Дипломная работа: Разработка устройства идентификации близлежащих объектов для автомобиля

Рисунок 1.3.2.10 – Внешний вид данного приемопередатчика.

На рисунке 1.3.2.10 представлен внешний вид данного приемопередатчика.

Имеет следующие параметры:

· Диаметр	18 мм
· Чувствительность	-72 дБ
· Уровень звукового давления	106 дБ
· Угол рассеяния	75о
· Разрешение	9 мм
· Детектируемое расстояние	0.2 – 3 м

C схеме устройства я использовал интерфейс JTAG (XS1), который задействует 4 вывода AVR-микроконтроллера. По JTAG-терминологии эти выводы в совокупности называются "Порт доступа к функциям тестирования" (TAP). В состав этого порта входят следующие сигналы:

· TMS – Выбор режим тестирования. Данный вывод используется для навигации по цифровому автомату TAP-контроллера.

· TCK: Синхронизация тестирования. JTAG-интерфейс работает синхронно по отношению TCK.

· TDI: Тестовый ввод данных. Последовательный ввод данных сдвигом в регистр инструкции или регистр данных (цепи сканирования).

· TDO: Тестовый вывод данных. Последовательный вывод данных из регистра инструкции или регистра данных.

Ультразвуковой дальномер создан на базе микропотребляющего микроконтроллера MSP430F413. Прибор передаёт «пачку» волн ультразвуковой частоты по направлению объекта и принимает соответствующий отражённый сигнал. Встроенный в MSP430 аналоговый компаратор Comparator_A используется для определения момента принятия отражённого сигнала. Микроконтроллер с высокой точностью измеряет время прохождения ультразвуковой «пачкой» расстояния от излучателя до объекта и обратно. Принимая во внимание, что скорость звука при комнатной температуре равна 335,48 метров/сек, MSP430 вычисляет расстояние между прибором и объектом и выводит значение на 2-цифровой ЖКИ со статическим управлением при помощи встроенного ЖК-драйвера. Расстояние отображается с точностью 9 мм. Минимально измеряемое расстояние – 20 см, оно ограничено физическими характеристиками излучателя. Максимальное измеряемое расстояние – 300 см. Амплитуда отражённого сигнала зависит от материала объекта, его формы и размера. Звукопоглощающие предметы, такие, как ковры и отражающие объекты площадью менее 0,2-х квадратных метров плохо отражают сигнал, для таких предметов максимально измеряемое расстояние меньше. Если величина отражённого сигнала меньше порога срабатывания Comparator_A, прибор перейдёт в режим перегрузки. На экране будет показано сообщение об ошибке E.

Прибор основан на эффекте отражения звуковых волн. Эти волны можно представить как продольные колебания давления в среде их распространения. Предметы, размеры которых превышают длину падающей звуковой волны, отражают её; отражённая волна называется эхом. Если скорость звука в среде известна и можно измерить время распространения волны от источника до объекта и обратно, то расстояние между излучателем и предметом может быть точно вычислено. На этом принципе измерения и основан данный прибор. Средой распространения звуковых волн в данном случае является воздух, а звуковые волны излучаются ультразвуковом диапазоне, т.к. он не воспринимается человеческим ухом. Принимая скорость звука в воздухе равной 335,48 метрам в секунду при комнатной температуре и обозначив время распространения звуковой волны от излучателя до объекта и обратно через t (сек), расстояние d вычисляется по формуле d=335,48 X 12 X t (метров). Так как звуковые волны преодолевают удвоенное расстояние между излучателем и предметом, реальное расстояние между источником и объектом будет равно d/2.

В данном приборе использованы керамические ультразвуковые излучатели на частоту 40 кГц. MSP430 подаёт на излучатель пачку из 12 импульсов частотой 40 кГц прямоугольной формы стабилизированной при помощи кварцевого резонатора и принимает «эхо» с помощью УЗ-приёмника. Таймер Timer_A в MSP430 сконфигурирован для подсчёта 40-килогерцовых импульсов от кварца, таким образом, временное разрешение измерения составляет 25 мкс, что более чем достаточно для данных целей. Тактовая частота для измерений получена при помощи кварцевого генератора, что обеспечивает её высокую стабильность. Отражённый сигнал, принятый приёмником усиливается операционным усилителем, выход которого подключен к входу компаратора Comparator_A . Компаратор

Comparator_A определяет наличие сигнала на входе и формирует сигнал захвата для таймера Timer_A, результат счёта при этом «защёлкивается» в регистре захвата-сравнения CCR1. Время осуществления «защёлкивания» в точности соответствует времени прихода импульсов отражённого сигнала. Запомненный в регистре результат счёта соответствует времени, затраченному пачкой ультразвуковых импульсов на преодоление расстояния от прибора до объекта и обратно. Расстояние в дюймах вычисляется микроконтроллером MSP430 исходя из измеренного времени и выводится на 2-х цифровой ЖКИ со статическим управлением. Сразу после этого МК переходит в режим пониженного потребления LPM3 для снижения потребляемой мощности. Таймер Basic Timer1 запрограммирован на формирование прерываний каждые 205 мс. Прерывание от Basic Timer1 переводит MSP430 в активный режим, при этом повторяются цикл измерения и вывод на ЖК.

МК MSP430F413 является главным элементом схемы. HG1 - 2-х цифровой низковольтный ЖКИ со статическим управлением, управляемый встроенным драйвером ЖКИ. R03 подключен к 3,6 В, а R13 и R23 оставлены неподключенными, таким образом организовано статическое управление ЖК. Кварцевый резонатор на 40 кГц специально выбран для использования в составе низкочастотного кварцевого генератора для обеспечения резонансной частоты используемых в приборе ультразвуковых излучателей. R4 является «подтягивающим» резистором для вывода Reset. Конденсатор C3 обеспечивает фильтрацию питания и должен быть расположен как можно ближе к выводам питания. 14-выводный разъём XS1 предназначен для подключения интерфейса JTAG к MSP430 для внутрисхемного программирования и отладки при помощи MSP430 flash emulation tool. Светодиод VD1 сигнализирует о циклах измерения. Вывод порта P1.5 сконфигурирован как выход частоты ACLK, требуемой для УЗ-излучателя.

Цепь выходного драйвера раскачки излучателя запитана непосредственно 9-ю вольтами и обеспечивает на выходе размах сигнала 18 В . Это напряжение получается при помощи мостовой схемы на 4-х инверторах К561ЛН2. Один из инверторов вращает фазу сигнала на 180° для одного из плеч драйвера, на второе плечо поступает неинвертированный сигнал. При таком построении драйвера на выходе обеспечивается размах сигнала 18 В , необходимый для излучателя. По два инвертора соединены в параллель для удвоения выходного тока. Конденсаторы C5 и C6 обеспечивают развязку излучателя по постоянному току. Т.к. К561ЛН2 запитан от 12 В, а MSP430 от 3.6 В, уровень логического сигнала не согласован. Биполярный транзистор КТ315Д служит преобразователем уровня.

Операционный усилитель TLV 2771 - это 5-выводный ОУ с высокой скоростью нарастания выходного сигнала производства TI. Этот усилитель имеет широкую полосу сигнала и обеспечивает высокое усиление на частоте 40кГц. ОУ включен по инвертирующей схеме. Коэффициент усиления (КУ) устанавливается резисторами R1 и R3 и равен 55, С2 служит для частотной коррекции. R5 и R6 создают смещение на неинвертирующем входе ОУ для корректной работы с однополярным источником питания. Усиленный ультразвуковой сигнал является двухполярным относительно постоянного уровня в данной точке. Высокая добротность УЗ-приёмника обеспечивает требуемую избирательность и ослабление частот, кроме 40кГц. Выход ОУ подключен ко входу CA0 компаратора Comparator_A через вывод порта P1.6. Опорное напряжение компаратора Comparator_A выбрано от внутреннего источника 1,8 В . Пока не принято ультразвуковое «эхо» уровень напряжения на входе CA0 несколько меньше, чем на опорном CA1. При приёме сигнала уровень на входе возрастает выше опорного, при этом переключается выход компаратора Comparator_A CAOUT. Резистором R6 осуществляется точная подстройка чувствительности и, соответственно, оптимального диапазона измерения.

MSP430 и усилитель сигнала УЗ-приёмника питаются от управляемого источника 3.6В. Выключатель S1 управляет питанием прибора.

1.3.4 Расчет потребляемой мощности