专利名称：一种超声波到达精确时刻检测的方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种超声波到达精确时刻检测的方法及装置，具体涉及一种基于超声波的测距、跟踪定位、流量检测等需要检测超声波到达时刻的方法及装置。
背景技术：
在基于超声波技术的距离、流量、定位、液位、温度等参数测量中，通常需要精确的测量超声波在介质中的传输时间，从而直接或通过工程换算实现对被测量的测量。传输时间是发射器发射的超声波信号到达接收器的传播时间，超声波发射时刻可通过内部同步信号、红外信号或射频信号产生。传统的固定阈值比较法的包括单阈值法和双阈值法，固定阈值的基本思想是设置固定的门限电平(阈值)，当接收到的超声波信号超过该门限电平，则认为超声波到达，可见，阈值比较法是基于超声波幅度检测的方法，要保证其检测精度，需要保证接收的超声信号幅度基本不变。而实际应用中，受传输介质的密度、温度、流动等因素的影响，对超声波信号的衰减较大，其幅度变化较大，即使采用自动增益调整电路，也很难实现高精度检测，因此基于固定阈值的检测方法精度较低。基于相关函数、小波变换以及双指数等渡越时间(T0F :time of flight)估计算法,计算量大,且要求较高的采样率和实时处理能力，且精度难以保证。在实际工程应用中，影响超声波接收信号的幅度因素较多，造成超声信号的幅度变化较大，研究一种与接收信号幅度变化无关的超声波到达时刻检测方法及装置具有实际应用价值。
发明内容
基于此，本发明利用数字处理技术，基于超声波接收信号波形特征，在超声波数据中找到超声波波形的稳定特征点，动态地确定超声波到达判断门限电平，利用直线拟合方法精确计算超声波到达时刻，为测距、目标跟踪定位、流量检测等闻精度超声波检测提供一种计算量低、精度高的检测方法。本发明的目的是提供一种高精度的超声波到达时刻检测方法及装置，在基于超声波测距、跟踪定位、流量测量、液位测量等工程应用中提高超声波到达时刻的检测精度。本发明采用红外信号作为同步信号，接收与处理装置收到红外信号后，由接收与处理装置的处理器控制A/D转换器连续采集数据并存储在存储器中，并进行超声波信号到达时刻的计算。本发明提供一种超声波到达精确时刻检测的装置，包括(I)超声红外发射装置包括超声驱动装置、超声发射传感器、红外驱动装置、红外发射管、第一微处理器(MCU)以及电源。红外和超声发射均采用脉冲驱动，红外脉冲采用窄脉冲，脉冲宽度范围为5 10 μ S，采用三极管电流驱动。超声驱动装置采用脉冲变压器驱动，超声脉冲宽度为超声信号周期的一半，超声、发射传感器为电容型传感器，与变压器次级构成并联谐振回路，要求变压器次级的电感与超声传感器的电容满足谐振条件。第一微处理器主要产生红外脉冲信号、超声脉冲信号和定时信号，采用低引脚、低性能单片机，如PIC12F508、PIC12F629等8引脚单片机。红外与超声波同时发射信号，由于红外以光速传播，传播时间可以忽略，因此用红外信号作为接收同步信号，接收到红外信号后开始采集超声信号。电源采用单节AA电池，用升压电路产生5V直流电源给其他装置供电。(2)接收与处理装置包括超声接收与放大、红外接收与放大、A/D转换器、电源、第二微处理器以及存储器。超声接收与放大包括超声接收传感器、超声放大装置、超声增益控制装置。超声接收传感器的中心频率为40KHz，超声放大装置采用单电源低噪声运算放大器。超声增益控制装置根据接收到的超声信号幅值，产生控制信号控制超声放大装置的参数，实现对超声信号的增益的自动控制，防止因超声信号过大或过小影响超声波到达时刻的检测精度。红外接收与放大包括红外接收管、红外放大装置、红外增益控制装置。第二微处理器通过A/D转换器对红外采样，通过判断红外脉冲接收数据的中心位置，确定红外的到达时刻，将该到达时刻作为超声信号采集的同步信号。红外放大装置采用单电源低噪声运算放大器。红外增益控制装置根据接收到的红外信号幅值，产生控制信号控制红外放大装置的参数，实现对红外信号的增益的自动控制，防止因红外信号过大或过小影响系统的检测精度。A/D转换器采用两个A/D转换器或者一个双通道A/D转换器，最高采样频率达到IMSPS，单电源供电。第二微处理器采用DSP、ARM、FPGA或高性能单片机，指令执行速度超过10MIPS。电源装置可采用电池供电或220V交流供电，需要产生5V供电及微处理器所需的电源电压，如3. 3V，1.8V等。存储器存储采集的红外和超声信号，容量根据发射装置和接收与处理装置的距离和设定的采样率确定。本发明提供一种超声波到达精确时刻检测的方法，包括(I)第二微处理器(DSP、ARM、FPGA或高性能单片机)收到红外信号后，控制A/D转换器连续采集超声波信号，得到所需的超声波数据，将所述超声波数据存储在数据存储器内，存储空间为Buf ；(2)连续采集超声波数据并进行存储之后，在整个存储空间Buf内按从前向后的顺序搜索，找到每个超声波周期的峰值点，设定存储空间Bhigh，将每个峰值点的数值和该数值在存储空间的地址存储在存储空间Bhigh中；
(3)在Bhigh内按从前向后的顺序搜索超声波信号的最大值点，其数值记为Vmax，地址记为
Vmaxad (4)在Bhigh内按从前向后的顺序搜索，判断最大值点之前有几个超声波信号峰值点，峰值点数记为Nh，其中Nh含最大值点，Nh表示峰值点数；
(5)设置门限电平值Vth = Vmax/Nh，在存储空间Buf内搜索第一个大于Vth的峰值点，记为；(6)在存储空间Buf内，自V·向后搜索得到第一个过零点前后两个采样点，分别用PpP2表示，保存两个采样点的数值和存储地址，分别记为VpV2和ADpAD2, AD2 = AD1+!,用时间表示为=P1 (t1； V1)，P2 (的，V2)，其中，&表示P1点到达时刻，Ts表示采样周期，h =AD1 · Ts，V1 彡 0，V2 < O 或 V1 > 0，V2 < O ;(7)定义通SP1, P2两点的直线与时间轴的交点为超声波到达时刻，记为，利用P1, P2两点的采样值和存储地址，采用直线拟合方法可得7； ~ V1-V1其中表示超声波到达时刻，将& = AD1 · Ts带入上式得L = (AD1 H- φ^-) ■ Ts = (AD1 +■ T通过步骤(I) (7)，仅通过对存储空间的搜索及简单的计算，便可检测到超声波到达时刻tcom。本发明的优点在于超声波到达判决门限电平为相对值，与超声信号最大值的成正比，避免使用固定门限电平受信号幅度的影响。本发明提出的方法仅通过简单搜索和数学运算，在6倍信号采样率条件下，检测误差低于100纳秒(ns)，为测距、目标跟踪定位、流量检测等高精度超声波检测提供一种计算量低、高精度的检测方法。
图IA为超声红外发射装置示意IB为接收与处理装置示意2A为6个周期达到最大值的超声波波形图2B为5个周期达到最大值的超声波波形图3A为6个周期达到最大值的超声波到达精确时刻检测方法描述波形3B为5个周期达到最大值的超声波到达精确时刻检测方法描述波形4为到达时刻计算示意5为误差分析波形6为误差变化曲线
具体实施例方式本发明提供一种超声波到达精确时刻检测的方法，其主要步骤包括(I)微处理器(单片机、DSP、ARM)控制A/D转换器连续采集所需的超声波数据并存储；(2)在整个超声信号存储空间搜索，找到每个超声波周期的峰值点，开辟存储空间存储每个峰值点的数值和其在存储空间的地址；(3)在步骤(2)中峰值点的存储空间内搜索得到超声波信号的最大值点；(4)在步骤⑵中峰值点的存储空间内搜索，确定到达最大值点前峰值点个数(含、最大值点)；(5)根据最大值的幅度和到达最大值前的峰值点个数，确定门限电平值，在步骤
(I)所存储的数据空间内搜索第一个大于门限电平的存储位置；(6)自第一个大于门限电平的存储位置向后搜索，确定第一个过零点前后两个超声数据；(7)根据步骤(6)得到的两个超声数据的数值和存储地址，利用直线拟合方法，便可精确计算出超声波到达时刻。结合附图I 6描述本发明的具体实施方式
。 (I)超声波数据采集并存储超声波数据通过采集系统采集并存储，数据采集系统以微处理器MCU(单片机、DSP、ARM、FPGA等)为核心，原理框图如图I所示，图IA为发射装置示意图，图IB为接收与采集装置示意图。图IA中，红外与超声同时发射信号，由于红外信号以光速传播，传播时间可以忽略，因此，系统中用红外信号作为接收同步信号，接收到红外信号后开始采集超声信号。图IB中A/D转换器为4通道IObit并行A/D转换器，单路最高采样率为4MSPS (mi 11 ionsamples per second),信号输入电压范围为0 5V。A/D转换器配置为双通道模式,分别处理超声和红外信号。红外和超声发射均采用脉冲驱动，红外脉冲采用窄脉冲，脉冲宽度范围为5 10 μ S，驱动装置采用三极管电流驱动，采集电路通过A/D转换器对红外采样，接收与采集装置中的第二微处理器MCU通过判断红外脉冲接收数据的中心位置，确定红外的到达时刻，将该时刻作为超声信号计时的基准。超声发射装置采用脉冲变压器驱动，超声脉冲宽度为超声信号周期的一半。在进行多次测量时，接收与采集装置中的第二微处理器MCU通过A/D转换器获得超声信号的幅度，后续测量时，根据幅度对超声电路的增益进行自适应调整，避免接收到的信号出现饱和失真或信号太小(信噪比低)。图I所示的数据采集系统，发射装置同时发射超声和红外信号，超声波信号频率为40ΚΗζ，接收器接收到的红外信号为单脉冲信号，接收到超声波信号的典型波形如图2Α、图2Β所示。在超声接收传感器灵敏度确定的前提下，接收到的波形因发射信号的入射角度不同，受激振动到达最大峰值的时间不同，图2给出两种典型的超声波信号，图2Α为6个周期达到最大峰值的超声波形图，峰峰值约为2. 7V，图2Β为5个周期达到最大峰值的超声波形图，峰峰值约为1.6V。由于接收到的超声波信号的幅度及波形特征受超声波传播距离、温度、湿度以及接收角度影响较大。传统的单阈值和双阈值比较法判断超声波到达时刻仅依据信号幅度进行判断，设置固定的电平，当接收到的信号超过该电平时，则认为超声波到达，信号幅度不同，其到达时刻也不同。显然，信号幅度直接决定了超声波到达时刻的检测精度，而实际应用中，很难保证超声波信号的幅度保持不变，如图2中的超声信号波形，因此，采用固定门限电平的单阈值和双阈值比较法无法实现超声波到达时刻的高精度检测。设A/D转换器的采样周期为Ts，采样频率为fs，超声波信号频f。= 40KHz。接收与采集装置中的第二微处理器MCU收到红外同步信号后，连续采集并存储超声信号，存储空间为Buf。在整个超声信号存储空间按顺序搜索，找到每个超声波周期的峰值点，在图3中用“□”表示，并设定存储空间Bhigh存储每个峰值点的数值和其在存储空间的地址。
在Bhigh内按顺序搜索，找到超声波信号的最大值点，记为Vmax,其地址记为Vmaxad,如图3所示。在Bhigh内按顺序搜索，判断到达超声波信号最大值点之前有几个峰值点，峰值点数记为Nh，其中峰值点数Nh包含 最大值点。对图2A中超声信号波形按上述步骤进行处理 ，Nh = 6。对图2B中超声信号波形按上述步骤进行处理，Nh = 5ο超声波到达判断门限电平的确定采用固定比例的门限电平会出现超过一个超声波周期甚至更大的误差，如图2中两个典型超声波形，若采用相对各自信号最大幅度相同的比例，就会出现一个周期的误差。因此，确定动态阈值的比例是问题的关键。在图2中，每个超声波周期的峰值点用“ □”表示，图中表示每个周期峰值点相对前一周期的变化值(相当于速度变化)。由于第一个周期超声信号幅度较小，且变化较小，特征不明显。第二个周期超声信号特征明显，本实施例通过检测第二个周期的超声信号来实现超声波到达时刻的检测。图2Α中变化最大的峰值为第4个周期的峰值，变化最小的峰值点为第I个周期的峰值和最大峰值处，图2Α中的波形到达最大峰值处需要经过6个周期，可以推算出第I个峰值小于最大峰值的1/6，而第2个周期峰值大于最大峰值的1/6，因此，设置最大峰值的1/6作为超声波到达时刻的门限电平。图2Β中超声信号波形变化最大的峰值为第3个周期的峰值，变化最小的峰值点为第I个周期的峰值和最大峰值处，2Β中超声信号波形到达最大峰值处需要经过5个周期，可以推算出第I个峰值小于最大峰值的1/5，而第2个周期峰值大于最大峰值的1/5，因此，设置最大峰值的1/5作为超声波到达时刻的门限电平。一般规则为若超声波振动到最大峰值的需要Nh个周期(含最大值周期)，最大峰值为Vmax,则设置门限电平值Vth = Vmax/Nh。在图2A中Nh = 6，贝丨J门限电平Vth = Vmax/6。 在图2B中Nh = 5，贝丨J门限电平Vth = Vmax/5。定义第2个超声波周期后的第I个过零点作为超声波到达时刻，利用过零点前后的两个采样数据，通过以下方法计算到达时刻。(6)在Buf存储空间内，自V。》向后搜索得到第一个过零点前后两个相邻采样点，用Pp P2表示，保存两个采样点的数值和存储地址，分别记为Vp V2和ADp AD2，其中AD2 =AD1+!。用时间表示 P1 U1J1) ,P2U1+!^ V2)，其中 = AD1 -TsjV1 > OjV2 < 0，如图 4 所示，图4中Ptl为实际信号的过零点。(7)定义通过P1, P2两点的直线与时间轴的交点为超声波到达时刻，记为t·。利用P1, P2两点的采样值和存储地址，通过以下方法计算到达时刻。
权利要求
1.一种超声波到达精确时刻检测的方法，其特征在于，包括 (1)微处理器控制A/D转换器连续采集超声波数据，设定超声波数据存储空间，将所述超声波数据存储在所述超声波数据存储空间中； (2)在整个超声波数据存储空间按顺序搜索，找到每个超声波周期的峰值点，设定峰值点存储空间，所述峰值点存储空间存储每个峰值点的数值和其在存储空间的地址； (3)在步骤(2)中峰值点存储空间内搜索，得到超声波信号的最大值点； (4)在步骤(2)中峰值点存储空间内搜索，确定到达最大值点前峰值点的个数； (5)根据所述最大值点的幅度和所述到达最大值点前峰值点的个数，确定门限电平值，在所述超声波数据存储空间内搜索第一个大于所述门限电平值的超声波数据存储位置； (6)自所述第一个大于所述门限电平值的超声波数据存储位置按顺序向后搜索，得到第一个过零点，以及最临近所述第一个过零点的前后两个超声波数据； (7)将得到的所述两个超声波数据的数值和存储地址用直线拟合方法计算得到超声波到达时刻。
2.如权利要求I所述的方法，其特征在于采用动态门限电平判断超声波到达时刻。
3.如权利要求I所述的方法，其特征在于根据到达所述超声波信号的最大值点的超声波周期的个数动态地确定超声波到达判断门限电平。
4.如权利要求I所述的方法，其特征在于计算得到的第一个过零点与实际过零点之间的误差A为
5.如权利要求I所述的方法，其特征在于所述超声波信号频率大于20KHz。
6.一种数据采集系统，其特征在于，包括 发射装置和接收与处理装置； 所述发射装置包括第一微处理器、超声驱动装置、超声发射传感器、红外驱动装置和红外发射管； 所述接收与处理装置包括第二微处理器、超声A/D转换器、红外A/D转换器、超声增益控制装置、红外增益控制装置、超声放大装置、红外放大装置、超声接收传感器、红外接收管和存储器； 所述第二微处理器控制超声A/D转换器连续采集超声波数据，在存储器中设定超声波数据存储空间，将所述超声波数据存储在超声波数据存储空间中；第二微处理器在整个超声波数据存储空间搜索，找到每个超声波周期的峰值点，设定峰值点存储空间，所述峰值点存储空间存储每个峰值点的数值和其在存储空间的地址；第二微处理器在峰值点存储空间内搜索，得到超声波信号的最大值点和确定到达最大值点前峰值点的个数；根据所述最大值点的幅度和所述到达最大值点前峰值点的个数，确定门限电平值，在所述超声波数据存储空间内搜索第一个大于所述门限电平值的超声波数据存储位置；自所述第一个大于所述门限电平值的超声波数据存储位置按顺序向后搜索，得到第一个过零点，以及最临近所述第一个过零点的前后两个超声波数据；将得到的所述两个超声波数据的数值和存储地址用直线拟合方法计算得到超声波到达精确时刻。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于采用动态门限电平判断超声波到达时刻。
8.如权利要求6所述的系统，其特征在于根据到达所述超声波信号的最大值点的超声波周期的个数动态地确定超声波到达判断门限电平。
9.如权利要求6所述的系统，其特征在于计算得到的第一个过零点与实际过零点之间的误差A为 Asm(x.)-7rfT -X. A--!-—-， cos(x, + ^r,)-Sin(^rs) 其中，X1为过零点Ptl之前的第一个采样点P1点位移，X2为过零点Ptl之后的第一个采样点P2点位移，X为P1和P2点连线与时间轴交点的位移，fc为超声波信号频率，Ts为采样周期。
10.如权利要求6所述的系统，其特征在于所述超声波信号频率大于20KHZ。
全文摘要
一种超声波到达精确时刻检测的方法及装置，适用于测距、目标跟踪定位、流量检测等高精度超声波检测应用领域。该方法基于数字处理技术，利用A/D转换器采集的超声波数据，根据超声波波形特征，动态的确定超声波信号到达的判决门限电平，利用直线拟合方法，精确计算出超声波到达时刻。通过简单搜索和数学运算，在较低采样率条件下，能够实现纳秒级精度的检测，为测距、目标跟踪定位、流量检测等高精度超声波检测提供一种计算量低、精度高的检测方法。
文档编号G01H11/06GK102636252SQ20121010171
公开日2012年8月15日 申请日期2012年4月10日 优先权日2012年4月10日
发明者孙晓颖, 宋舒婷, 林琳, 温泉, 燕学智, 王波, 胡封晔, 陈建, 魏小丽 申请人:吉林大学