众所周知,压电式压力传感器的性能主要用瞬变压力信号发生器和正弦信号发生器测量。瞬变压力信号发生器是指产生阶跃波或其他非周期信号的压力发生器,目前,主要用激波管阶跃压力发生器,它利用激波在流体中传播或者在一个刚性表面上反射产生阶跃压力,以激发传感器的自振,它尤其适用于测量高频响应的压力传感器。正弦信号发生器是一种产生正弦压力信号的装置,分为以下几类:

(1)谐振空腔测量法:这种方法通常采用活塞、汽笛等激发密闭空腔的空气振动,产生周期变化的压力。一般谐振空腔的压力在峰值较小,而且,频率很低的情况下才是一个良好的正弦波,当压力峰值较大,频率较高时波型失真;

(2)非谐振空腔测量法:其工作原理是设法调制通过容器的气流而产生周期变化的压力;

(3)喇叭式压力发生器:动圈式喇叭通电后产生振动,使空气耦合腔内的气压作正弦变化,形成波动的声压信号。

上述压力传感器的测量方法,激波管阶跃压力发生器主要用于高频、大量程压力传感器的测定,是目前应用广泛的压力标定装置。谐振空腔和非谐振空腔式的正弦信号发生器由于在高频、高压的条件 下,波形严重畸变,故一般只用于小压力或低频范围的测量,但该系统较为复杂。喇叭式压力发生器可产生波形良好的高频压力,但空气中的声压较小,测量误差较大。因此,现行的测量装置中尚无理想的测量压电微压传感器灵敏度的系统。

目前,压电式微压传感器发展迅速,新研制出的一类传感器由于采用压电单晶片结构,并内置前置放大器,放大微弱信号并实现阻抗变换,从而使传感器具有量程小、灵敏度高、抗干扰性好等特点。这类传感器已广泛用于脉搏、管壁压力波动等微小信号的检测,因此,迫切需要一种简便的测量装置测量传感器的性能。对此,本文借鉴水声测量中水听器的校准方法,提出用油腔波动声压测量压电式微压传感器的灵敏度及频响。

1 测量系统及原理

1.1 测量系统

压电式微压传感器灵敏度及频响的测量系统由信号发生器,功率放大器、测试腔和示波器组成,如图1所示。测试腔为圆桶状,底部装有声发射换能器,上盖安装标准传感器和被测传感器,腔内充满硅油。信号发生器产生正弦信号,通过功率放大器放大信号功率,输入发射换能器,驱动换能器振动并产生声波。标准传感器和被测传感器同时接收波动信号,其输出分别通过示波器通道1和通道2示出,比较示波器两通道输出波形的峰值电压,即可测量被测传感器的灵敏度。调整信号发生器的频率,可测量灵敏度随频率的变化情况,获得传感器的频响特性。

图1??? 压电式微压传感器测量系统

1.2 原理

采用间接比较法测量传感器的灵敏度,在声场均匀的油腔内,距发射源相同距离处放置标准传感器和被测传感器,两传感器同时接收换能器发射的声波信号,用示波器分别测量2只传感器的输出峰值电压V标和V测,得到V标/V测=M标/M测,即

M测=M标/V测/V标, (1)

式中M标和M测分别为标准传感器和被测传感器的灵敏度,V/Pa;V标和V测为标准水听器和被测传感器的输出电压,V。由式(1)可计算出被测传感器的灵敏度。

2 实验

实验用标准传感器采用压电陶瓷球状水听器,它是一种接收声波信号的压力传感器,经国家一级水声计量站标定,水听器的灵敏度M标=87.1μV/Pa,灵敏度的不确定度为±5μV/Pa,谐振频率大于60kHz。虽然水听器的工作频带较宽,但测量系统的工作频率上限受油腔尺寸的限制。通常腔体的设计尺寸应不大于四分之一波长,以保证腔内声场的均匀性,系统的工作频率高,腔体的尺寸小,限制了被测传感器的尺寸。系统的测量频率理论上不存在下限,但实际中腔内的发射器在低频时发射功率较低,信噪比较小,限制了频率下限。本实验系统的设计频带为20Hz～4kHz。

实验样品采用北京信息工程学院研制的YLC-A型压电式微压传感器,样品数为3只。将传感器安装在测试腔盖样品架上,输出端与腔盖上的样品输出引线连接,扣紧腔盖,按图1所示连接系统。由于传感器内装前置放大器,需提供直流电源工作,电源加在腔盖上被测传感器输出端。调节信号发生器产生正弦信号,信号幅度不宜过大,以避免传感器输出失真。选取多个信号频率,分别测量每个频率点两传感器的输出电压,在1kHz处示波器上的标准传感器波形(1)的峰-峰值电压为145.5mV;被测传感器波形(2)的峰峰值电压为5.85V。将V标和V测代入式(1)算出被测传感器的灵敏度。根据计算结果绘制传感器的灵敏度随频率变化曲线,如图2所示,从而得到传感器的频率响应范围。

　图2 传感器灵敏度测量曲线

为检测测量系统的重复性,实验对1#传感器进行了重复测量,图3示出2次测量的灵敏度变化曲线。

图3 1#传感器两次灵敏度测量曲线

3 结论

(1)采用均匀声腔硅油介质中传播的声波作为压力源,用比较法比较标准传感器和被测传感器的输出,可有效地测量压电式微压传感器的灵敏度及频率响应特性。3只传感器的测量灵敏度分别为3.05,2.98,2.98mV/Pa,灵敏度波动小于0.5mV/Pa,频率响应范围为20～2000Hz。

(2)从图4可看出:油腔波动声压测量系统同一样品的2次测量数据(灵敏度及频率响应范围)重复性较好,偏差小于0.24mV/Pa。由于测量介质为硅油,每个样品需置于硅油中测试,测完后需进行清洗,使用不便。下一步应完善测试系统,设计防油透声层保护被测传感器免于接触硅油,以简化操作。

介绍一种以透射比浊法为设计原理，单片机89C52为核心的96通道高速抗凝血药物筛选平台。

　　误码仪是评估信道性能的基本测量仪器。本文介绍的误码仪结合FPGA的特点,采用全新的积分式鉴相结构，提出了一种新的误码测试方法，经多次测试验证，方案可行，设计的系统稳定。本文设计的误码仪由两部分组成：发信机和接收机。

　　1 发信机

　　发信机的主要功能是产生具有随机特性的伪随机m 序列，通过FPGA 由VHDL 编程实现。伪随机序列产生原理如下：

图1 伪随机序列产生原理图

　　其中，ak-i是各移位寄存器的状态，Ci对应各寄存器的反馈系数，为1表示参与反馈，为0不参与反馈。反馈函数为：

　　当级数n 和反馈系数一旦确定，则反馈移位寄存器的输出序列确定了，m序列的一个重要的性质是：任一m序列的循环移位仍是一个m序列，序列长度为m = 2n-1 。

　　2 接收机

　　接收机主要由时钟同步模块、状态同步模块组成，其功能框图如图2 所示。

图2 误码器接收机功能框图

　　2.1 时钟提取模块

　　本单元所采用的时钟提取方法是采用新的积分鉴相来实现的，通过在一个时钟周期内对码元进行积分，判断超前滞后，从而极大

　　的降低了因干扰信号的出现导致误调的可能性。

　　时钟提取的原理图如下：

　　图3 时钟提取原理图

　　（1）鉴相器

　　导前- 滞后型数字鉴相器的特点是,它输出一个表示本地估算信号超前或滞后于输入信号的量.如果本地估算信号超前于输入信号,则输出“超前脉冲”, 以便利用该“超前脉冲”控制本地估算信号的相位推后。反之,则输出“滞后脉冲”,并使本地估算信号的相位前移. 导前- 滞后型数字鉴相器可分为微分型和积分型两种.由于积分型导前- 滞后数字鉴相器,具有优良的抗干扰性能. 因此本设计采用了积分型导前-滞后型数字鉴相器.

　　积分型导前-滞后型数字鉴相器中，本地时钟的上升沿为同相积分的清洗时刻,上升沿到来时,在本地高频时钟下，同相计数器开始计数，当输入码元是“1”时，每来一高频脉冲计数器加1计数，当输入码元是“0”时，每来一高频脉冲计数器减 1计数。当下一上升沿到来时，将计数值输出，并清零计数器，计数器在高频脉冲下重新开始计数.本地时钟的下降沿为中相积分的清洗时刻,在下降沿到来时,在上述同样的高频时钟下，中相积分计数器开始计数，当码元为“1”时，计数器加1，当码元为“0”时，计数器减1。当下一下降沿到来时，将计数值输出，同时对计数器清零，重新计数。在准确同步的情况下,同相积分的积分区间正好和接收的一个码元宽度相重合,同相积分计数器输出为± T(+T表示码元为1，-T 表示码元为0)，而中相积分器的输出为0 或± T.在中相积分周期内若码元出现0→1或1→0变化，则中相积分器输出为0。在中相积分周期内,若码元没有翻转,码元始终为“1”，则中相积分计数器输出为T。

　　若码元始终为“0”，则中相积分计数器输出为-T。若本地估算时钟超前于输入码元，当同相积分计数器的输出大于0，则随后的中相积分计数器的输出也大于0，当同相积分计数器的输出小于0时，则随后的中相积分计数器的输出也小于0。当同相积分计数器输出为+T或-T时，随后的中相积分计数器输出也为+ T或-T 时，表明是处于连“1”或连“0”状态，则超前或滞后标志都为0。若本地估算时钟滞后于输入码元，当同相积分计数器的输出大于0，则随后的中相积分计数器的输出小于0，当同相积分计数器的输出小于0时，则随后的中相积分计数器的输出将大于0 。

　　当下降沿到来时，先检测同相计数器的输出，当为0时，如果中相计数器的输出为0，则表示还没开始检测，就没有超前滞后信息。如果中相计数器的输出不为0，则表示本地估算的时钟刚好与待检测的时钟正交，处于超前和滞后分界处，在这里对其做超前处理。如果同相计数器的输出不为0，此时如果中相计数器的输出为0，则表示刚好两时钟同步，故没有超前和滞后信息。如果中相计数器的输出为土20，即为整个码元的长度。则表示中相计数过程始终为“1”或“0”，出现连“1”或连“0”状态，为防止误操作，同样认为没有超前和滞后。如果此时中相计数器的输出不为0，也不为整个码元，则将同相计数器的输出和中相计数器的输出的符号位进行异或，即两者符号相同表示超前，符号不同表示滞后。

　　（2）双相高频时钟源与停扣控制电路

　　双相高频时钟源是形成两路窄脉冲信号，两个窄脉冲信号刚好相差180 度。停扣控制电路主要由添门和扣门组成，当来一个超前脉冲，加到扣门，扣除一个晶体脉冲，这样分频器的输出脉冲相位就滞后了1/20周期。当来一个滞后脉冲，加到添门，控制添门打开，加入一个晶体脉冲到或门。由于加到添门的晶振信号与加到扣门的晶振信号的相位相差180度，因此当从添门加入一个晶振脉冲到或门时，相当于在扣门输出的晶振信号中间插入一个窄脉冲，也就使分频器输入端添加了一个脉冲，这样分频器的输出相位就提前了1/20周期。从而实现位同步。

　　ARINC429总线是美国航空无线电公司(ARINC)制定的航空数字总线传输标准，定义了航空电子设备和系统之间相互通信的一种规范。随着国内航空业的发展，ARINC429总线的应用日益广泛，已推广到许多航空设备中。与此同时在许多航空机载设备的检测维修中出现了大量对429信号的检测需求。这就使得对429信号的仿真和测试显得十分关键。本文使用目前市场上技术成熟的基于PCI接口的429收发板卡，以LabWindows/CVI作为软件开发环境，设计实现了对429信号的仿真和测试，达到了使用个人电脑完成429信号检测任务的目的。

　　ARINC429总线简介

　　ARINC429协议规定使用双绞屏蔽线以串行方式传输数字数据信息，信息为单向传输，即总线上只允许有1个发送设备，可以有多个(≤20个)接收设备。总线的数据传输率为12.5～100kbps，传输字为32位。线路上的码型为双极性归零码。每条线上的信号电压范围为+5V到-5V之间。一条线称为A(或+)，而另一条线称为B(或-)。两条线路的差分信号的逻辑关系有三种：当A-B 的差分电压为7.25V～11V时，表示逻辑1，即HI;当A-

　　B的差分电压为-0.5V～0.5V 时，表示NULL;当A-B的差分电压为-11V～-7.25V 时，表示逻辑0,即LO。具体编码方式如图1所示。

图1 ARINC429双极性归零编码方式图

　　按照规定ARINC429字的32个数据位分为5个基本区域，分别为Parity、SSM、DATA、SDI、LABEL,如图2所示。1～8位是标号位(LABEL)，标记出包括在这个传送字内的信息的类型。通过这些数据标号，接收设备可以很容易地判断出所接收到的字的用途。9~10位是源终端识别位(SDI)，它指示信息的来源或信息的终端。11~28或29位是数据位(Data Field)，是所确定的用于传输的信息。 29到30或31位为符号状态矩阵位(SSM)，表示数据的特性或字类型，也可表示发送设备的状态信息。32位为奇偶校验位(P)，实现简单的数据校验功能。

图2 429 信号32位字格式

　　基本设计思想

　　设计航空429总线信号的仿真和检测采用了虚拟仪器的设计思路。简单的说，虚拟仪器就是通用计算机加上软件和硬件。硬件用来解决信号的输入输出问题，软件用来实现对信号的处理、显示等功能。它利用计算机的强大支持，使用户可以很方便地对其维护、扩展和升级。与传统仪器相比，虚拟仪器具有很高的灵活性，可以通过编制软件来定义功能。目前在这一领域内，使用较为广泛的软件包括NI公司的LabVIEW 和LabWindows/CVI，HP公司的VEE等。

　　设计中，硬件方面使用基于PCI插槽的429信号收发板卡，将其插入通用电脑PCI插槽达到了测试的硬件要求，实现429信号的发送和接收;软件方面使用NI公司的LabWindows/CVI作为开发平台，主要用来完成发送前的数据准备、对接收数据的处理和显示等工作。

　　设计实现方法

　　硬件介绍

　　选用西安方元明公司代理的EXC_M4K429RTx模块板卡。该板卡的基本结构如图3所示。

图3 M4K429RTx板卡结构原理图

　　其主要性能参数包括：支持5～10通道，每个通道均支持接收发送自定义;信号传输率为12.5～100Kbps编程可调;4K×8双端口RAM作为数据收发缓存;支持奇偶校验和可编程输出硬件触发，中断和选择模式;发送通道支持单个发送，单次发送和循环发送三种发送模式;接收通道支持查询接收，单通道连续接收和多通道连续接收三种模式;发送字间隔编程可调;支持添加时间标签;有纠错功能。

　　软件支持：提供windows下运行的C驱动;支持VC、LabVIEW、Delphi、LabWindows/CVI等软件进行开发。

　　软件设计

　　软件设计主要包括两方面的工作，一是设计实现29信号的发送，即信号的仿真;另一个是实现接收429信号并以合适的方式处理，包括如何显示等，即信号的检测。

　　·发送部分

　　发送部分设计流程如图4所示，设计的工作界面参见图5。

图5 发送界面

　　首先，输入设备号、模块号和选择发送通道，通过调用板卡函数Init_Module_RTx对板卡初始化，获得对板卡进行操作的句柄，点击“打开板卡”按钮可以完成这一步工作。然后调用板卡的属性设置函数Setup_Transmit_Channel_RTx设置发送通道的发送属性，包括发送方式，发送数据速率，发送时间间隔和奇偶校验，通过面板控件获得这些属性值，如发送方式可选择单次，单个和循环发送三种发送模式。发送速率12.5～100Kbps可选。

　　摘 要：本文首先介绍了SHT11的内部结构、测量原理，然后给出了采用SHT11和PIC16F73构成的温湿度测量系统的硬件接口电路。并使用VB编制的界面进行实时温湿度显示。

　　关键词：SHT11;温湿度监测系统;PIC16F73;Visual Basic

　　引言

　　为了有效地开展现代混凝土结构耐久性的基础研究，揭示混凝土结构生命全过程的损伤演变规律，从根本上改善混凝土工程的耐久性，保证其应有的使用寿命，对混凝土使用环境进行温湿度检测显得尤为重要。

　　通常使用热敏电阻和湿敏电容来分别测量温度和湿度，A/D转换后送入计算机，但这种测量方法一般都要设计相应的信号调理电路，还要经过复杂的标定过程，其测量精度很难保证。这种测量温湿度的系统在测量点数较少，而且精度要求不高的场合还可以胜任，而需要多点测量且精度要求较高时，其缺点就显露无疑了。而且，当涉及到两个参数的监测时，每一个测量点都必须使用两个独立的传感器和独立的信号调理电路，这不仅使得测量系统的成本和体积大为提高，也在一定程度上增加了系统设计的复杂性。本文将采用SHT11芯片，实现更为优化的设计方案。

　　SHT11内部结构和工作原理

　　SHT11数字式温湿度传感器采用CMOSens(Ce-mo-Sens)专利技术(CMOS和传感器技术的融合)制造，它的特点为：全量程标定，二线数字输出;湿度测量范围为0~100%RH，温度测量范围为-40℃~+123.8℃，湿度测量精度为3.0% RH，温度测量精度为0.4℃，响应时间<4s;低功耗 ( 30mW)，可完全浸没。其外形尺寸仅为7.5mm5mm2.5mm，体积与大火柴头相近。芯片能输出经过完全校准的相对湿度和温度数字信号，便于实现系统的集成。

　　SHT11内部结构

　　其内部结构如图1所示。主要包括：相对湿度传感器、温度传感器、放大器、14位ADC、校准存储器E2PROM、RAM、CRC(循环冗余校验码)寄存器、二线制串行接口和低压监测电路等。

图1 SHT11内部结构

　　该芯片的DATA引脚在SCK时钟的下降沿之后改变状态，并仅在SCK时钟上升沿之后有效，所以，微控制器可以在SCK高电平时读出数据，而当其向SHT11发送数据时，则必须保证DATA上的电平状态在SCK高电平段稳定。在需要输出高电平时，微控制器将置为高阻态，由外部的上拉电阻将信号拉至高电平，从而实现高电平输出。

　　工作原理

　　首先由两个传感器分别产生相对湿度和温度信号，经过放大后分别送到14位的ADC进行A/D转换、标准和纠错，最后通过二线制的串行接口，将相对湿度和温度的数据送至微控制器，再利用微控制器完成非线性补偿和温度补偿。

　　温湿度测量系统

　　硬件电路的设计

　　本系统以PIC16F73单片机作为微控制器。PIC16F73为8位28引脚微处理器，具有4KB的FLASH程序存储器;22条双向可编程I/O口线;192字节数据存储器;3个定时器;5路8位A/D通道。

　　该系统由测量、显示和通信三部分组成。由于PIC16F73具备I2C总线接口，所以不需要进行虚拟。分别在DATA端接入1个4.7KW的上拉电阻，在VDD和GND端接入一个0.1mF的去耦电容。硬件连线图如图2所示。

图2 系统硬件电路图

　　SHT11采用二线制的数据传输方式，为节省有限的I/O口资源，采用如下连接方式：将每个SHT11的SCK线都接到微控制器的同一个I/O口线上，而DATA线则分别挂接到不同I/O端口。同时，这样的接线方式还有一个优点：由于多个SHT11共用一条SCK线，因此，在每次测量中可以同时发出测量指令，这样，各个传感器同时进行测量，只需一次等待时间就可以完成整体数据的采集。缩短了数据的采集时间，从而为控制系统的快速响应提供了条件。

　　显示部分电路采用带有高速串行接口的4位LED控制驱动器ZLG7219实现，接口采用同步串行外设接口SPI，编程简单而且节省I/O口。温度和湿度显示各用4位，通过改变连接电源与ISET端口的电阻值，可以调节数码管的显示亮度。

　　与上位机的数据通信部分采用接口芯片MAX232实现的RS-232的通信方式。

　　为提高系统的可靠性，由MAX813LEUA组成看门狗电路，以防止程序跑飞而使系统失控。如果在1.6s内PIC16F73不给WDI输入端发送触发信号，说明程序跑飞，MAX813LEUA将发出复位信号，使系统复位重新进行。

　　温湿度测量系统软件的设计

　　在单片机内部写有数据的采集和显示等程序，能使当前的温湿度值实时显示在现场，另外，该温湿度值通过RS-232总线接口送至PC，运行VB程序使温湿度值在监控界面上显示。单片机软件的流程如图3所示。

图3 软件流程图

　　为实现温湿度测量，使用VB编写了上位机显示画面，能实时显示出当前现场每个点位的温湿度值，下面是对温湿度进行转化的部分程序：

　　Select Case

　　MSComm1.CommEvent

　　Case comEvReceive

　　Label11.Visible = True

　　Label12.Visible = True

　　buffer = MSComm1.Input

　　arr = buffer

　　For i = 1 To 11

　　w_1(i) = arr(i - 1)

　　Text1.Text = Text1.Text +

　　" " + w_1(i)

　　Next i

　　Humidity = Str$((Val(w_1(4)) * 256 + Val(w_1(5))) / 100)

　　Temperature = Str$(((Val(w_1(6)) * 256 + Val(w_1(7))) - 27315) / 100)

　　Label2.Caption = Humidity

　　Label10.Caption = Temperature

　　End Select

　　图4是对其中的一个点进行采集的画面，在图中有串口号、波特率、检验位、数据位和停止位等设置，被测量点的当前温湿度一目了然。

　　图4 温湿度显示界面

　　这里显示的只是一个点，当然，也可以把所要显示的多个点一起显示，也可以切换到每一个点的历史温湿度值曲线，只要在程序上做一些修改就可以了。

　　结语

　　本文采用PIC16F73单片机和SHT11温湿度传感器及相关外围芯片构成了高性能温湿度采集系统，并使用VB实现了数据现场和上位机的实时通信，从而很方便地知晓现场每个点位的温湿度状况，为混凝土结构的使用提供了强有力的依据。■

　　参考文献

　　1. SHT1x / SHT7x Humidity &Temperature Sensor v3.00，March 2007

　　2. PIC16F7X Data Sheet 28/40-pin, 8-bit COMOS FLASH Microcontrollers. Microchip Technology Inc. 2002

　　3.(美)普雷德科(Predko,M.)编. 刘任平，刘玉琳等译. PIC单片机便携手册. 北京：机械工业出版社，2005

　　微控制和器超声波技术在汽车倒车检测系统中的应用

　　摘要：主要介绍用超声波传感器系统与Microchip的PIC l8F8490微控制器解决汽车倒车障碍检测系统方案,并对发送与接收超声波传感器系统构成与方式及提高检测系统性能作分析说明。

　　关键词： 盲区 微控制器 超声波传感器 换能器

　　倒车障碍检测系统对盲区内障碍物的探测

　　倒车障碍检测系统所采用的超声波传感器技术可以探测到附近的障碍物,为驾驶员提供倒车警告和辅助泊车功能,其原理是利用超声波探测倒车路径上或附近存在的任何障碍物,并及时发出警告。所设计的检测系统可以同时提供声光并茂的听觉和视觉警告,其警告表示是探测到了在盲区内障碍物的距离和方向。这样，在狭窄的地方不管是泊车还是开车，借助倒车障碍报警检测系统，驾驶员心理压力就会减少，并可以游刃有余地采取必要的动作。而这种PIC l8F8490微控制器与超声波传感器很便宜，并且可以用在众多车型上。

　　那末什么是基于超声波传感器的倒车障碍检测系统呢？为此应先了解超声波传感器的有关技术问题

　　超声波传感器系统构成与工作程式(见图1所示)

　　由发送传感器(或称超声波发送器)、接收传感器(或称超声波接收器)、控制部分与电源部分组成。发送器传感器由发送器与使用直径为15mm左右的陶瓷振子换能器组成,换能器作用是将陶瓷振子的电振动能量转换成超声波能量并向空中幅射;而接收传感器由陶瓷振子换能器与放大电路组成, 换能器接收超声波产生机械振动,将其变换成电能量,作为传感器接收器的输出,从而对发送的超声波进行检测.而实际使用中,用发送传感器的陶瓷振子的也可以用做接收器传感器社的陶瓷振子.控制部分主要对发送器发出的脉冲链频率、占空比及稀疏调制和计数及探测距离等进行控制.超声波传感器的电源(或称信号源)可用DC12V±10%或 24V±10%.

　　若对发送传感器内谐振频率为40KHz的压电陶瓷片(双晶振子)施加40KHz高频电压,则压电陶瓷片就根据所加高频电压极性伸长与缩短,于是发送 40KHz频率的超声波,其超声波以疏密形式传播(疏密程度可由控制电路调制),其超声波波形见图1所示,并传给超声波接收器.接收器是利用压电效应的原理,即在压电元件上施加压力,使压电元件发生应变,则产生一面为”+”极,另一面为”-“极的40KHz正弦电压.因该高频电压幅值较小,故必须进行放大.

　　根据超声波传感器等效电路与阻抗特性可知,对发送传感器而言,工作于串联谐振,即谐振频率fr处阻抗Zr最低,故能供给最大功率,能用较大振动传感器;而对接收传感器而言,工作于并联谐振,即谐振频率fα处阻抗Zα最高,难供大功率,但阻抗Zα高就能得到较大振幅信号,所以fα 处用作传感器其灵敏度高.

　　倒车捡测障碍糸统超声换能器的工作方式为反射式,,即发送传感器换能器发射40KHz频率的超声波,迂到障碍后反射被接收传感器的换能器接收并转换成电信号,见图2所示.

　　其传播介质为空气.

基于超声波微控制器技术的倒车障碍检测系统设计方案

　　图3为汽车倒车障碍检测系统设计方案框图,

　　设计方案包括:IC1主控器-为用Microchip的 PIC l8F8490微控制器作为汽车倒车障碍检测系统的主控器;发送部份(即发送超声波传感器)与接收部份(即接收超声波传感器);温度传感器(TC1047A)、通信接口RS-232驱动器以及与LCD或LED显示器等外围电路组成。

用微控制器作为检测系统的主控器

　　微控制器是倒车检测系统的核心。而Microchip的PIC l8F8490微控制器它非常适合于汽车车身控制这类应用。因它是一种有片上LCD驱动控制模块功能的闪存、电源管理的单片机,即运行速率为10MIPS-10百万指令每秒(MIPS),16KB闪存存储器、768字节RAM,具有一个LCD控制器、两个PWM、两个比较器和四个定时器,见图3中间IC1所示。因此它是倒车检测超声波传感器应用的高集成解决方案的主控部分。该微控制器采用纳瓦技术，实现电源管理功能，可以显著提高功效和系统可靠性,可满足包括在休眠模式下驱动LCD显示在内的低功耗设计要求。其系列产品可针对不同的嵌入式控制应用提供高达192段LCD的驱动，备有各种封装尺寸和集成特性。

　　发送器部分的控制

　　发送器是以每秒4-5次比率,在1mS期间发送40KHz脉冲方波,为了产生发射脉冲链，可以采用一个驱动器，以驱动超声换能器,其驱动器是 Microchip的TCl428 MOSFET驱动器见图3左侧所示。因实际超声波传感器特性的标准频率均为40KHz,这样发送器发送的40KHz脉冲方波链尽管是一个通用发送频率，但并非超声频率固定不变,可以根据盲区范围及障碍物远近作出选择, 标准频率(或称中心频率)愈高测距越短,而分辩率越高,常见超波传感器标准频率有30KHz、4KHz、75KHz等.

　　当发送器发送第一个脉冲的上升沿时刻定时器1开始计数.由于要求脉冲链的电压振幅比系统电压(+5V)高(这是由换能器所需信号源决定的)，所以这个发送器部分应含有一个升压电路。这儿采用一种简单的有效升高电压的方式,即使用Microchip的MCPl650升压 DC/DC控制器，它只需要一个电容、一个电感和两个电阻就可以轻松选择需要的输出电压。主控器 IC1中PWM1(脉宽调制器)的作用是调节升压电路的输出电压为一恒定值。

　　接收器部分的控制

　　接收器部分包括一个超声波接收换能器、放大器、滤波器和一个比较器见图3左侧下所示。接收换能器的输出是一个低振幅正弦波，其频率与发射脉冲链频率相同。为了对换能器输出的信号进行放大，可采用Microchip的MCP6293运算放大器。这个运算放大器的特点是，虽然封装较小，但却拥有10MHz的带宽和引脚可选的低功耗模式。可将输出信号传送LC带通滤波器电路(又称振幅探测电路),该带通滤波器的中心频率(标准频率)与接收器的标准频率40KHz相同.这个振幅探测电路的作用是将接收到的脉冲转换为一个平滑、完整的波形,其高频噪声被过滤掉，这样一个被探测到的信号就形成了。然后这个信号被传送到比较器与衰减电压进行比较.需要说明的是,该比较器的参考电压是一个衰减电压(由RC阻容电路产生)，这样该衰减参考就会随时间不断衰减接收到的信号.直至小于一个预先设定的距离值时,则定时器1仃止计数.

　　超声波传感器的选择与参数

　　可选用国产TC40-167R系列或MA40S2S(发送传感器)、MA40S2R(接收传感器)超声波传感器.其主要参数为(以TC40-167R为例):标准频率40±0.1KHz;灵敏度(dB)≥-68;声压(dB)≥114;方向角(度)60;静电容量/pf-2500;工作温度(℃)- 20℃--+70℃;有效距离≥15M,反射接收有效距离为4M-7M.

　　关于对倒车障碍物的探测距离计算显示

　　捡测系统在探测到障碍物时向驾驶员发出警告,而新型汽车倒车障碍检测系统可以根据实际使用环境采用多套发送与接收超声波传感器来扩大探测范围，从而提高对障碍物的正确度,即将距离最近的障碍物探测到并作出显示,故该倒车障碍物捡测系统的LCD或LED显示器显示出的数字是最近障碍物的距离。

　　超声波测量距离的计算方法

　　超声波是以脉冲串的形式向外发送的，脉冲频率即中心频率(或称标准频率)。PIC l8F8490主控器的定时器1(见图3的 IC1内所示)从发射第一个脉冲的上升沿时刻开始计数，直到主控器收到不断衰减的接收信号小于设定值(即当距离小于一个预先设定值)时定时器1停止计数。因此，所测量出的时间间隔 (发射信号和接收到的反射信号之间的时间差) △t 乘以声速就等于被测距离L的两倍(2△L)。若超声波在温度T时的传播速度为V，则微控制器就可以计算出汽车和障碍物之间的距离,其计算被测距离的公式为：

　　为此，只要当距离小于一个预先设定值时，非但有显示而且就会发出声光报警信号。

　　有关提高倒车检测系统性能与精度的解决

　　换能器选择与安装

　　根据所需要的精度、距离和系统成本，有几种不同的实施方案可供选择。换能器的频率和功率越大，精度就越高。换能器频率越高，其体积越小，也就使得系统可以更简便地安装到汽车上。频率低的换能器也有好处，其探测范围更大，更容易探测到换能器周围的物体。一种可降低干扰的廉价技术是，在接收换能器周围加一根3厘米的管子，这样就可以集中接收有效信号,并增加方向性。

　　影响系统性能下降的一个重要因素是，在发射器和扬声器之间的串扰。只有发射脉冲在接收换能器中的作用彻底消失，接收信号才能被探测到。在这两个组件之间尽可能减少机械耦合很重要。可采用的技术是，将每个换能器安装在不同的PCB上。如果它们共用一个基板，可以在换能器后面放一块薄的泡沫塑料。如果发射-接收运用单换能器解决方案，那么应该通过软件在发射之后和启用接收部分之前设置一个足够长的延迟。应该避免给换能器增加任何保护涂层。所有这些技术都能改进超声系统的性能

　　关于系统精度的提高

　　温度传感器消除该项误差

　　由于当环境温度发生变化时超声波的传播速度也随之改变，这将会引起测距误差。利用温度传感器TCl047A测量空气温度再送主控器中的A/D转换器进行温度补偿，即可消除该项误差。

　　改善接收器LC带通滤波器效果，可以增加信号保真度和系统精度。反射信号的额外增益级对增加探测范围和提高精度也有帮助。

　　结束语

　　上述类型的汽车倒车障碍检测系统设计方案是微控制器和超声波传感器相结合的应用技术,是提高驾驶安全与体验的一个解决方案。由于系统可以识别驾驶盲区内的障碍物，司机驾驶起来会更加得心应手。

　　通过方案比较,该基于微控制器技术倒车障碍物捡测系统比单纯用硬件电路系统(例内置有发送接收电路的LM1812芯片及外围电路组成的捡测系统)要方便灵活得多,因为可用充分发挥软件技术的优势,既可根据运行与泊车环境需要增加功能又替代很多硬件电路,使倒车障碍物捡测系统更可靠准确.

　　参考文献:

　　1、 MicrochipTechnology Incorporated 2004年产品目录.

　　2、何希才主编 传感器技术及其应用.北京航空航天大学出版社 2005年4月出版.

　　1 引言

　　传声介质的声速测量在声学检测中具有重要意义。如何更准确地测量介质的声速在声学技术领域一直是人们比较关心的问题。超声测距设备的测量精度、无损检测中的材料厚度测量准确度等．都与介质的声速测量准确度有关。要想比较准确地测量介质的声速，其关键就是准确地测量时间。因为根据声速计算公式c=L/△t可知，L是已知的，△t的准确程度将直接关系到声速测量的精度。

　　以ACAM公司推出的TDC-GP1型电路作为测时工具，它能将结果精确到ps，单从时间测量精度来看，该电路可以满足高精度声速测量要求。

　　2 TDC-GPl的结构特性

　　随着半导体技术的发展，高精度时间间隔测量电路和系统的设计与生产成为可能。TDC-GPI是德国ACAM公司研发的高精度时间间隔测量电路，可提供双通道250 ps或单通道125 ps分辨率的时间间隔测量。TDC-GPl采用O.8 μm CMOS工艺，是一种通用高精度时间数字转换器，实际分辨率为30ps~300 ps。

　　TDC-GPl采用44引脚TQFP型封装，内含寄存器、TDC测量单元、RLC测量单元、16位算术逻辑单元、8位处理器接口单元等主要功能模块。根据不同的应用需要对寄存器进行设置，使其工作在不同工作模式下。TDC-GPl的引脚功能见表l。内部结构框图如图l所示。

个算术逻辑单元(ALU)。前面的ALU将粗值寄存器中的测量结果转变为无符号整数，以便后面的ALU进行算术运算，这个ALU单元不需要时钟。后面的16位顺序ALU主要根据寄存器的设置对测量结果进行偏差校正，并对校准值进行乘法运算。ALU拥有独立的时钟，可以调节时钟发生频率，完成所有上述工作仅需4μs。

　　TDC-GPl提供了2个量程及精度可调整等3种模式可供用户选择。在量程l中，可以测量2个通道中每个STOP脉冲与起始脉冲之间的时间间隔及STOP信号之间的时间间隔。但在量程1的情况下，测量范围只有7.6μs。为了增大测量范围，电路中有16位的预除器，最大量程为60 ns~200 ms，这就是量程2。

　　实验中，笔者应用量程2来实现，其信号时序如图2所示。

　在此量程下，只能测量1个通道的START与各STOP脉冲时间间隔(通过控制寄存器2选择通道)，不能直接测量STOP脉冲之间的时间间隔。START信号进入后，在电路内部迅速测量出这个信号与下一个校准时钟上升沿的时差即tFC1。之后，计数器开始工作，得到预除器的工作周期数，即counter。这时，重新激活电路内部测量单元，测量出输入的STOP信号的第一个脉冲上升沿与下一个校准时钟上升沿的时差，记为tFC2。tFC3是STOP信号的第二个脉冲上升沿与校准时钟上升沿的时差，tcal1是一个校准时钟周期，tcal2是两个校准时钟周期。根据图2可以得出START信号与STOP信号第一个脉冲的时间间隔：

　　period表示校准时钟周期，counter表示预除器的计数值。

　　3 实现方案及软件设计

　　基于TDC-GPl的高精度声速测量设备的电原理如图3所示。图中省略了电源、晶体振荡器

　在测量中，各个寄存器的设置如下：reg7=Ox00；reg0=0x58；reg2=Ox2l；reg7=0x02；regll=07H。在每次测量之前，都要对电路进行初始化。测量结果从结果寄存器中读出，每次读的地址都是0x00，地址指针会自动加1。由于是校正数据，所以每个结果都用2个寄存器存储。TDC-GPl有8个16位寄存器，因此在测量方式2可以记录4个STOP脉冲和START脉冲之间的时差。8个寄存器循环存数，当第8个寄存器记录后，第5个数据将存入第1个寄存器，原来的寄存器内容被覆盖。

　　实验中，换能器之间的距离为13 cm，利用ADμC842控制发射信号到换能器1，换能器2接收信号经过放大电路和比较器后进入TDC-GPl的STOP引脚，测得时间延迟后，通过串口送出数据，记录到mydata.dat文件中。软件的简单流程如图4所示。

　　mydata.dat文件中的数据为4个16进制的数据，需要转化为十进制，应用Matlab可以简单实现转换并计算声速。换能器之间的距离为L，记录时闻延迟数据转化后为．声速为L△t。实验结果非常准确。

　　VC++的串口接收程序中，对串口的设置如下：

　其中的length为2个换能器之间的距离，veloci-ty为所测得的声速。

　　4 结束语

　　 TDC-GPI型电路具有百皮秒量级的时间间隔测量精度，为精确的声速测量提供了方便。笔者基于TDC-GPl和高效率的微控制器设计了一套高精度的声速测量装置，试运行表明测量精度符合实际要求，反映时间比较快，能够满足实际应用的需要，尤其适合需要快速或动态测量的应用场合。

　　在一些电子部件产品测试时，早先很多生产厂家都使用继电接触控制系统。该系统由分立元件组成，由于线路简单，元件控制精度不高，加上抗干扰能力级差，所以运行不够稳定，误动作频繁，使产品的测试和分析不准确。

　　随着现代工艺的高精度要求，为了适应市场需求，采用可编程控制器对原继电电气控制系统进行改造，但由于各PLC厂家硬件模块和软件结构绝大多数都是专用的、互不兼容的，系统各模块间的交互方式、通信机制也各不相同，这使得控制系统相对独立、彼此封闭。随着技术的进步和市场竞争的加剧，这种专用体系结构的控制系统越来越暴露了其固有的缺陷。由于基于PC平台的软件PLC无需专门的编程器，可充分利用PC机的软硬件资源，直接采用梯形图或语言编程，具有良好的人机界面等优点，因此逐渐取代了硬件PLC，成为研究的热点。

　　1、电气测试系统原理介绍

　　该寿命测试系统能够利用定时器控制电子部件产品的动作频率，利用计时器来控制动作的次数，基本原理如图1所示。

图1 电气测试基本原理

　　PLC使用OMRON CQM1H-CPU11 PLC加上扩展模块，其I/O点数可达26个，可满足多路测试，利用控制动

　　作Relay的定时器和负载反馈Relay的定时器时间差进行判断产品或负载的不良状态，并对系统进行停机保护，实验完成后利用产品或负载在机械和电气方面的特性对其产品进行评价。

　　其中，遮断保护、动作Relay和负载反馈Relay都是用PLC内部高精度定时器进行控制的，其原理都是用低电压控制高电压，实现高低压分离，保証了测试系统的安全性，这里的遮断保护用的是Fuji Electric Co.Ltd。JapanSC-13AA型接触器，耐压可达600V，单触点额定电流是32A，动作Relay和负载反馈Relay（也可以用光电耦合或电流互感器）都是用的OMRON的MY系列继电器。

　　实际用DL750 scoper测量发现这两种精度都不是很高，误差往往有8-10ms。

　　实际中对产品评价需要很多数据，需要测试很多产品，这样需要多独立回路，接线走线困难，而且会产生寄生电路，所以，从PLC产品的兼容性及测试成本考虑，采用目前先进的嵌入式软PLC技术，可大大缩短实验周期并降低成本。

　　2、软PLC技术

　　传统的PLC经过十几年的发展，技术已经非常成熟，以高速度、高稳定性、高性能在工业控制领域得到了广泛应用，与此同时，随着现代计算机技术和电子技术的发展，在工程方面逐渐表现出其缺点：传统的PLC厂商垄断市场，其产品户不兼容，缺少明确一致的标准，难以构建开放的硬件体系结构；各厂商产品的编程方法差别很大，技术专有性较强，工作人员培训时间长，造成PLC的性价比增长很缓慢。

　　20世纪90年代中期，计算机和微电子技术的迅猛发展以及PLC的国际标准IEC61131的制定，产生了软PLC技术，所有"软PLC技术"，就是用PC作为硬件支撑平台，利用软件实现标准硬件PLC的基本功能，也就是将PLC的控制功能封装在软件内，运行于PC的环境中，以PC为基础的控制系统，同时提供了PLC的相同功能，却具备了PC的各种优点。

　　软PLC技术一般由开发系统和运行系统两个部分组成。开发系统运行在PC平台上，而运行系统则运行在嵌入式硬件平台上，一般而言，嵌入式硬件平台上都要运行某种嵌入式操作系统，比如μC/OS-II、μClinux等。

　　现代开发系统的特点一般都是集成化开发环境，界面友好，易于使用。软PLC嵌入式系统是基于IEC61131国际标准的，所以必然要支持其中的几种语言，系统运行在�