DS直接序列扩频超声波测距系统的实现

张连俊 衣海玉

【摘 要】本文对DS直接序列扩频超声波测距原理进行了研究，提出了一种DS扩频超声波测距的方法，解决常见超声波测距测量精度不准确和测量距离不够远的问题。分析了基于单片机的DS扩频超声波测距的解决方案，并实现测量系统的电路实现。

【关键词】单片机;DS扩频;超声波测距原理

中图分类号： TN927 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）06-0072-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.06.025

【Abstract】In this paper spread spectrum transmission system of multiplex detecting signal is studied. The method of transmission after multiplex detecting based on signal spread spectrum and code division multiplexing is mentioned. The system realization for the transmission of multiplexed testing signals using spread spectrum technology based on DSP is discussed. The circuit system is devised.

【Key words】Single chip microcomputer; DS spread spectrum; Ultrasonic ranging principle

0 引言

超声波测距系统在现代生活中可应用于汽车的倒车雷达系统，汽车防碰撞系统，还有机器人的自行走规避障碍物系统，以及可以进行室内的短距离测量等方面。而常见超声波测距存在测量精度不够准确和测量距离不够远的问题。DS扩频测量信号利用扩频传输，具有扩频传输增益，具有抗干扰能力强，使其测量信号精度高的优点。本文分析了基于DS扩频传输超声波测距的解决方案，并进行了电路的实现。

1 DS扩频超声波测距原理

超声波信号经过伪随机码m序列扩频化（直接扩频）后，再通过发射电路进行发射，在遇到被测目标物体后会被反射回来，进而被接收器进行接收，接下来超声波的回波信号会被送入m序列还原模块进行还原，还原后在相关判决器与原来产生的m序列进行相关计算，如果相关计算的结果为相位相同时，那么相关判决器将给出最大值，此时的收发m序列相位差就是发送的m序列与本地m序列的相位差，从而可以求出延时;如果相关计算的结果为不同时，那么相关判决器给出较小值，接下来用相关判决器的输出来回控制本地码的相位，直到相关判决器的输出最大时，就可以确定本地m序列与发送m序列的相位差，根据这个得到的相位差就可以计算出延迟时间，进一步由声波在空气中传播的速度就可以求出所测的距离。

很明显，由式（2）我们可以看出，当T0很小时，可分辨距离就越小，因此T0我们取值尽量的小，就可以提高测量的精度。当r取值尽量大，也就是P的取值尽量的大时，就可以实现测量距离远的要求。在实际测量中我们取r=10，则P=1023，T0=30微秒，在20℃常温下，声波速度v=344 m/s，所以可以求得最大检测距离Dmax=5.28m，可分辨距离d0=5.16mm，符合常用测距有关技术的要求。

2 DS擴频超声波测距系统设计

测距码的长度（也可以说是测距码的周期）要比回码时延（也可以说是超声波发生器发射超声波后与被测物体相遇反射回来的时间）大的多，码元宽度必须足够窄，另一方面也可以说是测量距离的比特率（即单位时间内发射码元的数目）必须要很大，这样既可以解决测量距离问题也可以很好的解决测量精度问题。对伪随机码超声测距系统设计，测距系统硬件主要由LCD显示器，单片机微处理控制器，基带信号处理单元三个主要模块组成。DS扩频测距系统的软件设计总体框如图2，系统软件的模块主要包括：系统初始化程序，调用初始化子程序，m序列生成子程序，监控主程序，中断服务程序，调制子程序，数据处理子程序，解调子程序，匹配滤波器子程序，调用显示子程序。

针对不同模块不同功能的特点，我们分别对他们进行编程，可以对软件进行多次调试修改来提高测量准确性。单片机采用AT89S52的芯片，其软件初始模块主要完成的工作包括：输入引脚的定义，设置终端类型，设置各种采集数据初始值等，AT89S52还可以现场对一些参数进行设置，比如扩频码的长度和它的功率等。监控子程序的主要功能就是对所有模块进行统一的控制监控。

利用了扩频通信的超声波，利用单片机硬件系统来控制并进行相关的运算，编写相应的控制和运算程序进行了实现了超声波测距系统，实验结果对比不采用扩频通信的超声波的测距系统的测距精度在远距离情况下明显的改善。但是误差的存在也是必不可免的，无法完全的消除，比如环境温度的影响以及测量物体表面的光滑程度也会引起系统的误差的增加，超声波在空气中传播有衰减特性和回波容易受到噪音的干扰等等都会导致测量精度有所下降。因而对预期距离的取值不应该过小，并且应该进行多次测量最后取平均值，可进一步减少误差。

3 结束语

超声波测距系统利用了扩频通信方面的知识将伪随机码序列完美的与超声波结合，综合运用单片机硬件系统来控制并进行相关的运算，编写相应的控制和运算程序进行了实现了。该系统对比其他常见的测距系统而言，伪随机码超声测距系统的抗干扰能力较强，最重要的是提高了测量精度和很好的解决了测量距离模糊的问题。

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