混沌理论在车载超声测距系统中的应用研究

【 技术研发 】
混沌 理 论 在车 载 超 声测 距 系 统 中 的应 用研 究
贺 娅莉 张海辉 （ 周 口职业技术 学院 河南 周 口 ４ ６ ６ ０ ０ ０ ）
摘
要 ： 利 用混沌 系统敏 感依 赖于初 始条件 的特 性 ，通过判 断 系统运动 状 态的变化 ，实现 车栽噪 声环 境下 的微弱超 声波信 号的提取 。 系
超 声 波 法 是非 接触 测 距 中 比较 常 用 的 一种 ， 虽 然 具 有 很 多 独 特 的 优 点 ，但 它 在传 播 过 程 中衰 减 比较 大 。 随着 信 号 处 理 技 术 和 计 算 机 技 术 的发 展 ， 许 多 新 的理 论 方 法 应 用 于 超 声 波 信 号 的 去 噪 处 理 ， 很 大 程 度 上 使 得 超 声 波 测距 的 测 量 精 度 和 灵 敏 度 有 所 提 高 。混 沌 理 论 是 非 线 性 科 学最 重 要 的 成 就 之 一 ， 近 年 来 发 展 迅 速 ，是 信 息 检 测 技 术 的 一 个 主 要 发 展 方 向 。 用 混 沌 振 子 检 测 理 论 检 测 车 载 噪 声 环 境 下 的 超 声 回波 信 号 ，是 混 沌 理 论 在 微 弱 信 号 检 测 方 面 的 一 个 应 用 实 例 ， 其 研 究 目 的就 是 论 证 混 沌 振 子 检 测 理 论 在 实 际 的 超 声 波 测 距 中 的 可 行 性 与 实 用 性 ， 并 为 混 沌 检 测 理 论 用 于 实 际 产 品 开 发 提 供 理 论 指 导和实现依据 。
求 。这 是 因 为 电源 电路 除 了给Ｍ Ｃ Ｕ 供 电 外 ，还 要 给 Ａ ／ Ｄ 转 换 器 供
１超 声波测距 系统硬 件设计
超 声 波 测 距 系 统 硬 件 实 现 总 体框 图 如 图 １ 所示 。
一
ｒ Ｉ｛ 州
…
正黎 恩
－
…
Ｌ
设露 誊甄 枯 ｊ
需 要。
图１ 超 声波 测 距 系统 硬 件 实现 总体 框 图 本 系 统 中 ，控 制 芯 片 Ｍ Ｃ Ｕ 是 实 时 控 制 和 数 据 采 集 的 核 心 器 件 。本 论 文 中 控 制 芯 片 需要 承 担 以下 任 务 ： 设 定 工 作 方 式 ，产 生４ ０ Ｋ Ｈ ｚ 的 方 波 脉 冲 信 号 ， 经 功 率 放 大 后 驱 动 超 声 波 换 能器 产 生 超 声 波 ； 控 制 超 声 波 接 收 的 运 放 增 益 变 化 ； 超 声 波 数 据 的 Ａ ／ Ｄ 转 换 ， 采 集 补 偿 温 度 与 车 速 ， 并 将 转 换 后 的 超 声 波 数 据 和 校 正 数 据 传 送 给 计 算 机 。本 系 统 综 合 考 虑 混 沌 振 子 非 线 性 检 测 对 数 据 采 样 精 度 和 采 样 时 间 的 要 求 、Ｕ Ｓ Ｂ 数 据 传 输 的 实 现 等 方 面 ，最 终 选 用Ａ ｔ ｍ ｅ １ 公 司 的Ａ Ｔ ３ ２ Ｕ Ｃ ３ Ｂ Ｏ １ ２ ８ 。 该 型 号 的Ｍ Ｃ Ｕ 是 一 款 高性 能 、低 功 耗微 控制 器 ，３ ２ 位Ｒ Ｉ Ｓ Ｃ 处 理 内核 （ 指 令 集 包 含 Ｄ Ｓ Ｐ 指 令序 列 ）、频 率高达６ ０ Ｍ Ｈ ｚ 、 内部 １ ２ ８ Ｋ Ｂ ｆ ｌ ａ ｓ ｈ 。 在 数 据 转 换 方 面 ，集 成 了８ 通道 、最高１ Ｏ 位 的Ａ ／ Ｄ 转换器和７ 通道１ ６ 位 的 Ｐ Ｗ Ｍ ；在 数 据 传 输 方 面 ，集 成３ 个Ｕ Ｓ Ａ Ｒ Ｔ 接 口、４ ０ ０ ｋ ｂ ｉ ｔ ／ ｓ Ｉ ２ ｃ 总 线 、Ｓ Ｐ Ｉ 总线 等 。最重 要 的是它 包含Ｏ Ｔ Ｇ 协议 的全速Ｕ Ｓ Ｂ ２ ． ０ 接 口， 使 得 由 该 芯 片 构 成 的数 据 采 集 系 统 可 以 自 由地 作 为 通 信 的 主 机 或 与Ｐ ｃ 机 通 信 的 从 机 。 该款 芯 片 性 价 比 较 高 ，在 满 足 外 围 电 路 需 要 的 前 提 下 ，具 有 实 现 方 便 、稳 定 、 耗 电量 小 、 体 积 小 等优点 。 １ ． １数据的Ａ ／Ｄ 转换 Ａ ／ Ｄ 转 换 器 就 是 将 模 拟 信 号值 编 制 转 换 成 适 合 于 数 字 处 理 的 二 进 制 码 的 编 码 器 。 使 用 时 需 要 参 考 下 述 性 能 指 标 ：Ａ ／ Ｄ 转
Ｉ 赘诗 搜 制
、
ｒ １ ／
．
跳 垃
Ｉ － 嚣
＼
站 粜 ／
一
＼ 厂 — ］ ／ Fra bibliotek困 … 一
泓 接
班糌
电，并在使 用外部 电压 做基准 时为Ａ ／ Ｄ 转换器提 供基准 电压 。 根 据 以 上 分 析 ，本 论 文 选 用 了Ｍ ａ ｘ ｉ ｍ 公 司 的 低 压 差 线 性 稳 压 器 Ｍ Ａ Ｘ ８ ８ ７ ５ 进 行 稳 压 ，及 电 压 基 准 芯 片 Ｍ Ａ Ｘ ６ １ ９ ０ 来 提 供 稳 定 的 ２ ． ０ ４ ８ Ｖ ￣部参考电压。 １ ． ２ Ｕ Ｓ Ｂ 数 据 通 信 ｕ Ｓ Ｂ 即通 用 串行 总 线 （ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｓ ｒ ａ ｌ Ｓ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ Ｂ ｕ ｓ ） ， 具 有 传 输 速 度 快 、 支 持 热 插 拔 、支 持双 向和 同步 、性 价 比 高 、 对 外 可 提 供５ ０ ０ ｍ Ａ 、 主 流 操 作 系 统 普 遍 支 持 、 协 议 纠 错 能 力 强 等 优 势 。本 文 使 用Ａ Ｔ ３ ２ Ｕ Ｃ ３ Ｂ Ｏ Ｉ ２ ８ 芯 片 集 成 的Ｏ Ｔ Ｇ 标 准 的全 速 Ｕ Ｓ Ｂ ２ ． ０ （ ４ ８ ０ Ｍ ｂ ｐ ｓ ） 接 口。 １ ． ３补 偿 温度 获 取 温 度 是 影 响 超 声 波 测 距 精 确 的主 要 因 素 ， 所 以本 文 主 要 考 虑 超 声 波 测距 的温 度 补偿 。本 文采 用Ｄ Ｓ １ ８ Ｂ ２ ０ 来 获 得 补 偿 温 度 。 该 芯 片 可 以 实 现９ ～ｌ ２ 位 的温 度 读 数 ，相 应 的测 量 精 度 最 高 可 达０ ． ０ ６ ２ ５ ℃ （ １ ２ 位 ） ，１ ２ 位 分 辨 率 时 的温 度 转 换 时 间 不 超 过 ７ ５ ０ ｍ ｓ ， 测 量 范 围 为 一５ ５ ～ ＋ｌ ２ ５ ℃ ，在 一 １ ０ ～ ＋８ ５ ℃范 围 内误 差 为０ ． ５ ￣ Ｃ， 且 芯 片 最 大 的 特 点 是 采 用 单 总 线 方 式 通 信 ， 且 每 个Ｄ Ｓ ｌ ８ Ｂ ２ ０ 具 有 固 定 的 唯 一 序 号 ， 可 以 实 现 将 多 个Ｄ Ｓ １ ８ Ｂ ２ ０ 存 放 在同一条单线 总线上 ，满足在 不同地方放置温度 敏感器件 的
统 的仿 真 实验 结果表 明混沌振 子检测理 论在抑 制噪声、检 测微弱信 号方 面具 有很 高的先进性 ，可以 大大提 高超 声波测距 的精 度和性 能。 关键 词 ： 混沌理 论 ；车栽 超声测距 系统 ；应 用 中图分 类号 ： Ｔ Ｐ ２ ７ ４ 文献标 识码 ：Ａ 文章 编号 ：１ ６ ７ １ —７ ５ ９ ７（ ２ ０ １ ３ ）０ １ １ ０ ０ ８ １ — ０ ２