一种精密型超声波测距系统方案探究摘要：随着科技的快速发展，在测量领域中，对超声波的使用越来越高，本文主要研究一种为TDC-GP2芯片与ATM系列单片机核心器件所构成的精密型超声波测距系统，希望对同行有所帮助。关键词：超声波，测距系统，方案Abstract：withtherapiddevelopmentofscienceandtechnology,inthemeasurementfield,thehigheroftheultrasonicwavesareused,thispapermainlystudiesaiscomposedofTDC-GP2chipandATMMCUcoredeviceprecisionultrasonicrangingsystem,andtheyhopetobehelpful.Keywords：ultrasonicrangingsystem,scheme,：TB51文献标识码：A：一、引言超声波由于指向性强，能量消耗缓慢，传输距离较远，在距离测量如测距仪和物位测量仪等领域中应用十分广泛。目前，常用于实现超声波测量功能的实现方案有离散器件实现、集成电路实现和专用超声波测量芯片实现等三种。第一种方案成本低但器件参数较分散，测量准确度和距离受到限制；第二种方案，借助于集成电路实现，如常用的采用音频芯片CX20106A实现，由于受到芯片敏感频率的限制，测量的精度和距离受到限制；第三种方案，采用专用的超声波测量芯片实现，测量精度高，相对成本高一些。本文提出一种基于德国ACAM公司高精度时间数字转换芯片TDC-GP21的实现方案。二、超声波测距系统的构成超声波测距系统构成如图1所示。控制芯片选用ATMEGA8A,它是一款采用低功耗CMOS工艺生产的基于AVRRISC结构的8位单片机，自带SPI接口，可以达到接近1MIPS/M的性能，运行速度比普通CISC单片机高出10倍。图1超声波测距系统构成图超声波测量部分由TDC-GP21.超声波探头、发射控制电路、温度传感器、超声波信号处理电路等组成。温度测量选用DALLAS公司的DS18B20数字式温度传感器，它通过输出9位（二进制）数字来直接表示所测量的温度值，温度值是通过DS18B20的数据总线直接输入CPU,无需A/D转换，而且读写指令、温度转换指令都是通过数据总线传入DS18B20,无需外部电源。在测距时超声波发射器有规律发射超声波，遇到被检测对象后反射回来，通过超声波接收器接收到反射波信号，并将其转变为电信号，测出从发射超声波至接收到反射波的时间差(时间间隔t)Ot与超声波传播速度C相乘可求出被测距离S,即：s=l/2ct(1)由于超声波的声速和温度有关，在测距精度要求高的场合需要通过温度补偿的方法加以校正。不同温度下超声波在空气中的传播速度随温度变化关系为：C=331.4+0.61T(2)式中：T为实际温度。2.1、时间数字转换芯片控制与配置电路的设计TDC-GP21内部主要由脉冲发生器、数据处理单元ALU、时间数字转换器单元TDC、温度测量单元、时钟控制单元、配置寄存器以及与单片机相接的SPI接口组成。芯片工作方式和各功能部分协调需要通过外部控制芯片ATMEGA8用SPI接口实现。TDC-GP21功能控制与配置电路如图2所示。图2计时芯片配置电路图2.2、基于TDC-GP21的时间测量模块设计在实际的测量过程中，超声波只有发射开始时间和返回信号接收时间两个时间节点，因而可以采用单一通道的时间间隔测量方法。测量过程中保持STOP2通道导通，STOP1通道截止。在TDC-GP21测量芯片中，提供了两种测量范围可供选择，分别是测量范围1和测量范围2。结合实际情况，利用超声波测量距离要考虑声波的传输速度，发射、接收时间间隔较长，因而就限定了只能选择测量范围2O对应测量范围2的时序图如图3所示。图3测量范围2时序图TDC-GP21有两种时钟，包括作为内部定时器的32kHz时钟和外部高速时钟，供不同工作模式选择。在测量范围2中，作为前置配器的外部高速时钟一般采用4MHz陶瓷晶振。借助于TDC-GP21提供的自校正原始数据（Call和Cal2）对时钟进行校正有利于减小因外部时钟抖动和温漂引起的TDC-GP21内部计数及延迟通道误差，有利于实现高精度的测距。2.3、超声波测量系统的软件设计ATMEGA8A单片机通过SPI接口控制TDC-GP21,对TDC-GP21芯片功能配置进行选择。配置完成后，TDC-GP21芯片产生频率为1MHz的超声波，1MHz超声波送到超声波换能器驱动探头。接收探头收到的回波经过开关电路，进入超声波调理电路进行信号处理，该测量回波返回到TDC-GP21芯片，TDC-GP21芯片判断接收到回波...