盲人既是普通人民中的一員，又是一個特殊群體，他們由于先天的生理缺陷在日常生活中比常人會遇到更多的不方便，不能準確及時地躲避障礙物就是一個重要的弊端。如果有一根既輕巧，又便宜，同時又能及時地識別周圍障礙物并發(fā)出報警信號的手杖在盲人的手中將會為盲人的生活提供極大的方便。同時隨著計算機技術、自動化技術及工業(yè)機器人的不斷出現(xiàn)，測距與識別技術在工業(yè)中已經得到了普遍的發(fā)展，如何把這種非接觸式檢測與識別技術應用與民用領域也變得十分重要。這里介紹的倒盲杖系統(tǒng)設計就是很好地結合二者產需的例子。

因為超聲波傳播速度慢，指向性強，能級消耗緩慢，對色彩、光照度不敏感，同時超聲波傳感器結構簡單、體積小、費用低、信息處理簡單可靠，易于小型化與集成化，并且可以進行實時控制，因此該系統(tǒng)采用超聲波檢測的方法實現(xiàn)對障礙物的識別。該設計是利用美國Silicon Laboratories公司的高性能、高集成度SoCC8051F060為核心硬件，通過其對外圍電路的控制以自身強大的信號處理能力實現(xiàn)障礙物檢測的功能。

1 系統(tǒng)構成及設計原理

該設計是利用美國Silicon Laboratories公司的高性能、高集成度SoC(System on a Chip)C8051F060為核心硬件。在手杖的著地端的前上方、前下方、左前方、右前方各安置一個超聲探頭，通過芯片與探頭及外圍電路共同組成的信號發(fā)送與識別系統(tǒng)完成導盲的功能。系統(tǒng)工作原理方框示意圖如圖1所示。



超聲信號的工作頻率是40 kHz，首先C8051F060MCU產生4路40 kHz的方波信號分別由換能器輸送到手杖末端的超聲探頭。工作時第一個探頭先發(fā)出16個周期的超聲波信號，之后開始接收回波信號，回波信號先經比例放大后得到較大的信號，再進入自動增益控制部分，將信號放大為單片機能夠識別的信號，然后再對信號低通濾波后送入單片機，然后第二個探頭再發(fā)送16個周期的超聲信號，以同樣的方式接收處理，隨后是第三個、第四個、第一個，如此循環(huán)發(fā)送接收。將兩個探頭發(fā)送時間問隔定為18.5 ms，這樣除去發(fā)送時間、消余震時間與信號處理時間總計約2.9 ms，剩余的15.6 ms用來接收34 cm～3 m內的障礙物反射回來的回波信號。

2 硬件設計

2.1 超聲波發(fā)送部分

大多數的超聲波產生電路的設計都會采用硬件集成振蕩電路實現(xiàn)，設計較為繁瑣，精度不高，而該設計的超聲波的產生由軟件編程的方法實現(xiàn)。

C8051F060 MCU內有一個片內可編程計數器／定時器陣列PCA。PCA包括一個專用的16位計數器／定時器和6個可編程的捕捉／比較模塊。每個捕捉／比較模塊都有其自己的I／O線(CEXn)。當被允許時，I／O線通過交叉開關連到端口I／O，該設計就是利用了其中的四個捕捉、比較模塊(CEX0～CEX3)，通過交叉開關連接到端口P0.0～P0.3，因此可以獨立的在P0.0～P0.3端口上產生40 kHz的方波信號。時間基準可以是下面的6個時鐘源之一：系統(tǒng)時鐘／12，系統(tǒng)時鐘／4，定時器0溢出，外部時鐘輸入ECI，系統(tǒng)時鐘和外部振蕩源頻率／8。實驗證明應用外部振蕩時鐘源8分頻作為時間基準較其他方法得到的方波信號更為精確、穩(wěn)定。每個捕捉／比較模塊可以被編程為獨立工作在下面的6種工作方式之一：邊沿觸發(fā)捕捉、軟件定時器、高速輸出、頻率輸出、8位PWM或16位PWM，在此采用的是頻率輸出方式。

40 kHz方波信號由單片機產生后，經通用I／O口輸出到換能器放大，再由超聲波傳感器的探頭發(fā)出，四個探頭的工作是輪流進行的。每一個探頭工作時都是先發(fā)出16個周期的超聲波脈沖信號，用時0.4 ms，然后消余震2 ms，此時開始接收回波信號，過15.6 ms后停止接收信號，再經過0.5 ms的信號處理時間后第一個探頭的工作結束，轉為下一個超聲波傳感器進行相同的工作。也就是系統(tǒng)僅接收信號發(fā)出后2～17.6 ms之間的回波信號，又因為超聲波在空氣中的傳播速度約為340 m／s，也就是系統(tǒng)能識別的障礙物的距離范圍在34 cm～3 m。  

2.2 信號接收部分

信號發(fā)送出去以后若遇障礙物就會反射回來，即為回波。回波信號信號一般較弱，僅為幾毫伏，該系統(tǒng)先將接收到的回波進行比例放大，使回波信號增大到幾百毫伏。比例放大部分采用的芯片是CADEKA Microcircuits的CLC4600運算放大器，CLC4600運算放大器據具有四信道，每通道供電電流消耗僅3.3 mA，具有300 MHz的單位增益帶寬。比例放大部分的電路原理圖如圖2所示。


由于障礙物的遠近不同以及超聲在空氣中的衰減程度，得到的回波信號幅度會有所變化：越早接收到的回波信號越強，越晚越弱。針對不同時刻接收到的回波的強度不同，需要對信號進行不同倍數的放大，使放大后的信號都有相同的幅值，因此需要一個增益隨時間變化可調的放大電路，這樣的放大電路即為時間增益控制(TGC)電路。

該設計中TGC部分主要是由運算放大器與數字電位器相互配合共同實現(xiàn)的。運算放大器采用的是CADEKA Microcircuits的單路，低失調，軌到軌輸入／輸出放大器CLC1003。數字電位器選用美國ADI公司生產的AD8403A10，是一種具有數字接口的有源器件，可方便地與單片機相連接，用來精確調整其阻值。他可以代替電路中的機械電位器，從而實現(xiàn)操作上的智能化。采用固定數字電位器來控制放大電路的增益，可以用簡單的線路，實現(xiàn)量程多極變化，并且具有很高的增益分辨率。AD8403A10是四通道的數字電位器，每通道的電阻的標稱值為10 kΩ，有256個分支點，最小的電阻調整精度可達39 Ω，采用兩通道并聯(lián)可將精度降至20 Ω以內，每通道的不同分支點的處的電阻值都有相應的串行數據與之對應。將AD8403的兩通道串聯(lián)用來調節(jié)增益，另兩通道串聯(lián)用來調節(jié)偏執(zhí)電壓，當回波信號接收后，單片機通過向AD8403不斷送入串行數據來調節(jié)不同時刻的增益，最終使得到的回波信號幅度在一定的范圍之內。本單元的硬件原理圖如圖3所示。


信號經自動增益部分的處理后幅度增大至單片機可識別的范圍，因為此時的信號還夾雜一定的高頻噪聲信號，因此需要一級截止頻率為200 kHz的低通濾波器。該設計的低通濾波器采用的是選用美國Lineartechnology公司的8階線性相位濾波器LTC1069-7。LTC1069-7是一個單片、時鐘調諧、線性相位、8次低通濾波器。截止頻率通過一個外時鐘設置和等時鐘頻率除以25得到，因此要得到200 kHz的截止頻率輸入時鐘頻率為5 MHz。內部取樣頻率對截止頻率比是50：1，LTC1069-7能工作在單電源5 V直至雙±5 V電源。此部分的應用電路如圖4所示。

從低通濾波器輸出的信號送入MCU，單片機將此模擬信號經A／D轉換后進行分析處理，如有障礙物的回波信息則發(fā)送報警信號。

3 軟件設計

該系統(tǒng)的軟件設計主要包括超聲波信號的產生并選通發(fā)送、信號選通接收、TGC單元的控制、低通濾波器的時鐘輸入等四部分。根據C8051F060的資源及特點，方波信號的產生通過設置PCA中的特殊功能寄存器PCA0CN，PCA0MD，PCA0CPMn，PCA0L，PCA0H實現(xiàn)，其中PCA0MD寄存器可控制PCA的時鐘源選擇；PCA0CPMn寄存器可配置PCA捕捉／比較模塊的工作方式；而PCA01，PCA0H寄存器則用于控制信號產生與停止的時間周期。TGC單元的控制需要串行數據信號、片選和時鐘信號，此部分通過設置SPI0中的寄存器SPI0CN，SPI0DAT，SPI0CFG，SPI0CKR實現(xiàn)。其中SPI0DAT用于發(fā)送和接收SPI0數據；SPI0CFG寄存器決定SPI0的工作方式；SPI0CKR決定時鐘信號的頻率。低通濾波器需要5 MHz的時鐘信號，也由設置PCA中的特殊功能寄存器來實現(xiàn)。信號的選通接收部分則由通用的I／O口配合多路對模擬開關的控制實現(xiàn)。圖5是該系統(tǒng)設計的軟件結構流程圖。


4 結  語

這里主要介紹一種基于C8051F060的超聲波導盲系統(tǒng)設計，并詳細介紹了設計的硬件部分，該系統(tǒng)經過實驗測試表明滿足設計要求。對于不同的障礙物類別，所得到的回波信號也有所不同，通過對采集的回波信號的分析能夠得到更詳細的障礙物信息，因此可開發(fā)成為能夠對不同的障礙物進行識別的路障識別系統(tǒng)。