DIY digitálne meranie vzdialenosti s rozhraním ultrazvukového senzora: 5 krokov

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:57

Cieľom tohto Instructable je navrhnúť digitálny snímač vzdialenosti pomocou GreenPAK SLG46537. Systém je navrhnutý tak, aby pomocou ASM a ďalších komponentov systému GreenPAK interagoval s ultrazvukovým senzorom.

Systém je navrhnutý tak, aby riadil jednorazový blok, ktorý vygeneruje spúšťací impulz s potrebnou šírkou pre ultrazvukový senzor a zaradí signál vracajúceho sa ozveny (úmerný meranej vzdialenosti) do 8 kategórií vzdialenosti.

Navrhnuté rozhranie je možné použiť na pohon digitálneho senzora vzdialenosti, ktoré sa používa v celej rade aplikácií, ako sú systémy parkovacieho asistenta, robotika, výstražné systémy atď.

Ďalej sme popísali kroky potrebné na pochopenie toho, ako bolo riešenie naprogramované na vytvorenie digitálneho merania vzdialenosti s rozhraním ultrazvukového senzora. Ak však chcete získať iba výsledok programovania, stiahnite si softvér GreenPAK a zobrazte už dokončený súbor návrhu GreenPAK. Pripojte vývojovú súpravu GreenPAK k počítaču a spustite program, aby ste vytvorili digitálne meranie vzdialenosti s rozhraním ultrazvukového senzora.

Krok 1: Rozhranie s digitálnym ultrazvukovým snímačom

Navrhnutý systém odosiela spúšťacie impulzy do ultrazvukového senzora každých 100 ms. Vnútorné komponenty GreenPAK spolu s ASM dohliadajú na klasifikáciu vracajúceho sa ozvučného signálu zo snímača. Navrhnutý ASM používa 8 stavov (stavy 0 až 7) na klasifikáciu ozveny z ultrazvukového senzora pomocou techniky iteratívneho prechodu cez stavy, keď systém čaká na ozvučený signál. Takýmto spôsobom čím ďalej ASM prechádza stavmi, tým menej LED diód sa rozsvieti.

Pretože systém pokračuje v meraní každých 100 ms (10 krát za sekundu), je ľahké vidieť nárast alebo pokles vzdialeností meraných senzorom.

Krok 2: Ultrazvukový snímač vzdialenosti

Senzor, ktorý sa má použiť v tejto aplikácii, je HC-SR04, ktorý je znázornený na nasledujúcom obrázku 1.

Senzor používa zdroj 5 V na kolíku úplne vľavo a pripojenie GND na kolíku úplne vpravo. Má jeden vstup, ktorý je spúšťacím signálom, a jeden výstup, ktorý je signálom ozveny. GreenPAK generuje vhodný spúšťací impulz pre snímač (10 us podľa údajového listu snímača) a meria zodpovedajúci signál ozvučného impulzu (úmerný meranej vzdialenosti) poskytovaný snímačom.

Celá logika je v rámci GreenPAK nastavená pomocou ASM, blokov oneskorenia, počítadiel, oscilátorov, D flipflopov a jednorazových komponentov. Komponenty sa používajú na generovanie požadovaného vstupného spúšťacieho impulzu pre ultrazvukový snímač a klasifikáciu vracajúceho sa ozvučného impulzu úmerne vzdialenosti meranej do vzdialených zón, ako je podrobne popísané v nasledujúcich častiach.

Pripojenia potrebné pre projekt sú znázornené na obrázku 2.

Vstupný spúšťač požadovaný snímačom je výstup generovaný zariadením GreenPAK a výstup ozveny senzora sa používa na meranie vzdialenosti zariadením GreenPAK. Interné signály systému budú poháňať jednorazový komponent na generovanie požadovaného impulzu na spustenie senzora a vracajúca sa ozvena bude klasifikovaná pomocou D klopných obvodov, logických blokov (LUT a invertor) a bloku počítadla do 8 zón vzdialenosti. Žabky D na konci budú držať klasifikáciu na výstupných diódach LED, kým sa nevykoná ďalšie meranie (10 meraní za sekundu).

Krok 3: Realizácia s GreenPAK Designer

Tento dizajn bude demonštrovať funkčnosť stavového stroja GreenPAK. Pretože v navrhovanom stavovom stroji je osem stavov, GreenPAK SLG46537 je pre aplikáciu vhodný. Stroj bol navrhnutý na základe softvéru GreenPAK Designer, ako je znázornené na obrázku 3, a definície výstupov sú stanovené v diagrame RAM na obrázku 4.

Kompletnú schému obvodu navrhnutého pre aplikáciu je možné vidieť na obrázku 5. Bloky a ich funkcie sú popísané za obrázkom 5.

Ako je možné vidieť na obrázku 3, obrázku 4 a obrázku 5, systém je navrhnutý tak, aby pracoval v sekvenčnom stave na generovanie 10 us spúšťacieho impulzu pre ultrazvukový snímač vzdialenosti pomocou bloku CNT2/DLY2 ako jednorazového komponentu spoločne s hodinami 25 MHz od OSC1 CLK, na generovanie signálu na výstupe PIN4 TRIG_OUT. Tento jednorazový komponent je spustený blokom počítadla CNT4/DLY4 (hodiny OSC0 CLK/12 = 2kHz) každých 100 ms, čím sa senzor spustí 10-krát za sekundu. Ozvučný signál, ktorého latencia je úmerná meranej vzdialenosti, pochádza zo vstupu PIN2 ECHO. Sada komponentov DFF4 a DFF4, CNT3/DLY3, LUT9 vytvára oneskorenie pri sledovaní stavov ASM. Ako je možné vidieť na obrázku 3 a obrázku 4, čím ďalej systém prechádza stavmi, tým je spustených menej výstupov.

Kroky vzdialených zón sú 1,48 ms (signál ozveny), čo je úmerné prírastkom 0,25 cm, ako je uvedené vo vzorci 1. Takto máme 8 zón vzdialenosti, od 0 do 2 m v 25 cm krokoch, ako je znázornené na obrázku Stôl 1.

Krok 4: Výsledky

Na otestovanie návrhu je konfiguráciu použitú v emulačnom nástroji poskytnutom softvérom možné vidieť na obrázku 6. Pripojenia na kolíkoch emulačného softvéru môžete vidieť za ním v tabuľke 2.

Emulačné testy ukazujú, že dizajn funguje podľa očakávania tým, že poskytuje systém rozhrania na interakciu s ultrazvukovým senzorom. Emulačný nástroj poskytovaný spoločnosťou GreenPAK sa ukázal ako skvelý simulačný nástroj na testovanie logiky návrhu bez programovania čipu a dobrého prostredia na integráciu vývojového procesu.

Testy obvodov boli vykonané s použitím externého 5 V zdroja (tiež navrhnutého a vyvinutého autorom) s cieľom poskytnúť menovité napätie senzora. Obrázok 7 zobrazuje použitý externý zdroj (020 V externý zdroj).

Na testovanie obvodu bol echo výstup zo snímača pripojený na vstup PIN2 a spúšťací vstup bol pripojený na PIN4. S týmto pripojením sme mohli otestovať obvod pre každý z rozsahov vzdialenosti uvedených v tabuľke 1 a výsledky boli nasledujúce na obrázku 8, obrázku 9, obrázku 10, obrázku 11, obrázku 12, obrázku 13, obrázku 14, obrázku 15 a obrázok 16.

Výsledky dokazujú, že obvod funguje podľa očakávania a modul GreenPAK môže fungovať ako rozhranie pre ultrazvukový snímač vzdialenosti. Z testov mohol navrhnutý obvod pomocou stavového automatu a vnútorných komponentov vygenerovať požadovaný spúšťací impulz a zaradiť oneskorenie vracajúceho sa ozveny do uvedených kategórií (s 25 cm krokmi). Tieto merania boli vykonané systémom online, pričom sa meralo každých 100 ms (10 krát za sekundu), čo ukazuje, že obvod funguje dobre pre aplikácie na kontinuálne meranie vzdialenosti, ako sú napríklad zariadenia na pomoc pri parkovaní automobilov a podobne.

Krok 5: Možné doplnky

Na implementáciu ďalších vylepšení projektu by projektant mohol zvýšiť vzdialenosť pre zapuzdrenie celého rozsahu ultrazvukových senzorov (v súčasnosti sme schopní klasifikovať polovicu rozsahu od 0 m do 2 m a celý rozsah je od 0 m do 4 m). Ďalším možným vylepšením by bolo previesť meraný echo impulz na vzdialenosť, ktorý sa má zobraziť na displejoch BCD alebo LCD.

Záver

V tomto návode bol implementovaný digitálny ultrazvukový snímač vzdialenosti pomocou modulu GreenPAK ako riadiacej jednotky na pohon senzora a interpretáciu jeho ozvučného výstupu. GreenPAK implementuje ASM spolu s niekoľkými ďalšími internými komponentmi na pohon systému.

Vývojový softvér a vývojová doska GreenPAK sa osvedčila ako vynikajúce nástroje na rýchle prototypovanie a simuláciu počas procesu vývoja. Interné zdroje GreenPAK, vrátane ASM, oscilátorov, logiky a GPIO, bolo možné ľahko nakonfigurovať tak, aby implementovali požadované funkcie pre tento dizajn.