基于单片机之陆地超声计程仪的开发与应用

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1.1 引言

车载导航系统是应用在车辆上的导航系统。它能准确、连续地提供车辆位置、速度以及航向等信息,引导车辆到达目的地。无论在军事上还是民用上,车载导航都有着广泛的应用。

1.2 车载导航发展现状

无线电导航是运动体从电子设备接收无线电信号,根据电磁波的传播速度一定和路径的可预测原理,处理获得的信号进而实现定位。很显然,无线电导航使用时缺少隐蔽性,易被发现[2]。 惯性导航系统利用陀螺仪和加速度计测量载体的角运动和线运动,运用载体的微分方程解算出运载体的位置、速度和姿态角。惯性导航的突出优点就是自主性和隐蔽性,陀螺漂移和加速度计偏差导致惯导系统误差随时间的延长而增加[3]。 地图匹配(MM)是将车辆定位轨迹和数字地图中的道路信息相比较,根据一定的算法确定车辆最有可能行驶的路段以及车辆在某路段的最大可能位置。地图匹配的定位精度较高,但是覆盖范围有限[1]。 卫星导航由卫星、地面控制系统和用户定位设备组成[4]。地面接收机接收卫星所发射的测距信号和导航电文,地面接收机据此及时计算出本地面接收机当前所在位置(经纬度)。美国的 GPS、俄罗斯的格洛纳斯、欧盟的伽利略、中国的北斗卫星导航系统并称为全球四大卫星导航系统。美国的全球定位系统(GPS)具有全天候、高精度的突出优点。GPS的使用受到环境因素的制约,它的信号在城市的高楼、野外树林等环境中受到遮挡而且信号易受电子干扰。 航位推算(DR)是一种自主定位技术。DR系统需要使用传感器测量出车辆的里程和航向。一般使用陀螺仪测量车辆航向,使用里程仪测量车辆里程。它是在已知载体此刻的航向、速度和航行时间的情况下,推算出下一时刻的坐标位置。它具有很多优点:机动灵活,无论涵洞还是水下都能导航定位;完全自主;成本低[5]。

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第2章 陆用多普勒计程仪的测速原理

2.1 超声波

按照引起声波衰减的原因不同,声波衰减可分为散射衰减、吸收衰减和扩散衰减三种。散射衰减是指声波在一种介质中传播过程中,遇到另一种介质所组成的障碍物而往不同方向散射,导致声波减弱的现象。吸收衰减是指声波与传播介质产生摩擦,导致一部分声能转换成热能的现象。扩散衰减是指声音在传播距离的增加,导致单位面积内的声波能量随距离增加而减弱的现象[16]。

2.2 超声换能器的选型

本设计选用的压电换能器属于功率型超声换能器,它的电声转换效率高,能达到80%;它能够被制造成各种形状;它的成本低廉,性能稳定,因而被广泛使用。它对应的发射器利用逆压电效应将电信号转换成超声波;而接收器利用正压电效应将接收到的超声波转换成电信号,进而实现声电信号的转换[17]。 本设计采用间断式信号发射方式,在发射一串脉冲信号后,等待回波信号。这样只要一个换能器就可实现发射和接收信号,即采用收发两用型换能器。本课题超声波的传播介质为空气,因此采用气介超声换能器。本设计选用型号为EU12AIF58H07A的超声压电换能器,如图2.1所示。

第3章 回波信号处理...........................12

3.1过零检测法测频 ..........................12

3.2锁相环 ...............................13

第4章 陆用计程仪的硬件设计........................23

4.1系统总体方案 ...................................23

4.2微控制器 .......................24

第5章 陆用计程仪软件设计及系统验证.........................26

5.1陆用计程仪软件总体设计 .............................................26

5.1.1 软件开发环境 .............................26

第5章 陆用计程仪软件设计及系统验证

5.1 陆用计程仪软件总体设计

系统上电后,首先运行启动文件(包括crt0.s和start.c),它们都是由官方编写好的。在 crt0.s 中复位通用寄存器、关闭总中断;在 start.c 中实现以下功能:关闭看门狗,复制中断向量表到RAM 和系统时钟的初始化。 系统时钟的初始化主要是设置时钟频率。K60DN512为用户提供三种时钟选择[40],本设计选择内核时钟频率为 100MHz,总线时钟频率为 50MHz,FlexBus 时钟频率为25MHz,Flash 时钟频率为 25MHz。 接着调用 main.c函数,开始执行主程序,系统主程序流程如图5.2所示。主程序包括系统各个子功能模块的初始化和主循环。系统在初始化后,不断地循环执行主程序中除初始化的内容,当中断发生时,系统转入中断服务程序,中断程序执行完毕之后返回主程序。

5.2 PIT 定时中断软件设计

PWM 模块会产生一个高电平和低电平重复交替的输出信号,这个信号的周期即为PWM 周期[42]。本设计要产生周期为40KHz 的PWM,并且占空比为 50%。 K60DN512 的弹性定时器模块(FTM)是一个多功能定时器模块,主要功能有,PWM输出、输入捕捉、输出比较、定时中断、脉冲加减计数、脉冲周期脉宽测量。FTM 的时钟源可以来自系统时钟或外部时钟。并可对时钟分频,分频系数可选为 1,2,4,8,16,32,64,128。 在K60DN512 中,共有FTM0,FTM1,FTM2三个独立的FTM 模块。本设计选用FTM0 模块,它有 8 个通道,这里使用 FTM0_CH3 通道产生 PWM 脉冲波。查找 K60DN512芯片手册的引脚分配图,对于封装为 144LQFP 的芯片而言,也就是由 PTA6 引脚输出PWM 脉冲波[40]。

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结 论

本文借鉴船用多普勒计程仪技术,以 K60DN512 微控制器为核心,设计了一种高精度、非接触式、低成本的陆用超声多普勒计程仪。设计了陆用超声多普勒计程仪的总体技术方案。针对陆用超声多普勒计程仪具体应用背景,研究了过零检测、软件锁相环和复协方差等三种频率估计的具体实现方法。分析了三种算法的计算量和测频精度,最终选定采用复协方差法对回波信号进行频率估计。完成了系统的软硬件设计,并进行了系统的测试和功能验证。 最后对陆用计程仪的软硬件进行联合调试。