基于C8051F060的超聲波導(dǎo)盲系統(tǒng)設(shè)計

摘要：針對盲人日常行動的不方便，提出一種基于單片機(jī)的超聲波導(dǎo)盲系統(tǒng)的設(shè)計方案，詳細(xì)介紹設(shè)計的硬件部分。該系統(tǒng)利用C8051F060為核心硬件，主要包括超聲波發(fā)送、接收以及信號處理三部分，能夠識別出34 cm～3 m內(nèi)的障礙物。該系統(tǒng)基于單片機(jī)控制，便于系統(tǒng)功能的進(jìn)一步擴(kuò)展，同時具有功耗小，成本低，軟硬件資源豐富等優(yōu)點(diǎn)，因此具有一定的實(shí)用價值和應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：導(dǎo)盲系統(tǒng)；超聲波；單片機(jī)；C8051F060

0 引 言
    隨著人民生活水平的不斷進(jìn)步，讓生活變得越來越簡單、方便成為了人民普遍追求的生活理念。盲人既是普通人民中的一員，又是一個特殊群體。他們由于先天的生理缺陷在日常生活中比常人會遇到更多的不方便，不能準(zhǔn)確及時地躲避障礙物就是一個重要的弊端。如果有一根既輕巧，又便宜，同時又能及時地識別周圍障礙物并發(fā)出報警信號的手杖在盲人的手中將會為盲人的生活提供極大的方便。同時隨著計算機(jī)技術(shù)、自動化技術(shù)及工業(yè)機(jī)器人的不斷出現(xiàn)，測距與識別技術(shù)在工業(yè)中已經(jīng)得到了普遍的發(fā)展，如何把這種非接觸式檢測與識別技術(shù)應(yīng)用與民用領(lǐng)域也變得十分重要。這里介紹的倒盲杖系統(tǒng)設(shè)計就是很好地結(jié)合二者產(chǎn)需的例子。
    因?yàn)槌暡▊鞑ニ俣嚷?，指向性?qiáng)，能級消耗緩慢，對色彩、光照度不敏感，同時超聲波傳感器結(jié)構(gòu)簡單、體積小、費(fèi)用低、信息處理簡單可靠，易于小型化與集成化，并且可以進(jìn)行實(shí)時控制，因此該系統(tǒng)采用超聲波檢測的方法實(shí)現(xiàn)對障礙物的識別。該設(shè)計是利用美國Silicon Laboratories公司的高性能、高集成度SoCC8051F060為核心硬件，通過其對外圍電路的控制以自身強(qiáng)大的信號處理能力實(shí)現(xiàn)障礙物檢測的功能。

1 系統(tǒng)構(gòu)成及設(shè)計原理
    該設(shè)計是利用美國Silicon Laboratories公司的高性能、高集成度SoC(System on a Chip)C8051F060為核心硬件。在手杖的著地端的前上方、前下方、左前方、右前方各安置一個超聲探頭，通過芯片與探頭及外圍電路共同組成的信號發(fā)送與識別系統(tǒng)完成導(dǎo)盲的功能。系統(tǒng)工作原理方框示意圖如圖1所示。

    超聲信號的工作頻率是40 kHz，首先C8051F060MCU產(chǎn)生4路40 kHz的方波信號分別由換能器輸送到手杖末端的超聲探頭。工作時第一個探頭先發(fā)出16個周期的超聲波信號，之后開始接收回波信號，回波信號先經(jīng)比例放大后得到較大的信號，再進(jìn)入自動增益控制部分，將信號放大為單片機(jī)能夠識別的信號，然后再對信號低通濾波后送入單片機(jī)，然后第二個探頭再發(fā)送16個周期的超聲信號，以同樣的方式接收處理，隨后是第三個、第四個、第一個，如此循環(huán)發(fā)送接收。將兩個探頭發(fā)送時間間隔定為18．5 ms，這樣除去發(fā)送時間、消余震時間與信號處理時間總計約2．9 ms，剩余的15．6 ms用來接收34 cm～3 m內(nèi)的障礙物反射回來的回波信號。

2 硬件設(shè)計
2．1 超聲波發(fā)送部分
大多數(shù)的超聲波產(chǎn)生電路的設(shè)計都會采用硬件集成振蕩電路實(shí)現(xiàn)，設(shè)計較為繁瑣，精度不高，而該設(shè)計的超聲波的產(chǎn)生由軟件編程的方法實(shí)現(xiàn)。
    C8051F060 MCU內(nèi)有一個片內(nèi)可編程計數(shù)器／定時器陣列PCA。PCA包括一個專用的16位計數(shù)器／定時器和6個可編程的捕捉／比較模塊。每個捕捉／比較模塊都有其自己的I／O線(CEXn)。當(dāng)被允許時，I／O線通過交叉開關(guān)連到端口I／O，該設(shè)計就是利用了其中的四個捕捉、比較模塊(CEX0～CEX3)，通過交叉開關(guān)連接到端口P0．O～P0．3，因此可以獨(dú)立的在P0．O～P0．3端口上產(chǎn)生40 kHz的方波信號。時間基準(zhǔn)可以是下面的6個時鐘源之一：系統(tǒng)時鐘／12，系統(tǒng)時鐘／4，定時器O溢出，外部時鐘輸入ECI，系統(tǒng)時鐘和外部振蕩源頻率／8。實(shí)驗(yàn)證明應(yīng)用外部振蕩時鐘源8分頻作為時間基準(zhǔn)較其他方法得到的方波信號更為精確、穩(wěn)定。每個捕捉／比較模塊可以被編程為獨(dú)立工作在下面的6種工作方式之一：邊沿觸發(fā)捕捉、軟件定時器、高速輸出、頻率輸出、8位PWM或16位PWM，在此采用的是頻率輸出方式。
    40 kHz方波信號由單片機(jī)產(chǎn)生后，經(jīng)通用I／O口輸出到換能器放大，再由超聲波傳感器的探頭發(fā)出，四個探頭的工作是輪流進(jìn)行的。每一個探頭工作時都是先發(fā)出16個周期的超聲波脈沖信號，用時O．4 ms，然后消余震2 ms，此時開始接收回波信號，過15．6 ms后停止接收信號，再經(jīng)過O．5 ms的信號處理時間后第一個探頭的工作結(jié)束，轉(zhuǎn)為下一個超聲波傳感器進(jìn)行相同的工作。也就是系統(tǒng)僅接收信號發(fā)出后2～17．6 ms之間的回波信號，又因?yàn)槌暡ㄔ诳諝庵械膫鞑ニ俣燃s為340 m／s，也就是系統(tǒng)能識別的障礙物的距離范圍在34 cm～3 m。
2．2 信號接收部分
    信號發(fā)送出去以后若遇障礙物就會反射回來，即為回波?；夭ㄐ盘栃盘栆话爿^弱，僅為幾毫伏，該系統(tǒng)先將接收到的回波進(jìn)行比例放大，使回波信號增大到幾百毫伏。比例放大部分采用的芯片是CADEKAMicrocircuits的CLC4600運(yùn)算放大器，CLC4600運(yùn)算放大器據(jù)具有四信道，每通道供電電流消耗僅3．3 mA，具有300MHz的單位增益帶寬。比例放大部分的電路原理圖如圖2所示。

    由于障礙物的遠(yuǎn)近不同以及超聲在空氣中的衰減程度，得到的回波信號幅度會有所變化：越早接收到的回波信號越強(qiáng)，越晚越弱。針對不同時刻接收到的回波的強(qiáng)度不同，需要對信號進(jìn)行不同倍數(shù)的放大，使放大后的信號都有相同的幅值，因此需要一個增益隨時間變化可調(diào)的放大電路，這樣的放大電路即為時間增益控制(TGC)電路。
    該設(shè)計中TGC部分主要是由運(yùn)算放大器與數(shù)字電位器相互配合共同實(shí)現(xiàn)的。運(yùn)算放大器采用的是CADEKA Microcircuits的單路，低失調(diào)，軌到軌輸入／輸出放大器CLC1003。數(shù)字電位器選用美國ADI公司生產(chǎn)的AD8403A10，是一種具有數(shù)字接口的有源器件。可方便地與單片機(jī)相連接，用來精確調(diào)整其阻值。他可以代替電路中的機(jī)械電位器，從而實(shí)現(xiàn)操作上的智能化。采用固定數(shù)字電位器來控制放大電路的增益，可以用簡單的線路，實(shí)現(xiàn)量程多極變化，并且具有很高的增益分辨率。AD8403A10是四通道的數(shù)字電位器，每通道的電阻的標(biāo)稱值為10 kΩ，有256個分支點(diǎn)，最小的電阻調(diào)整精度可達(dá)39Ω，采用兩通道并聯(lián)可將精度降至20Ω以內(nèi)，每通道的不同分支點(diǎn)的處的電阻值都有相應(yīng)的串行數(shù)據(jù)與之對應(yīng)。將AD8403的兩通道串聯(lián)用來調(diào)節(jié)增益，另兩通道串聯(lián)用來調(diào)節(jié)偏執(zhí)電壓，當(dāng)回波信號接收后，單片機(jī)通過向AD8403不斷送入串行數(shù)據(jù)來調(diào)節(jié)不同時刻的增益，最終使得到的回波信號幅度在一定的范圍之內(nèi)。本單元的硬件原理圖如圖3所示。

    信號經(jīng)自動增益部分的處理后幅度增大至單片機(jī)可識別的范圍。因?yàn)榇藭r的信號還夾雜一定的高頻噪聲信號，因此需要一級截止頻率為200 kHz的低通濾波器。該設(shè)計的低通濾波器采用的是選用美國Lineartechnology公司的8階線性相位濾波器LTC1069-7。LTC1069-7是一個單片、時鐘調(diào)諧、線性相位、8次低通濾波器。截止頻率通過一個外時鐘設(shè)置和等時鐘頻率除以25得到，因此要得到200 kHz的截止頻率輸入時鐘頻率為5 MHz。內(nèi)部取樣頻率對截止頻率比是50:1，LTC1069-7能工作在單電源5 V直至雙±5 V電源。此部分的應(yīng)用電路如圖4所示。
    從低通濾波器輸出的信號送入MCU，單片機(jī)將此模擬信號經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后進(jìn)行分析處理，如有障礙物的回波信息則發(fā)送報警信號。

3 軟件設(shè)計
    該系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括超聲波信號的產(chǎn)生并選通發(fā)送、信號選通接收、TGC單元的控制、低通濾波器的時鐘輸入等四部分。根據(jù)C8051F060的資源及特點(diǎn)，方波信號的產(chǎn)生通過設(shè)置PCA中的特殊功能寄存器PCAOCN，PCAOMD，PCAOCPMn，PCAOL，PCAOH實(shí)現(xiàn)，其中PCAOMD寄存器可控制PCA的時鐘源選擇；PCAOCPMn寄存器可配置PCA捕捉／比較模塊的工作方式；而PCAOL，PCAOH寄存器則用于控制信號產(chǎn)生與停止的時間周期。TGC單元的控制需要串行數(shù)據(jù)信號、片選和時鐘信號，此部分通過設(shè)置SPI0中的寄存器SPI0CN，SPI0DAT，SPI0CFG，SPI0CKR實(shí)現(xiàn)。其中SPI0DAT用于發(fā)送和接收SPI0數(shù)據(jù)；SPI0CFG寄存器決定SPI0的工作方式；SPI0CKR決定時鐘信號的頻率。低通濾波器需要5 MHz的時鐘信號，也由設(shè)置PCA中的特殊功能寄存器來實(shí)現(xiàn)。信號的選通接收部分則由通用的I／O口配合多路對模擬開關(guān)的控制實(shí)現(xiàn)。圖5是該系統(tǒng)設(shè)計的軟件結(jié)構(gòu)流程圖。

4 結(jié) 語
    這里主要介紹一種基于C8051F060的超聲波導(dǎo)盲系統(tǒng)設(shè)計，并詳細(xì)介紹了設(shè)計的硬件部分，該系統(tǒng)經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測試表明滿足設(shè)計要求。對于不同的障礙物類別，所得到的回波信號也有所不同，通過對采集的回波信號的分析能夠得到更詳細(xì)的障礙物信息，因此可開發(fā)成為能夠?qū)Σ煌恼系K物進(jìn)行識別的路障識別系統(tǒng)。