本應(yīng)用報(bào)告描述了一種采用MSP430F413 超低功耗微控制器的基于超聲波的距離測(cè)量系統(tǒng)。系統(tǒng)向測(cè)量目標(biāo)發(fā)射超聲波脈沖然后接收相應(yīng)的反射波。MSP430 集成的模擬比較器A 用于檢測(cè)到達(dá)系統(tǒng)的回聲。超聲波脈沖從系統(tǒng)到目標(biāo)然后反射回系統(tǒng)所需的時(shí)間可以由MSP430精確的測(cè)量。假設(shè)聲波室溫下在空氣中的速度為1100 英尺/秒，MSP430 計(jì)算系統(tǒng)與目標(biāo)間的距離并采用內(nèi)部集成的LCD驅(qū)動(dòng)器將其顯示在一兩位的靜態(tài)液晶顯示器上。距離以英寸為單位顯示，精度為1 英寸本系統(tǒng)能夠測(cè)量的最小距離是8 英寸，因?yàn)槭艿桨l(fā)射器傳感器穩(wěn)定時(shí)間；能夠測(cè)量的最大距離為99英寸，回聲的強(qiáng)度取決于反射物的材質(zhì)形狀、和尺寸。地毯之類的吸音材料或者反射面積小于兩平方英尺的物體反射能力很弱，這類目標(biāo)最大測(cè)量范圍相對(duì)較小。如果系統(tǒng)接收到的回聲的強(qiáng)度很小以至于比較器A 無(wú)法檢測(cè)到就超出了系統(tǒng)的測(cè)量范圍。這時(shí)系統(tǒng)將顯示錯(cuò)誤信息“E”。
DIY樣品圖如下：


以下將按幾個(gè)部分來(lái)講述此次超聲波距離測(cè)量步驟：
1-工作原理
2-電路描述
3-軟件
UltrasonIC.s43
設(shè)備初始化子
程序主循環(huán)程序
計(jì)算子程序
BT_ISR 子程序
顯示子程序
延時(shí)子程序

工作原理
本應(yīng)用基于聲波的反射。聲波在其傳播的介質(zhì)中被定義為縱波。當(dāng)聲波受到尺寸大于其波長(zhǎng)的目標(biāo)物阻擋時(shí)就會(huì)發(fā)生反射；反射波稱為回聲。如果聲波在介質(zhì)中傳播的速度是已知的，而且測(cè)量到聲波從聲源到達(dá)目標(biāo)然后返回聲源的時(shí)間，從聲源到目標(biāo)的距離就可以精確地計(jì)算出來(lái)。這就是本應(yīng)用的測(cè)量原理。這里聲波傳播的介質(zhì)就是空氣，采用不可見(jiàn)的超聲波。
假設(shè)室溫下聲波在空氣中的傳播速度是1100 英尺/秒，測(cè)量到的聲波從聲源到達(dá)目標(biāo)然后返回聲源的時(shí)間是t，秒距離d可以由下列公式計(jì)算：
d=1100 12 t （英寸）
因?yàn)槁暡ń?jīng)過(guò)的距離是聲源與目標(biāo)之間距離的兩倍，聲源與目標(biāo)之間的實(shí)際距離應(yīng)該為d/2。

電路描述
本應(yīng)用中中用來(lái)發(fā)射和接收超聲波的裝置是40KHz的陶瓷超聲波傳感器。MSP430 采用晶體振蕩器產(chǎn)生的一個(gè)40KHz 方波信號(hào)的12周期脈沖序列驅(qū)動(dòng)發(fā)射傳感器，接收傳感器則接收回聲。MSP430 的定時(shí)器A被定義為40KHz晶振頻率計(jì)數(shù)器，因此時(shí)間測(cè)量精度為25 微秒，這對(duì)本應(yīng)用來(lái)說(shuō)足夠用了。測(cè)量的時(shí)間基準(zhǔn)是非常穩(wěn)定的因?yàn)樗墒⒕w振蕩器產(chǎn)生。接收傳感器收到的回聲由運(yùn)算放大器放大后送到比較器A 的輸入端。比較器A 檢測(cè)到其輸入端的回聲信號(hào)后觸發(fā)定時(shí)器A 計(jì)數(shù)值的捕捉來(lái)捕獲比較寄存器CCR1 的值。捕捉在回聲到達(dá)系統(tǒng)的瞬間進(jìn)行。捕獲的計(jì)數(shù)值就是超聲波脈沖序列從系統(tǒng)出發(fā)到達(dá)目標(biāo)然后返回系統(tǒng)的時(shí)間。從系統(tǒng)到目標(biāo)的距離（用英寸表示）就可由MSP430 用測(cè)得的時(shí)間算出并顯示在兩位靜態(tài)液晶顯示器上。顯示更新后MSP430 馬上轉(zhuǎn)入LPM3 睡眠模式來(lái)降低功耗?；径〞r(shí)器1 被編程用來(lái)每205 毫秒中斷MSP430 一次?；径〞r(shí)器1的中斷信號(hào)喚醒MSP430 并重復(fù)測(cè)量周期更新顯示。
圖1 顯示的是本應(yīng)用的電路原理圖。其中MSP430F413 U1 是系統(tǒng)的核心部分。參考文獻(xiàn)[1]是這個(gè)芯片的技術(shù)資料。LCD1 是一由MSP430F413內(nèi)部集成的LCD 驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的兩位低壓靜態(tài)液晶顯示器。R03 連接到Vss R13 和R23， 懸空將LCD 外圍電路設(shè)置為靜態(tài)LCD 驅(qū)動(dòng)模式。這里方便的選用了一個(gè)40KHz 的低頻晶振，與本應(yīng)用中采用的超聲波傳感器的諧振頻率相匹配。R12 作為復(fù)位線的上拉電阻，內(nèi)部集成的掉電保護(hù)電路可以預(yù)防掉電情況。C9 位于靠近芯片電源線的位置，提供MSP430 的電源耦合。14 腳的接插件（J1） 提供JTAG接口與MSP430 相連，可使用MSP430FLASH 仿真工具進(jìn)行在線調(diào)試和編程LED1 用來(lái)指示測(cè)量周期。端口引腳P1.5 被定義為輸出超聲波發(fā)射器所需要的40KHz 方波ACLK信號(hào)。
傳感器的輸出驅(qū)動(dòng)電路直接由9V 電池供電并提供18Vpp 驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射器。18Vpp 是通過(guò)一個(gè)二進(jìn)制非門CD4049(U4)橋電路實(shí)現(xiàn)的。參考文獻(xiàn)[6]是它的技術(shù)資料。其中一個(gè)非門用來(lái)為驅(qū)動(dòng)器的一側(cè)提供180 度的相移信號(hào)。另一側(cè)由相內(nèi)信號(hào)驅(qū)動(dòng)。這種結(jié)構(gòu)使輸出端的電壓提高了一倍，為發(fā)射傳感器提供了18Vpp 電壓。兩個(gè)門并聯(lián)連接以便每一側(cè)能夠?yàn)閭鞲衅魈峁┳銐虻尿?qū)動(dòng)電流。電容C6 C7 阻斷了到傳感器的直流通路。因?yàn)镃D4049 工作于9V 而MSP430 工作于Vcc 3.6V。 MSP430 和輸出驅(qū)動(dòng)器之間的邏輯電平是不匹配的，雙極性晶體管Q1 就作為這兩種邏輯電平之間的轉(zhuǎn)換器。
運(yùn)算放大器U3 是TI 公司的高速運(yùn)算放大器TLV2771 。參考文獻(xiàn)[5]是它的技術(shù)資料。這個(gè)放大器具有高增益帶寬并在40KHz 時(shí)提供充分的高增益。運(yùn)算放大器連接成反相放大器構(gòu)造。R7、R5 設(shè)置增益為55、C5 提供高頻滾降。R3、R4 偏置非反相輸入端，為運(yùn)算放大器的單輸入工作提供一個(gè)虛擬中間值。放大后的超聲波信號(hào)在這個(gè)虛擬中間值。上下波動(dòng)傳感器RX1 的高Q 值提供選擇性并丟棄除了40KHz 之外的頻率。運(yùn)算放大器的輸出端連接到比較器A 的輸入端CA0 （即端口引腳P1.6）。 比較器A 的參考電平內(nèi)部選擇為0.5Vcc 。當(dāng)接收到回聲時(shí)電壓高于參考電平從而觸發(fā)比較器A 的輸出CAOUT 。調(diào)整R3 可以得到需要的靈敏度并優(yōu)化測(cè)量范圍。
MSP430 和超聲波信號(hào)放大器電路由9V 電池經(jīng)TI 公司的LDO 芯片TPS77001調(diào)制后的3.6V 電壓供電。參考文獻(xiàn)[4]是它的技術(shù)資料。電阻R1和R2 調(diào)整穩(wěn)壓器輸出電壓為3.6V。 C1和C2 是推薦使用的穩(wěn)壓器的正常工作的供電電容。發(fā)射器的驅(qū)動(dòng)電路是由9V 電池直接供電的。開(kāi)關(guān)S1 是本應(yīng)用的電源開(kāi)關(guān)。
圖2 顯示的是12 周期的40KHz 脈沖序列的波形軌跡圖。我們注意到19.2V 的峰峰電壓波動(dòng)。方波頂部的正弦響鈴波是由于傳感器內(nèi)部的諧振。
圖3 顯示的是一個(gè)完整測(cè)量周期的波形軌跡。軌跡1顯示的是發(fā)射傳感器輸出端的12周期的40KHz脈沖序列。軌跡2 顯示的是接收傳感器輸出經(jīng)運(yùn)算放大器放大后在引腳1上的輸出。軌跡上的第一個(gè)脈沖序列信號(hào)，代表直接從發(fā)射器上收到的信號(hào)被MSP430忽略。接下去的脈沖序列代表目標(biāo)反射的回聲，被MSP430 用于測(cè)量。軌跡3 顯示的是MSP430 測(cè)得的時(shí)間間隔的寬度。這個(gè)寬度代表該脈沖序列從系統(tǒng)到達(dá)目標(biāo)再返回所花的時(shí)間，顯然它取決于所測(cè)量的距離。

圖1


圖2


圖3
軟件Ultrasonic.s43
設(shè)備初始化子程序
這個(gè)子程序初始化及設(shè)置外圍電路。首先關(guān)閉看門狗電路，采用一個(gè)軟件延時(shí)讓低頻晶振穩(wěn)定，將FLL+倍頻器設(shè)置為64 來(lái)產(chǎn)生2.56MHz 的MCLK頻率。P1.0 設(shè)置為輸出控制LED。未使用的端口引腳設(shè)置為輸出，端口引腳P1.5 設(shè)置為輸出帶緩沖的40KHz ACLK。頻率基本定時(shí)器1 啟動(dòng)并設(shè)置為提供一個(gè)150Hz LCD 頻率并每205 毫秒中斷CPU 開(kāi)始一次測(cè)量周期比較器A 內(nèi)部參考電平設(shè)置為0.5Vcc ，CAPD 位設(shè)置為關(guān)閉比較器輸入引腳的輸入緩沖。LCD 模塊打開(kāi)并在本應(yīng)用中設(shè)置為靜態(tài)模式驅(qū)動(dòng)兩位靜態(tài)LCD 。LCD存儲(chǔ)器清零，LCD 的初始顯示為00?；径〞r(shí)器1 中斷和全局中斷打開(kāi)，這樣基本定時(shí)器1 就可以周期性中斷CPU。

主循環(huán)程序
主循環(huán)用存儲(chǔ)在DIGITS 緩沖區(qū)內(nèi)的值更新液晶顯示器然后MSP430置于LPM3 睡眠模式。MSP430 維持在睡眠模式直至基本定時(shí)器1 中斷發(fā)生及BT_ISR 返回活動(dòng)模式。這時(shí)就開(kāi)始一個(gè)測(cè)量周期定時(shí)器A 設(shè)置為16 位增計(jì)數(shù)模式，選擇ALCK 作為其時(shí)鐘源。CCR1 設(shè)置為比較模式，初始值為12 以便在P1.5 引腳上輸出12 個(gè)周期的40KHz 的脈沖序列接下去是一個(gè)36ACLK 周期的延時(shí)，保證輸出傳感器穩(wěn)定這是通過(guò)設(shè)置CCR1為初始值36 的比較模式實(shí)現(xiàn)的，在CCR1 處于比較等待狀態(tài)時(shí)，MSP430保持LPM0 狀態(tài)。
然后系統(tǒng)切換到通過(guò)接收傳感器接收回聲。比較器A 被設(shè)置為等待回聲，在回聲到達(dá)的瞬間提供一個(gè)捕獲中斷。定時(shí)器A 計(jì)數(shù)值從捕獲比較寄存器CCR1 中得到。這個(gè)值就是超聲波序列從發(fā)射傳感器到達(dá)目標(biāo)然后返回這段距離所需的時(shí)間。計(jì)數(shù)值加上48 加以調(diào)整，以補(bǔ)償12 個(gè)周期脈沖序列和36 個(gè)周期發(fā)射傳感器穩(wěn)定延時(shí)的損失。CCR1調(diào)整后的值就是脈沖序列發(fā)出時(shí)刻到回聲到達(dá)系統(tǒng)這段時(shí)間的準(zhǔn)確值。然后，就調(diào)用計(jì)算子程序計(jì)算實(shí)際距離單位為英寸并返回結(jié)果。如果結(jié)果超出范圍，回聲信號(hào)就接收不到，比較器A 也不會(huì)產(chǎn)生捕獲中斷。MSP430 保持LPM 狀態(tài)知道下一個(gè)基本定時(shí)器1 中斷將其喚醒，通過(guò)檢測(cè)其CCTL1 控制寄存器中的CAIFG 位來(lái)確“E” 。程序最終返回到主程序，更新LCD 顯示并返回LPM3 睡眠模式。下一個(gè)基本定時(shí)器1 中斷將MSP430 喚醒至活動(dòng)狀態(tài)重復(fù)程序執(zhí)行過(guò)程。

計(jì)算子程序
計(jì)算子程序負(fù)責(zé)本應(yīng)用中的數(shù)學(xué)計(jì)算。CCR1 中調(diào)整后的16 位數(shù)值存儲(chǔ)為變量Result， 這個(gè)值就代表超聲波序列從系統(tǒng)到目標(biāo)然后返回系統(tǒng)這段距離所需的時(shí)間。因?yàn)槎〞r(shí)器A 計(jì)數(shù)間隔為25 微秒，對(duì)應(yīng)的時(shí)間值為Result25 微秒假設(shè)室溫下聲音的速度為1100 英寸/秒，可以看出，從定時(shí)器A計(jì)數(shù)值得到的Result 每6 個(gè)值對(duì)應(yīng)于1 英寸的距離。
為了采用MSP430 現(xiàn)有的整數(shù)計(jì)算達(dá)到要求的精度，16 位的Result 首先乘以100 然后除以6。16位*16位的乘法是由子程序Mu100 完成的，32位的結(jié)果存儲(chǔ)在變量htX100_msw 和htX100_lsw 中，然后除以6 并將結(jié)果保存在變量DIGITS 中DIGITS 中的值是二進(jìn)制格式的，由hex2bcd 子程序?qū)⑦@個(gè)二進(jìn)制值轉(zhuǎn)換成BCD碼然后丟棄BCD 碼，的最后兩個(gè)數(shù)字來(lái)補(bǔ)償前面所作的與100 的乘法。兩位的結(jié)果值返回到變量DIGITS中。

BT_ISR 子程序
基本定時(shí)器1 中斷子程序BT_ISR 對(duì)保存在堆棧中的狀態(tài)寄存器SR 中的位進(jìn)行操作以使MSP430 能夠返回活動(dòng)狀態(tài)繼續(xù)執(zhí)行主循環(huán)中LPM3之后的程序代碼。

顯示子程序
這個(gè)子程序用變量DIGITS 的值更新兩位靜態(tài)LCD 顯示。靜態(tài)顯示器的段值存儲(chǔ)在查尋表LCD_Tab 中。通過(guò)將DIGITS中的數(shù)字與LCD_Tab 查尋表中的位置相關(guān)聯(lián)，LCD 存儲(chǔ)器就可以裝入所需要的段值。

延時(shí)子程序
這個(gè)子程序產(chǎn)生一個(gè)16 位的軟件延時(shí)。由于軟件減計(jì)數(shù)的變量處于堆棧的頂部（TOS），寄存器不會(huì)受到影響。延時(shí)時(shí)間到后，子程序返回前堆棧指針（SP）恢復(fù)到原始值。

結(jié)論
內(nèi)部集成的模擬比較器A、帶硬件捕獲/比較寄存器的16 位定時(shí)器A、基本定時(shí)器1、 LCD 驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)化了