部的超聲波收發(fā)模塊5的電氣特性而設(shè)計(jì)的用戶自定義控制器，其輸出引腳TRIG和 ECHO與外部的超聲波收發(fā)模塊相連，控制超聲波收發(fā)模塊5進(jìn)行測(cè)距。溫度對(duì)超聲波的傳 播速度影響較大，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)溫度補(bǔ)償電路來(lái)提高測(cè)量精度。本系統(tǒng)通過(guò)PI04與DS18B20 數(shù)字溫度傳感器相連。
[0034] 如圖2所示，接口單元電路11，起著連接Avalo-M