基于C8051F060的超声波导盲系统设计

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。
C8051F060MCU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．O～P0．3，因此可以独立的在P0．O～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O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O．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O．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CADEKAMicrocircuits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300MHz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。
该设计中TGC部分主要是由运算放大器与数字电位器相互配合共同实现的。运算放大器采用的是CADEKA Microcircuits的单路，低失调，轨到轨输入／输出放大器CLC1003。数字电位器选用美国ADI公司生产的AD8403A10，是一种具有数字接口的有源器件。可方便地与单片机相连接，用来精确调整其阻值。他可以代替电路中的机械电位器，从而实现操作上的智能化。采用固定数字电位器来控制放大电路的增益，可以用简单的线路，实现量程多极变化，并且具有很高的增益分辨率。AD8403A10是四通道的数字电位器，每通道的电阻的标称值为10 kΩ，有256个分支点，最小的电阻调整精度可达39Ω，采用两通道并联可将精度降至20Ω以内，每通道的不同分支点的处的电阻值都有相应的串行数据与之对应。将AD8403的两通道串联用来调节增益，另两通道串联用来调节偏执电压，当回波信号接收后，单片机通过向AD8403不断送入串行数据来调节不同时刻的增益，最终使得到的回波信号幅度在一定的范围之内。本单元的硬件原理图如图3所示。