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摘要：随着科技的快速发展，在测量领域中，对超声波的使用越来越高，本文主要研究一种为TDC-GP2芯片与ATM系列单片机核心器件所构成的精密型超声波测距系统，希望对同行有所帮助。
关键词：超声波，测距系统，方案
Abstract: with the rapid development of science and technology, in the measurement field, the higher of the ultrasonic waves are used, this paper mainly studies a is composed of TDC-GP2 chip and ATM MCU core device precision ultrasonic ranging system, and they hope to be helpful.
Keywords: ultrasonic ranging system, scheme,
中图分类号：TB51 文献标识码：A文章编号：
一、引言
超声波由于指向性强，能量消耗缓慢，传输距离较远，在距离测量如测距仪和物位测量仪等领域中应用十分广泛。目前，常用于实现超声波测量功能的实现方案有离散器件实现、集成电路实现和专用超声波测量芯片实现等三种。第一种方案成本低但器件参数较分散，测量准确度和距离受到限制; 第二种方案，借助于集成电路实现，如常用的采用音频芯片CX20106A实现，由于受到芯片敏感频率的限制，测量的精度和距离受到限制; 第三种方案，采用专用的超声波测量芯片实现，测量精度高，相对成本高一些。本文提出一种基于德国 ACAM公司高精度时间数字转换芯片TDC-GP21的实现方案。
二、超声波测距系统的构成
超声波测距系统构成如图1所示。控制芯片选用ATMEGA8A，它是一款采用低功耗CMOS工艺生产的基于AVR RISC结构的8位单片机，自带SPI接口，可以达到接近1MIPS/M的性能，运行速度比普通CISC单片机高出10倍。
图 1 超声波测距系统构成图
超声波测量部分由TDC-GP21、超声波探头、发射控制电路、温度传感器、超声波信号处理电路等组成。
温度测量选用DALLAS公司的DS18B20数字式温度传感器，它通过输出9位(二进制)数字來直接表示所测量的温度值，温度值是通过DS18B20的数据总线直接输入CPU，无需A/D转换，而且读写指令、温度转换指令都是通过数据总线传入DS18B20，无需外部电源。
在测距时超声波发射器有规律发射超声波，遇到被检测对象后反射回来，通过超声波接收器接收到反射波信号，并将其转变为电信号，测出从发射超声波至接收到反射波的时间差( 时间间隔 t) 。t 与超声波传播速度 c 相乘可求出被测距离s，即:
s =1/2ct(1)
由于超声波的声速和温度有关，在测距精度要求高的场合需要通过温度补偿的方法加以校正。不同温度下超声波在空气中的传播速度随温度变化关系为:
c = 331.4 + 0.61T(2)
式中: T 为实际温度。
2.1、时间数字转换芯片控制与配置电路的设计
TDC-GP21内部主要由脉冲发生器、数据处理单元ALU、时间数字转换器单元TDC、温度测量单元、时钟控制单元、配置寄存器以及与单片机相接的SPI接口组成。芯片工作方式和各功能部分协调需要通过外部控制芯片ATMEGA8用SPI接口实现。TDC-GP21功能控制与配置电路如图2所示。
图 2 计时芯片配置电路图
2.2、基于TDC-GP21的时间测量模块设计
在实际的测量过程中，超声波只有发射开始时间和返回信号接收时间两个时间节点，因而可以采用单一通道的时间间隔测量方法。测量过程中保持STOP2通道导通，STOP1通道截止。
在TDC-GP21测量芯片中，提供了两种测量范围可供选择，分别是测量范围1和测量范围2。结合实际情况，利用超声波测量距离要考虑声波的传输速度，发射、接收时间间隔较长，因而就限定了只能选择测量范围2。对应测量范围2的时序图如图3所示。
图3 测量范围2时序图
TDC-GP21有两种时钟，包括作为内部定时器的32 kHz时钟和外部高速时钟，供不同工作模式选择。在测量范围2中，作为前置配器的外部高速时钟一般采用4MHz陶瓷晶振。借助于TDC-GP21提供的自校正原始数据( Cal1和 Cal2) 对时钟进行校正有利于减小因外部时钟抖动和温漂引起的TDC-GP21内部计数及延迟通道误差，有利于实现高精度的测距。
2.3、超声波测量系统的软件设计
ATMEGA8A 单片机通过SPI接口控制TDC-GP21，对TDC-GP21芯片功能配置进行选择。配置完成后，TDC-GP21芯片产生频率为1MHz的超声波，1MHz超声波送到超声波换能器驱动探头。接收探头收到的回波经过开关电路，进入超声波调理电路进行信号处理，该测量回波返回到TDC-GP21芯片，TDC-GP21芯片判断接收到回波后结束测量，同时通过中断通知ATMEA8A单片机，AT-MEGA8A单片机读取测时时间，结合测量的当前温度计算距离并最终显示在LCM141液晶上。
由上面的系统工作过程说明可知，系统软件设计的核心工作是对TDC-GP21芯片进行控制和功能配置。软件编程的操作主要有两个步骤，分别是写寄存器的配置和初始化，以确定 TDC-GP21 的工作模式和寄存器的读取工作。首先对TDC-GP21进行寄存器配置，设置测量范围和通道2的采样次数，定义ALU的计算方法; 然后初始化TDC-GP21、选通START 和STOP2，TDC-GP21进入测量状态，等待START和STOP2信号; 接收指令后进行测量，测量完成后单片机读取TDC-GP21测量数据。超声波测距系统程序流程图如图4所示。
图4 超声波测距系统程序流程图
三、测量误差分析
时间间隔测量模块在测量时间间隔小于4ms时，时间测量误差在90ps以下。由于时间间隔测量模块采用延时通道测量，延时时间受温度影响，这样工作时间过长或温差较大会引起测量误差。在实际应用中可通过控制TDC的工作电压来稳定延时时间; 在实际测量中，晶振的稳定性也会影响到测量的准确性，一般采用高质量的晶振和内部时钟校正法改善测量的精确性。测量信号在传输和反射过程中的衰减也是引起测量误差的原因，收到信号过小，需要进行信号放大，一方面其他的弱小信号就容易叠加到初始测量信号上；另一方面，信号放大后获取信号上升沿的陡度不够，也会引起测量误差。为了保证测量的准确性，可以在测量过程中多次测量，抛弃明显的粗大误差数据，对剩余数据取平均值的方法。
四、结束语
本文介绍了基于 TDC-GP21 的超声波测距仪的设计，充分利用 TDC-GP21 本身时标脉冲和触发测量的特点，借助于高精度时间间隔测量功能，实现了距离的精确测量。该设计提高了超声波测距的精度，降低了系统的功耗和体积，尤其适用于低功耗和高测量精度的场合。实验结果表明，采用 TDC-GP21 专用时间测量芯片研制的超声波测距仪控制和使用非常方便，借助于单片机的通信功能可实现对传感器的远程监控。
参考文献
[1] 王安敏,张凯.基于AT89C52单片机的超声波测距系统[J].仪表技术与传感器.2006(06)
[2] 张攀峰,王玉萍,张健,张开生.带有温度补偿的超声波测距仪的设计[J].计算机测量与控制.2012(06)
[3] 李佰庚.超声波测距仪设计[J].工具技术.2012(06)
[4] 滕艳菲,陈尚松.超声波测距精度的研究[J].国外电子测量技术.2006(02)
关键词：超声波，测距系统，方案
Abstract: with the rapid development of science and technology, in the measurement field, the higher of the ultrasonic waves are used, this paper mainly studies a is composed of TDC-GP2 chip and ATM MCU core device precision ultrasonic ranging system, and they hope to be helpful.
Keywords: ultrasonic ranging system, scheme,
中图分类号：TB51 文献标识码：A文章编号：
一、引言
超声波由于指向性强，能量消耗缓慢，传输距离较远，在距离测量如测距仪和物位测量仪等领域中应用十分广泛。目前，常用于实现超声波测量功能的实现方案有离散器件实现、集成电路实现和专用超声波测量芯片实现等三种。第一种方案成本低但器件参数较分散，测量准确度和距离受到限制; 第二种方案，借助于集成电路实现，如常用的采用音频芯片CX20106A实现，由于受到芯片敏感频率的限制，测量的精度和距离受到限制; 第三种方案，采用专用的超声波测量芯片实现，测量精度高，相对成本高一些。本文提出一种基于德国 ACAM公司高精度时间数字转换芯片TDC-GP21的实现方案。
二、超声波测距系统的构成
超声波测距系统构成如图1所示。控制芯片选用ATMEGA8A，它是一款采用低功耗CMOS工艺生产的基于AVR RISC结构的8位单片机，自带SPI接口，可以达到接近1MIPS/M的性能，运行速度比普通CISC单片机高出10倍。
图 1 超声波测距系统构成图
超声波测量部分由TDC-GP21、超声波探头、发射控制电路、温度传感器、超声波信号处理电路等组成。
温度测量选用DALLAS公司的DS18B20数字式温度传感器，它通过输出9位(二进制)数字來直接表示所测量的温度值，温度值是通过DS18B20的数据总线直接输入CPU，无需A/D转换，而且读写指令、温度转换指令都是通过数据总线传入DS18B20，无需外部电源。
在测距时超声波发射器有规律发射超声波，遇到被检测对象后反射回来，通过超声波接收器接收到反射波信号，并将其转变为电信号，测出从发射超声波至接收到反射波的时间差( 时间间隔 t) 。t 与超声波传播速度 c 相乘可求出被测距离s，即:
s =1/2ct(1)
由于超声波的声速和温度有关，在测距精度要求高的场合需要通过温度补偿的方法加以校正。不同温度下超声波在空气中的传播速度随温度变化关系为:
c = 331.4 + 0.61T(2)
式中: T 为实际温度。
2.1、时间数字转换芯片控制与配置电路的设计
TDC-GP21内部主要由脉冲发生器、数据处理单元ALU、时间数字转换器单元TDC、温度测量单元、时钟控制单元、配置寄存器以及与单片机相接的SPI接口组成。芯片工作方式和各功能部分协调需要通过外部控制芯片ATMEGA8用SPI接口实现。TDC-GP21功能控制与配置电路如图2所示。
图 2 计时芯片配置电路图
2.2、基于TDC-GP21的时间测量模块设计
在实际的测量过程中，超声波只有发射开始时间和返回信号接收时间两个时间节点，因而可以采用单一通道的时间间隔测量方法。测量过程中保持STOP2通道导通，STOP1通道截止。
在TDC-GP21测量芯片中，提供了两种测量范围可供选择，分别是测量范围1和测量范围2。结合实际情况，利用超声波测量距离要考虑声波的传输速度，发射、接收时间间隔较长，因而就限定了只能选择测量范围2。对应测量范围2的时序图如图3所示。
图3 测量范围2时序图
TDC-GP21有两种时钟，包括作为内部定时器的32 kHz时钟和外部高速时钟，供不同工作模式选择。在测量范围2中，作为前置配器的外部高速时钟一般采用4MHz陶瓷晶振。借助于TDC-GP21提供的自校正原始数据( Cal1和 Cal2) 对时钟进行校正有利于减小因外部时钟抖动和温漂引起的TDC-GP21内部计数及延迟通道误差，有利于实现高精度的测距。
2.3、超声波测量系统的软件设计
ATMEGA8A 单片机通过SPI接口控制TDC-GP21，对TDC-GP21芯片功能配置进行选择。配置完成后，TDC-GP21芯片产生频率为1MHz的超声波，1MHz超声波送到超声波换能器驱动探头。接收探头收到的回波经过开关电路，进入超声波调理电路进行信号处理，该测量回波返回到TDC-GP21芯片，TDC-GP21芯片判断接收到回波后结束测量，同时通过中断通知ATMEA8A单片机，AT-MEGA8A单片机读取测时时间，结合测量的当前温度计算距离并最终显示在LCM141液晶上。
由上面的系统工作过程说明可知，系统软件设计的核心工作是对TDC-GP21芯片进行控制和功能配置。软件编程的操作主要有两个步骤，分别是写寄存器的配置和初始化，以确定 TDC-GP21 的工作模式和寄存器的读取工作。首先对TDC-GP21进行寄存器配置，设置测量范围和通道2的采样次数，定义ALU的计算方法; 然后初始化TDC-GP21、选通START 和STOP2，TDC-GP21进入测量状态，等待START和STOP2信号; 接收指令后进行测量，测量完成后单片机读取TDC-GP21测量数据。超声波测距系统程序流程图如图4所示。
图4 超声波测距系统程序流程图
三、测量误差分析
时间间隔测量模块在测量时间间隔小于4ms时，时间测量误差在90ps以下。由于时间间隔测量模块采用延时通道测量，延时时间受温度影响，这样工作时间过长或温差较大会引起测量误差。在实际应用中可通过控制TDC的工作电压来稳定延时时间; 在实际测量中，晶振的稳定性也会影响到测量的准确性，一般采用高质量的晶振和内部时钟校正法改善测量的精确性。测量信号在传输和反射过程中的衰减也是引起测量误差的原因，收到信号过小，需要进行信号放大，一方面其他的弱小信号就容易叠加到初始测量信号上；另一方面，信号放大后获取信号上升沿的陡度不够，也会引起测量误差。为了保证测量的准确性，可以在测量过程中多次测量，抛弃明显的粗大误差数据，对剩余数据取平均值的方法。
四、结束语
本文介绍了基于 TDC-GP21 的超声波测距仪的设计，充分利用 TDC-GP21 本身时标脉冲和触发测量的特点，借助于高精度时间间隔测量功能，实现了距离的精确测量。该设计提高了超声波测距的精度，降低了系统的功耗和体积，尤其适用于低功耗和高测量精度的场合。实验结果表明，采用 TDC-GP21 专用时间测量芯片研制的超声波测距仪控制和使用非常方便，借助于单片机的通信功能可实现对传感器的远程监控。
参考文献
[1] 王安敏,张凯.基于AT89C52单片机的超声波测距系统[J].仪表技术与传感器.2006(06)
[2] 张攀峰,王玉萍,张健,张开生.带有温度补偿的超声波测距仪的设计[J].计算机测量与控制.2012(06)
[3] 李佰庚.超声波测距仪设计[J].工具技术.2012(06)
[4] 滕艳菲,陈尚松.超声波测距精度的研究[J].国外电子测量技术.2006(02)