超聲檢測(cè)在路側(cè)泊車收費(fèi)設(shè)備中的設(shè)計(jì)?

李向榮 宋志遠(yuǎn) 焦學(xué)? 劉 微

（青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 青島266061）

1 引言

路側(cè)泊車收費(fèi)設(shè)備判斷車輛是否駛?cè)胲囄?，通常采用視頻實(shí)時(shí)檢測(cè)及激光檢測(cè)，存在功耗過(guò)高、精度保持性不高等缺點(diǎn)。本方案中超聲波傳感器利用其測(cè)距原理檢測(cè)車輛，功耗較低、精度保持及抗干擾能力較強(qiáng)。當(dāng)超聲波傳感器檢測(cè)到車輛時(shí)，開啟設(shè)備對(duì)車輛進(jìn)行實(shí)時(shí)收費(fèi)。在目前的超聲波應(yīng)用項(xiàng)目中，大多采用51單片機(jī)作為處理芯片以及收發(fā)分體式探頭，51單片機(jī)內(nèi)部資源有限，在發(fā)射和處理超聲波信號(hào)時(shí)需外接晶振、ADC電路、溫度補(bǔ)償電路等，同時(shí)收發(fā)分體式探頭測(cè)距角度范圍較小，在寬角度多路測(cè)量方面不能很好地應(yīng)用而且體積較大，不適合設(shè)備的小型化發(fā)展［1~2］。而本方案可直接通過(guò)E524.09內(nèi)部振蕩器發(fā)出脈沖信號(hào)，STM32單片機(jī)直接利用其內(nèi)部時(shí)鐘源HSI RC進(jìn)行工作，無(wú)需外接晶振，在回波處理上采用超聲波信號(hào)處理芯片E524.09以替代復(fù)雜的放大、轉(zhuǎn)換、數(shù)字處理電路，以及可利用STM32單片機(jī)內(nèi)部ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，由此簡(jiǎn)化了回波處理電路、避免占用設(shè)備更多的空間。

2 超聲波傳感器及測(cè)距原理

本文采用壓電收發(fā)一體式超聲波探頭ST-213W進(jìn)行超聲波信號(hào)的發(fā)射和接收，可將電能轉(zhuǎn)換聲能，也可將聲能轉(zhuǎn)換成電能［3~4］。當(dāng)超聲波探頭在發(fā)射超聲波時(shí)，施加高強(qiáng)度的脈沖電壓作為激勵(lì)，使壓電晶片產(chǎn)生振動(dòng)。雖然脈沖持續(xù)時(shí)間很短，但激勵(lì)結(jié)束后，超聲波探頭上仍存在部分余振。此時(shí)若立即轉(zhuǎn)為接收模式，接收端誤將此余振波當(dāng)成回波從而產(chǎn)生測(cè)量干擾，該現(xiàn)象為通常稱為“拖尾”，即產(chǎn)生盲區(qū)［5］。因此，當(dāng)發(fā)射模式結(jié)束后延遲一段時(shí)間，避開余振時(shí)間后再進(jìn)行接收回波信號(hào)。收發(fā)一體式超聲波探頭的盲區(qū)通常比收發(fā)分體式探頭盲區(qū)大很多，當(dāng)車輛距離路側(cè)的智能泊車檢測(cè)設(shè)備過(guò)近時(shí)，會(huì)造成設(shè)備無(wú)法識(shí)別車輛進(jìn)入車位，從而造成設(shè)備無(wú)法啟用進(jìn)行識(shí)別繳費(fèi)。因此需減小盲區(qū)，可從軟件和硬件方面予以入手。

超聲波測(cè)距方法有相位檢測(cè)法、聲波幅值檢測(cè)法和渡越時(shí)間檢測(cè)法等［6~7］。因渡越時(shí)間檢測(cè)法不管在軟件還是硬件上都相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)，故此設(shè)計(jì)選用渡越時(shí)間檢測(cè)法來(lái)進(jìn)行超聲波檢測(cè)。渡越時(shí)間檢測(cè)法，其原理是計(jì)算超聲波從發(fā)射經(jīng)過(guò)空氣等介質(zhì)后，到遇障礙物反射回來(lái)時(shí)間，時(shí)間與當(dāng)前溫度下的聲速相乘即為距離。而聲速在不同溫度下數(shù)值不同，可通過(guò)式（1）確定聲速：

c=331.45+0.61*T（1）其中，T為環(huán)境溫度，通過(guò)STM32單片機(jī)讀出。

3 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

路側(cè)泊車收費(fèi)設(shè)備的超聲波檢測(cè)基于超聲波測(cè)距原理，該系統(tǒng)由STM32單片機(jī)、收發(fā)一體式探頭、發(fā)射電路、信號(hào)處理電路等構(gòu)成。系統(tǒng)以STM32單片機(jī)為核心，利用其自帶的ADC模塊確定渡越時(shí)間，利用自帶的溫度傳感器監(jiān)測(cè)溫度，通過(guò)軟件程序進(jìn)行相應(yīng)溫度補(bǔ)償。主要流程為首先STM32單片機(jī)發(fā)出工作指令，當(dāng)E524.09 IO線收到指令后，由其內(nèi)部震蕩器發(fā)出24個(gè)頻率約52kHz的脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器激勵(lì)出超聲波，遇到車輛后反射回來(lái)，經(jīng)超聲波傳感器的壓電轉(zhuǎn)換原理，將反射的回波轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)信號(hào)處理芯片后進(jìn)入STM32單片機(jī)ADC通道，信號(hào)處理結(jié)果通過(guò)串口發(fā)送至泊車系統(tǒng)主控芯片DSP［8］。超聲波檢測(cè)框圖如圖1所示。

圖1 超聲波檢測(cè)框圖

4 硬件設(shè)計(jì)

4.1 超聲波驅(qū)動(dòng)和信號(hào)處理器E524.09

超聲波芯片E524.09是德國(guó)ELMOS公司推出的用于汽車超聲泊車輔助系統(tǒng)的超聲芯片。除了距離測(cè)量功能外，芯片還支持靈敏度時(shí)間控制（STC）、自動(dòng)閾值生成（ATG）、近距離閾值生成（NFTG）和FTC算法等。芯片內(nèi)部集成了驅(qū)動(dòng)器、濾波放大器、回聲檢測(cè)以及溫度傳感器等，極大節(jié)省減小了硬件電路及軟件程序的復(fù)雜性，許多配置可通過(guò)通信接口快速實(shí)現(xiàn)，并可評(píng)估接收到的回波信號(hào)。芯片回聲峰值檢測(cè)優(yōu)化了短程和長(zhǎng)程性能，顯著改善距離測(cè)量精度［9］。

為便于評(píng)估和調(diào)試，相關(guān)特征參數(shù)如處理后的回波值（包絡(luò)數(shù)據(jù)）和閾值曲線可通過(guò)IO口以數(shù)字或模擬形式讀取，此功能將在本文第5章節(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析部分進(jìn)行體現(xiàn)。

4.2 超聲波發(fā)射電路

在超聲波發(fā)射電路工作時(shí)，首先由STM32單片機(jī)發(fā)出指令，電平轉(zhuǎn)換電路Q2及外圍電路將電平轉(zhuǎn)換至12V，當(dāng)超聲波芯片E524.09 IO線接收到指令后，其內(nèi)部震蕩器發(fā)出頻率24個(gè)連續(xù)的頻率為52kHz的脈沖信號(hào)，經(jīng)換能器驅(qū)動(dòng)模塊，最終通過(guò)變壓器作用到超聲波探頭上［10~12］。變壓器主要作用升高脈沖電壓信號(hào)，并使超聲波芯片的輸出阻抗與傳感器的負(fù)載阻抗相匹配。超聲波發(fā)射電路如圖2所示。

圖2 超聲波發(fā)射電路

另，在本文第1章節(jié)超聲波傳感器原理中闡釋了收發(fā)傳感器存在較大盲區(qū)，可在硬件電路中可通過(guò)增加回路的衰減系數(shù)來(lái)減小盲區(qū)，因此在電路中接入電阻R6和SCR晶閘管。通過(guò)控制晶閘管的開關(guān)來(lái)控制R6接入回路，從而消耗掉傳感器的能量，從而減小余振的影響。

用示波器測(cè)量得出超聲波傳感器發(fā)射信號(hào)如圖3所示，檢測(cè)得到24個(gè)脈沖信號(hào)，頻率為53kHz，峰值為100V。

圖3 超聲波探頭發(fā)射信號(hào)

4.3 超聲波接收、放大和濾波電路

在目前超聲波應(yīng)用中，對(duì)于回波信號(hào)通常設(shè)計(jì)有比較整形電路、放大濾波電路等，造成電路復(fù)雜，穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)［13~15］。針對(duì)該系統(tǒng)，采用上述超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)處理器E524.09，E524.09內(nèi)置濾波器、放大器、回聲檢測(cè)等，無(wú)需外置復(fù)雜接收電路，僅通過(guò)通信接口即可快速實(shí)現(xiàn)回波處理，大大降低了電路復(fù)雜性。

回聲信號(hào)經(jīng)E524.09處理后，流入兩級(jí)電壓跟隨器。電壓跟隨器輸入阻抗高，輸出阻抗低，電路中起阻抗匹配作用，使前級(jí)電路有效驅(qū)動(dòng)負(fù)載能力增大，ADC采樣的電壓值更接近理想值。故采用雙集成運(yùn)放LM358完成阻抗匹配。另D2、D7為鉗位二極管，構(gòu)成鉗位電路，電壓被鉗制在+0.7V~-0.7V之間，起過(guò)壓保護(hù)作用。R9、R10為分壓電阻，因STM32單片機(jī)工作電壓為3.3V，故將輸入信號(hào)由12V降壓至3.3V左右。超聲波信號(hào)接收處理電路如圖4所示。

圖4 超聲波信號(hào)接收處理電路

超聲波傳感器接收到微弱的回波信號(hào)經(jīng)E524.09芯片進(jìn)行放大、濾波處理，然后經(jīng)LM358阻抗匹配后通過(guò)示波器進(jìn)行檢測(cè)，信號(hào)顯示如圖5所示。通過(guò)示波器檢測(cè)出的信號(hào)可知，超聲波回波信號(hào)峰值達(dá)到3V左右，說(shuō)明回波信號(hào)的處理達(dá)到STM32單片機(jī)ADC通道的接入要求。

圖5 接入單片機(jī)ADC的回波信號(hào)

4.4 電源電路設(shè)計(jì)

智能泊車檢測(cè)器供電為5V直流電，而STM32單片機(jī)供電電壓為3.3V、超聲波芯片工作電壓為12V，故需要進(jìn)行5V-12V/5V-3.3V電壓轉(zhuǎn)換。電源電路設(shè)計(jì)采用電源管理芯片DC-DC和LDO。U10為低功耗DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器，對(duì)應(yīng)完成DC-DC升壓電路；U3為低壓降穩(wěn)壓器（LDO），對(duì)應(yīng)完成LDO穩(wěn)壓電路。D6為肖特基二極管，此處做整流二極管。C88、C89為電源濾波電容，降低脈動(dòng)電壓的脈動(dòng)程度。C87、C38為旁路電容，用來(lái)濾除高頻干擾。DC-DC升壓電路如圖6所示，LDO穩(wěn)壓電路如圖7所示。

圖6 DC-DC升壓電路

圖7 LDO穩(wěn)壓電路

5 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)以STM32單片機(jī)為核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)主程序、溫度采集子程序、回波接收子程序、定時(shí)器中斷子程序、距離計(jì)算子程序等各模塊的控制和響應(yīng)。軟件流程如圖8所示。

圖8 三維模型圖

圖8 系統(tǒng)流程圖

首先對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘和外圍模塊等進(jìn)行初始化，然后利用STM32單片機(jī)自帶溫度傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量環(huán)境溫度，通過(guò)溫度-聲速轉(zhuǎn)換函數(shù)計(jì)算得當(dāng)前溫度下聲波速度［16］。開啟高級(jí)定時(shí)器TIM2，用于計(jì)算渡越時(shí)間，并發(fā)出指令，驅(qū)動(dòng)E524.09內(nèi)部振蕩器工作。因?yàn)閭鞲衅髟诎l(fā)射聲波后會(huì)產(chǎn)生“掃尾”現(xiàn)象，即產(chǎn)生余振（盲區(qū)），故啟動(dòng)定時(shí)器TIM3延時(shí)25ms。然后調(diào)用回波接收子程序，因接收后的回波信號(hào)最終進(jìn)入單片機(jī)ADC通道，所以當(dāng)ADC檢測(cè)到回波信號(hào)電壓大于某一閾值時(shí)，確定此時(shí)接收到回波信號(hào)，TIM2立即產(chǎn)生中斷，并讀取其計(jì)數(shù)值。之后調(diào)用距離計(jì)算子程序，可得出探頭距車輛的距離S，計(jì)算出包絡(luò)線寬度，并與閾值進(jìn)行比較，最終將數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送給上位機(jī)DSP芯片。

溫度補(bǔ)償：由式（1）確定聲速中為提高測(cè)量精度，使用了溫度補(bǔ)償，但式（1）數(shù)據(jù)類型為float型，針對(duì)于單片機(jī)會(huì)導(dǎo)致代碼量突然大量增大，因此選擇數(shù)據(jù)類型為int型，公式即為

程序溫度讀取公式為

6 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

超聲波傳感器回波信號(hào)經(jīng)STM32單片機(jī)ADC模塊轉(zhuǎn)換后，通過(guò)串口發(fā)送給上位機(jī)DSP處理器，對(duì)原始包絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行消噪平滑處理。超聲波包絡(luò)數(shù)據(jù)可以通過(guò)IO線讀出，最終可通過(guò)瀏覽器顯示出光滑的包絡(luò)曲線（波形圖）［17］。圖9為超聲波檢測(cè)到車輛駛?cè)胲囄恢械牟ㄐ螆D。

在路側(cè)泊車收費(fèi)設(shè)備實(shí)際工作中，當(dāng)車位中沒有車輛時(shí)，系統(tǒng)處于低功耗待機(jī)狀態(tài)，此時(shí)僅超聲波傳感器處于實(shí)時(shí)檢測(cè)狀態(tài)；當(dāng)有車輛駛?cè)霑r(shí)，超聲波傳感器檢測(cè)到車輛，從而喚醒設(shè)備對(duì)車輛進(jìn)行計(jì)時(shí)收費(fèi)。而在實(shí)際環(huán)境中，往往存在交通錐、行人等干擾物，造成超聲波誤判。交通錐處于車位中的波形圖如圖10所示。因此為增加超聲波識(shí)別車輛的準(zhǔn)確性，設(shè)置相應(yīng)算法當(dāng)計(jì)算包絡(luò)線寬度達(dá)到一定閾值時(shí)，才可判定為車輛駛?cè)?。通過(guò)前期相關(guān)實(shí)驗(yàn)可知：當(dāng)包絡(luò)線寬度在60cm~120cm時(shí)（即車輛反射面寬度，如圖9所示車輛反射面寬度為75cm），可判定車輛駛?cè)胪＼囄弧?/p>

圖10 交通錐在車位中的包絡(luò)曲線圖

在實(shí)際項(xiàng)目中，由于公路兩側(cè)存在多種干擾，因此超聲檢測(cè)的精確性十分重要。為驗(yàn)證本設(shè)計(jì)的精度，探頭與兩種障礙物在不同距離下各進(jìn)行30次實(shí)驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)出兩種障礙物的包絡(luò)線寬度位于閾值（60cm~120cm）內(nèi)的樣本數(shù)。實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

表1 不同距離及不同障礙物時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表1實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知：當(dāng)超聲波檢測(cè)交通錐時(shí)，探頭距離交通錐140cm時(shí)出現(xiàn)1次檢測(cè)錯(cuò)誤；當(dāng)超聲波檢測(cè)車輛模型時(shí)，數(shù)據(jù)均在閾值范圍內(nèi)。計(jì)算可得項(xiàng)目探測(cè)精度達(dá)到99.7%。因此該設(shè)計(jì)精度較高，符合后續(xù)算法及系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

7 結(jié)語(yǔ)

路側(cè)泊車收費(fèi)設(shè)備中采用超聲檢測(cè)技術(shù)，精度以及功耗優(yōu)于視頻檢測(cè)及激光檢等方案?？蓽?zhǔn)確檢測(cè)出目標(biāo)為車輛或其他干擾物。方案采用高速微處理器STM32單片機(jī)，充分利用其內(nèi)部時(shí)鐘源，無(wú)需外接晶振；采用MCU自帶ADC模塊和溫度傳感器進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換以及溫度采集；同時(shí)利用功能強(qiáng)大的超聲波芯片E524.09發(fā)射脈沖信號(hào)并代替了放大濾波處理電路，極大簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)，有利于設(shè)備的小型化發(fā)展。通過(guò)分析探頭與交通錐、車輛模型在不同距離的包絡(luò)曲線圖，計(jì)算可得該設(shè)計(jì)精度約99.7%，精度較高且輸出數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，符合路側(cè)泊車收費(fèi)設(shè)備檢測(cè)要求。