超聲波室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn).doc

題 目 超聲波室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 31第頁1. 緒論1.1 選題的背景和研究意義隨著數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和多媒體業(yè)務(wù)的快速增加，人們對定位與導(dǎo)航的需求日益增大，尤其在復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境，如機(jī)場大廳、展廳、倉庫、超市、圖書館、地下停車場、礦井等環(huán)境中，常常需要確定各種設(shè)施與物品在室內(nèi)的位置信息。但是受定位時間、定位精度以及復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境等條件的限制，比較完善的定位技術(shù)目前還無法很好地利用。因此，專家學(xué)者提出了許多室內(nèi)定位技術(shù)解決方案，如GPS技術(shù)、紅外線技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)、射頻識別技術(shù)、超寬帶技術(shù)、Wi-Fi技術(shù)、ZigBee技術(shù)、超聲波技術(shù)等等。GPS技術(shù)：GPS是目前應(yīng)用最為廣泛的定位技術(shù)，利用GPS進(jìn)行定位的優(yōu)勢是衛(wèi)星有效覆蓋范圍大，且定位導(dǎo)航信號免費。缺點是定位信號到達(dá)地面時較弱，不能穿透建筑物，而且定位器終端的成本較高。 紅外線技術(shù)：紅外線定位技術(shù)雖然具有相對較高的室內(nèi)定位精度，但是只能在直線視距內(nèi)傳播、傳輸距離較短，而且容易被熒光燈或者房間內(nèi)的燈光干擾，在精確定位上有局限性。藍(lán)牙技術(shù)：藍(lán)牙技術(shù)最大的優(yōu)點是設(shè)備體積小、易于集成在 PDA、PC以及手機(jī)中，采用該技術(shù)作室內(nèi)短距離定位時容易發(fā)現(xiàn)設(shè)備且信號傳輸不受視距的影響。其不足在于藍(lán)牙器件和設(shè)備的價格比較昂貴，而且對于復(fù)雜的空間環(huán)境，藍(lán)牙系統(tǒng)的穩(wěn)定性稍差，受噪聲信號干擾大。射頻識別技術(shù)：射頻識別技術(shù)可以在幾毫秒內(nèi)得到厘米級定位精度的信息，且傳輸范圍很大，體積較小、成本較低，同時由于其非接觸和非視距等優(yōu)點，可望成為優(yōu)選的室內(nèi)定位技術(shù)。然而，由于射頻標(biāo)識的作用距離近，不具有通信能力，而且不便于整合到其他系統(tǒng)之中，因此這種定位技術(shù)也存在一定局限性。超寬帶技術(shù)：超寬帶系統(tǒng)與傳統(tǒng)的窄帶系統(tǒng)相比，具有穿透力強、功耗低、抗多徑效果好、安全性高、系統(tǒng)復(fù)雜度低、能提供精確定位等優(yōu)點。Wi-Fi技術(shù)： Wi-Fi定位是無線局域網(wǎng)絡(luò)系列標(biāo)準(zhǔn)之IEEE802.11的一種定位解決方案。該系統(tǒng)采用經(jīng)驗測試和信號傳播模型相結(jié)合的方式，易于安裝，需要很少基站，能采用相同的底層無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)總精度高。但無論是用于室內(nèi)還是室外定位，Wi-Fi收發(fā)器都只能覆蓋半徑90米以內(nèi)的區(qū)域，而且很容易受到其他信號的干擾，從而影響其精度，定位器的能耗也較高。 ZigBee技術(shù)：ZigBee是一種新興的短距離、低速率無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它介于射頻識別和藍(lán)牙之間，也可以用于室內(nèi)定位。它有自己的無線電標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)通信以實現(xiàn)定位。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個傳感器傳到另一個傳感器，所以它們的通信效率非常高，其最顯著的技術(shù)特點是它的低功耗和低成本。超聲波技術(shù)：超聲波在對障礙物進(jìn)行定位方面具有以下突出的優(yōu)點：（1）超聲波對色彩、光照度不敏感，可用于識別透明及漫反射性差的物體(如玻璃、拋光體)；（2）對外界光線和電磁場不敏感，可用于黑暗、有灰塵或煙霧、電磁干擾強、有毒等惡劣環(huán)境中；（3）超聲波傳感器結(jié)構(gòu)簡單，體積小，費用低，信息處理簡單可靠，易于小型化和集成化。目前，各種超聲檢測技術(shù)己越來越引起人們的重視，被廣泛應(yīng)用在液位測量、機(jī)械手控制、車輛自動導(dǎo)航、物體識別等方面。與其他定位技術(shù)相比，超聲波能滿足較高精度定位的要求，而且設(shè)備簡單，成本低，在實驗室實現(xiàn)容易，所以本文選擇超聲波來進(jìn)行定位。1.2 選題的研究現(xiàn)狀蘇州大學(xué)工學(xué)院的王富東通過分析比較超聲波與射頻的區(qū)別，設(shè)計出了一種空間模型的超聲波定位系統(tǒng)1。系統(tǒng)的移動節(jié)點由微處理機(jī)電路、超聲波接收電路和無線電編碼觸發(fā)電路組成，固定節(jié)點由超聲波發(fā)射電路和無線電編碼接收電路組成。此外，他還利用此系統(tǒng)原理設(shè)計出了對一種在無人車間工作的自動運輸小車的定位方案。西安交通大學(xué)電信學(xué)院的雷鳴靂、周功道、馮祖仁通過分析超聲波回波反射法定位存在的缺點，針對在環(huán)境已知的室內(nèi)移動機(jī)器人的定位問題，提出了一種新的定位方法基于偽碼相關(guān)技術(shù)的超聲波無線電定位法2。他們不僅介紹了這種定位系統(tǒng)的原理和設(shè)計方案，而且詳細(xì)闡述了系統(tǒng)硬件部分的電路設(shè)計，并討論了主要元件的參數(shù)設(shè)置，通過實驗表明，該方法提高了定位的準(zhǔn)確性，擴(kuò)大了有效定位范圍。華中科技大學(xué)國家水電能源仿真實驗室的楊敏華、李利軍、李朝暉結(jié)合PowerWal立體投影顯示設(shè)備和SGI OCTANE圖形處理工作站，介紹了一種新穎的超聲波三維空間定位系統(tǒng)的原理與設(shè)計，及該系統(tǒng)在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的應(yīng)用，提供了一種虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的精確定位方式3。該超聲波三維空間定位系統(tǒng)采用了差分方式來提高測距精度。由于該系統(tǒng)具有抗電磁干擾能力強、對光線不敏感和無電磁輻射等優(yōu)點，很適合在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)應(yīng)用。系統(tǒng)將實時檢測到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絊GI OCTANE工作站，避免了地域空間的限制，因此此系統(tǒng)在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中具有重大意義和廣泛應(yīng)用前景。日本獨立行政法人港口及機(jī)場研究所建設(shè)與控制系統(tǒng)部門的Kshira、J.Akizono和T.Hirabayashi，利用3個GPS天線和4個超聲波接收機(jī)配合一個超聲波發(fā)射器，研制出了誤差在10cm以內(nèi)的水下超聲波定位系統(tǒng)4，整個系統(tǒng)的設(shè)計充分考慮到各個方面的因素對系統(tǒng)誤差的影響，對傳播時間的測量和聲速的校正做了較嚴(yán)密的工作，并與傳統(tǒng)的定位方法進(jìn)行了對比，體現(xiàn)出了他們所研制的系統(tǒng)的優(yōu)越性。J.M. Villadangos， J. Urefia等人設(shè)計出了大覆蓋范圍的超聲波定位系統(tǒng)ULPS。為了保證實現(xiàn)室內(nèi)的三維定位，他們在每個圓柱形的超聲波發(fā)射頭上連接了一個圓錐形的反射換能器5。此外，為了實現(xiàn)系統(tǒng)的同步，他們采用了DS-CDMA技術(shù)，用255比特的Kasami碼來對超聲波信號進(jìn)行編碼。實驗結(jié)果表明，整個系統(tǒng)能夠在室內(nèi)的三維范圍內(nèi)實現(xiàn)很好的定位。1.3 本文的研究工作基于以上研究工作，本文提出了一種結(jié)合射頻技術(shù)和超聲波技術(shù)的室內(nèi)定位方法，此設(shè)計方法與王富東及雷鳴靂等的設(shè)計思想有類似之處，但是，他們所設(shè)計的系統(tǒng)中都用到了無線電技術(shù)，并且都對無線電信號進(jìn)行了編碼，系統(tǒng)存在一定的復(fù)雜性，而本文所描述的系統(tǒng)無需對射頻信號進(jìn)行編碼，簡化了軟硬件的設(shè)計過程，并且達(dá)到了一定的定位精度。此外，以超低功耗的MSP430單片機(jī)作為主控芯片是本系統(tǒng)設(shè)計的一大特色，由于MSP430單片機(jī)有五種低功耗模式，為系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計提供了保障。本系統(tǒng)的設(shè)計由我與潘麗同學(xué)共同完成，我們共同探討了系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計思路和軟件執(zhí)行流程，在整個系統(tǒng)的設(shè)計過程中，潘麗同學(xué)主要負(fù)責(zé)硬件電路的焊接與調(diào)試，而我則主要負(fù)責(zé)軟件編程與調(diào)試。在我們的共同努力下，最終設(shè)計并實現(xiàn)了此系統(tǒng)，達(dá)到了預(yù)期的工作目標(biāo)。1.4 本文結(jié)構(gòu)本文主要闡述了基于MSP430單片機(jī)的超聲波室內(nèi)定位系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，第一章是緒論，主要對超聲波定位的背景、研究意義、發(fā)展現(xiàn)狀以及本文的研究工作等內(nèi)容作了簡要介紹；第二章介紹超聲波定位系統(tǒng)的原理，主要介紹了超聲波、超聲波傳感器以及超聲波的定位原理；第三章介紹系統(tǒng)的硬件設(shè)計方法，對各部分的電路作出了詳細(xì)介紹；第四章介紹系統(tǒng)的軟件設(shè)計，給出了各個部分的軟件流程圖，對軟件執(zhí)行過程進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并且給出了主要程序；第五章是對系統(tǒng)的實驗測試以及結(jié)果分析；第六章是對全文的小結(jié)與展望。2. 超聲波定位系統(tǒng)原理2.1 超聲波與超聲波傳感器2.1.1 超聲波簡介聲波是屬于聲音的類別之一，屬于機(jī)械波。聲波是指人耳能感受到的一種縱波，是物體機(jī)械振動狀態(tài)（或能量）的傳播形式，其頻率范圍為16Hz-20KHz。超聲波是指振動頻率大于20KHz以上的聲波,其每秒的振動次數(shù)（頻率）甚高，超出了人耳聽覺的上限（20KHz）。超聲和可聞聲本質(zhì)上是一致的，它們的共同點都是一種機(jī)械振動，通常以縱波的方式在彈性介質(zhì)內(nèi)會傳播，是一種能量的傳播形式，其不同點是超聲頻率高，波長短，在一定距離內(nèi)沿直線傳播具有良好的束射性和方向性。當(dāng)超聲波在介質(zhì)中傳播時，由于超聲波與介質(zhì)的相互作用，使介質(zhì)發(fā)生物理的和化學(xué)的變化，從而產(chǎn)生一系列力學(xué)的、熱學(xué)的、電磁學(xué)的和化學(xué)的超聲效應(yīng)，包括以下4種效應(yīng)：1）機(jī)械效應(yīng)。超聲波的機(jī)械作用可促成液體的乳化、凝膠的液化和固體的分散。當(dāng)超聲波在流體介質(zhì)中形成駐波時,懸浮在流體中的微小顆粒因受機(jī)械力的作用而凝聚在波節(jié)處，在空間形成周期性的堆積。超聲波在壓電材料和磁致伸縮材料中傳播時，由于超聲波的機(jī)械作用會引起感生電極化和感生磁化。2）空化作用。超聲波作用于液體時可產(chǎn)生大量小氣泡 。一個原因是液體內(nèi)局部出現(xiàn)拉應(yīng)力而形成負(fù)壓，壓強的降低使原來溶于液體的氣體過飽和，而從液體逸出，成為小氣泡。另一原因是強大的拉應(yīng)力把液體“撕開”成一空洞，稱為空化?？斩磧?nèi)為液體蒸氣或溶于液體的另一種氣體，甚至可能是真空。因空化作用形成的小氣泡會隨周圍介質(zhì)的振動而不斷運動、長大或突然破滅。破滅時周圍液體突然沖入氣泡而產(chǎn)生高溫、高壓，同時產(chǎn)生激波。與空化作用相伴隨的內(nèi)摩擦可形成電荷，并在氣泡內(nèi)因放電而產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象。在液體中進(jìn)行超聲處理的技術(shù)大多與空化作用有關(guān)。3）熱效應(yīng)。由于超聲波頻率高，能量大，被介質(zhì)吸收時能產(chǎn)生顯著的熱效應(yīng)。4）化學(xué)效應(yīng)。超聲波的作用可促使發(fā)生或加速某些化學(xué)反應(yīng)。例如純的蒸餾水經(jīng)超聲處理后產(chǎn)生過氧化氫；溶有氮氣的水經(jīng)超聲處理后產(chǎn)生亞硝酸；染料的水溶液經(jīng)超聲處理后會變色或退色。這些現(xiàn)象的發(fā)生總與空化作用相伴隨。超聲波還可加速許多化學(xué)物質(zhì)的水解、分解和聚合過程。超聲波對光化學(xué)和電化學(xué)過程也有明顯影響。各種氨基酸和其他有機(jī)物質(zhì)的水溶液經(jīng)超聲處理后，特征吸收光譜帶消失而呈均勻的一般吸收，這表明空化作用使分子結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變。超聲波具有如下特性： 1） 超聲波可在氣體、液體、固體、固熔體等介質(zhì)中有效傳播。2） 超聲波可傳遞很強的能量。3） 超聲波會產(chǎn)生反射、干涉、疊加和共振現(xiàn)象。4） 超聲波在液體介質(zhì)中傳播時，可在界面上產(chǎn)生強烈的沖擊和空化現(xiàn)象。 基于超聲波的這些特點，超聲效應(yīng)已廣泛用于實際，主要有如下幾方面：1）超聲檢驗。超聲波的波長比一般聲波要短，具有較好的方向性，而且能透過不透明物質(zhì)，這一特性已被廣泛用于超聲波探傷、測厚、測距、遙控和超聲成像技術(shù)。2）超聲處理。利用超聲的機(jī)械作用、空化作用、熱效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng)，可進(jìn)行超聲焊接、鉆孔、固體的粉碎、乳化 、脫氣、除塵、去鍋垢、清洗、滅菌、促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)和進(jìn)行生物學(xué)研究等，在工礦業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等各個部門獲得了廣泛應(yīng)用。3）基礎(chǔ)研究。超聲波作用于介質(zhì)后，在介質(zhì)中產(chǎn)生聲弛豫過程，聲弛豫過程伴隨著能量在分子各自電度間的輸運過程，并在宏觀上表現(xiàn)出對聲波的吸收。通過物質(zhì)對超聲的吸收規(guī)律可探索物質(zhì)的特性和結(jié)構(gòu)，這方面的研究構(gòu)成了分子聲學(xué)這一聲學(xué)分支。2.1.2 超聲波傳感器及其特性超聲波傳感器是實現(xiàn)聲電轉(zhuǎn)換的裝置，又稱為超聲波換能器或者超聲波探頭。它是在超聲頻率范圍內(nèi)將交變的電信號轉(zhuǎn)換成聲信號或者將外界聲場中的聲信號轉(zhuǎn)換為電信號的能量轉(zhuǎn)換器件。超聲波探頭有許多不同的結(jié)構(gòu)，可分直探頭（縱波）、斜探頭（橫波）、表面波探頭（表面波）、蘭姆波探頭（蘭姆波）、雙探頭（一個探頭反射、一個探頭接收）等。 超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。構(gòu)成晶片的材料可以有許多種。晶片的大小，如直徑和厚度也各不相同，因此每個探頭的性能是不同的，我們使用前必須預(yù)先了解它的性能。超聲波傳感器的主要性能指標(biāo)包括： 1）工作頻率。工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當(dāng)加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時，輸出的能量最大，靈敏度也最高。2）工作溫度。由于壓電材料的居里點一般比較高，特別是診斷用超聲波探頭使用功率較小，所以工作溫度比較低，可以長時間地工作而不失效。醫(yī)療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨的制冷設(shè)備。 3）靈敏度。主要取決于制造晶片本身。機(jī)電耦合系數(shù)大，靈敏度高；反之，靈敏度低。圖2.1為中心頻率為40KHZ的超聲波傳感器的頻率特性曲線6，它反映超聲波傳感器的靈敏度與頻率之間的關(guān)系。從圖中的頻率特性可知，發(fā)射與接收的靈敏度都是以標(biāo)稱頻率為中心(波形的最高點)向兩邊逐漸降低。為此，發(fā)射超聲波時要充分考慮到偏離中心頻率。在發(fā)射器的中心頻率處，發(fā)射器所產(chǎn)生的超聲波最強，也就是超聲波聲壓能級最高；而在中心頻率兩側(cè)，聲壓能級迅速降低。因此，在使用中，一定要用接近中心頻率的交流電壓來驅(qū)動超聲波發(fā)生器。本文中使用的超聲波傳感器型號為FC-16KT40和FC-16KR40。圖2.1超聲波傳感器的頻率特性2.2 超聲波的定位原理2.2.1 常用超聲波測距方法在超聲波定位系統(tǒng)中，測距精度的高低對系統(tǒng)性能的好壞起著至關(guān)重要的作用，因此，測距方法的選取往往是決定系統(tǒng)性能指標(biāo)的關(guān)鍵。目前常用的超聲波定位方法主要有以下三種：包絡(luò)檢測法、回波檢測法和到達(dá)時間測量法。1）包絡(luò)檢測法：包絡(luò)檢測法是將接收到的回波信號做成包絡(luò)線，將接收回波的包絡(luò)線大于門限值的時間確定為回波到達(dá)的時間6。但是這種方法有一個原理上的滯后，并且在信噪比較小的情況下，誤差就會比較大。一般情況下，可以利用自適應(yīng)包絡(luò)檢測方法來改善這種方法。2）回波檢測法：把超聲波短脈沖發(fā)送至被測物體, 當(dāng)聲波自物體的非連續(xù)性結(jié)構(gòu)或邊界返回時, 獲取其回波波形7。當(dāng)波觸及物體前壁面時, 有幾個振蕩周期的窄帶隨機(jī)波產(chǎn)生, 稱為始波, 與此同時, 還有一部分超聲波滲入被測物體, 觸及物體的后壁面, 又可得到振蕩的回波, 稱為底波。利用始底波之間的時間間隔與己知的聲波在物體中的速度, 便可算出物體的距離。但是，這種方法存在以下兩個缺點2：測距精度較低：超聲波測距儀工作于單脈沖方式，測距精度主要取決于回波信號的信噪比，在信噪比一定的情況下，通過增加前置運算放大電路的增益也不能滿足要求。有效作用距離較短：超聲波在空氣中傳播時衰減較大，因而當(dāng)待測距離較大時，超聲波測距儀接收到的超聲波回波信號非常弱，且信噪比很差，這就使得超聲波測距儀的有效作用距離較短。3）到達(dá)時間測量法：這種方法一般情況下將超聲波的發(fā)射和接收傳感器置于同一端，超聲波發(fā)射出去后，遇到障礙物就會被反彈回來，被接收傳感器感應(yīng)到，記錄從發(fā)射超聲波到接收到超聲波的這段時間t，則根據(jù)式(2.1)可以計算出超聲波的發(fā)射頭與障礙物之間的距離（其中V為聲速）： S = V * t / 2 （2.1）2.2.2 超聲波定位原理由于包絡(luò)檢測法和回波檢測法存在其固有缺點，而且實施起來存在一定的困難，所以本文選用到達(dá)時間測量法來實現(xiàn)測距。為了消除接收信號中回波的影響，本文利用聲速相對光速慢的特點，設(shè)計出了一種新的到達(dá)時間測量法：將超聲波的接收傳感器與射頻發(fā)射模塊置于A端，而將超聲波的發(fā)射傳感器與射頻的接收傳感器置于B端，先從A端發(fā)射射頻信號，告之B端發(fā)射超聲波，由于電磁波的傳播速度比聲速大得多，所以可以忽略射頻的傳播時間，從A端發(fā)射射頻開始計時，到A端收到超聲波信號為止，記錄這段時間，則可以用式（2.2）來計算A端與B端的距離（其中V為聲速，因為本系統(tǒng)測試時溫度基本恒定在25，所以聲速可取恒定值346.575m/s）： S = V *t （2.2）利用這種方法，可以分別得到移動節(jié)點到三個固定節(jié)點的距離l1、l2、l3，由于本系統(tǒng)的各個節(jié)點呈空間分布，所以根據(jù)勾股定理，可以求出三個固定節(jié)點在地面二維坐標(biāo)系中的投影點到移動節(jié)點的距離l11、l22、l33。設(shè)三個固定節(jié)點在地面二維坐標(biāo)系中的投影坐標(biāo)分別為（x1，y1），（x2，y2），（x3，y3），移動節(jié)點的坐標(biāo)為（x0，y0），則根據(jù)式（2.3）的加權(quán)質(zhì)心算法8可以求得移動節(jié)點的坐標(biāo)： （2.3）3. 系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1 系統(tǒng)空間分布圖 本系統(tǒng)利用三個固定在空中的超聲波節(jié)點，來實現(xiàn)對一個在地面上二維直角坐標(biāo)系中的移動節(jié)點的定位，總體空間分布圖如圖3.1所示。ZXY4132圖3.1 系統(tǒng)空間分布圖圖3.1中，1號節(jié)點為移動節(jié)點，即所需要定位的節(jié)點，2、3、4號節(jié)點為固定節(jié)點，由于受到超聲波的發(fā)射角的限制，所以將系統(tǒng)設(shè)計成空間結(jié)構(gòu)，從而可以保證1號節(jié)點在二維平面內(nèi)運動時可以收到2、3、4號節(jié)點發(fā)射的超聲波。其中，2，3，4號節(jié)點與地面的距離為191.0cm，它們在地面直角坐標(biāo)系中的投影點坐標(biāo)分別為（0.0，120.0），（0.0，0.0），（120.0，0.0），單位均為cm。3.2 移動節(jié)點3.2.1 移動節(jié)點框圖 移動節(jié)點的硬件電路框圖如圖3.2所示，在系統(tǒng)開始工作后，按下移動節(jié)點所在單片機(jī)上的S1鍵，由單片機(jī)控制射頻發(fā)射模塊發(fā)射射頻信號，以獲得系統(tǒng)的同步。各個固定節(jié)點收到射頻信號后會以分時的方式發(fā)射超聲波信號，移動節(jié)點在每次接收到超聲波信號之后，通過超聲波接收模塊的放大、整流、比較、反相等處理，觸發(fā)MSP430單片機(jī)的中斷，處理完成后繼續(xù)等待下一次的中斷，在接收到第三次超聲波信號之后，移動節(jié)點的MSP430單片機(jī)經(jīng)過加權(quán)質(zhì)心算法運算得到此節(jié)點的坐標(biāo)，并將其顯示到LCD屏幕上。msp430單片機(jī)射頻發(fā)射模塊超聲波接收模塊LCD顯示圖3.2 移動節(jié)點框圖3.2.2 射頻發(fā)射電路本系統(tǒng)采用射頻信號來獲取各個節(jié)點的同步，其中所用到的射頻發(fā)射模塊為F04E，其實物圖如圖3.3所示，主要性能指標(biāo)如下：發(fā)射頻率：433MHZ調(diào)制方式：ASK工作電壓：3-12V直流發(fā)射電流：0.5-10mA發(fā)射功率：5mW 圖3.3頻率穩(wěn)定度：10-3 (LC振蕩)工作溫度：-40-+60體 積 ：8105mm此模塊使用起來簡單方便，可直接以MSP430單片機(jī)輸出的1KHZ的PWM波作為調(diào)制信號，射頻發(fā)射電路如圖3.4所示。本電路采用6V直流電源供電，經(jīng)過測試，在此工作條件下，F(xiàn)04E模塊的發(fā)射半徑超過了5米，完全可以滿足室內(nèi)定位的要求。在使用此模塊時需注意，在單片機(jī)引腳與FO4E的連接處需加入一個100K的電阻，以免產(chǎn)生過調(diào)制。圖3.4 射頻發(fā)射電路3.2.3 超聲波接收電路 超聲波接收電路的主要作用是對超聲波傳感器接收到的信號進(jìn)行放大、整流、比較、反向、分壓等一系列的處理，然后將處理后的信號送入單片機(jī)引發(fā)中斷，從而記錄本次超聲波的傳播時間，接收電路如圖3.5所示：圖3.5 超聲波接收電路對于電路各個部分的具體說明如下：1）放大電路：本電路選用四通道運放MC3403中的1、2兩個通道來對接收到的信號進(jìn)行放大，理論放大倍數(shù)為1000倍左右（實測為350倍左右），放大后信號的峰峰值為3V左右。因為接收到的超聲波信號為交流信號，而本電路采用6V的直流單電源供電，所以為兩級運放各提供了3V的直流偏置電壓。2）整流濾波電路：本電路主要由D1、D2、D3三個整流二極管和一個1uf的電解電容C4構(gòu)成整流濾波電路。其中D2主要起整流作用，而C4則主要起平滑濾波作用。3）比較電路：由于整流過后信號的幅度并不穩(wěn)定，如果直接輸入單片機(jī)，可能在單片機(jī)的引腳上引入一個不穩(wěn)定的電壓，所以將整流過后的信號送入一電壓比較器，以產(chǎn)生穩(wěn)定的高低電平。此電壓比較器選用MC3403的第四個通道來構(gòu)成，經(jīng)比較之后，將信號送入非門再分壓后送入單片機(jī)。3.3 固定節(jié)點3.3.1 固定節(jié)點框圖 固定節(jié)點框圖如圖3.6所示，此部分仍然采用MSP430單片機(jī)作為主控MCU，系統(tǒng)初始化完成之后即進(jìn)入低功耗模式，等待接收射頻信號。當(dāng)收到射頻信號之后，將會觸發(fā)單片機(jī)中斷，進(jìn)入中斷處理程序之后，2、3、4號節(jié)點將會關(guān)閉中斷使能，并且在分別延時1s、2s、3s之后發(fā)射超聲波信號，待超聲波信號發(fā)射完成后，它們再分別延時2s、2s、1s后開射頻接收中斷。如此循環(huán)，配合移動節(jié)點完成定位。MSP430單片機(jī)射頻接收模塊超聲波發(fā)射模塊圖3.6 固定節(jié)點框圖3.3.2 射頻接收電路與射頻發(fā)射電路相匹配，射頻接收電路采用中心頻率為433MHZ的射頻接收模塊J04V如圖3.7所示。J04V模塊的主要性能參數(shù)如下：接收頻率： 433MHz工作電壓： 2.6-3.5V直流工作電流： 0.15-0.3mA調(diào)制帶寬： 10K輸出電平： TTL 電平接收靈敏度： -90dBm 電路結(jié)構(gòu) ： 超再生 圖3.7外形尺寸： 10 23 5mm工作溫度： -40 - +60 圖3.8 射頻接收電路 具體的射頻接收電路如圖3.8所示。在本系統(tǒng)的實際電路中，對此模塊采用3V的直流電壓供電，工作電流約為0.2mA。為了濾除空氣中其他噪聲的干擾，在輸入單片機(jī)的引腳處接入了一個104的電容，實驗證明，在射頻信號頻率為1KHZ的時候，此電容可以很好的濾除噪聲干擾，并且可以保證單片機(jī)能夠正常接收到射頻信號產(chǎn)生的中斷。3.3.3 超聲波發(fā)射電路 超聲波的發(fā)射電路如圖3.9所示，由MSP430單片機(jī)產(chǎn)生40KHZ的PWM波，此信號經(jīng)兩級與非門驅(qū)動之后直接供給超聲波發(fā)射傳感器即可。由于本系統(tǒng)中要求超聲波發(fā)射的最遠(yuǎn)距離僅為260cm左右，所以發(fā)射信號不經(jīng)過放大即可滿足要求。圖3.9 超聲波發(fā)射電路4. 系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1 系統(tǒng)總體軟件流程系統(tǒng)的整體工作時序和軟件流程分析如下：1）按下1號節(jié)點的S1鍵，1號節(jié)點發(fā)射30個周期的頻率為1KHZ的射頻信號來實現(xiàn)整個系統(tǒng)的同步，同時打開TimerA計時和中斷，使能超聲波接收中斷。2）2、3、4號節(jié)點同時接收到射頻信號。2號節(jié)點接收到射頻信號后關(guān)閉射頻接收中斷，延時1s后發(fā)射超聲波信號，超聲波信號的發(fā)射時間為0.5s，經(jīng)過實驗證明，0.5s的發(fā)射時間可以保證1號節(jié)點在1s內(nèi)接收到超聲波信號，并且不會對超聲波的下一次接收產(chǎn)生干擾。在超聲波發(fā)射完成后，2號節(jié)點延時2s后再使能射頻接收中斷。3）1號節(jié)點第一次接收到超聲波信號后關(guān)閉超聲波接收中斷，讀出此時TimerA的計數(shù)值t2，然后繼續(xù)計時，到達(dá)1s后再使能超聲波接收中斷，同時TimerA繼續(xù)計時。4）3號節(jié)點接收到射頻信號后關(guān)閉射頻接收中斷，延時2s后發(fā)射超聲波信號，超聲波信號的發(fā)射時間為0.5s，在超聲波發(fā)射完成后，3號節(jié)點延時2s后再使能射頻接收中斷。5）1號節(jié)點第二次接收到超聲波信號后關(guān)閉超聲波接收中斷，讀出此時TimerA的計數(shù)值t3，然后繼續(xù)計時，到達(dá)1s后再使能超聲波接收中斷，同時TimerA繼續(xù)計時。6）4號節(jié)點接收到射頻信號后關(guān)閉射頻接收中斷，延時3s后發(fā)射超聲波信號，超聲波信號的發(fā)射時間為0.5s，在超聲波發(fā)射完成后，4號節(jié)點延時1s后再使能射頻接收中斷。7）1號節(jié)點第三次接收到超聲波信號后關(guān)閉超聲波接收中斷，讀出此時TimerA的計數(shù)值t4，并且關(guān)閉TimerA，然后利用三次得到的計數(shù)值t2、t3、t4來計算1號節(jié)點的位置坐標(biāo)并顯示在LCD屏上。8）1號節(jié)點延時5s后再次發(fā)射射頻信號，整個過程如此循環(huán)，最終得到1號節(jié)點的運動軌跡曲線。具體軟件流程圖如圖4.1所示：圖4.1 系統(tǒng)總體軟件流程圖4.2 移動節(jié)點軟件流程移動節(jié)點的軟件流程圖如圖4.2所示：圖4.2 移動節(jié)點軟件流程圖當(dāng)移動節(jié)點三次接收到超聲波信號時，會觸發(fā)P2.5口產(chǎn)生中斷，其中斷執(zhí)行子程序如下：/ Port 2 interrupt service routine#pragma vector=PORT2_VECTOR_interrupt void Port_2(void) switch(flag) case 2: /收到2號節(jié)點發(fā)來的超聲波信號 TACTL &=0XFFCF; /暫停定時器 t2=TAR; TACTL =TASSEL_1+MC_1; flag=3; break; case 3: /收到3號節(jié)點發(fā)來的超聲波信號 TACTL &=0XFFCF; t3=TAR; TACTL =TASSEL_1+MC_1; flag=4; break; case 4: /收到4號節(jié)點發(fā)來的超聲波信號 TACTL &=0XFFCF; t4=TAR; TACTL =TASSEL_1+MC_1; flag=2; Calculate(); /調(diào)用計算1號節(jié)點坐標(biāo)的函數(shù) CCTL0 &= CCIE; /接收到最后一個數(shù)后關(guān)TimerA的1s定時 TBCTL = TBCLR; TBCTL |=TBSSEL_1+MC_1+ID_3; /利用timerB延時5s TBCCTL0 |= CCIE; /開TBCCR0的中斷 TBCCR0=20000; break; default: break; P2IE &=0X20; P2IFG &=0X20; _BIS_SR(LPM0_bits + GIE); / 進(jìn)入低功耗模式LPM0本系統(tǒng)中計算移動節(jié)點坐標(biāo)采用的是加權(quán)質(zhì)心算法，但是，由于四個單片機(jī)的時鐘不能精準(zhǔn)同步，對整個系統(tǒng)的測量造成了較大的誤差，所以在編寫算法之前，首先對實際測得的計數(shù)值和理論計數(shù)值之間進(jìn)行了擬合來消除誤差，然后再利用加權(quán)質(zhì)心算法計算移動節(jié)點的坐標(biāo)，主要計算過程的程序如下：/對測得的時間值做線性擬合之后來消除因時間不精準(zhǔn)所造成的系統(tǒng)誤差/h為節(jié)點離地高度，Vc為聲速，在25時可取常數(shù)值346.575m/s l1=sqrt(Vc*(0.876*t2-27221)/320)*(Vc*(0.876*t2-27221)/320)-h*h); l2=sqrt(Vc*(0.8598*t3-26729)/320)*(Vc*(0.8598*t3-26729)/320)-h*h); l3=sqrt(Vc*(0.8296*t4-25802)/320)*(Vc*(0.8296*t4-25802)/320)-h*h); /*坐標(biāo)算法加權(quán)質(zhì)心法 x1=(x2/l1+x3/l2+x4/l3)/(1/l1+1/l2+1/l3); y1=(y2/l1+y3/l2+y4/l3)/(1/l1+1/l2+1/l3); 在實際的程序中使用通分，并且代入固定節(jié)點坐標(biāo)之后的公式進(jìn)行計算*/float l0=l1*l2+l1*l3+l2*l3; x1=(l1*l2*x4)/l0; y1=(l2*l3*y2)/l0;4.3 固定節(jié)點軟件流程固定節(jié)點軟件流程圖如圖4.3：圖4.3固定節(jié)點軟件流程圖固定節(jié)點發(fā)送超聲波的程序如下：TACTL = TASSEL_2; / SMCLK為時鐘源（16MHZ）TACTL |=MC_1+TACLR; / 增計數(shù)模式,清計數(shù)器CCTL0 |=CCIE; /中斷使能CCR0 = 400; / PWM波的周期（40KHZ）CCTL1 = OUTMOD_7; / CCR1選擇為復(fù)位/置位輸出模式CCR1 = 200; /占空比為50% 5. 實驗分析5.1 射頻發(fā)射距離測試1）射頻的發(fā)射距離測試示意圖如圖5.1所示： 圖5.1射頻發(fā)射距離測試圖2）測試條件：F04E電源電壓：6V直流PWM波頻率：1KHZPWM波峰峰值：3VJ04V電源電壓：3V直流測試場所：室內(nèi)測試溫度：25測量工具：卷尺（精度：0.01m）3）數(shù)據(jù)記錄：表5.1 射頻發(fā)射距離測試記錄表測試距離1.000米2.000米3.000米4.000米5.000米5.300米接收信號幅度3.0V3.0V3.0V3.0V3.0V3.0V4）測試過程波形圖如圖5.2：圖5.2 射頻發(fā)射距離測試波形圖5）測試結(jié)論 經(jīng)過測試證明，在室內(nèi)情況下，射頻信號的射程超過5米，在此范圍內(nèi)，信號幅度基本沒有衰減，滿足室內(nèi)定位的要求。5.2 超聲波發(fā)射距離測試1）超聲波發(fā)射距離測試實物圖如圖5.3所示：圖5.3 超聲波發(fā)射距離測試實物圖2）測試條件：超聲波發(fā)射電路供電電壓：6V直流電壓超聲波接收電路供電電壓：3V直流電壓MSP430單片機(jī)供電電壓：5V直流電壓超聲波發(fā)射時間：0.5秒測試地點：室內(nèi)測試溫度：25測量工具：卷尺（精度：1cm）單片機(jī)TimerA計數(shù)的最大值：327683）數(shù)據(jù)記錄：表5.2 超聲波發(fā)射距離與計數(shù)值的關(guān)系距離計數(shù)值0.0cm50.0cm100.0cm150.0cm200.0cm220.0cm250.0cm260.0cm實驗一3108631132311843123731290313183135531366實驗二3108631131311833123731291313183135231369實驗三3108631133311823123831290313193135631366實驗四3108631130311833123731292313203135431362實驗五3108431131311823123931291313183135331365在表5.2中，距離指的是超聲波發(fā)射傳感器和超聲波接收傳感器之間的距離，而計數(shù)值是指接收到超聲波信號時TimerA的計數(shù)值（TimerA的計數(shù)值達(dá)到32000時產(chǎn)生中斷）。4）實驗結(jié)論與分析：1.實驗結(jié)果表明，如果超聲的發(fā)射傳感器發(fā)射0.5s的超聲波，當(dāng)發(fā)射距離在260.0cm以內(nèi)時，可以保證接收傳感器接收到超聲波信號，滿足整個系統(tǒng)對超聲波發(fā)射距離的要求。2由實驗過程中記錄的數(shù)據(jù)可以看出，由于四個單片機(jī)時鐘之間的不精準(zhǔn)，導(dǎo)致接收到超聲波時TimerA的計數(shù)值都已經(jīng)接近32000，即接收時間已經(jīng)接近1s，顯然與實際情況不相符合。因此，在實際計算移動節(jié)點坐標(biāo)的時候加入了誤差消除程序，如4.2節(jié)所描述的內(nèi)容。5.3系統(tǒng)整體測試1）實驗條件：1號節(jié)點電路供電電壓：6V直流電壓2，3，4號節(jié)點電路供電電壓：3V直流電壓MSP430單片機(jī)供電電壓：5V直流電壓2，3，4號節(jié)點距地面高度：191.0cm2號節(jié)點在地面的投影坐標(biāo)：（0.0，120.0）（單位：cm）3號節(jié)點在地面的投影坐標(biāo)：（0.0，0.0）（單位：cm）4號節(jié)點在地面的投影坐標(biāo)：（120.0，0.0）（單位：cm）測試環(huán)境：室內(nèi)溫度：25測量工具：卷尺（精度：1cm）2）實驗數(shù)據(jù)：表5.3 系統(tǒng)整體測試記錄表（一） 單位：cm理論坐標(biāo)實測坐標(biāo)（50.0，50.0）（50.0，60.0）（50.0，70.0）（60.0，40.0）（60.0，50.0）實驗一（55.0，59.0）（50.0，69.0）（55.0，71.0）（60.0，32.0）（61.0，58.0）實驗二（56.0，57.0）（51.0，68.0）（53.0，70.0）（58.0，40.0）（63.0，60.0）實驗三（52.0，54.0）（52.0，69.0）（55.0，76.0）（57.0，37.0）（62.0，58.0）實驗四（57.0，56.0）（51.0，68.0）（56.0，74.0）（60.0，34.0）（63.0，59.0）實驗五（54.0，53.0）（52.0，68.0）（53.0，75.0）（60.0，35.0）（62.0，59.0）平均坐標(biāo)（54.8，55.8）（51.2，68.4）（54.4，73.2）（59，35.6）（62.7，58.8） 表5.4 系統(tǒng)整體測試記錄表（二） 單位：cm 理論坐標(biāo)實測坐標(biāo)（60.0，60.0）