Цифровое измерение расстояния своими руками с помощью интерфейса ультразвукового датчика: 5 шагов

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:50

Целью данного руководства является создание цифрового датчика расстояния с помощью GreenPAK SLG46537. Система разработана с использованием ASM и других компонентов GreenPAK для взаимодействия с ультразвуковым датчиком.

Система предназначена для управления одноразовым блоком, который генерирует запускающий импульс необходимой ширины для ультразвукового датчика и классифицирует отраженный эхо-сигнал (пропорциональный измеренному расстоянию) по 8 категориям расстояний.

Разработанный интерфейс может использоваться для управления цифровым датчиком расстояния, который может использоваться в самых разных приложениях, таких как системы помощи при парковке, робототехника, системы предупреждения и т. Д.

Ниже мы описали шаги, необходимые для понимания того, как было запрограммировано решение для создания цифрового измерения расстояния с помощью интерфейса ультразвукового датчика. Однако, если вы просто хотите получить результат программирования, загрузите программное обеспечение GreenPAK, чтобы просмотреть уже заполненный файл дизайна GreenPAK. Подключите GreenPAK Development Kit к компьютеру и запустите программу для создания цифрового измерения расстояния с помощью интерфейса ультразвукового датчика.

Шаг 1. Интерфейс с цифровым ультразвуковым датчиком

Разработанная система отправляет пусковые импульсы на ультразвуковой датчик каждые 100 мс. Внутренние компоненты GreenPAK вместе с ASM контролируют классификацию отраженного эхо-сигнала от датчика. Разработанный ASM использует 8 состояний (состояния от 0 до 7) для классификации эхо-сигнала от ультразвукового датчика с использованием техники итеративного перехода между состояниями, когда система ожидает отраженного сигнала. Таким образом, чем дальше ASM проходит через состояния, тем меньше светодиодов загорается.

Поскольку система продолжает измерения каждые 100 мс (10 раз в секунду), становится легко увидеть увеличение или уменьшение расстояний, измеренных датчиком.

Шаг 2: ультразвуковой датчик расстояния

В этом приложении будет использоваться датчик HC-SR04, который показан на следующем рисунке 1.

Датчик использует источник 5 В на крайнем левом контакте и соединение GND на крайнем правом контакте. Он имеет один вход, который является сигналом запуска, и один выход, который является сигналом эха. GreenPAK генерирует соответствующий импульс запуска для датчика (10 мкс в соответствии с таблицей данных датчика) и измеряет соответствующий сигнал эхо-импульса (пропорциональный измеренному расстоянию), подаваемый датчиком.

Вся логика устанавливается в GreenPAK с использованием ASM, блоков задержки, счетчиков, генераторов, D-триггеров и одноразовых компонентов. Компоненты используются для генерации необходимого входного триггерного импульса для ультразвукового датчика и классификации отраженного эхо-импульса пропорционально измеренному расстоянию по зонам расстояния, как подробно описано в следующих разделах.

Подключения, необходимые для проекта, показаны на рисунке 2.

Триггер входа, запрашиваемый датчиком, является выходным сигналом, генерируемым GreenPAK, а выход эхо-сигнала датчика используется GreenPAK для измерения расстояния. Внутренние сигналы системы будут управлять одноразовым компонентом для генерации необходимого импульса для запуска датчика, и возвращающееся эхо будет классифицировано с использованием D-триггеров, логических блоков (LUT и инвертор) и блока счетчика в 8 дистанционных зон. D-триггеры в конце будут удерживать классификацию на выходных светодиодах до тех пор, пока не будет выполнено следующее измерение (10 измерений в секунду).

Шаг 3: Реализация с помощью GreenPAK Designer

Этот проект продемонстрирует функциональность конечного автомата GreenPAK. Поскольку в предлагаемом конечном автомате имеется восемь состояний, GreenPAK SLG46537 подходит для этого приложения. Машина была спроектирована с использованием программного обеспечения GreenPAK Designer, как показано на Рисунке 3, а определения выходов установлены на диаграмме RAM на Рисунке 4.

Полную схему схемы, разработанной для данного приложения, можно увидеть на рисунке 5. Блоки и их функции описаны после рисунка 5.

Как видно на рисунках 3, 4 и 5, система предназначена для работы в последовательном порядке для генерации запускающего импульса 10 мкс для ультразвукового датчика расстояния, используя вместе блок CNT2 / DLY2 в качестве одноразового компонента. с тактовой частотой 25 МГц от OSC1 CLK для генерации сигнала на выходе PIN4 TRIG_OUT. Этот одноразовый компонент запускается блоком счетчика CNT4 / DLY4 (OSC0 CLK / 12 = тактовая частота 2 кГц) каждые 100 мс, срабатывая датчик 10 раз в секунду. Эхо-сигнал, задержка которого пропорциональна измеренному расстоянию, поступает с входа PIN2 ECHO. Набор компонентов DFF4 и DFF4, CNT3 / DLY3, LUT9 создает задержку для отслеживания состояний ASM. Как видно на рисунках 3 и 4, чем дальше система проходит через состояния, тем меньше срабатывает выходов.

Шаг зон расстояния составляет 1,48 мс (эхо-сигнал), что пропорционально приращениям 0,25 см, как показано в Формуле 1. Таким образом, у нас есть 8 зон расстояния, от 0 до 2 м с шагом 25 см, как показано на Таблица 1.

Шаг 4: результаты

Для проверки конструкции конфигурация, используемая в инструменте эмуляции, предоставляемом программным обеспечением, показана на рисунке 6. Соединения на выводах программного обеспечения эмуляции можно увидеть после него в таблице 2.

Тесты эмуляции показывают, что конструкция работает должным образом, обеспечивая интерфейсную систему для взаимодействия с ультразвуковым датчиком. Инструмент эмуляции, предоставленный GreenPAK, зарекомендовал себя как отличный инструмент моделирования для тестирования логики проектирования без программирования микросхемы и хорошей среды для интеграции процесса разработки.

Испытания схемы проводились с использованием внешнего источника 5 В (также разработанного и разработанного автором) для обеспечения номинального напряжения датчика. На рисунке 7 показан используемый внешний источник (внешний источник 020 В).

Для проверки схемы эхо-выход датчика был подключен к входу PIN2, а триггерный вход был подключен к PIN4. С этим подключением мы могли протестировать схему для каждого из диапазонов расстояний, указанных в таблице 1, и результаты были такими, как на рисунках 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 14. 15 и Рисунок 16.

Результаты подтверждают, что схема работает, как ожидалось, и модуль GreenPAK может выступать в качестве интерфейса для ультразвукового датчика расстояния. По результатам испытаний спроектированная схема могла использовать конечный автомат и внутренние компоненты для генерации необходимого триггерного импульса и классификации задержки возвращающегося эхо-сигнала по указанным категориям (с шагом 25 см). Эти измерения были выполнены с помощью системы в режиме онлайн, каждые 100 мс (10 раз в секунду), что показывает, что схема хорошо работает для приложений непрерывного измерения расстояния, таких как устройства помощи при парковке и т. Д.

Шаг 5: Возможные дополнения

Для реализации дальнейших улучшений в проекте разработчик может увеличить расстояние, чтобы инкапсулировать весь диапазон ультразвуковых датчиков (в настоящее время мы можем классифицировать половину диапазона от 0 до 2 м, а полный диапазон - от 0 до 4 м.)). Другим возможным усовершенствованием могло бы быть преобразование измеренного расстояния эхо-импульса для отображения на BCD-дисплеях или ЖК-дисплеях.

Заключение

В этом руководстве был реализован цифровой ультразвуковой датчик расстояния с использованием модуля GreenPAK в качестве блока управления для управления датчиком и интерпретации его выходного эхо-импульса. GreenPAK реализует ASM вместе с несколькими другими внутренними компонентами для управления системой.

Программное обеспечение и плата разработки GreenPAK оказались отличными инструментами для быстрого создания прототипов и моделирования в процессе разработки. Внутренние ресурсы GreenPAK, включая ASM, генераторы, логику и GPIO, можно было легко настроить для реализации желаемой функциональности для этой конструкции.