一种高精度超声波距离检测方法和系统技术方案

本发明专利技术公开了一种高精度超声波距离检测方法和系统。所述方法通过对单片机内置的ADC模块、比较器和定时器等功能单元的组合应用：通过高频定时器捕获比较器输出脉冲方波信号形成的TIM数据，通过ADC模块采集的ADC数据，ADC数据可以用于基本的判断与检索，得到超声波回波起点的低精度位置，再利用TIM数据和ADC数据之间的时间对应关系，通过TIM数据获得高精度的超声波回波起点，从而在获得高精度的超声波测距结果的同时，大大降低高精度超声波测距系统的成本。距系统的成本。距系统的成本。

【技术实现步骤摘要】
一种高精度超声波距离检测方法和系统


[0001]本专利技术涉及超声测距领域，尤其涉及一种高精度超声波距离检测方法和系统。

技术介绍

[0002]超声波检测在各个领域都有比较广泛的应用，其应用原理与雷达的检测原理类似，通过电脉冲激励指定频率的超声波信号，并在指定的时间之内检测超声波回波信号，对信号进行分析，从而计算出从激励到回波的间隔时间，再结合超声波速度，计算出目标位置的距离。
[0003]超声波检测的基本原理看似简单，但由于不同环境(距离、温度)下超声波信号强度的差异太大、超声波频率不稳定，同时由于器件差异、加工过程的不稳定因素，设备的一致性并没办法完全保证。因此采集方法的设计需要考虑多方面的因素。比较常见的采集方法有比较器脉冲捕获、ADC原始回波采集等。
[0004]采用比较器捕获超声波回波信号所生成的脉冲方波，很容易由于回波强度的变化，导致测量到的回波时间相差一个或多个周期，导致出现较大的误差，其中低频超声波信号误差比高频信号更大。由于设备一致性的差异，超声波回波中心线可能存在较大的差异，导致超声波回波信号的脉冲方波的捕获条件没有统一的标准。
[0005]采用模数转换器ADC来捕获较为完整的原始回波，再对其进行计算、鉴别，可以比较有效地避免由于信号强弱变化带来的误差。但是常见的单片机上的内置ADC位数有限(如12bit)，采样频率不高，可以采集到的原始回波数据精度不够，尤其是高频超声波信号，ADC采集到的波形存在失真的问题，所以使用ADC方案的测量精度不高。随着测量距离的加大，单片机也需要更大的RAM来存储回波数据，超声波频率比较高、测量距离较大时，所耗费的RAM空间比较惊人。如果要使用外部高精度ADC，则成本大为提高，硬件电路设计也比较复杂；RAM的大容量需求也导致单片机的成本提高。

技术实现思路

[0006]有鉴于现有技术的上述缺陷，本专利技术的目的是提供一种高精度超声波距离检测方法和系统，可以通过对单片机内置的ADC模块和比较器等资源的组合应用，获得高精度的超声波测距结果，从而大大降低高精度超声波测距系统的成本。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供了以下技术方案：
[0008]一种高精度超声波距离检测方法，基于单片机的定时器、比较器和模数转换器，包括：
[0009]步骤S1，配置单片机：
[0010]配置第一定时器，所述第一定时器为高频定时器，触发后工作于捕获模式；
[0011]配置比较器和模数转换器，配置超声波回波信号的输入，将超声波回波信号同步发送给所述比较器和所述模数转换器；
[0012]步骤S2，执行测距：
[0013]超声波回波信号输入，所述第一定时器触发；
[0014]所述比较器对超声波回波信号进行处理，输出脉冲方波信号，所述第一定时器对脉冲方波信号的上升沿进行捕获，记录捕获时的计数值，记为TIM数据；
[0015]所述模数转换器对超声波回波信号进行采样，输出ADC数据；所述ADC数据按采样顺序存储于ADC数据缓存中，所述ADC数据在ADC数据缓存中的位次记为ADC位置；
[0016]在完成当次的超声波测距的ADC数据和TIM数据采集后，根据TIM数据和ADC数据的ADC位置在时间上的对应关系，通过ADC数据缓存表示的连续波形查找表示低精度的超声波回波起点的ADC位置，再通过对应的TIM数据获得高精度的超声波回波起点；
[0017]根据表示高精度的超声波回波起点的TIM数据计算回波时间，然后根据回波时间和超声波速度，计算超声波的回波距离，从而得到当次超声波测距的测距结果。
[0018]进一步的，所述采样频率大于等于所述超声波频率的4倍，且为所述第一定时器的工作频率的N分之一，其中N为不小于4的整数。
[0019]进一步的，在步骤S1中，配置第一DMA通道，用于将ADC数据按序存储到ADC数据缓存中；配置第二DMA通道，用于将TIM数据按序存储到TIM数据缓存中。
[0020]进一步的，步骤S2中，根据TIM数据和ADC数据的ADC位置在时间上的对应关系，通过ADC数据缓存表示的连续波形查找表示低精度的超声波回波起点的ADC位置，具体包括：
[0021]步骤S22，根据各TIM数据所表示的时间点查找在ADC数据缓存中对应的ADC数据的ADC位置，将TIM数据缓存中的TIM数据和ADC位置一一对应；
[0022]步骤S24，从ADC数据缓存表示的连续波形中检出真实的超声波回波信号，取真实的超声波回波信号的第一个正弦波对应的ADC位置为第一超声波回波起点，即低精度的超声波回波起点；
[0023]步骤S26，根据表示第一超声波回波起点的ADC位置反向查找对应的TIM数据，以该TIM数据表示的时间点为第二超声波回波起点，即高精度的超声波回波起点。
[0024]进一步的，所述步骤S24具体包括：
[0025]将超声波的原始波形依超声波频率分为多个周波，设定一个或多个判据，从超声波的原始波形中检出真实的超声波回波信号，选取满足设定判据的超声波回波信号的第一个正弦波，再选取第一个正弦波对应的ADC位置为低精度的超声波回波起点，其中所述判据包括：周波的能量值、幅度值、波形形状是否为正弦波或限幅正弦波、周波的周期。
[0026]进一步的，在步骤22之前，还包括步骤21：计算相邻两个TIM数据之间的差值，由第一定时器的工作频率除以该差值，计算脉冲方波信号的频率，当脉冲方波信号频率小于等于超声波频率，则判定为合格，否则为噪声；若判定为噪声，则剔除两TIM数据中的待验数据。
[0027]进一步的，步骤S2中，完成当次的超声波测距的ADC数据和TIM数据采集的条件是：ADC数据缓存满。
[0028]本专利技术还给出了以下技术方案：
[0029]一种高精度超声波距离检测系统，包括单片机，所述单片机包括比较器、模数转换器和定时器，所述单片机接入超声波回波信号并执行如上任一方案所述的高精度超声波距离检测方法。
[0030]进一步的，所述单片机的时钟频率大于等于50MHz。
[0031]进一步的，所述第一定时器的工作频率等于或大于所述单片机的时钟频率。
[0032]本专利技术实现了如下技术效果：
[0033]本专利技术的高精度超声波距离检测方法通过对单片机内置的ADC模块、比较器和定时器等功能单元的组合应用，可过滤噪声及获得高精度的超声波测距结果，从而大大降低高精度超声波测距系统的成本。
附图说明
[0034]图1是本专利技术的超声波距离检测的功能框图；
[0035]图2是本专利技术的超声波距离检测的流程图；
[0036]图3是ADC数据和TIM数据的对应波形图。
具体实施方式
[0037]为进一步说明各实施例，本专利技术提供有附图。这些附图为本专利技术揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高精度超声波距离检测方法，其特征在于，基于单片机的定时器、比较器和模数转换器，包括：步骤S1，配置单片机：配置第一定时器，所述第一定时器为高频定时器，触发后工作于捕获模式；配置比较器和模数转换器，配置超声波回波信号的输入，将超声波回波信号同步发送给所述比较器和所述模数转换器；步骤S2，执行测距：超声波回波信号输入，所述第一定时器触发；所述比较器对超声波回波信号进行处理，输出脉冲方波信号，所述第一定时器对脉冲方波信号的上升沿进行捕获，记录捕获时的计数值，记为TIM数据；所述模数转换器对超声波回波信号进行采样，输出ADC数据；所述ADC数据按采样顺序存储于ADC数据缓存中，所述ADC数据在ADC数据缓存中的位次记为ADC位置；在完成当次的超声波测距的ADC数据和TIM数据采集后，根据TIM数据和ADC数据的ADC位置在时间上的对应关系，通过ADC数据缓存表示的连续波形查找表示低精度的超声波回波起点的ADC位置，再通过对应的TIM数据获得高精度的超声波回波起点；根据表示高精度的超声波回波起点的T I M数据计算回波时间，然后根据回波时间和超声波速度，计算超声波的回波距离，从而得到当次超声波测距的测距结果。2.如权利要求1所述的高精度超声波距离检测方法，其特征在于，所述模数转换器的采样频率大于等于所述超声波频率的4倍，且为所述第一定时器的工作频率的N分之一，其中N为不小于4的整数。3.如权利要求1所述的高精度超声波距离检测方法，其特征在于，在步骤S1中，配置第一DMA通道，用于将ADC数据按序存储到ADC数据缓存中；配置第二DMA通道，用于将TIM数据按序存储到TIM数据缓存中。4.如权利要求1所述的高精度超声波距离检测方法，其特征在于，步骤S2中，根据TIM数据和ADC数据的ADC位置在时间上的对应关系，通过ADC数据缓存表示的连续波形查找表示低精度的超声波回波起点的ADC位置，具体包括：步骤S22，根据各TIM数据所表示的时间点查找在ADC数据缓存中对...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚鸿义，连俊杰，赖延军，
申请(专利权)人：厦门忻德监测科技有限公司，
类型：发明
国别省市：