基于EasyArm1138的超声波探测装置毕业设计.doc

编号： 　　　

本科毕业设计（论文）

题目：（中文）基于EasyArm1138的超声波探测装置
(英文） The Ultrasonic Distance-Measure Instrument base on EasyArm1138

分 院 理工分院

专 业 电气工程及其自动化

摘　要
【摘要】本文利用超声波在空气中的传播特性，实时测得超声波在空气中的传播时间，再将时间和声速相乘即得距离的原理，设计一个超声波探测装置。本设计用EasyARM1138为控制芯片，本文还对超声波传感器测距的可行性进行了理论分析，利用模电、数电、声学基础、超声波传感器、以及超声波在介质的传播特性等知识，设计出超声波探测装置的硬件部分，同时根据EasyARM1138的特性，编写相应的软件程序，并进行了调试和运行。最后对所得的试验结果和误差进行分析、总结。

【关键词】超声波传感器；ARM；液晶显示器。

The Ultrasonic Distance-Measure Instrument base on EasyArm1138
Abstract
【ABSTRACT】With the propagation character of ultrasonic in air, the distance can read time that spend and speed that ultrasonic propagate in air, it multiplicities time and speed, then gets the distance. This study is based on EasyARM1138 chip. And the thesis gives the theoretical analysis of possibility of Ultrasonic telemeter and the knowledge such as simulated electron, digital electron, acoustics foundation and supersonic transducer, Ultrasonic propagation characteristic and so on. The thesis explained how to make out the sensor, include hardware, and with the character of EasyARM1138, make out software and debugging. Finally, analysis the results of experiment.

【KEYWORDS】Ultrasonic Sensor；ARM；LCD Monitor.

目　录
诚 信 承 诺 I
摘　要 II
Abstract III
目　录 IV
1 绪论 1
1.1 课题背景及意义 1
1.2 国内外超声波探测装置的现状 1
1.3 研究内容 2
2 器件简介和总体方案设计 4
2.1 超声波传感器选择 4
2.2 超声波传感器原理特性 4
2.2.1 超声波传感器工作原理 5
2.2.2 超声波传感器的特性 5
2.3 超声波测距原理 7
2.3.1 测距原理 7
2.3.2 理论分析 8
2.4 ARM简介 9
2.5 超声波探测装置的总体设计 10
2.5.1 总体设计 10
2.5.2 工作过程 11
3 硬件设计 13
3.1 超声波测距仪的硬件设计思想 13
3.2 EasyARM1138开发板 13
3.3 超声波发射器电路设计 14
3.4 超声波接收电路设计 15
3.5 LCD显示电路 16
4 软件设计 19
4.1 开发环境简介 19
4.1.1 IAR EWARM 简介 19
4.1.2 LM LINK 调试器简介 19
4.2 总体设计 19
4.3 模块化设计 22
4.3.1 初始化模块 22
4.3.2 超声波发射、接收中断模块 23
4.3.3 计算及数据处理模块 24
4.3.4 显示模块 25
5 抗干扰处理 26
5.1 硬件抗干扰 26
5.2 软件抗干扰 26
6 试验结果和误差分析 28
6.1 试验结果 28
6.2 误差分析 28
总结及展望 29
参考文献 30
致 谢 32
附录 33

III

1 绪论
1.1 课题背景及意义
随着超声波传感技术和ARM微电控制技术的不断发展，超声波和ARM的应用在各个行业中的越来越广。因此，超声波探测所需要更高的测量精度和更好的灵活性也随之加强。但是如今国内一般使用的超声波探测都是简单的基于单片机的探测模块，或者只单是一块超声波模块，而在基于ARM上的超声波还不多，或者是价格很贵的，操作使用很不方便。因此，超声波探测仪还有更大的发展和挖掘空间。
1.2 国内外超声波探测装置的现状
国内外测距仪表早期大多采用机械原理，如：人工检尺，利用皮尺测量距离，这是至今任然在全世界广泛使用的最简单方法，人工测量的精度一般般，存在人为因素误差。但近年来随着电子技术的应用，逐步向机电一体化发展，并且总结了许多新的测量原理。在传统原理中也渗透了电子技术及微机技术，结构有了很大的改善，功能有了很大的提高。从国内外测距仪表发展技术动向看，当前测距仪技术应用普遍。普遍采用电子设计自动化（EDA）、计算机辅助测试（CAT）、数字信号处理（DSP）、专用集成电路（ASIC）及表面贴装技术等。呈现出智能化测距装置、非接触测量方式的测距装置、新型原理的小型测距装置。
以下举例几种当今的测距装置：
雷达测距仪，连续式微波测距仪这几年逐步推向市场。它通常采用调频雷达原理，利用同步调频脉冲技术，微波发射和接收器安装在发射点，向需要被测物面发射频率调制的微波信号。当接收到回波信号时，由于来回传播时间延迟，发射频率已改变了。将两者信号混合处理，所得信号差频正比于发射点到被测物面之间的距离。例如：测距仪作为液位仪时，荷兰Enraf公司的Radar872液位仪采用同步调频脉冲技术，精度达12mm，1995年新推出的Smart Radar雷达液位仪利用平面天线技术（PAT）、高级数字信号处理技术（ADSP）和虚拟天线技术（VAT），结合宽阵列线性平面天线，提高了信号纯净度，能够分析全发射谱，考虑假回波、蒸气影响和其他因素，避免了由于墙壁发射干扰效应造成的精度损失，使测量精度可达±1mm。
激光测距仪，激光测距仪的测量原理是用光波代替超声波。即传感器发射激光，照射被测物面，接收发射光，将从发射至接收的时间换算成距离。激光光束是很窄的，在测距仪中通过光学系统转化成约20mm宽光束，这样即使被测物面很粗超，漫反射光也能被传感器接收。
射线测距仪，该技术是基于γ射线对不同物质产生不同衰减的理论，将放射源钻60或艳137置于一个防护容器内，放在被测介质的一侧（此被测介质对γ射线有一定的衰减作用），在介质的另一面，装有一个检测器，当γ射线穿透这个有一定厚度距离时，它被衰减，其衰减率取决于被测介质的密度、吸收系数和厚度。介质厚度越大，衰减越大，接收器将γ射线量变为光脉冲信号，再由光电倍增管转换为电脉冲信号。由于介质与γ射线衰减量是非线性关系，所以必须通过统计标定。γ射线测距特别适用于传统测量仪表不能解决的测量问题，因为测量件没有任何部件与被测介质相接触。E+H公司提出了一个“点放射/棒探头接收”的概念，这样放射源被降到最小，而且容易安装，目前该公司研制的FMG671（用于液位测量）已用于过程控制。
超声波测距仪，超声波测距仪是非接触测距仪中发展最快的一种。该技术基于超声波在空气中的传播速度及遇到被测物体表面产生发射的原理。智能化的超声波测距仪带有一个功能很强的智能回波分析软件包。它可以将各种干扰过滤出来，识别多种回波，分析信号强度和环境温度等有关信息，这样即便在有扰动条件下读数也基本精确的。深圳莱德电子超声波测距仪，量程：0.5m-13.0m；精度：±（1cm+0.5%*距离）；温度补偿：0-38；分辨率：1cm。北京：友邦公司Sonic Tape ，测量范围：0.6-10m；精度：±0.5%；分辨率：0.01m。
1.3 研究内容
本文的主要内容是对超声波测距的可行性进行理论上的分析后，利用计算机、电子技术、以及超声波在介质中的传播特性等，设计出超声波探测装置的硬件部分，编写相应的软件程序，并进行调试和试运行。在硬件电路的设计中，针对超声波在传播时的大幅度衰减特性，我采用了提高驱动能力、对回波进行放大等措施扩大了测量的范围。在软件设计中，我采用模块化程序设计思想，将软件分为超声波驱动模块、数据处理模块和显示模块，每个模块又由很多的子程序组成。这样可以使软件的结构更加清晰，而且有利于软件的调试和修改。由于本设计对数据处理的要求比较高，所以在对EasyARM1138进行编写时，借助了C语言的浮点计算能力，提高计算精度。同时，为了保证超声波探测装置工作的可靠性和稳定性，在软硬件上都采取了相应的抗干扰措施。
基本任务及目标：
1）以EasyARM1138为核心设计超声波探测装置主电路；
2）设计包括超声波信号接口和LCD显示器接口，制作相应的系统；
3）超声波的测量范围为10-300cm；
主要工作：
1）了解超声波传感器的工作原理及输出特性；
2）了解EasyARM1138的内部构造和资源，熟悉利用C编写程序；
3） 确定超声波探测装置的主电路设计总体设计方案；
4） 对超声波探测装置主电路设计进行软硬件设计；
5） 对超声波探测装置配套的主要人机接口设计LCD接口；
6） 课题的实现，包括制作电路板，软硬件综合调试。

2 器件简介和总体方案设计
2.1 超声波传感器选择
人们为研究和应用超声波，己发明设计并制成了许多类型的超声波发生器：机械方式和电气方式产生超声波发生器。电气方式类型包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械式包括气流旋笛、液哨、加尔统笛等。各种类型的超声波发生器产生的超声波的功率、频率和声波特性都不相同。而当今市场上的超声波传感器一般是用电能和超声能量相互转换的电气类的超声波传感器，其中使用较多的是压电型超声波传感器。而又根据压电材料不同有单晶体的、多晶体复合的，如石英单晶体，钦酸钡压电陶瓷、错钦酸铅压电陶瓷复合晶体((PZT-4, PZT-5)等。同时根据压电型超声波传感器的大小、类型中心频率的不同而又分为很多种，就如根据类型不同它还分为通用型、防水型、耐温型和带宽型。而由于本设计要求不高，所以只需要通用型的压电晶体传感器就够了。
本设计采用的超声波传感器是：TCT40—16T（发射）；TCT40—16R（接收）。
它的特点是：高灵敏度、高可靠性、高稳定性、耐高、低温度、耐湿度、耐冲击、振动等严酷环境条件。
命名方式如下：
TC T 40 ---- 16 T/R
(1) (2) (3) (4) (5)
（1）压电陶瓷超声传感器：TC
（2）类型：T—通用型 F—防水型 U—耐温型 K—带宽型
（3）中心频率：（KHZ）
（4）外径：δ（mm）
（5）使用方法：T—发射 R—接收
2.2 超声波传感器原理特性
利用超声波感知或检测物体，有非破坏性、遥控性、实时性、可穿透性等优点，在许多方面体现了独到之处。很早以前，人们便掌握了超声波探伤与声纳的技术。近年来，超声波的波长范围己达um级，频率己扩大到GHz领域，分辨率达um量级的超声波显微镜已实用化。在这种频率范围，超声波敏感元件成为薄膜状，与传统的形状大相径庭，它的进步将对电子学的发展起重要作用。实质上，超声波发生器即是超声波换能器，它将其它形式的能量转换成超声波的能量(发射换能器来完成)和使超声波的能量转换成其它易于检测的能量(接收换能器来完成)。
2.2.1 超声波传感器工作原理
超声波传感器一般采用双压电陶瓷品片制成。这种超声传感器需用的压电材料较少，价格低廉，且非常适用于气体和液体介质中。它是借助压电晶体的谐振来工作的，即陶瓷的压电效应。其结构原理如下图所示：

图2-1 超声波探头解析图
由图可见，超声波传感器是由压电陶瓷晶片、共振板、电极、保护膜、引线、金属壳构成。其中，压电陶瓷品片是传感器的核心，共振板使发射和接收超声波的能量集中，并使传感器有一定的指向角。金属壳可防止外界力量对压电陶瓷晶片及锥形辐射喇叭的损害，保护膜也是起保护作用的，但不影响发射与接收超声波。超声波传感器有两块压电陶瓷晶片和一块共振板。当在两电极加交变脉冲信号(触发脉冲)时，若其频率等于晶片的固有频率，压电晶片就会发生共振，并带动共振板振动，从而产生超声波。相反，电极间未加电压，则当共振板接收到回波信号时，将压迫两压电晶片振动从而将机械能转换为电信号，此时的传感器就成了超声波接收器。通过对此信号的分析处理，可实现各种检侧。压电陶瓷晶片有固有谐振频率，即中心频率，发射超声波时，加在其上面的交变电压的频率要与它的固有谐振频率一致；接收超声波时，作用在其上面的超声机械波的频率也要与它的固有谐振频率一致。这样，超声波发射器才有较高发射效率，接收器才有较好接收灵敏度。
当所用压电材料不变时，改变压电陶瓷晶片的几何尺寸，就可非常方便地改变其固有谐振频率。利用这一特性可制成各种频率的超声传感器。用于遥控的超声传感器的中心频率一般为40KH。
2.2.2 超声波传感器的特性
超声波传感器的外形及电路符号如图2-1所示:

图2-2 超声波传感器外观图
1、频率特性:
图2-2是超声波发射器的频率特性曲线。=40KHZ为超声发射器的中心频率，在处，超声发射器所产生的超声机械波最强，也就是说在处所产生的超声声压能级最高。而在两侧，声压能级迅速衰减。因此，超声波发射器一定要使用非常接近中心频率的交流电压来驱动。

图2-3 超声波传感器频率特性图
图中，=40KHZ处即为中心频率。输出电信号的幅度最大，在处接收灵敏度也是最高。因此，曲线在处最尖锐，超声波接收器具有很好的频率选择特性，在构成遥测系统时一般不再设置选频电路。另外，超声接收器的频率特性曲线和输出端外接电阻R有很大关系，如果R很大（如大于100kΩ），频率特性是尖锐共振的，并且在这个共振频率上灵敏度很高。如果R较小（如小于10 kΩ），频率特性曲线变得平滑而具有放宽的带宽，同时灵敏度也随之降低。并且最大灵敏度向稍低的频率移动。因此，超声接收器应与输入阻抗高的前置放大器配合使用，才能有较高的接受灵敏度。
2、指向特性：
实际的超声波传感器中的压电晶片是一个小圆片，可以把表面上的每个点看成1个振荡源，辐射出一个半球面波（子波），这些子波没有指向性。但离开超声波传感器的空间某一点的声压是这些子波叠加的结果，却有指向性。指向特性表示图2-4。超声传感器的指向图是由一个主瓣和几个副瓣构成，其物理意义是θ= 时声压最大，角度逐渐增大时，声压减小。而在选择超声波频率时，由于超声波频率越高, 发射的超声波扩散角越小, 波束越细, 指向性越好的特性。同时又根据超声波的传播特性、测距的距离范围要求、以及可购买到的传感器的性价比等因素, 我选择的40KHZ频率的超声传感器,波束角一般不大于30 度。

图2-4 超声波传感器指向特性图
2.3 超声波测距原理
2.3.1 测距原理
在设计时，实时得出时间和速度，再进行相乘运算，得出距离。
距离公式：距离(S)=时间(T)*速度(V)。
利用超声波测时间方法有相位检测法、声波幅值检测法和渡越时间检测法等。相位检测法虽然精度高，但检测范围非常有限，声波幅值检测法易受反射波影响。本超声波探测装置采用渡越时间检测法。
即：在超声波发射器两端输入10个40KHz脉冲，脉冲电信号经过超声波内部振子，振荡出机械波，通过空气，介质传播到被测面；由被测面反射，由超声波接收器接收，在超声波接收器两端信号是毫伏级别的正弦波信号。传播的渡越时间即为超声波发射器发出的超声波时刻与经介质反射传播到接收器时间差。测量发射点到被测物面到接收点距离2S，超声波的传播速度约为V=344m/s (20℃时)，依据公式S=V*T，得距离S。
测量方法：
每隔一定时间发射一串超声波脉冲(一串10个)，在发射脉冲串时刻开始EasyARM1138定时器计时，在超声波接收器接收到反射信号时刻，停止ARM计数器计时。ARM定时器所计时间，即为传播时间。超声波是一种声波，其声速与温度有关，V=331.45+0.607t ,t为摄氏温度，声速高低影响距离值。
2.3.2 理论分析
超声波是机械波，是指振动频率大于20000Hz以上的，其每秒的振动次数（频率）甚高，超出了人耳听觉的上限（20000Hz），人们将这种听不见的声波叫做超声波。超声和可闻声本质上是一致的，它们的共同点都是一种机械振动，通常以纵波的方式在弹性介质内会传播，是一种能量的传播形式，其不同点是超声频率高，波长短，在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性。
超声波具有如下特性：超声波可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播；超声波可传递很强的能量；超声波会产生反射、干涉、叠加和共振现象；超声波在液体介质中传播时，可在界面上产生强烈的冲击和空化现象。
但是超声波在实际介质中传播时，其能量将随距离的增大而逐渐减小，称为衰减。引起衰减的原因大致有三个:由声束扩展引起的衰减、由散射引起的衰减、由介质的吸收引起的衰减。
某一点X瞬间所具有的压强，与没有声波存在时该点的静压强之差，称为该点的声压(P)。我们把超声波传感器发出的超声波近似看成是平面波，其声压不随传播距离变化，故忽略扩散衰减。由于超声波传播过程中所遇到的介质颗粒都比较小(大多为挥发性气体分子)，散射衰减也可忽略。因此，我们只需讨论吸收衰减。一束超声波(视为平面波)的声压可表示为： （2—1）
式中，为声压振幅，，为介质密度，轴的正方向，为超声波的圆频率，，f为震动频率：u为介质中声速，为初相，与计时起点有关。
声波波动方程如下：
（2—2）
（2—3）
式中A(x)为x处最大位移量，及振幅，常数，为波源处振幅，圆频率，x传播距离，波源处x=0，k=2π/λ，t为时间，λ为波长，a为衰减系数。
（2—4）
由于存在着吸收衰减，声波振幅随传播距离的增大而减小。由上式知，在空气里，介质常数，当振动的声波频率f=40kHz，代入上式可得，即1/a=31m，物理意义是在31m长度上，衰减1/e。依据(2-3)沿着波的传播方向10m处，X=10m。
（2—5）
就是说声波传播出去10m后，振幅衰减了约1/4。我们把单位时间内，通过垂直于波的传播方向上单位面积的能量称为能流密度，能流密度的时间平均值，称为波的强度，也叫声强（记作I）。
（2—6）
为声特性阻抗，记作Z=ρc, ρ介质密度，c声波在介质中的速度，那么声波传播出去10m后，声强就衰减了约1/2。这就要求在处理超声波接收器接收到的信号时，采取多级放大的办法。
声波理论分析结论：
超声波在传播过程中存在能量损耗，波束多种路径传播，存在着多种干扰信号，但接收器一般只能接收到被被测面垂直反射的信号，因为这个信号最强，因此，也就滤掉了其它回波等干扰信号。使正确的接收正确信号成为可能。时间由EasyARM1138定时器得到。
超声波探测装置己经应用于某些领域，与传统的探测装置相比，它具有原理简单，易于控制，且具有非接触测量、价格低廉等优点。超声波测距仪的接收器可能接收到三种干扰信号：
(1) 面反射的信号；
(2) 侧面物体漫反射的信号；
(3) 直达信号，即从超声波发射器直接接收信号。
当三种信号幅值足够大，放大后淹没了有用信号时，将会使处理器产生误解，输出错误结果。因此，设计中需避免此类信号进入超声波接收器，或者进入接收器后滤掉，或者处理器及时辨识，不予处理。
超声波探测装置理论分析结论：
利用超声波传感器及设计的硬件电路，可以及时辨识有用的超声波回波信号，利用EasyARM1138计时，得时间，精度高，时间与速度相乘，得距离。
利用超声波测距方便快捷有效，具有可行性。
2.4 ARM简介
ARM 即Advanced RISC Machines的缩写，既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。ARM内核采用精简指令集计算机（RISC）体系结构，而RISC的设计重点在于降低处理器中指令执行部件的硬件复杂度。
因此ARM具备了非常典型的RISC结构特性：
1. 具有大量的通用寄存器；
2. 通过转载/保存结构使用独立的load和store指令完成数据在寄存器和外部存储器之间的传送，处理器只出来寄存器中的数据，从而可以避免多次访问存储器；
3. 寻址方式非常简单，所以转载/保存的地址都只由寄存器内容和指令域决定；
4. 使用统一和固定长度的指令格式；
5. 每一条数据处理指令都可以同时包含算术逻辑单元（ALU）的运算和移位处理，以实现对ALU和移位器的最大利用；
6. 使用地址自动增加和自动减少的寻址方式优化程序中的循环处理；
7. load/store指令可以批量传输数据，从而实现了最大数据吞吐量；
这些在基本RISC结构上增强的特性使ARM处理器在高性能、低代码规模、低功耗和小的硅片尺寸方面取得良好的平衡。
而我选择的ARM芯片是EasyARM1138，它的处理器是CortexTM-M3处理器，是一个面向低成本，小管脚数目以及低功耗应用，并且具有极高运算能力和中断能力的一个处理器内核。与相近价位的ARM7相比，CortexTM-M3采用了先进的ARMv7架构，具有带分支预测功能的3级流水线，以NMI的方式取代了FIQ/IRQ的中断处理方式，其中断延迟最大只需12个周期（ARM7为24-42个周期），带睡眠式，8段MPU（储存器保护单元），同时具有1.25MIPS/MHZ的性能（ARM7为0.9MIPS/MHZ），而且其功耗仅为0.19mW/MHZ（ARM7为0.28mW/MHz），而且它的市场售价便宜。
2.5 超声波探测装置的总体设计
2.5.1 总体设计
总体设计框图2-4如下：
R
T

EasyARM
1138芯片
LCD（显示探测状况）
超声波发射电路
超声波接收电路

图2-5 总框图
由图可知超声波探测装置主要由硬件和软件两部分组成。硬件主要包括EasyA1138开发板、超声波发射电路、超声波接收电路显示电路。软件部分主要包括系统初始化、超声波驱动、信号接收中断、显示模块、数据处理。软件中将各部分的程序模块化，使得程序设计思路更清晰，便于调试，并且采用了一些抗干扰措施来辅助各硬件部分工作。
硬件部分是以EasyARM1138为核心，主要包括超声波发射电路、接收电路和LCD显示接口的硬件电路。
EasyARM1138产生40KHZ的脉冲给超声波发射电路，发射电路将这个脉冲信号放大来驱动超声波发射探头。然后接收电路就用来接收返回的微弱的超声波信号，将这个微弱的信号滤波、发大给EasyARM1138处理。LCD就用来实时显示超声波探测的信息。
设计过程：元器件确定，原理图设计，电路图的绘制及制板，电路板的焊接。
软件部分主要是负责产生40KHZ的超声波脉冲信号，再对超声波在空气中的传播时间进行计时，然后通过外部中断来停止计时，最后用计时的时间来计算出探测的距离。同时把测量结果给LCD显示出来。
软件设计过程包括：系统初始化、超声波驱动、信号接收中断、数据处理、LCD显示模块。利用IAR Embedded Workbench for ARM（简称IAR EWARM）集成开发环境下编写C程序代码并载入EasyARM1138开发板内进行调试。
2.5.2 工作过程
超声波探测装置的工作过程如下：
1、 由EasyARM1138发出40KHZ的脉冲串，每次发射10个脉冲、并延时（软件部分具体介绍）；
2、 10个脉冲通过超声波发射电路发大后由超声波发射探头换能发出超声波；
3、 EasyARM1138开始计时；
4、 超声波遇到障碍物后的回波被超声波接收探头接收并换能成电量，经CX20106A转化成下降沿；
5、 EasyARM1138接收到下降沿的中断后停止计时；
6、 读取计时时间；
7、 数据处理，算出距离、并显示在LCD上。

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3 硬件设计
3.1 超声波测距仪的硬件设计思想
根据超声波测距原理，以EasyARM1138ARM系统为核心，设计超声波探测装置。其硬件设计思想如下：
1、 EasyARM1138芯片超声波探测装置的核心控制部分，它承担着的主要工作如下：
（1）发射与超声波发射器固有频率相同的40KHZ频率，使换能器能有最大效率工作；
（2）软件抗干扰；
（3）T0计时，对超声波的传播时间计时；
（4）根据传播时间与传播速度相乘，计算出距离；
（5）数据显示；
2、超声波发射电路作用是将EasyARM1138的I/O口发射出来的40KHZ的脉冲信号放大，放大后的脉冲信号将驱动超声波发射传感器发射超声波。
3、超声波接收电路的核心芯片是CX20106A，主要是用来对接收来的超声波微弱信号进行放大、滤波以及最终的中断信号输出。最后的中断信号用来给EasyARM1138产生中断而用的。
4显示电路，显示电路中用的是NOKIA5110的LCD，用来实时显示测量结果。

3.2 EasyARM1138开发板
EasyARM1138是一款基于ARM Cortex-M3先进内核的高性能、低价格开发板。EasyARM1138的核心MCU是Luminary Micro公司的Stellaris（群星）系列ARM之LM3S1138。该芯片采用的是国际上最优秀的MCU内核设计公司ARM最新推出的先进Cortex-M3处理器；国内最大、技术最强的晶圆制造公司台积电（TSMC）代工；世界上最专业的封装测试公司（OSE、i2a/IPAC）层层把关，确保产品的可靠性。Stellaris（群星）系列ARM芯片在电磁兼容性方面的优势明显。它是整个超声波探测装置的核心电路。
主要性能：
（1）32位RISC性能：采用为小封装应用方案而优化的32位ARM® Cortex™-M3 v7M架构；提供系统时钟、包括一个简单的24位写清零、递减、自装载计数器，同时具有灵活的控制机制；工作频率为50-MHz；硬件除法和单周期乘法；集成嵌套向量中断控制器（NVIC），使中断的处理更为简捷；34 中断具有8个优先等级；带存储器保护单元（MPU），提供特权模式来保护操作系统的功能；非对齐式数据访问，使数据能够更为有效的安置到存储器中；精确的位操作（bit-banding），不仅最大限度的利用了存储器空间而且还改良了对外设的控制。
（2）其他性能：64 KB单周期Flash。4个通用定时器模块(GPTM)，每个提供2个16-位定时器。高达9-46个GPIO，输入/输出可承受5V，中断产生可编程为边沿触发或电平检测，在读和写操作中通过地址线进行位屏蔽。片内低压差（LDO）稳压器，具有可编程的输出电压，用户可调节的范围为2.25V到2.75V；3.3V电源掉电检测，可通过中断或复位来报告。灵活的复位源，包括上电复位、复位管脚有效、掉电（BOR）检测器向系统发出电源下降的警报、软件复位、看门狗定时器复位、内部低压差（LDO）稳压器输出变为不可调整。6个复位源：可编程的时钟源控制、可对单个外设的时钟进行选通以节省功耗、遵循IEEE 1149.1-1990标准的测试访问端口（TAP）控制器、通过JTAG和串行线接口进行调试访问、完整的JTAG边界扫描。

3.3 超声波发射器电路设计
电路设计目的:为超声波发射器提供足够功率的脉冲信号。
驱动电路要求产生出具有一定功率，一定脉冲宽度和一定频率的超声电脉冲去激励发射器，由发射器将电能转换为超声机械波机械能。驱动电路有多种方案：
（1）采用专用芯片驱动。
（2）由分立元件组成的驱动电路，其价格便宜，元件普通，调试方便。
（3）采用变压器提升电压，增加驱动能力。
（4）采用非门并接利用芯片的驱动能力。
声波在空气中传播受空气介质影响，距离越大衰减越大。为能接收远距离得回波，采取有效措施有:
（1）增加驱动功率。
（2）减小声波频率(频率越低，衰减越慢)。
（3）设计合理的电路与负载功率匹配电路使方便简单，为进一步增加驱动能力，并列的非门换成3个。要求6个非门来自一个芯片上的非门，以保证信号上升沿下降沿的同步。在非门输出的两端直接接上两个电容防止直流直接加载超声波发射器上而导致损坏。
本文总采用COMS芯片CD4069。本文采用的驱动电路如图3-1：
图3-1 超声波发射电路图
探测装置所用的T/R40-16型超声波传感器在频率40KHz，幅值9V的电压驱动下，各种性能最佳。而通过EasyARM1138的PG3管脚输出40KHz的脉冲信号，其驱动能力达不到要求，所以用了一个大功率的CMOS管CD4069来驱动超声波传感器的发射器，这样PG3端口输出的40kHz的方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极，用这种形式将方波信号加到超声波换能器的两端，可以提高超声波的发射强度。输出端采用两个反向器并联，用以提高驱动能力，使得超声波的发射器得到足够的能量。

3.4 超声波接收电路设计
根据电路需求，超声波接收电路要求完成超声波接收探头的信号放大、滤波。并最终产生EasyARM1138芯片能够接收的中断信号。
本设计的接收电路主要用到了CX20106A芯片，它是日本索尼公司生产的红外遥控信号接收集成电路，广泛应用于视频、音频、空调、风扇等各种遥控系统中作遥控信号接收电路。CX20106A集成电路内含遥控信号接收、带通滤波、检波等电路，其总发大增益80db。该IC采用8脚封装方式，其集成电路的引脚功能说明及数据如下：
1脚（IN）：超声信号输入端，该脚的输入阻抗约为40kΩ。
2脚（CI）：RC网络连接端，该脚与地之间连接RC串联网络，它们是负反馈串联网络的一个组成部分，改变它们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性。增大电阻R1或减小C1, 将使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大。但C1的改变会影响到频率特性，一般在实际使用中不必改动，选用参数为 R1=4.7Ω，C1=1μF。
3脚（C3）：检波电容连接端，该脚与地之间连接检波电容，电容量大为平均值检波，瞬间相应灵敏度低；若容量小，则为峰值检波，瞬间相应灵敏度高，但检波输出的脉冲宽度变动大，易造成误动作，选取电容为4.7μf。
4脚（GND）：接地端。
5脚（）：带通滤波器中心频率设置端，该脚与电源间接入一个电阻，用以设置带通滤波器的中心频率，阻值越大，中心频率越低。例如，取R=200kΩ时，≈40kHz，若取R=220kΩ，则中心频率≈38kHz。而我选的超声波探头频率是40KHZ，所以选取的R=200kΩ。
6脚（C3）：积分电容连接端，该脚与地之间接一个积分电容，选取值为300pF，如果该电容取得太大，会使探测距离变短。
7脚（OUT）：信号输出端，它是集电极开路输出方式，因此该引脚必须接上一个上拉电阻到电源端，我用的阻值为22kΩ，没有接受信号是该端输出为高电平，有信号时则产生下降。
8脚（）：电源正极， 5V工作电源电压输入端。
接收电路图3-2如下所示：

图3-2 超声波接收电路图
3.5 LCD显示电路
LCD显示电路将超声波探测装置探测到的距离信息显示出来。如今的显示电路多种多样，而本设计采用的是使用nokia5110LCD显示器，它是飞利浦公司生产的图形液晶，可以显示84*48点，能显示3行中文，每行7个汉字。使用PCF8544驱动芯片。串口速率达到4Mbit/S。引脚介绍及实物图3-3和电路图3-4如下：

图3-3 LCD实物图 图3-4 LCD电路连接图
1、 RST，复位脚；
2、 CS，片选脚；
3、 D/C，数据和命令切换脚；
4、 DIN，数据输入；
5、 CLK，时钟；
6、 VDD，电源5V；
7、 BLC，背光控制脚，低电平为打开背光灯；
8、 GND，地；
9、 SDA，扩展字库用EEPROM数据引脚；
10、SCL，扩展用字库EEPROM时钟。
由电路图可知NOKIA5110 LCD 主要由EasyARM1138的PF0-PF4这5个I/O的来控制。由PF0来做LCD的复位信号线，PF1做LCD的片选信号线，PF1做LCD的数据和命令切换线，而PF3和PF4是数据传输线和时钟信号线。这样超声波探测装置探测到的距离信息可以实时的显示在LCD上。
以下是软件输出的数字的字库：
0： { 0x00, 0x3E, 0x51, 0x49, 0x45, 0x3E },
1： { 0x00, 0x00, 0x42, 0x7F, 0x40, 0x00 },
2： { 0x00, 0x42, 0x61, 0x51, 0x49, 0x46 },
3： { 0x00, 0x21, 0x41, 0x45, 0x4B, 0x31 },
4： { 0x00, 0x18, 0x14, 0x12, 0x7F, 0x10 },
5： { 0x00, 0x27, 0x45, 0x45, 0x45, 0x39 },
6： { 0x00, 0x3C, 0x4A, 0x49, 0x49, 0x30 },
7： { 0x00, 0x01, 0x71, 0x09, 0x05, 0x03 },
8： { 0x00, 0x36, 0x49, 0x49, 0x49, 0x36 },
9： { 0x00, 0x06, 0x49, 0x49, 0x29, 0x1E },

4 软件设计
4.1 开发环境简介
4.1.1 IAR EWARM 简介
IAR Embedded Workbench for ARM（下面简称IAR EWARM）是一个针对ARM 处理器的集成开发环境，它包含项目管理器、编辑器、C/C++编译器和ARM 汇编器、连接器XLINK 和支持RTOS 的调试工具C-SPY。在IAR EWARM 环境下可以使用C/C++和汇编语言方便地开发嵌入式应用程序。比较其他的ARM 开发环境，IAR EWARM 具有入门容易、使用方便和代码紧凑等特点。
目前IAR EWARM支持ARM Cortex-