基于arm超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)及上位機(jī)串口通訊

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本文詳細(xì)介紹了一種基于ARM處理器LPC2368的超聲測(cè)距系統(tǒng)。該系統(tǒng)是以空氣中超聲波的傳播速度為確定條件，利用發(fā)射超聲波與反射回波時(shí)間差來(lái)測(cè)量待測(cè)距離。本系統(tǒng)包括上位機(jī)監(jiān)控軟件和下位機(jī)嵌入式測(cè)量系統(tǒng)兩部分。</p><p>　　超聲測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理以達(dá)到更優(yōu)的系統(tǒng)性能為目的。為適合不同的速率變化的

2、運(yùn)動(dòng)物體的距離，嵌入式系統(tǒng)設(shè)置了正常測(cè)距和快速測(cè)距兩種顯示模塊，即對(duì)于變化快的物體，采用快速測(cè)量模式；對(duì)于變化慢的物體，采用正常測(cè)量模式。</p><p>　　論文概述了超聲波的一些特性，介紹了超聲波測(cè)距的基本原理，對(duì)于影響測(cè)距系統(tǒng)的一些主要參數(shù)進(jìn)行了討論以及對(duì)嵌入式系統(tǒng)ARM和開(kāi)發(fā)環(huán)境做了簡(jiǎn)單介紹。并且在介紹超聲測(cè)距系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，提出了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，包括嵌入式系統(tǒng)測(cè)距功能、系統(tǒng)設(shè)置功能、顯示功能和串口通信

3、的方案設(shè)計(jì)以及監(jiān)控界面遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程修改和數(shù)據(jù)存取等功能的設(shè)計(jì)。</p><p>　　最后對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)表明，監(jiān)控軟件和嵌入式系統(tǒng)的各項(xiàng)功能均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。最后文中分析了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的不足及如何對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行完善提出了一些改進(jìn)建議。</p><p>　　關(guān)鍵詞:超聲傳感器，超聲測(cè)距系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)ARM，PC機(jī)串口通信 </p><p><b>　　Ab

4、stract</b></p><p>　　This essay presents an ultrasonic ranging system based on the ARM processor LPC2368. This system uses 

5、;ultrasonic echo and reflection of the time difference to measure the distance with the definite condition of the propagation 

6、;velocity of ultrasonic spreading in the air. It includes two parts: one is PC monitoring software; the other is a machi

7、ne embedded under measuring system.</p><p>　　The design principle of the ultrasonic ranging system sets an aim of optimizing

8、60;the performance of this system. In order to be suited to the different moving objects with different rates, the embedded&#

9、160;system sets two display module of normal ranging and tachometric ranging, that is adopting the mode of tachometric raging 

10、;in terms of objects whose rate changing faster; while adopting the mode of normal raging in terms of objects whose rate

11、 changing slower.</p><p>　　This essay summarizes some features of ultrasonic, introduces the basic principle of ultrasonic ranging,&

12、#160;analyses some main parameters affecting the ranging system, and gives a brief introduction of the embedded system ARM and

13、0;the development environment. On the base of the introduction of the function of the ultrasonic ranging system, it also puts

14、 forward the design of the whole system. That includes the ranging function of the embedded system, the setup function, 

15、the display function, the seri</p><p>　　Key words: ultrasonic sensor, ultrasonic ranging system, embedded system ARM, PC serial 

16、;communication</p><p><b>　　第一章 前言1</b></p><p>　　1.1 課題背景1</p><p>　　1.2超聲測(cè)距發(fā)展概況1</p><p>　　1.3本課題研究?jī)?nèi)容及任務(wù)3</p><p>　　第二章 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)4</p><

17、p><b>　　2.1超聲概述4</b></p><p>　　2.1.1超聲波及其波形4</p><p>　　2.1.2反射與折射4</p><p>　　2.1.3聲波的衰減6</p><p>　　2.2超聲波測(cè)距原理6</p><p>　　2.3超聲波測(cè)距主要參數(shù)考慮7<

18、/p><p>　　2.3.1傳感器的指向角7</p><p>　　2.3.2測(cè)距儀的工作頻率7</p><p>　　2.3.3溫度對(duì)聲速的影響8</p><p>　　2.4RealView MDK軟件介紹9</p><p>　　2.5嵌入式微處理器介紹9</p><p>　　第三章 系統(tǒng)總

19、體設(shè)計(jì)11</p><p>　　3.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)11</p><p>　　3.2上位機(jī)的功能11</p><p>　　3.3下位機(jī)的功能12</p><p>　　3.4 系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)13</p><p>　　3.4.1 串行通信基本概念13</p><p>　　3.4.2

20、 串行通信協(xié)議13</p><p>　　3.4.3系統(tǒng)通信設(shè)計(jì)14</p><p>　　第四章 下位機(jī)系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)15</p><p>　　4.1下位機(jī)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)15</p><p>　　4.1.1下位機(jī)系統(tǒng)的組成15</p><p>　　4.1.2 下位機(jī)系統(tǒng)的硬件電路構(gòu)成16</p>

21、<p>　　4.2下位機(jī)測(cè)距功能的實(shí)現(xiàn)16</p><p>　　4.2.1超聲波測(cè)距模塊的時(shí)序圖16</p><p>　　4.2.2測(cè)距功能的設(shè)計(jì)17</p><p>　　4.3下位機(jī)設(shè)置功能的實(shí)現(xiàn)18</p><p>　　4.3.1下位機(jī)設(shè)置功能的顯示結(jié)構(gòu)18</p><p>　　4.3.2下

22、位機(jī)鍵盤(pán)輸入的設(shè)計(jì)19</p><p>　　4.3.3報(bào)警設(shè)置、頻率設(shè)置和序號(hào)設(shè)置功能的實(shí)現(xiàn)20</p><p>　　4.3.4校準(zhǔn)設(shè)置功能的實(shí)現(xiàn)21</p><p>　　4.4下位機(jī)顯示功能的實(shí)現(xiàn)22</p><p>　　4.4.1 KM12232B 液晶模塊管腳說(shuō)明22</p><p>　　4.4.2下位

23、機(jī)顯示功能的程序結(jié)構(gòu)23</p><p>　　4.5下位機(jī)通信功能的實(shí)現(xiàn)23</p><p>　　4.5.1下位機(jī)通信程序的結(jié)構(gòu)23</p><p>　　4.5.2下位機(jī)對(duì)不同指令的操作24</p><p>　　4.6下位機(jī)系統(tǒng)性能測(cè)試25</p><p>　　4.6.1測(cè)距性能測(cè)試25</p>

24、<p>　　4.6.2系統(tǒng)設(shè)置功能的測(cè)試25</p><p>　　4.6.3 同步時(shí)鐘的測(cè)試29</p><p>　　第五章 上位機(jī)系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)30</p><p>　　5.1上位機(jī)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)30</p><p>　　5.1.1上位機(jī)系統(tǒng)的組成30</p><p>　　5.1.2上位機(jī)顯示

25、主界面30</p><p>　　5.1.3實(shí)時(shí)監(jiān)控曲線界面31</p><p>　　5.1.4數(shù)據(jù)查看界面32</p><p>　　5.2上位機(jī)通信功能的實(shí)現(xiàn)33</p><p>　　5.2.1MSComm控件屬性33</p><p>　　5.2.2上位機(jī)的通信設(shè)計(jì)33</p><p&g

26、t;　　5.2.3上位機(jī)的通信實(shí)現(xiàn)33</p><p>　　5.3上位機(jī)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與讀取34</p><p>　　5.3.1上位機(jī)數(shù)據(jù)的存取34</p><p>　　5.3.2上位機(jī)的數(shù)據(jù)讀取設(shè)計(jì)35</p><p>　　5.3.3上位機(jī)的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存設(shè)計(jì)35</p><p>　　5.4上位機(jī)系統(tǒng)性能測(cè)試36&

27、lt;/p><p>　　5.4.1上位機(jī)指令測(cè)試36</p><p>　　5.4.2上位機(jī)報(bào)警測(cè)試37</p><p>　　5.4.3上位機(jī)存取測(cè)試38</p><p>　　第六章 結(jié)論39</p><p><b>　　致 謝40</b></p><p><

28、b>　　參考文獻(xiàn)41</b></p><p><b>　　第一章 前言</b></p><p><b>　　1.1 課題背景</b></p><p>　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和工業(yè)機(jī)器人的不斷發(fā)展，超聲波檢測(cè)技術(shù)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。其中超聲波測(cè)距是一種可定向發(fā)射、指向性好、利用微電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)的

29、非接觸式測(cè)距方式。 目前，非接觸式測(cè)距常采用超聲波、激光和雷達(dá)。但激光和雷達(dá)測(cè)距儀造價(jià)偏高，不利于廣泛的普及應(yīng)用，在某些應(yīng)用領(lǐng)域有其局限性，相比之下，超聲波方法具有明顯突出的優(yōu)點(diǎn):</p><p>　　1. 超聲波對(duì)外界光線和電磁場(chǎng)不敏感，可用于黑暗、有灰塵或煙霧、電磁干擾強(qiáng)、有毒等惡劣環(huán)境中。</p><p>　　2. 超聲波傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、費(fèi)用低、信息處理簡(jiǎn)單可靠，易于小型化與

30、集成化，并且可以進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。</p><p>　　3. 超聲波的傳播速度僅為光波的百萬(wàn)分之一，并且指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，因此可以直接測(cè)量較近目標(biāo)的距離。</p><p>　　4. 超聲波對(duì)色彩、光照度不敏感，可適用于識(shí)別透明、半透明及漫反射差的物體(如玻璃、拋光體)。 </p><p>　　目前，對(duì)于超聲波精確測(cè)距的需求也越來(lái)越大，如油庫(kù)和水箱液面的精確測(cè)

31、量和控制，物體內(nèi)氣孔大小的檢測(cè)和機(jī)械內(nèi)部損傷的檢測(cè)等。在機(jī)械制造，電子冶金，航海，宇航，石油化工，交通等工業(yè)領(lǐng)域也有廣泛地應(yīng)用。此外，在材料科學(xué)，醫(yī)學(xué)，生物科學(xué)等領(lǐng)域中也占具重要地位。</p><p>　　1.2超聲測(cè)距發(fā)展概況</p><p>　　超聲檢測(cè)主要是利用超聲波作為載體，即通過(guò)超聲在媒質(zhì)中的傳播、散射、吸收、波形轉(zhuǎn)換等，提取反映媒質(zhì)本身特性或內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息，達(dá)到檢測(cè)媒質(zhì)性質(zhì)、物

32、體形狀或幾何尺寸、內(nèi)部缺陷或結(jié)構(gòu)的目的[1]。我國(guó)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是從無(wú)到有，從低級(jí)階段逐漸發(fā)展到應(yīng)用普及的現(xiàn)階段水平。超聲波檢測(cè)儀器的研制生產(chǎn)，也大致按此規(guī)律發(fā)展變化。五十年代，我國(guó)開(kāi)始從國(guó)外引進(jìn)超聲波儀器，多是笨重的電子管式儀器。如英國(guó)的UCT-2超聲波檢測(cè)儀，重達(dá)24Kg，各單位積極開(kāi)展試驗(yàn)研究工作，在一些工程檢測(cè)中取得了較好的效果。五十年代末六十年代初，國(guó)內(nèi)科研單位進(jìn)口了波蘭產(chǎn)超聲儀，并進(jìn)行仿制生產(chǎn)。隨后，上海同濟(jì)大學(xué)研制出CTS-

33、10型非金屬超聲檢測(cè)儀，也是電子管式，儀器重約20Kg，該儀器性能穩(wěn)定，波形清晰。但當(dāng)時(shí)這種儀器只有個(gè)別科研單位使用，建工部門(mén)使用不多。直至七十年代中期，因無(wú)損檢測(cè)技術(shù)仍處于試驗(yàn)階段，未推廣普及，所以儀器沒(méi)有多大發(fā)展，仍使用電子管式的UCT-2，CTS-10型儀器。</p><p>　　1976年，國(guó)家建委科技司主持召開(kāi)全國(guó)建筑工程檢測(cè)技術(shù)交流會(huì)后，國(guó)家建委將混凝土無(wú)損檢測(cè)技術(shù)列為重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目，組織全國(guó)6個(gè)單位協(xié)

34、作攻關(guān)。從此，無(wú)損檢測(cè)技術(shù)開(kāi)始進(jìn)入有計(jì)劃，有目的的研究階段。隨著電子工業(yè)的飛速發(fā)展，半導(dǎo)體元件逐漸代替了電子管器件，更有利于無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的推廣普及。如羅馬尼亞N2701型超聲波測(cè)試儀，是由晶體管分立元件組成，具有波形和數(shù)碼顯示，儀器重量10Kg。七十年代，英國(guó)C.N.S公司推出僅有 3.5Kg重的PUNDIT便攜式超聲儀。</p><p>　　1978年10月，中國(guó)建筑科學(xué)院研制出JC-2型便攜式超聲波檢測(cè)儀。該

35、儀器采用TTL線路，數(shù)碼顯示，儀器重量為5Kg。同期研制出的超聲檢測(cè)儀器還有SC-2型，CTS-25型，SYC-2型超聲波檢測(cè)儀。從此，我國(guó)有了自己生產(chǎn)的超聲波儀器，為推廣應(yīng)用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)奠定了良好的基礎(chǔ)。</p><p>　　隨著檢測(cè)技術(shù)研究的不斷深入，對(duì)超聲檢測(cè)儀器的功能要求越來(lái)越高，單數(shù)碼顯示的超聲檢測(cè)儀測(cè)讀會(huì)帶來(lái)較大的測(cè)試誤差。進(jìn)一步要求以后生產(chǎn)的超聲儀能夠具有雙顯及內(nèi)帶有單板機(jī)的微處理功能。隨后具有檢測(cè)

36、，記錄，存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)處理與分析等多項(xiàng)功能的智能化檢測(cè)分析儀相繼研制成功[2]。超聲儀研制呈現(xiàn)一派繁榮景象。其中，煤炭科學(xué)研究院研制的2000A型超聲分析檢測(cè)儀，是一種內(nèi)帶微處理器的智能化測(cè)量?jī)x器，全部操作都處于微處理器的控制管理之下，所有測(cè)量值，處理結(jié)果，狀態(tài)信息都在顯像管上顯示出來(lái)，并可接微型打印機(jī)打印。其數(shù)字和波形都比較清晰穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)單.，可靠性高，具有斷電存儲(chǔ)功能，其串口可以方便用戶對(duì)儀器的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理及有關(guān)程序的開(kāi)發(fā)。與國(guó)

37、內(nèi)同類產(chǎn)品相比，設(shè)計(jì)新穎合理，功能齊全，在儀器設(shè)計(jì)上有重大突破和創(chuàng)新，達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。</p><p>　　目前，計(jì)算機(jī)市場(chǎng)價(jià)格大幅度下降，采用非一體化超聲波檢測(cè)儀器，計(jì)算機(jī)可發(fā)揮它一機(jī)多用的各種功能，實(shí)際上是最大的節(jié)約。過(guò)去那種全功能的儀器設(shè)置，還不如單獨(dú)的超聲儀，計(jì)算機(jī)可充分發(fā)揮各自特點(diǎn)。高智能化檢測(cè)儀器只能滿足檢測(cè)條件，使用環(huán)境，重復(fù)性測(cè)試內(nèi)容等基本情況一樣，才可充分發(fā)揮其特有功能。儀器設(shè)計(jì)也應(yīng)從實(shí)際情

38、況出發(fā)，才能滿足用戶的要求。綜上所述，我國(guó)超聲波儀器的研制與生產(chǎn)，有較大發(fā)展，有的型號(hào)已超過(guò)國(guó)外同類儀器水平。</p><p>　　1.3本課題研究?jī)?nèi)容及任務(wù)</p><p>　　超聲波檢測(cè)技術(shù)是以超聲波作為采集信息的手段，能在不損壞和不接觸被測(cè)量對(duì)象的情況下探測(cè)對(duì)象。距離是在不同的場(chǎng)合和控制中需要檢測(cè)的一個(gè)參數(shù)，超聲波測(cè)距是一種很有效的測(cè)量方法，有著廣泛的應(yīng)用。本文介紹一套能夠?qū)Χ鄠€(gè)液位

39、進(jìn)行測(cè)量的超聲波系統(tǒng)。主要工作內(nèi)容包括以下幾點(diǎn)：</p><p>　　開(kāi)發(fā)一套具有遠(yuǎn)程監(jiān)控和遠(yuǎn)程修改功能的上位機(jī)軟件。</p><p>　　要求上位機(jī)軟件具備數(shù)據(jù)存取、曲線繪制等功能。</p><p>　　開(kāi)發(fā)出基于ARM7處理器LPC2368的超聲測(cè)距下位機(jī)系統(tǒng)。</p><p>　　要求該嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)能實(shí)現(xiàn)正常模式和快速模塊兩種方式下的

40、測(cè)量，并完成同步時(shí)鐘的顯示。</p><p>　　要求該嵌入式系統(tǒng)具備報(bào)警設(shè)置、周期設(shè)置、校準(zhǔn)設(shè)置和序號(hào)設(shè)置等功能。</p><p>　　要求該嵌入式系統(tǒng)完成能與上位機(jī)完成串口通信，可向上位機(jī)發(fā)送測(cè)量數(shù)據(jù)并接受上位機(jī)的指令。 </p><p><b>　　第二章 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)</b></p><p><b>　　2

41、.1超聲概述</b></p><p>　　2.1.1超聲波及其波形</p><p>　　我們生活的世界充滿了各種可聽(tīng)的聲信號(hào)。在科學(xué)史上，人們很久以前對(duì)聲音信號(hào)就有了認(rèn)識(shí)，聲學(xué)是最早發(fā)展的學(xué)科之一。我國(guó)兩千多年前的先秦時(shí)期，在樂(lè)律和樂(lè)器的研究方面，對(duì)聲學(xué)的發(fā)展做出了重要的貢獻(xiàn)。在國(guó)外，19世紀(jì)，聲學(xué)已成為具有現(xiàn)代意義的科學(xué)并發(fā)展到相當(dāng)高的水平。然而由于超聲是人耳聽(tīng)不到的信號(hào)，直

42、到18世紀(jì)，人們?cè)谘芯框?、海豚等?dòng)物時(shí)，才推測(cè)自然界中存在超聲。</p><p>　　物理學(xué)上把每秒鐘振動(dòng)的次數(shù)定義為頻率，它的單位是赫茲(Hz)。我們?nèi)祟惗淠苈?tīng)到的聲波頻率為20Hz～20000Hz。當(dāng)聲波的振動(dòng)頻率小于20Hz或大于20KHz時(shí)，我們便聽(tīng)不見(jiàn)了。因此，我們把頻率高于20000赫茲的聲波稱為超聲波，或稱超聲。聲波的速度越高，越與光學(xué)的某些特性如發(fā)射定律、折射定律相似[3]。由于聲源在介質(zhì)中施

43、力方向與波在介質(zhì)中傳播方向不同，聲波的波形也不同。一般有以下幾種:</p><p><b>　　1.縱波</b></p><p>　　質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與傳播方向一致的波，稱為縱波。它能在固體、液體和氣體中傳播。</p><p><b>　　2.橫波</b></p><p>　　質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與傳播方向相

44、垂直的波，稱為橫波。它只能在固體中傳播。</p><p><b>　　3.表面波</b></p><p>　　質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)介于縱波和橫波之間，沿著表面?zhèn)鞑?，振幅隨著深度的增加而迅速地衰減，稱為表面波。表面波只在固體地表面?zhèn)鞑ァ?lt;/p><p>　　2.1.2反射與折射</p><p>　　超聲波在媒質(zhì)中的反射、折射、衍射、

45、散射等傳播規(guī)律，與可聽(tīng)聲波的規(guī)律沒(méi)有本質(zhì)上的區(qū)別。當(dāng)超聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時(shí)，在兩介質(zhì)的分界面上，一部分能量反射回原介質(zhì)的波稱為反射波;另一部分則透過(guò)分界面，在另一介質(zhì)能繼續(xù)傳播</p><p>　　的波稱為折射波，如圖2-1所示。</p><p>　　圖2-1 超聲波反射與折射圖</p><p>　　其反射與折射滿足如下規(guī)律:</p>&l

46、t;p><b>　　1.反射定律</b></p><p>　　入射角a的正弦與反射角a’的正弦之比，等于波束之比。當(dāng)入射波和反射波的波形一樣時(shí)，波速一樣，入射角a即等于反射角a’。</p><p><b>　　2.折射定律</b></p><p>　　入射角a的正弦與折射角β的正弦之比，等于入射波中介質(zhì)的波速v1與折

47、射波中介質(zhì)的波速v2之比，即</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p><b>　　3.反射系數(shù)</b></p><p>　　當(dāng)聲波從一種介質(zhì)向另一種介質(zhì)傳播時(shí)，因?yàn)閮煞N介質(zhì)的密度不同和聲速在其中傳播的速度不同，在分界面上聲波會(huì)產(chǎn)生反射和折射，反射聲強(qiáng)Ir與入射聲強(qiáng) 之比，稱為反射系數(shù)，反射系數(shù)R的大

48、小為</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　式中: 為反射聲強(qiáng);， 為入射聲強(qiáng); 為第一介質(zhì)的聲阻抗: 為第二介質(zhì)的聲阻抗。</p><p>　　在聲波垂直入射時(shí)， ，上式可化簡(jiǎn)為</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>

49、　　若聲波從水中傳播到空氣，在常溫下它們的聲阻抗約為 , ,，代入上式則得 。這說(shuō)明當(dāng)聲波從液體或固體傳播到氣體，或相反的情況下，由于兩種介質(zhì)的聲阻抗相差懸殊，聲波幾乎全部被反射。</p><p>　　2.1.3聲波的衰減</p><p>　　聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)會(huì)被吸收而衰減，氣體吸收最強(qiáng)而衰減最大，液體其次，固體吸收最小而衰減最小，因此對(duì)于給定強(qiáng)度的聲波，在氣體中傳播的距離會(huì)明顯比在液體

50、和固體中傳播的距離短。另外聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)衰減的程度還與聲波的頻率有關(guān)，頻率越高，聲波的衰減也越大，因此超聲波比其他聲波在傳播時(shí)的衰減更明顯。</p><p>　　衰減的大小用衰減系數(shù) 表示，其單位為dB/m，通常用 dB/mm表示。在一般探測(cè)頻率上，材料的衰減系數(shù)在一到幾百之間，如水及其他衰減材料 為 dB/mm。假如 為 1dB/mm，則聲波穿透1mm距離時(shí)，衰減為10%;穿透20mm距離時(shí)，衰減為90%

51、。</p><p>　　2.2超聲波測(cè)距原理</p><p>　　由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測(cè)量。利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，因此在測(cè)量距離領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。超聲測(cè)距方法有脈沖回波法、共振法和頻差法。其中脈沖回波法測(cè)距最為常用，它主要基于超聲測(cè)距回波信號(hào)的識(shí)

52、別，多采用模擬方法，用電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　圖2-2超聲測(cè)距原理圖</p><p>　　如圖2-2所示，其原理是超聲傳感器發(fā)射超聲波，在空氣中傳播至被測(cè)物，經(jīng)反射后由超聲傳感器接收反射脈沖，測(cè)量出超聲脈沖從發(fā)射到接收的時(shí)間，己知超聲波聲速V的前提下，利用:</p><p>　　S=VT （2-4）<

53、/p><p>　　即可計(jì)算得傳感器與反射點(diǎn)之間的距離S，測(cè)量距離</p><p>　　d= （2-5）</p><p>　　當(dāng)S>>h時(shí)，則d≈S，即:</p><p><b>　　（2-6）</b></p><p>　　2.3超聲波測(cè)距主要參數(shù)考慮&

54、lt;/p><p>　　2.3.1傳感器的指向角</p><p>　　傳感器的指向角是聲束半功率點(diǎn)的夾角，是影響測(cè)距的一個(gè)重要技術(shù)參數(shù)，記為，它直接影響測(cè)量的分辨率。對(duì)圓片傳感器來(lái)說(shuō)，它的大小與工作波長(zhǎng)λ，傳感器半徑r有關(guān)[4]。由</p><p><b>　?。?-7）</b></p><p>　　選 時(shí)，。當(dāng)?0選定后，

55、指向角近似與傳感器</p><p>　　半徑成反比。指向角愈小，空間分辨率愈高，則要求傳感器半徑r愈大。</p><p>　　鑒于目前電子市場(chǎng)的壓電傳感片規(guī)格有限，為降低成本，在不降低空間分辨率的條件下，選用國(guó)產(chǎn)現(xiàn)有壓電傳感器片最大半徑r=6.3mm，故</p><p><b>　?。?-8）</b></p><p>　

56、　2.3.2測(cè)距儀的工作頻率</p><p>　　空氣中超聲波的衰減系數(shù)為:</p><p><b>　　（2-9）</b></p><p>　　所以，空氣中超聲波的衰減對(duì)頻率很敏感，要求合理選擇超聲波頻率，一般在40KHz左右，太高頻率的超聲波在空氣中是無(wú)法傳播開(kāi)去的[5]。</p><p>　　傳感器的工作頻率是測(cè)距

57、系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)，它直接影響超聲波的擴(kuò)散和吸收損失，障礙物反射損失，背景噪聲，并直接決定傳感器的尺寸。</p><p>　　工作頻率的確定主要基于以下幾點(diǎn)考慮:</p><p>　　1.如果測(cè)距的能力要求很大，聲波傳播損失就相對(duì)增加，由于介質(zhì)對(duì)聲波的吸收與聲波頻率的平方成正比，為減小聲波的傳播損失，就必須降低工作頻率。</p><p>　　2.工作頻率越高，對(duì)相同

58、尺寸的還能器來(lái)說(shuō)，傳感器的方向性越尖銳，測(cè)量障礙物復(fù)雜表面越準(zhǔn)，而且波長(zhǎng)短，尺寸分辨率高，“細(xì)節(jié)”容易辨識(shí)清楚，因此從測(cè)量復(fù)雜障礙物表面和測(cè)量精度來(lái)看，工作頻率要求提高。</p><p>　　3.從傳感器設(shè)計(jì)角度看，工作頻率越低，傳感器尺寸就越大，制造和安裝就越困難。</p><p>　　綜上所述，由于本測(cè)距儀最大測(cè)量量程不大，因而選擇測(cè)距儀工作頻率在40KHz。這樣傳感器方向性尖銳，且避

59、開(kāi)了噪聲，提高了信噪比，雖然傳播損失相對(duì)低頻有所增加，但不會(huì)給發(fā)射和接收帶來(lái)困難。</p><p>　　2.3.3溫度對(duì)聲速的影響</p><p>　　由2.2可知，聲速的大小線性的決定了測(cè)距系統(tǒng)的測(cè)量精度?？諝庵袀鞑サ某暡ㄊ怯蓹C(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生的縱波，由于氣體具有反抗壓縮和擴(kuò)張的彈性模量，氣體反抗壓縮變化力的作用，實(shí)現(xiàn)超聲波在空氣中傳播。因此，超聲波的傳播速度受氣體的密度、溫度及氣體分子成份

60、的影響，即:</p><p>　　Cs= （2-10）</p><p>　　式中:Cs為超聲波聲速;B為氣體的彈性模量;為氣體的密度。</p><p>　　氣體彈性模量，由理想氣體壓縮特性可得:</p><p><b>　?。?-11）</b></p><p&

61、gt;　　式中:為定壓熱容與定容熱容的比值，空氣為1.40;P為氣體的壓強(qiáng)。而氣體的壓強(qiáng)公式為:</p><p>　　P= （2-12）</p><p>　　式中:R為普適常量8.134kg/mol;T為氣體溫度K(絕對(duì)溫度);M為氣體分子量;空氣為28.8kg/mol所以:</p><p>　　Cs=

62、 （2-13）</p><p>　　由上式可知，溫度對(duì)超聲波在空氣中的傳播速度有明顯的影響。其變化公式為：</p><p>　　Cs=20.067(m/s) （2-14）</p><p>　　式中:T為氣體溫度K(絕對(duì)溫度)。由于該測(cè)距系統(tǒng)用于室內(nèi)測(cè)量，且量程也不大，溫度可以看作定值。在常溫20℃下，聲音在空氣中的傳播速度可

63、依據(jù)上式計(jì)算出為344m/s。但當(dāng)需要精確確定超聲波傳播速度時(shí)，必須考慮溫度的影響。</p><p>　　2.4RealView MDK軟件介紹</p><p>　　在中國(guó)的單片機(jī)開(kāi)發(fā)者中，Keil Software公司推出的Keil uVision系列軟件是最為經(jīng)典的單片機(jī)軟件集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。ARM公司收購(gòu)Keil公司后，在最大程度保持uVision軟件的風(fēng)格基礎(chǔ)上推出了ARM RealV

64、iew MDK平臺(tái)[6]。ARM RealView MDK開(kāi)發(fā)平臺(tái)主要具有如下特點(diǎn)：</p><p>　　采用Keil uVision3的開(kāi)發(fā)環(huán)境和界面，給單片機(jī)用戶的升級(jí)帶來(lái)極大的方便。</p><p>　　具有windows風(fēng)格的可視化操作界面，界面友好，使用極為方便。</p><p>　　支持匯編語(yǔ)言，C51語(yǔ)言以及混合編程等多種方式的單片機(jī)設(shè)計(jì)。</p

65、><p>　　集成了非常全面的ARM處理器的支持，能夠完成ARM7、ARM9以及ARM cortex-M3等處理器的程序設(shè)計(jì)和仿真。</p><p>　　集成了豐富的庫(kù)函數(shù)，以及完善的編譯連接工具。</p><p>　　提供了并口、串口、A/D、D/A、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器及中斷等資源的硬件仿真能力，能夠幫組用戶模擬時(shí)間硬件的執(zhí)行效果。</p><p>

66、;　　可以與多款外部仿真器聯(lián)合使用，提供強(qiáng)大的在線仿真調(diào)試能力。</p><p>　　內(nèi)嵌RTX-51 Tiny和RTX-51 FULL內(nèi)核，提供了簡(jiǎn)單而強(qiáng)大的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)的支持。</p><p>　　在開(kāi)發(fā)界面中支持多個(gè)項(xiàng)目的程序設(shè)計(jì)。</p><p>　　支持多級(jí)代碼優(yōu)化，最大限度地幫助用戶精簡(jiǎn)代碼體積。</p><p>　　由于K

67、eil uVision具有最為廣泛的用戶群，因此相應(yīng)的代碼資源非常豐富，讀者可以輕松地找到各類編程資源以加速學(xué)習(xí)和開(kāi)發(fā)過(guò)程。</p><p>　　2.5嵌入式微處理器介紹</p><p>　　LPC2368是一款基于ARM的微控制器，適用于為了各種目的而需要進(jìn)行串行通信的應(yīng)用[7]。ARM7TDMI-S處理器，可在高達(dá)72MHz的工作頻率下運(yùn)行，并擁有高達(dá)512kB的片內(nèi)Flash程序存儲(chǔ)

68、器，具有在系統(tǒng)編程（ISP）和在應(yīng)用編程（IAP）功能。單個(gè)Flash扇區(qū)或整個(gè)芯片擦除的時(shí)間為400ms，256字節(jié)編程的時(shí)間為1ms。Flash程序存儲(chǔ)器在ARM局部總線上，可以進(jìn)行高性能的CPU訪問(wèn)。 </p><p><b>　　1.定時(shí)器</b></p><p>　　LPC2368處理器擁有4個(gè)32位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。每個(gè)定時(shí)器帶有一個(gè)可編程的32位預(yù)分頻器

69、，在連續(xù)工作情況下，可在匹配時(shí)可選擇產(chǎn)生中斷。在匹配時(shí)，可選擇產(chǎn)生中斷停止定時(shí)器運(yùn)行和復(fù)位定時(shí)器。此外，每個(gè)定時(shí)器包含4路32位的捕獲通道，可以在輸入信號(hào)變化時(shí)捕捉定時(shí)器的瞬時(shí)值，產(chǎn)生中斷。</p><p><b>　　2.RTC時(shí)鐘</b></p><p>　　LPC2368處理器自帶的實(shí)時(shí)時(shí)鐘可用來(lái)對(duì)日期及時(shí)分秒計(jì)時(shí)、記錄等。其計(jì)數(shù)時(shí)鐘可以通過(guò)對(duì)Fpclk進(jìn)行分頻

70、得到，它的基準(zhǔn)時(shí)鐘分頻器允許調(diào)節(jié)任何頻率高于65.536kHz的外設(shè)時(shí)鐘源，并產(chǎn)生一個(gè)32.768kHz的基準(zhǔn)時(shí)鐘（每秒計(jì)數(shù)總數(shù)是32768）。</p><p><b>　　3．通用I/O口</b></p><p>　　LPC2368處理器擁有70個(gè)的通用I/O管腳，主要用于驅(qū)動(dòng)LCD顯示模塊、控制片外器件和檢測(cè)數(shù)字信號(hào)。</p><p>　　

71、4.UART 通信接口模塊</p><p>　　LPC2368處理器有四個(gè)UART模塊。四個(gè)模塊的功能基本相同，只是UART1可以作為一個(gè)完整的Modem接口。</p><p>　　第三章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)</p><p><b>　　3.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　系統(tǒng)由上位機(jī)與下位機(jī)構(gòu)成，通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行

72、數(shù)據(jù)交換。首先由上位機(jī)以廣播通訊方式發(fā)送消息，然后由下位機(jī)根據(jù)本機(jī)的序號(hào)（地址）對(duì)消息進(jìn)行處理。若消息與本機(jī)地址匹配，則回復(fù)收到信息并進(jìn)行相應(yīng)處理，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信；若消息與本機(jī)地址不匹配則不對(duì)其處理。上位機(jī)發(fā)送的消息后未收到由上位機(jī)發(fā)送的回復(fù)則由上位機(jī)提示重發(fā)信息。如圖3-1所示：</p><p>　　圖3-1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)</p><p><b>　　3.2上位機(jī)的功能<

73、/b></p><p>　　本系統(tǒng)的上位機(jī)軟件由Visual C++6.0開(kāi)發(fā)軟件編寫(xiě)，具有良好的可視效果，功能包括遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程修改、測(cè)距報(bào)警、操作歷史記錄和歷史數(shù)據(jù)記錄等。如圖3-2所示：</p><p>　　圖3-2 上位機(jī)功能構(gòu)成圖</p><p>　　數(shù)據(jù)收發(fā)：由上位機(jī)可向下位機(jī)發(fā)送同步和修改指令。同步指令主要用于上位機(jī)與對(duì)應(yīng)序號(hào)的下位機(jī)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊。

74、首先，上位機(jī)將系統(tǒng)時(shí)間發(fā)送給下位機(jī)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)時(shí)鐘同步，然后再由下位機(jī)將系統(tǒng)的報(bào)警距離設(shè)置值、發(fā)射周期值以及所測(cè)的距離值發(fā)送給上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)信息同步。修改指令主要是用于通過(guò)上位機(jī)修改下位機(jī)的設(shè)置值。</p><p>　　歷史記錄：操作歷史記錄主要用于記錄報(bào)警、修改等事件。歷史數(shù)據(jù)記錄主要用于記錄對(duì)應(yīng)下位機(jī)的測(cè)量數(shù)據(jù)。</p><p>　　實(shí)時(shí)監(jiān)控曲線：主要根據(jù)測(cè)量值繪制24小時(shí)監(jiān)控曲線。<

75、;/p><p>　　測(cè)距報(bào)警：主要實(shí)現(xiàn)聲音報(bào)警功能。</p><p><b>　　3.3下位機(jī)的功能</b></p><p>　　超聲波測(cè)距系統(tǒng)下位機(jī)包含測(cè)距功能、系統(tǒng)設(shè)置功能、顯示功能和串口通信功能四大功能。如圖3-3所示。</p><p>　　圖3-3下位機(jī)功能構(gòu)成圖</p><p>　　測(cè)距功能

76、：利用超聲波的反射的原理，測(cè)出障礙物的距離。</p><p>　　顯示功能：系統(tǒng)顯示功能主要包括測(cè)量距離的顯示、時(shí)鐘顯示和報(bào)警顯示。系統(tǒng)顯示分為兩種模式：正常測(cè)量模式和快速測(cè)量模式。在正常測(cè)量模式下，測(cè)量值和時(shí)鐘每隔2S交替顯示；而在快速測(cè)量模式下，則只顯示測(cè)距值。報(bào)警顯示則是在測(cè)量值小于報(bào)警值時(shí)出現(xiàn)顯示。</p><p>　　系統(tǒng)設(shè)置功能：包括報(bào)警設(shè)置、周期設(shè)置、校準(zhǔn)設(shè)置和序號(hào)設(shè)置。報(bào)警

77、設(shè)置是報(bào)警距離值設(shè)置，當(dāng)被測(cè)距離過(guò)近時(shí)，顯示警報(bào)。周期設(shè)置是超聲波發(fā)射周期設(shè)置，可根據(jù)測(cè)量距離的變化速度可以設(shè)置相應(yīng)的周期值。當(dāng)發(fā)射周期小于4S時(shí)，系統(tǒng)則認(rèn)為進(jìn)入快速測(cè)距模式，只顯示測(cè)距值。校準(zhǔn)設(shè)置是下位機(jī)的零刻度值設(shè)置，當(dāng)傳感器的安裝位置不同時(shí)，可以根據(jù)需要設(shè)置相應(yīng)的零刻度值。序號(hào)設(shè)置是下位機(jī)的通訊地址設(shè)置，只有當(dāng)上位機(jī)發(fā)送的指令與下位機(jī)序號(hào)相同時(shí)，下位機(jī)才執(zhí)行相應(yīng)的操作。</p><p>　　串口通信功能：用

78、來(lái)實(shí)現(xiàn)下位機(jī)與通信網(wǎng)絡(luò)的信息交換。包括地址、指令和數(shù)據(jù)的信息交換。</p><p>　　3.4 系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì) </p><p>　　3.4.1 串行通信基本概念</p><p>　　串口通信，是在一些聯(lián)絡(luò)信號(hào)的控制下，使用一對(duì)傳輸線，將數(shù)據(jù)的各位按照時(shí)間順序依次傳送[8]。串行通信的特點(diǎn)：</p><p>　　由于在一條傳輸線上既傳輸數(shù)據(jù)

79、信息，又傳輸控制聯(lián)絡(luò)信息，這就需要一系列的約定，從而識(shí)別一條線上傳送的信息流中，哪一部分是數(shù)據(jù)信號(hào)，哪一部分是聯(lián)絡(luò)信號(hào)。</p><p>　　串行通信的信息格式有異步和同步信息格式。與此對(duì)應(yīng)，有異步串行通信和同步串行通信。</p><p>　　由于串行通信中信息邏輯定義與TTL不兼容，故需要邏輯電平轉(zhuǎn)換，以提高信息傳輸?shù)目煽啃浴?lt;/p><p>　　為降低通信線路的

80、成本和簡(jiǎn)化通信設(shè)備，可用現(xiàn)存信道（如電話、電報(bào)信道等），配以適當(dāng)?shù)耐ㄐ沤涌?，在任意兩點(diǎn)之間實(shí)行串通信。</p><p>　　3.4.2 串行通信協(xié)議</p><p>　?。?）異步傳輸協(xié)議：也稱起止式異步協(xié)議，其特點(diǎn)是通信雙方以一個(gè)字符作為數(shù)據(jù)傳輸單位，且發(fā)送方傳送字符的間隔時(shí)間是不定的。在傳輸一個(gè)字符時(shí)總是以起始位開(kāi)始，以停止位結(jié)束。</p><p>　?。?）面

81、向字符的同步傳輸協(xié)議：其特點(diǎn)是一次傳送由若干個(gè)字符組成的數(shù)據(jù)塊，而不是只傳送一個(gè)字符，并規(guī)定10個(gè)特殊字符作為這個(gè)數(shù)據(jù)塊的開(kāi)頭與結(jié)束標(biāo)志以及整個(gè)傳輸過(guò)程的控制信息。</p><p>　　（3）面向比特的同步傳輸協(xié)議：其特點(diǎn)是所傳輸?shù)囊粠瑪?shù)據(jù)可以是任意位，而且是靠約定的位組合模式，而不是靠特定的字符來(lái)標(biāo)志幀的開(kāi)始和結(jié)束。</p><p>　　3.4.3系統(tǒng)通信設(shè)計(jì)</p>&l

82、t;p>　　本系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)采用RS-232協(xié)議，串口通信設(shè)置為：波特率115200，1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，無(wú)奇偶校驗(yàn)位，1位停止位。上位機(jī)采用一個(gè)字符驅(qū)動(dòng)事件；下位機(jī)采用串口接收中斷。整個(gè)系統(tǒng)采用統(tǒng)一的23位通訊消息，其中包含2位地址位，2位指令位，3位數(shù)據(jù)位以及14位時(shí)間位。如圖3-4所示。</p><p>　　圖3-4 通訊消息的組成</p><p>　　表3-1 指令對(duì)應(yīng)表

83、</p><p>　　第四章 下位機(jī)系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn) </p><p>　　4.1下位機(jī)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)</p><p>　　4.1.1下位機(jī)系統(tǒng)的組成</p><p>　　下位機(jī)系統(tǒng)由測(cè)距模塊、系統(tǒng)設(shè)置模塊、液晶顯示模塊和串口通信模塊四部分組成。整體結(jié)構(gòu)如圖4-1所示。</p><p>　?。?）測(cè)距模塊根據(jù)設(shè)置的頻率發(fā)

84、射脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)超聲波模塊發(fā)射超聲波信號(hào)，遇到障礙后信號(hào)返回，超聲波測(cè)距模塊接收信號(hào)后，產(chǎn)生下降沿，由處理器的定時(shí)器捕獲寄存器捕獲并產(chǎn)生中斷，關(guān)閉定時(shí)器產(chǎn)生時(shí)差，結(jié)合零刻度校準(zhǔn)值計(jì)算出測(cè)量距離。</p><p>　?。?）系統(tǒng)設(shè)置模塊，主要包括發(fā)射脈沖的頻率設(shè)置、報(bào)警距離設(shè)置、零刻度校準(zhǔn)設(shè)置和序號(hào)設(shè)置。其中，頻率設(shè)置和報(bào)警距離設(shè)置可由鍵盤(pán)和上位機(jī)共同修改。零刻度校準(zhǔn)設(shè)置和序號(hào)設(shè)置主要在現(xiàn)場(chǎng)由鍵盤(pán)實(shí)現(xiàn)設(shè)備設(shè)置。<

85、;/p><p>　?。?）液晶顯示模塊實(shí)現(xiàn)在LCD顯示屏上顯示系統(tǒng)的一些信息，包括測(cè)量距離、系統(tǒng)時(shí)間、設(shè)置界面和報(bào)警提示。設(shè)置界面是下位機(jī)系統(tǒng)根據(jù)鍵盤(pán)操作將系統(tǒng)設(shè)置的樹(shù)狀目錄有選擇性的顯示。報(bào)警提示是將測(cè)距模塊算出的測(cè)量距離值與報(bào)警設(shè)置值比較之后，把測(cè)量距離值和報(bào)警提示顯示在液晶顯示器上。</p><p>　?。?）串口通信模塊主要將測(cè)量所得的距離通過(guò)RS232協(xié)議發(fā)送給上位機(jī)顯示，并接受由上

86、位機(jī)發(fā)送的信息。從而形成整個(gè)系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)。</p><p>　　圖4-1 下位機(jī)嵌入式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　4.1.2 下位機(jī)系統(tǒng)的硬件電路構(gòu)成 </p><p>　　ARM處理器與外圍設(shè)備的電路連接如圖4-2所示。ARM的輸出管腳與超聲波模塊的發(fā)射端相連，作用是產(chǎn)生脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)超聲波模塊發(fā)射超聲波信號(hào)。ARM的定時(shí)器捕獲中斷管腳與超聲波模塊的接收端

87、相連，作用是捕獲超聲波模塊在接收到返回信號(hào)后產(chǎn)生的下降沿。ARM的輸入管腳與鍵盤(pán)開(kāi)關(guān)相連，用來(lái)修改系統(tǒng)設(shè)置值。ARM的通用輸出管腳與液晶顯示模塊相連，用于驅(qū)動(dòng)液晶模塊并在模塊上顯示所要輸出的結(jié)果。ARM的UART1管腳與RS232通信模塊相連，用于與上位機(jī)通信。</p><p>　　圖4-2 硬件電路構(gòu)成圖</p><p>　　4.2下位機(jī)測(cè)距功能的實(shí)現(xiàn)</p><p&

88、gt;　　4.2.1超聲波測(cè)距模塊的時(shí)序圖</p><p>　　圖4-3 超聲波時(shí)序圖</p><p>　　超聲波測(cè)距模塊時(shí)序，如圖4-3所示。表明你只需要提供一個(gè) 10uS 以上脈沖觸發(fā)信號(hào)，該模塊內(nèi)部將發(fā)出 8個(gè) 40kHz 周期電平并檢測(cè)回波。一旦檢測(cè)到有回波信號(hào)則輸出回響信號(hào)的脈沖寬度與所測(cè)的距離成正比。由此通過(guò)發(fā)射信號(hào)到收到的回響信號(hào)時(shí)間間隔可以計(jì)算得到距離。公式：us/58=

89、厘米或者 us/148=英寸；或是：距離=高電平時(shí)間*聲速（340M/S）/2。</p><p>　　4.2.2測(cè)距功能的設(shè)計(jì)</p><p>　　下位機(jī)測(cè)距功能主要利用超聲波的發(fā)射到接收的時(shí)差，計(jì)算出相應(yīng)距離。具體程序?qū)崿F(xiàn)過(guò)程如圖4-4所示。</p><p>　　圖4-4 測(cè)距功能程序結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　首先，由定時(shí)器0每隔0.1S

90、產(chǎn)生一次中斷，查詢處理器是否處于測(cè)距狀態(tài)，若處理器不處于測(cè)距狀態(tài)，則跳出定時(shí)器0的中斷。若處理器處于測(cè)距狀態(tài)，則是分頻寄存器CT實(shí)現(xiàn)加1。根據(jù)設(shè)置，判斷分頻寄存器的值是否等于設(shè)置周期。若不相等，則跳出定時(shí)器0的中斷。則若相等，則先將分頻寄存器清零，然后發(fā)射脈沖信號(hào)，并同時(shí)打開(kāi)定時(shí)器3開(kāi)始計(jì)時(shí)。</p><p>　　超聲波測(cè)距模塊收到處理器發(fā)送的脈沖信號(hào)后，驅(qū)動(dòng)模塊發(fā)射探頭發(fā)送8個(gè)40kHz 的超聲波信號(hào)，利用超聲

91、波反射原理，遇到障礙后返回，接收探頭檢測(cè)回波信號(hào)，產(chǎn)生下降沿。由處理器的定時(shí)器捕獲中斷通道捕獲下降沿信號(hào)，產(chǎn)生中斷。</p><p>　　進(jìn)入中斷后，首先關(guān)閉定時(shí)器3，產(chǎn)生時(shí)差。再利用時(shí)間差結(jié)合零刻度補(bǔ)償算出距離值。最后復(fù)位定時(shí)器3，跳出定時(shí)器3的中斷。</p><p>　　因?yàn)樵诿}沖觸發(fā)信號(hào)到模塊內(nèi)部發(fā)出信號(hào)之間存在著一段固定的時(shí)間差，故需要加上這一部分的補(bǔ)償，故最后所得的計(jì)算公式為：&

92、lt;/p><p>　　距離= (時(shí)間差-390)/58+零刻度補(bǔ)償 （4-1）</p><p>　　其中距離單位為厘米（cm）；時(shí)間單位為微秒（us）；-390為驅(qū)動(dòng)電路的時(shí)間補(bǔ)償。</p><p>　　4.3下位機(jī)設(shè)置功能的實(shí)現(xiàn)</p><p>　　4.3.1下位機(jī)設(shè)置功能的顯示結(jié)構(gòu)</p><p>

93、　　設(shè)置功能的顯示分為三層。主要用于實(shí)現(xiàn)：報(bào)警、頻率、校準(zhǔn)和序號(hào)四大功能的實(shí)現(xiàn)。如圖4-5所示。</p><p>　　圖4-5 設(shè)置功能顯示結(jié)構(gòu)圖 </p><p>　　第一層目錄分為測(cè)距和設(shè)置，在測(cè)距狀態(tài)下，系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)距功能，而通過(guò)設(shè)置可以到達(dá)二層目錄；第二層目錄為設(shè)置子目錄包含報(bào)警、頻率、校準(zhǔn)和序號(hào)四項(xiàng)。第三層分別為第二層中各項(xiàng)的子目錄：分別是報(bào)警第一位設(shè)置、報(bào)警第二位設(shè)置、頻率

94、第一位設(shè)置、頻率第二位設(shè)置、校準(zhǔn)確認(rèn)、校準(zhǔn)取消、序號(hào)第一位設(shè)置和序號(hào)第二位設(shè)置。并且每一個(gè)顯示界面都對(duì)應(yīng)一個(gè)顯示寄存器Value的值，如表4-1所示。。這樣通過(guò)修改Value的值就可以實(shí)現(xiàn)各個(gè)目錄之間的轉(zhuǎn)換。</p><p>　　表4-1 寄存器Value值與顯示值對(duì)照表</p><p>　　4.3.2下位機(jī)鍵盤(pán)輸入的設(shè)計(jì)</p><p>　　圖4-6 鍵盤(pán)示意圖&

95、lt;/p><p>　　設(shè)置功能以四個(gè)開(kāi)關(guān)按鍵組成的鍵盤(pán)輸入來(lái)修改寄存器Value的值，如圖4-6所示。從而實(shí)現(xiàn)設(shè)置功能顯示界面之間的轉(zhuǎn)換。其中鍵盤(pán)輸入的程序結(jié)構(gòu)如圖4-7所示。</p><p>　　首先，定時(shí)器1以查詢的方式掃描鍵盤(pán)開(kāi)關(guān)。若沒(méi)有按鍵按下，直接跳出中斷。若有按鍵按下，則根據(jù)對(duì)應(yīng)I/O輸入口的寄存器的值，判斷哪個(gè)按鍵，產(chǎn)生不同的按鍵值。隨后等待松手之后，程序根據(jù)不同的按鍵值，作相

96、應(yīng)計(jì)算，如表4-2所示。再由計(jì)算出來(lái)的Value值，顯示相應(yīng)界面。最后復(fù)位按鍵值，跳出中斷。</p><p>　　表4-2 按鍵、按鍵值和Value值修改對(duì)照表</p><p>　　圖4-7 鍵盤(pán)輸入程序結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　4.3.3報(bào)警設(shè)置、頻率設(shè)置和序號(hào)設(shè)置功能的實(shí)現(xiàn)</p><p>　　圖4-8 報(bào)警第一位設(shè)置程序結(jié)構(gòu)圖<

97、/p><p>　　報(bào)警設(shè)置、頻率設(shè)置和序號(hào)設(shè)置功能除序號(hào)設(shè)置除不需要向上位機(jī)發(fā)現(xiàn)修改信息之外，完全相同。以報(bào)警第一位設(shè)置程序?yàn)槔?，如圖4-8所示。</p><p>　　首先，由鍵盤(pán)輸入進(jìn)入報(bào)警第一位設(shè)置，此時(shí)報(bào)警第一位出現(xiàn)閃爍，等待按鍵輸入。當(dāng)是左移鍵輸入時(shí)，且此時(shí)報(bào)警第一位值大于0，則該寄存器的值減1。當(dāng)是右移鍵輸入時(shí)，且此時(shí)報(bào)警第一位值小于9，則該寄存器的值加1。當(dāng)返回鍵輸入時(shí)，則直接返回

98、上級(jí)界面。當(dāng)確認(rèn)鍵輸入時(shí)，則先判斷是否處于與上位機(jī)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)對(duì)話狀態(tài)，若處于該狀態(tài)，先向上位機(jī)發(fā)送修改指令后，再修改本機(jī)相應(yīng)寄存器，最后返回上級(jí)界面。若不處于該狀態(tài)，則直接修改本機(jī)相應(yīng)寄存器后，返回上級(jí)界面。</p><p>　　4.3.4校準(zhǔn)設(shè)置功能的實(shí)現(xiàn)</p><p>　　圖4-9 校準(zhǔn)設(shè)置功能程序結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　校準(zhǔn)設(shè)置功能主要在超聲波模塊安裝位置不

99、同的情況下，實(shí)現(xiàn)下位機(jī)的刻度零的調(diào)節(jié)。例如，模塊安裝在一個(gè)平面的下凹處，而又要以該平面為刻度零，則可使用該功能將模塊的刻度零前移，從而實(shí)現(xiàn)較為準(zhǔn)確的測(cè)量。該功能以0.3m智能測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)，即拿一標(biāo)準(zhǔn)尺，測(cè)量出0.3m的障礙距離，再驅(qū)動(dòng)超聲波測(cè)距模塊，測(cè)量修正后寫(xiě)入零刻度補(bǔ)償寄存器即可實(shí)現(xiàn)。程序結(jié)構(gòu)如圖4-9所示。</p><p>　　首先，進(jìn)入校準(zhǔn)設(shè)置模式，按確認(rèn)鍵發(fā)射信號(hào)，驅(qū)動(dòng)超聲波模塊測(cè)距，得到與0.3m的距離

100、偏差值，然后再按取消鍵，判斷該偏差是否在±25cm范圍內(nèi)，若是，則將該偏差值寫(xiě)入校準(zhǔn)寄存器，顯示修改成功后返回。若不是，則顯示修改失敗后返回。</p><p>　　4.4下位機(jī)顯示功能的實(shí)現(xiàn)</p><p>　　4.4.1 KM12232B 液晶模塊管腳說(shuō)明</p><p>　　表4-3液晶模塊管腳說(shuō)明表[9]</p><p>　　

101、RES: 設(shè)置了SED1520 或AX6120的計(jì)算機(jī)接口與計(jì)算機(jī)的總線時(shí)序。</p><p>　　當(dāng)/RES 為H時(shí)，接口為M6800時(shí)序；為L(zhǎng)時(shí)，接口總線時(shí)序?yàn)镮NTEL8080 時(shí)序。</p><p>　　4.4.2下位機(jī)顯示功能的程序結(jié)構(gòu)</p><p>　　下位機(jī)顯示功能主要包括測(cè)量距離顯示、同步時(shí)鐘顯示、報(bào)警顯示和設(shè)置界面顯示。其中測(cè)量距離和同步時(shí)鐘顯示

102、在顯示屏的第一行，報(bào)警和設(shè)置界面顯示在顯示屏的第二行。程序結(jié)構(gòu)如圖4-10所示。</p><p>　　圖4-10 顯示功能程序結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　顯示程序在主函數(shù)里完成，優(yōu)先級(jí)最低并且可以隨時(shí)被中斷。當(dāng)周期大于4S時(shí)，進(jìn)入正常測(cè)量模式，第一行交替顯示測(cè)量距離和同步時(shí)鐘，間隔2S更新一下顯示信號(hào)。周期小于4S時(shí)，則進(jìn)入快速測(cè)量模式，第一行只顯示測(cè)量距離。當(dāng)測(cè)量值小于報(bào)警值時(shí)，第二行顯

103、示報(bào)警。否則顯示系統(tǒng)設(shè)置界面。</p><p>　　4.5下位機(jī)通信功能的實(shí)現(xiàn)</p><p>　　4.5.1下位機(jī)通信程序的結(jié)構(gòu)</p><p>　　下位機(jī)串口通信采用串口接收中斷的方式。上位機(jī)以廣播的方式發(fā)送消息時(shí)，下位機(jī)則監(jiān)聽(tīng)上位機(jī)發(fā)送的消息。程序結(jié)構(gòu)如圖4-11所示。</p><p>　　下位機(jī)接收到上位機(jī)發(fā)送的消息產(chǎn)生中斷。首先，程

104、序等待上位機(jī)發(fā)送完這條23位的消息。若發(fā)生超時(shí)則直接跳出中斷。若收到完整消息，判斷此條消息是否是本機(jī)指令。若是，則先執(zhí)行該條指令，然后返回執(zhí)行信息，最后向上位機(jī)發(fā)送結(jié)束提示，跳出中斷。</p><p>　　若不是本機(jī)指令，則關(guān)閉本機(jī)操作（如正在向上位機(jī)發(fā)送距離測(cè)量值），跳出中斷。</p><p>　　圖4-11 下位機(jī)接收流程圖</p><p>　　4.5.2下位機(jī)

105、對(duì)不同指令的操作</p><p>　　在本系統(tǒng)中，由上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送的指令分為兩種：同步指令和修改指令。</p><p>　　同步指令：下位機(jī)系統(tǒng)先讀取同步指令消息的時(shí)間位，修改下位機(jī)的系統(tǒng)時(shí)間，使其與同步指令的時(shí)間信息相同，從而實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)的時(shí)間同步。然后，將下位機(jī)的報(bào)警設(shè)置和頻率設(shè)置消息向上位機(jī)發(fā)送。最后開(kāi)啟點(diǎn)對(duì)點(diǎn)對(duì)話模式，即實(shí)時(shí)向上位機(jī)發(fā)送本機(jī)測(cè)量的距離值。</p>

106、;<p>　　修改指令：該指令比較簡(jiǎn)單，下位機(jī)直接按上位機(jī)發(fā)送的消息修改報(bào)警值和頻率值。然后返回執(zhí)行消息。</p><p>　　4.6下位機(jī)系統(tǒng)性能測(cè)試</p><p>　　4.6.1測(cè)距性能測(cè)試</p><p><b>　　（1）測(cè)距實(shí)物照片</b></p><p>　　圖4-12 測(cè)距狀態(tài)實(shí)物圖<

107、/p><p><b>　　（2）測(cè)量精度</b></p><p>　　表4-4 測(cè)距功能測(cè)試表</p><p>　　通過(guò)測(cè)試，系統(tǒng)精度基本達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求，誤差很難避免。但通過(guò)分析誤差的來(lái)源，提高傳感器模塊的精度或者改變?cè)O(shè)計(jì)方法，可以降低系統(tǒng)誤差，從而使系統(tǒng)更加完美。</p><p>　　4.6.2系統(tǒng)設(shè)置功能的測(cè)試<

108、/p><p>　　（1）設(shè)置功能的顯示界面實(shí)物照片</p><p>　　如圖4-13、圖4-14、圖4-15、圖4-16所示，分別是設(shè)置報(bào)警、頻率設(shè)置、校準(zhǔn)設(shè)置和序號(hào)設(shè)置的第三層目錄進(jìn)入之后的修改顯示界面圖?？梢酝ㄟ^(guò)按左移鍵減1，右移鍵加1，確認(rèn)鍵保存修改以及返回鍵返回第三層目錄。</p><p>　　圖4-13 報(bào)警設(shè)置實(shí)物圖</p><p>

109、　　圖4-14 頻率設(shè)置實(shí)物圖</p><p>　　圖4-15 校準(zhǔn)設(shè)置實(shí)物圖</p><p>　　圖4-16序號(hào)設(shè)置實(shí)物圖</p><p><b>　?。?）報(bào)警功能測(cè)試</b></p><p>　　圖4-17 報(bào)警顯示比較圖（a）</p><p>　　圖4-18報(bào)警顯示比較圖（b）</p

110、><p>　　在設(shè)置報(bào)警距離為0.2m的情況下，顯示界面如圖4-17和圖4-18所示。當(dāng)測(cè)量距離小于0.2m時(shí)，屏幕出現(xiàn)報(bào)警顯示；而當(dāng)大于或等于0.2時(shí)，則正常顯示系統(tǒng)設(shè)置界面。（3）頻率設(shè)置功能測(cè)試</p><p>　　圖4-19 時(shí)鐘顯示比較圖（a）</p><p>　　圖4-20 時(shí)鐘顯示比較圖（b）</p><p>　　圖4-19 是在設(shè)

111、置頻率為10分頻（即周期為1S）時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入快速測(cè)量模式，只顯示測(cè)量值；圖4-20是設(shè)置頻率為40分頻（即周期為4S）時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入正常測(cè)量模式，時(shí)鐘和距離交替顯示。圖4-19和圖4-20既驗(yàn)證了頻率設(shè)置功能，同時(shí)也驗(yàn)證了兩種模式情況下的不同顯示功能。</p><p>　　（4）校準(zhǔn)功能的驗(yàn)證</p><p>　　校準(zhǔn)功能是以0.3m的長(zhǎng)度為測(cè)量時(shí)，系統(tǒng)將此標(biāo)準(zhǔn)與0.3m對(duì)應(yīng)寫(xiě)入寄存器。若將

112、0.25m長(zhǎng)度的測(cè)量值寫(xiě)入寄存器測(cè)量時(shí)，則系統(tǒng)將0.25m的距離認(rèn)為是0.3m。此時(shí)若測(cè)量1m的距離時(shí)，系統(tǒng)則會(huì)認(rèn)為是1.05m。表4-5說(shuō)明了校準(zhǔn)功能能夠很好的克服測(cè)距系統(tǒng)的零刻度偏移這一誤差。</p><p>　　表4-5 校準(zhǔn)功能測(cè)試表</p><p>　　4.6.3 同步時(shí)鐘的測(cè)試</p><p>　　如圖4-21和圖4-22所示，在發(fā)送同步指令前，嵌入式系

113、統(tǒng)開(kāi)啟后的時(shí)間顯示為隨機(jī)數(shù)值的顯示；而在發(fā)送同步指令后，嵌入式系統(tǒng)讀取通訊消息的時(shí)間位，并修改本機(jī)的系統(tǒng)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)時(shí)鐘同步。</p><p>　　圖4-21 發(fā)送同步指令前時(shí)鐘顯示圖</p><p>　　圖4-22發(fā)送同步指令后時(shí)鐘顯示圖</p><p>　　第五章 上位機(jī)系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn) </p><p>　　5.1上位機(jī)系統(tǒng)的整體結(jié)

114、構(gòu)</p><p>　　5.1.1上位機(jī)系統(tǒng)的組成</p><p>　　上位機(jī)系統(tǒng)由MFC控件編寫(xiě)，具有良好的窗口界面。上位機(jī)顯示主界面是上位機(jī)系統(tǒng)的核心顯示部分，主要可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程修改以及操作與故障記錄等。歷史數(shù)據(jù)界面主要用于實(shí)現(xiàn)查詢歷史某天的測(cè)量記錄。實(shí)時(shí)監(jiān)控曲線可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程圖像監(jiān)控的功能。此外，系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了信息數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，方便用戶將資料導(dǎo)出。上位機(jī)結(jié)構(gòu)如圖5-1所示。<

115、/p><p>　　圖 5-1 上位機(jī)系統(tǒng)組成</p><p>　　5.1.2上位機(jī)顯示主界面</p><p>　　上位機(jī)顯示主界面是主要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程信息集中顯示的部分。該界面通過(guò)使用23位通訊消息與串口對(duì)接。該界面在獲得由串口發(fā)來(lái)的消息后，根據(jù)消息的不同指令分別將消息顯示在設(shè)備信息欄、數(shù)據(jù)欄、實(shí)時(shí)監(jiān)控狀態(tài)欄以及操作與故障記錄欄。如圖5-2所示。</p><

116、;p>　　設(shè)備信息欄：用于檢測(cè)并顯示下位機(jī)的工作狀態(tài)以及上位機(jī)與下位機(jī)的匹配情況。</p><p>　　實(shí)時(shí)監(jiān)控狀態(tài)欄：用于顯示下位機(jī)報(bào)警信息、提示上位機(jī)重發(fā)信息以及下位機(jī)的信息發(fā)送情況。</p><p>　　操作與故障記錄欄：用于記錄工作設(shè)備、修改設(shè)置、設(shè)備運(yùn)行狀況等信息，并且能生成文檔，方便查看。</p><p>　　數(shù)據(jù)欄與指令按鈕：用于實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的信息顯

117、示、修改與通訊消息的發(fā)送。</p><p>　　系統(tǒng)時(shí)間：是軟件獲取的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)時(shí)間，并且該時(shí)間能在同步指令下能實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)實(shí)現(xiàn)時(shí)間的同步。</p><p>　　此外，在該界面能實(shí)現(xiàn)聲音報(bào)警功能。</p><p>　　圖5-2 上位機(jī)顯示主界面</p><p>　　5.1.3實(shí)時(shí)監(jiān)控曲線界面</p><p>　　該界面

118、主要實(shí)現(xiàn)根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)繪制未來(lái)一天的曲線。該界面以二維曲線的方式將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)展現(xiàn)，更加利于用戶對(duì)整個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)趨勢(shì)的把握。界面如圖5-3所示。</p><p>　　圖5-3 實(shí)時(shí)監(jiān)控曲線界面</p><p>　　5.1.4 數(shù)據(jù)查看界面</p><p>　　該界面主要實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的導(dǎo)入與顯示。用戶可以根據(jù)自己的需要，設(shè)置需要查看的日期，便可將該天的測(cè)量數(shù)據(jù)導(dǎo)入查看。界面如