專利名稱：一種超聲波收發(fā)節(jié)點(diǎn)及其實(shí)現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于室內(nèi)測(cè)距的超聲波收發(fā)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法。給出了一個(gè)超聲波節(jié) 點(diǎn)的實(shí)例。主要解決了高頻條件下的無(wú)線傳感問(wèn)題，屬于超聲波研究領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在彈性介質(zhì)中，如果波源所激起的頻率，在20Hz到20000Hz之間，就能引起人的聽(tīng)覺(jué)。在這一 頻率范圍內(nèi)的振動(dòng)稱為聲振動(dòng)，由聲振動(dòng)所激起的縱波稱為聲波。超聲波是以人耳能聽(tīng)到的聲波 頻率為基準(zhǔn)，其頻率高于20000Hz，為不可聞的聲波稱為超聲波，超聲波頻率可高達(dá)1011Hz。
超聲波與可聞聲波相比，由于頻率高、波長(zhǎng)短，具有如下特性
(1) 方向性好。由于超聲波頻率高,波長(zhǎng)短，衍射現(xiàn)象不顯著，所以超聲波的傳播方向性好， 容易得到定向而集中的超聲波束。超聲波的這一特點(diǎn)，既便于定向發(fā)射以尋求目標(biāo)，又便于聚焦 以獲得較大的聲強(qiáng)。
(2) 功率大。根據(jù)聲波的聲強(qiáng)公式
2
聲強(qiáng)I與振動(dòng)頻率"的二次方成正比。超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的頻率越高功率 越大。因此，超聲波的功率可以比一般聲波的功率大得多。大功率超聲簡(jiǎn)稱功率超聲。
(3) 穿透力強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)指出，超聲波在氣體中衰減很強(qiáng)，而在液體和固體中衰減很小，介質(zhì)的吸 收系數(shù)隨波的頻率增大而增大，所以當(dāng)超聲波的頻率增加時(shí)，穿透本領(lǐng)會(huì)下降，為此在不同的應(yīng) 用中應(yīng)選用適當(dāng)?shù)念l率但因其聲強(qiáng)大，且能量集中，故有較強(qiáng)的穿透本領(lǐng)。在不透明的固體中， 超聲波能穿透幾十米的厚度。超聲波碰到雜質(zhì)或介質(zhì)分界面有顯著的反射。
(4)引起空化作用。超聲波在液體中傳播時(shí)由于超聲波與聲波一樣是一種疏密的振動(dòng)波，在 傳播過(guò)程中，液體時(shí)而受拉時(shí)而逐級(jí)壓。液體能耐壓，而承受拉力的能力很差。當(dāng)超聲波的波強(qiáng) 度足夠大時(shí)，液體因承受不住拉力而發(fā)生斷裂(特別是在含有雜質(zhì)和氣泡的地方)，從而產(chǎn)生近于 真空或含少量氣體的空穴。在聲波壓縮階段，空穴被壓縮直至崩潰。在崩潰過(guò)程中，空穴內(nèi)部可 達(dá)幾千攝氏度的高溫和幾千個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的高壓。此外，在小空穴形成過(guò)程中，由于摩擦而產(chǎn)生 正、負(fù)電荷，在空穴崩潰時(shí)，產(chǎn)生放電、發(fā)光現(xiàn)象。超聲波的這種現(xiàn)象，稱為空化作用。
超聲技術(shù)是一門(mén)以物理、電子、機(jī)械及材料學(xué)為基礎(chǔ)的通用技術(shù)之一，世界各國(guó)均重視對(duì)超 聲波技術(shù)在現(xiàn)代軍事、醫(yī)學(xué)、生活等領(lǐng)域中的應(yīng)用研究。超聲技術(shù)是通過(guò)超聲波產(chǎn)生、傳播及接 收的物理過(guò)程而完成的，它的應(yīng)用研究正是結(jié)合超聲波之獨(dú)有特性而展開(kāi)'?，F(xiàn)階段，超聲波在軍 事、醫(yī)學(xué)、工業(yè)、生活及服務(wù)業(yè)中都有廣泛的應(yīng)用。
超聲波傳感器又叫超聲波換能器，可以分為兩大類用電氣方式和機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電 氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動(dòng)型等；機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所 產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前常用的是壓電式超 聲波發(fā)發(fā)生器。

發(fā)明內(nèi)容
^r術(shù)問(wèn)題本發(fā)明的目的是構(gòu)建一種超聲波收發(fā)節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)方法。節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)不僅在
功能上實(shí)現(xiàn)超聲波接收和發(fā)送的功能，具有較低的能耗，通過(guò)不同的供電方式滿足各種需要。最 終目的是開(kāi)發(fā)出性能高，復(fù)雜度低的超聲波收發(fā)節(jié)點(diǎn)，以應(yīng)用于精確定位。
技術(shù)方案本發(fā)明的超聲波收發(fā)節(jié)點(diǎn)以處理控制模塊為中心，信息感知模塊與處理控制模塊 單向聯(lián)通，供電模塊通過(guò)集成供電方式為整個(gè)節(jié)點(diǎn)提供能源；其中，處理控制模塊包括發(fā)射部 分六通道反相器74HC04,接受部分紅外遙控接收器CX20106;信息感知模塊包括TR-40系列通 用型超聲波發(fā)射接收傳感器；供電模塊由無(wú)線節(jié)點(diǎn)供電、交流轉(zhuǎn)直流和直流轉(zhuǎn)直流的三種供電方 式組成；
發(fā)送部分的處理控制模塊通過(guò)第一個(gè)51針端口與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)相連,接收來(lái)自無(wú)線節(jié) 點(diǎn)的控制信號(hào)，處理后控制信息感知模塊發(fā)送超聲波信號(hào)；接收部分接收來(lái)自信息感知模塊的超 聲波信號(hào)，處理后通過(guò)第二個(gè)51針端口發(fā)送給無(wú)線節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)信號(hào)；供電模塊處理來(lái)自無(wú)線傳感器 節(jié)點(diǎn)通過(guò)第三個(gè)51針端口或外接5 18伏直流電源和交流電源，為收發(fā)節(jié)點(diǎn)供電，如圖2所示。
超聲波收發(fā)節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)方法所包含的步驟為-
步驟l)明確傳感器硬件平臺(tái)所需要完成的總體功能和基本性能指標(biāo):節(jié)點(diǎn)需要完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù) 采集、信號(hào)處理和控制、多種供電方式多種功能，節(jié)點(diǎn)要求具有較高的系統(tǒng)可靠性和集成度，較 好的實(shí)時(shí)分析與處理能力，實(shí)時(shí)信息采集和處理，并且具備長(zhǎng)時(shí)間低能耗的工作條件，
步驟2)確定無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的輸入輸出分為發(fā)送和接收超聲波兩部分，發(fā)送端要求輸 入信號(hào)控制超聲波的發(fā)送，接收端根據(jù)接收的超聲波信號(hào)輸出一個(gè)識(shí)別信號(hào)，包括了信息發(fā)送、 接收和處理，完成超聲波信號(hào)的實(shí)時(shí)發(fā)哮和接收處理，
步驟3)明確節(jié)點(diǎn)信號(hào)類型與數(shù)據(jù)特性發(fā)送節(jié)點(diǎn)信號(hào)是傳輸于38KHZ—40KHZ的超聲波方波， 具體調(diào)制方法可以通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，接收節(jié)點(diǎn)經(jīng)電路處理，傳輸一個(gè)下降沿信號(hào)，無(wú)線節(jié)點(diǎn)通過(guò) 軟件處理這個(gè)信號(hào)，
步驟4)節(jié)點(diǎn)的執(zhí)行方式與功能實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)51針接口與無(wú)線節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接，在無(wú)線節(jié) 點(diǎn)的控制與監(jiān)視下，即可執(zhí)行相關(guān)操作，完成應(yīng)用任務(wù)，
步驟5)節(jié)點(diǎn)的基本構(gòu)架設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)的基本構(gòu)架遵循一般嵌入式產(chǎn)品的基本模式，同時(shí)，基于 實(shí)際應(yīng)用的需要，在各個(gè)層面上都有所擴(kuò)展，節(jié)點(diǎn)基本構(gòu)架由三個(gè)層面組成，自下而上分別是 供電部件層，數(shù)據(jù)處理控制層和超聲波信號(hào)層；
步驟6)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案的描述系統(tǒng)采用自頂向下的方法將本節(jié)點(diǎn)的功能部件進(jìn)行模塊劃分， 主要包括信號(hào)感知模塊、處理控制模塊和供電模塊，
步驟7)信息感知模塊的實(shí)現(xiàn)信息感知模塊使用通用超聲波發(fā)送接收頭，提供超聲波信息的 采集工作，與處理控制模塊相連，實(shí)現(xiàn)超聲波信號(hào)的發(fā)送和接收，
步驟8)處理控制模塊的實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的處理控制模塊是整個(gè)節(jié)點(diǎn)的核心模塊，進(jìn)行信號(hào)發(fā)送接 收處理以及與無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行交互，將信息感知模塊采集到的超聲波信息轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的形 式，并通過(guò)51針標(biāo)準(zhǔn)串行接口與無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行交流，發(fā)送部分控制超聲波信號(hào)的發(fā)送，接 收部分處理超聲波信號(hào)的接收處理，無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)利用51針標(biāo)準(zhǔn)串行接口控制和接收超聲波信
j息，
步驟9)供電模塊的實(shí)現(xiàn)供電模塊為上述所有模塊提供能源供給，給出三種供電方式，用戶 可在不同供電方式下進(jìn)行切換，為處理控制模塊和信號(hào)感知模塊供電，
步驟IO)根據(jù)本系統(tǒng)的規(guī)模和硬件平臺(tái)的復(fù)雜程度，采用分塊式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式，將系統(tǒng)整體按照功能進(jìn)行劃分，包括信號(hào)感知模塊、處理控制模塊和供電模塊，在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，每一 個(gè)模塊都對(duì)應(yīng)了相應(yīng)的系統(tǒng)功能，并最終通過(guò)系統(tǒng)總線相連接，完成UsCell節(jié)點(diǎn)的整體功能的實(shí) 現(xiàn)，
步驟ll)超聲波發(fā)送接收設(shè)備的選擇超聲波發(fā)射接收采用收發(fā)TR-40系列通用型超聲波發(fā) 射接收傳感器，它是采用壓電效應(yīng)工作的傳感器，其振子用壓電陶制成，加上共振喇叭可提高動(dòng) 作靈敏度，當(dāng)處于發(fā)射狀態(tài)時(shí)，外加共振頻率的電壓能產(chǎn)生超聲波，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能；當(dāng)處 于接收狀態(tài)時(shí)，又能很靈敏的探測(cè)到共振頻率的超聲波，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，
步驟12)發(fā)送控制芯片的選擇超聲波發(fā)射端把從單片機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的40KHZ的方波進(jìn)行整波， 并把方波送給超聲波壓電式發(fā)射頭，向外界發(fā)送超聲波信號(hào)，選擇高速硅門(mén)CMOS設(shè)備和低功耗肖 特基晶體管邏輯電路引腳的六通道反相器74HC04產(chǎn)生兩個(gè)波形相反的方波信號(hào)送給發(fā)射頭的兩 端，
步驟13)接收處理芯片的選擇:超聲波接收端利用超聲波接收頭接收發(fā)射端發(fā)送的40KHZ方波， 把方波信號(hào)送給紅外遙控接收器CX20106進(jìn)行分析，產(chǎn)生一個(gè)下降沿發(fā)送給單片機(jī)進(jìn)行處理，帶通 濾波器的中心頻率可由電阻調(diào)節(jié)，范圍30—60KHz，
步驟14)電源芯片的選擇超聲波傳感器電路芯片74HC04和CX20106的典型工作電壓都是5V， 根據(jù)設(shè)計(jì)思想，提供三種供電方式①輸入5 18V的交流電壓轉(zhuǎn)化為5V的直流電壓②5 18V的直 流電壓轉(zhuǎn)化為5V的直流電壓(D把節(jié)點(diǎn)上提供的3. 3V的直流電壓轉(zhuǎn)化為5V的直流電壓。
有益效果作為利用超聲波收發(fā)進(jìn)行位置感知工作的UsCell節(jié)點(diǎn)具有以下一些優(yōu)點(diǎn)和有益 成果
較低的復(fù)雜度設(shè)計(jì)考慮到本節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)是為了進(jìn)行室內(nèi)距離測(cè)量，所以為了獲得更加準(zhǔn)確 的時(shí)間信息，需要節(jié)點(diǎn)具有更快的反映速度，因此在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)注重時(shí)間復(fù)雜度方面的考慮，利 用現(xiàn)有無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)51針標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展接口控制超聲波節(jié)點(diǎn)的收發(fā).，根據(jù)超聲波收發(fā)頭的性能 參數(shù)選擇發(fā)送和接收處理芯片，接收芯片直接對(duì)超聲波信號(hào)進(jìn)行處理，把簡(jiǎn)單的識(shí)別信號(hào)送給無(wú) 線傳感器節(jié)點(diǎn)，減少無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理時(shí)間。
多種供電方式為了使Uscell應(yīng)用于更廣泛的環(huán)境下，提供了多種供電方式，滿足各種不同 的需要，變壓時(shí)采用高效的變壓芯片，減少了發(fā)熱量、提高了電能轉(zhuǎn)化效率，使整個(gè)系統(tǒng)能夠更 持久的工作。圖2所示分別為節(jié)點(diǎn)的發(fā)射和接收原理圖。
較強(qiáng)的抗干擾設(shè)計(jì)本發(fā)明的節(jié)點(diǎn)，由于其主要工作在室內(nèi)這個(gè)復(fù)雜的環(huán)境下，在較高的性 能要求的同時(shí)，也對(duì)系統(tǒng)的抗干擾能力提出了越來(lái)越高的要求。Uscell節(jié)點(diǎn)從抑制干擾源，切斷 傳播路徑和提高敏感元器件的抗干擾能力等多方面降低干擾，提高平臺(tái)的可靠性。在芯片布局上 經(jīng)過(guò)多方面的考慮，主要考慮電源芯片和超聲波處理芯片及超聲波發(fā)射接收頭之間的干擾，將干 擾源與敏感器件分離；布線也經(jīng)過(guò)一定的考慮，將超聲波收發(fā)節(jié)點(diǎn)與無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)共地；為了 提高超聲波的發(fā)射距離，利用上拉電阻提高超聲波發(fā)射端的電壓，提高了發(fā)射功率。圖3所示分 別為節(jié)點(diǎn)發(fā)射和接收的PCB圖。
較低的硬件制作成本作為測(cè)距使用傳感器部件，超聲波收發(fā)節(jié)點(diǎn)應(yīng)當(dāng)根據(jù)測(cè)距需要遍布于
網(wǎng)絡(luò)各處，如果單個(gè)節(jié)點(diǎn)成本過(guò)高，必然會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)化的布局。本發(fā)明的UsCell節(jié)點(diǎn)的主要 部分采用單層板布線策略，整體布線合理，內(nèi)部元件具有較高的性能價(jià)格比，使得節(jié)點(diǎn)整體的制 作成本降低。


圖1是UsCell節(jié)點(diǎn)的整體模塊組成圖。表示整個(gè)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)基本模塊組成。
圖2是本發(fā)明的發(fā)送的節(jié)點(diǎn)原理圖。圖3是本發(fā)明的接收節(jié)點(diǎn)原理圖。
圖4是本發(fā)明詳細(xì)的結(jié)構(gòu)劃分圖。表示了本節(jié)點(diǎn)詳細(xì)的模塊結(jié)構(gòu)和各個(gè)部分之間的協(xié)同關(guān)系。
具體實(shí)施例方式
作為具有超聲波收發(fā)功能的UsCell (本發(fā)明節(jié)點(diǎn)的命名〉節(jié)點(diǎn)，主要由多種供電方式、超聲 波處理芯片和超聲波發(fā)射接收頭組成。擁有多方式供電、 一定距離超聲波收發(fā)等功能。實(shí)用性強(qiáng)， 應(yīng)用范圍廣泛。發(fā)射端節(jié)點(diǎn)通過(guò)51標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展接口與無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)相連，由無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)控制 超聲波發(fā)射頭的發(fā)射；接收端節(jié)點(diǎn)由超聲波接收頭接收發(fā)射頭的超聲波信號(hào)并進(jìn)行處理，通過(guò)51 針標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展接口發(fā)中斷信號(hào)給無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)超聲波信號(hào)的收發(fā)。
本發(fā)明提出了一種由無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)控制超聲波信號(hào)收發(fā)的超聲波收發(fā)節(jié)點(diǎn)裝置。整個(gè) 節(jié)點(diǎn)裝置包括了超聲波發(fā)送控制和接收處理模塊，超聲波發(fā)射接收模塊和多方式供電模塊。上述 三個(gè)模塊通過(guò)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的有機(jī)控制，進(jìn)行超聲波信號(hào)的收發(fā)，信息處理，實(shí)時(shí)控制等一系 列工作。整個(gè)系統(tǒng)的模塊組成圖如圖1所示。
超聲波發(fā)送控制和接收處理模塊是整個(gè)超聲波收發(fā)節(jié)點(diǎn)的核心部分,負(fù)責(zé)整個(gè)UsCell節(jié)點(diǎn)的 發(fā)射控制和接收處理等關(guān)鍵功能。本發(fā)明中，采用了低功耗高性能的超聲波發(fā)射信號(hào)處理芯片和 接收信號(hào)分析芯片，復(fù)雜度低，整個(gè)UsCell的處理速度和準(zhǔn)確度較高，通過(guò)51針標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展接口 與無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)連接，穩(wěn)定性好。
超聲波發(fā)送接收模塊主要負(fù)責(zé)超聲波信號(hào)的收發(fā)，采用T/R_40系列壓電式超聲波傳感器， 適用于以空氣作為傳播媒介的遙控發(fā)射、，接收電路中使用。工作頻率在(40±1) KHZ,輸出功率 大，靈敏度高，工作穩(wěn)定，發(fā)射角度廣，覆蓋面積大。
多方式供電模塊為UsCell節(jié)點(diǎn)提供運(yùn)行所需要的全部能量。在本發(fā)明中，提供了三種供電方 式①節(jié)點(diǎn)的直流電源升壓的供電方式；②外接直流電源降壓的供電方式；(D外接交流電源轉(zhuǎn)直 流再降壓的供電方式。他們之間通過(guò)開(kāi)關(guān)切換，為節(jié)點(diǎn)的持續(xù)工作提供保障。
超聲波收發(fā)節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)方法所包含的步驟為
步驟l)明確傳感器硬件平臺(tái)所需要完成的總體功能和基本性能指標(biāo):節(jié)點(diǎn)需要完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù) 采集、信號(hào)處理和控制、多種供電方式多種功能，節(jié)點(diǎn)要求具有較高的系統(tǒng)可靠性和集成度，較 好的實(shí)時(shí)分析與處理能力，實(shí)時(shí)信息采集和處理，并且具備長(zhǎng)時(shí)間低能耗的工作條件，
步驟2)確定無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的輸入輸出分為發(fā)送和接收超聲波兩部分，發(fā)送端要求輸 入信號(hào)控制超聲波的發(fā)送，接收端根據(jù)接收的超聲波信號(hào)輸出一個(gè)識(shí)別信號(hào)，包括了信息發(fā)送、 接收和處理，完成超聲波信號(hào)的實(shí)時(shí)發(fā)送和接收處理，
步驟3)明確節(jié)點(diǎn)信號(hào)類型與數(shù)據(jù)特性發(fā)送節(jié)點(diǎn)信號(hào)是傳輸于38KHZ—40KHZ的超聲波方波， 具體調(diào)制方法可以通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，接收節(jié)點(diǎn)經(jīng)電路處理，傳輸一個(gè)下降沿信號(hào)，無(wú)線節(jié)點(diǎn)通過(guò) 軟件處理這個(gè)信號(hào)，
步驟4)節(jié)點(diǎn)的執(zhí)行方式與功能實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)51針接口與無(wú)線節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接，在無(wú)線節(jié) 點(diǎn)的控制與監(jiān)視下，即可執(zhí)行相關(guān)操作，完成應(yīng)用任務(wù)，
步驟5)節(jié)點(diǎn)的基本構(gòu)架設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)的基本構(gòu)架遵循一般嵌入式產(chǎn)品的基本模式，同時(shí)，基于 實(shí)際應(yīng)用的需要，在各個(gè)層面上都有所擴(kuò)展，節(jié)點(diǎn)基本構(gòu)架由三個(gè)層面組成，自下而上分別是
供電部件層，數(shù)據(jù)處理控制層和超聲波信號(hào)層；
步驟6)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案的描述系統(tǒng)采用自頂向下的方法將本節(jié)點(diǎn)的功能部件進(jìn)行模塊劃分，主要包括信號(hào)感知模塊、處理控制模塊和供電模塊，
7)信息鏵知模塊的實(shí)現(xiàn)信息感知模塊使用通用超聲波發(fā)送接收頭，提供超聲波信息的 采集工作，與處理控制模塊相連，實(shí)現(xiàn)超聲波信號(hào)的發(fā)送和接收，
步驟8)處理控制模塊的實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的處理控制模塊是整個(gè)節(jié)點(diǎn)的核心模塊，進(jìn)行信號(hào)發(fā)送接 收處理以及與無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行交互，將信息感知模塊采集到的超聲波信息轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的形 式，并通過(guò)51針標(biāo)準(zhǔn)串行接口與無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行交流，發(fā)送部分控制超聲波信號(hào)的發(fā)送，接 收部分處理超聲波信號(hào)的接收處理，無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)利用51針標(biāo)準(zhǔn)串行接口控制和接收超聲波信 息，
步驟9)供電模塊的實(shí)現(xiàn)供電模塊為上述所有模塊提供能源供給，給出三種供電方式，用戶 可在不同供電方式下進(jìn)行切換，為處理控制模塊和信號(hào)感知模塊供電，
步驟IO)根據(jù)本系統(tǒng)的規(guī)模和硬件平臺(tái)的復(fù)雜程度，采用分塊式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式，將系統(tǒng)整 體按照功能進(jìn)行劃分，包括信號(hào)感知模塊、處理控制模塊和供電模塊，在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，每一 個(gè)模塊都對(duì)應(yīng)了相應(yīng)的系統(tǒng)功能，并最終通過(guò)系統(tǒng)總線相連接，完成UsCell節(jié)點(diǎn)的整體功能的實(shí)
現(xiàn)，
步驟ll)超聲波發(fā)送接收設(shè)備的選擇超聲波發(fā)射接收采用收發(fā)TR-40系列通用型超聲波發(fā)
射接收傳感器，它是采用壓電效應(yīng)工作的傳感器，其振子用壓電陶制成，加上共振喇叭可提高動(dòng)
作靈敏度，當(dāng)處于發(fā)射狀態(tài)時(shí)，外加共振頻率的電壓能產(chǎn)生超聲波，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能；當(dāng)處
于接收狀態(tài)時(shí)，又能很靈敏的探測(cè)到共振頻率的超聲波，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，
步驟12)發(fā)送控制芯片的選擇超聲波發(fā)射端把從單片機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的40KHZ的方波進(jìn)行整波， 并把方波送給超聲波壓電式發(fā)射頭，向外畀發(fā)送超聲波信號(hào)，選擇高速硅門(mén)Q10S設(shè)備和低功耗肖 特基晶體管邏輯電路引腳的六通道反相器74HC04產(chǎn)生兩個(gè)波形相反的方波信號(hào)送給發(fā)射頭的兩 端，
步驟13)接收處理芯片的選擇:超聲波接收端利用超聲波接收頭接收發(fā)射端發(fā)送的40KHZ方波， 把方波信號(hào)送給紅外遙控接收器CX20106進(jìn)行分析，產(chǎn)生一個(gè)下降沿發(fā)送給單片機(jī)進(jìn)行處理，帶通 濾波器的中心頻率可由電阻調(diào)節(jié)，范圍30—60KHz，
步驟14)電源芯片的選擇超聲波傳感器電路芯片74HC04和CX20106的典型工作電壓都是5V， 根據(jù)設(shè)計(jì)思想，提供三種供電方式①輸入5 18V的交流電壓轉(zhuǎn)化為5V的直流電壓②5 18V的直 流電壓轉(zhuǎn)化為5V的直流電壓③把節(jié)點(diǎn)上提供的3. 3V的直流電壓轉(zhuǎn)化為5V的直流電壓，
步驟15)節(jié)點(diǎn)的電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)在電路設(shè)計(jì)中，從集成模塊，到基本元件，都盡可能采用了 典型的器件，促進(jìn)了硬件系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化。
步驟16)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)采用了一系列較為先進(jìn)的電路CAD軟件進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和較大 規(guī)模集成電路的設(shè)計(jì)。通用性強(qiáng)，開(kāi)發(fā)效率高。系統(tǒng)的主要模塊均釆用了Protel99完成硬件電路 的設(shè)計(jì)與繪制。鑒于本產(chǎn)品的部分元器件并沒(méi)有預(yù)定義的封裝形式，在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，加入了對(duì)于 這些器件的封裝的定義，并已經(jīng)打包到了其封裝庫(kù)當(dāng)中，以便今后擴(kuò)展使用?？紤]到集成性，抗 干擾能力，以及系統(tǒng)各項(xiàng)性能指標(biāo)的要求，在滿足功能需要的情況下降低成本，本發(fā)明采用了單 層板布線的策略，通過(guò)手動(dòng)布線和自動(dòng)布線相結(jié)合的方式進(jìn)行。
步驟17)硬件平臺(tái)的可靠性設(shè)計(jì)和抗干擾性能。實(shí)際應(yīng)用中的超聲波收發(fā)節(jié)點(diǎn)，工作于各種 復(fù)雜的環(huán)境中，在較高性能要求的同時(shí)，也對(duì)系統(tǒng)的可靠性提出了越來(lái)越高的要求，特別是應(yīng)用 于室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境下。本發(fā)明從抑制干擾源，切斷傳播路徑和提高敏感元器件的抗干擾能力等多方 面降低干擾，提高平臺(tái)的可靠性。采用共地的方式把無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)和超聲波收發(fā)節(jié)點(diǎn)連接起來(lái)，提供穩(wěn)定一致的超聲波信號(hào)。在傳播路徑抑制方面，本發(fā)明充分考慮了電源對(duì)于片上系統(tǒng)的噪聲 影響,"設(shè)計(jì)出帶有濾波電路的穩(wěn)定電源，在I/0口與噪聲源之間同樣加以隔離，同時(shí)，電路板合理 分區(qū)，將干擾源與敏感器件分離。本發(fā)明為提高敏感元器件的抗干擾能力，進(jìn)行了多方面改進(jìn)。
步驟18)與系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)同時(shí)開(kāi)展的是系統(tǒng)的軟件功能設(shè)計(jì)。編寫(xiě)超聲波發(fā)送信號(hào)程序和 超聲波接收信號(hào)處理程序?qū)τ布?jié)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，以便于進(jìn)一步對(duì)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)。
步驟19)節(jié)點(diǎn)的軟件調(diào)試本發(fā)明使用AVR Studio進(jìn)行軟件調(diào)試。這是一個(gè)集項(xiàng)目管理，程 序編譯，程序調(diào)試，程序下載，JTAG仿真等功能于一身的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。允許用戶進(jìn)行AVR在線 實(shí)時(shí)仿真或模擬。在進(jìn)行仿真之前，需要使用第三方編譯器將源文件編譯為可仿真的.cof文件 或.hex文件。
步驟20)系統(tǒng)級(jí)硬件仿真。本發(fā)明使用JTAG (Joint Test Action Gro叩)在線仿真器完成硬 件仿真。通過(guò)燒制平臺(tái)，將本發(fā)明的超聲波節(jié)點(diǎn)與無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)相連，把應(yīng)用程序燒制到無(wú)線 傳感器節(jié)點(diǎn)中，完成相應(yīng)的應(yīng)用功能。
本發(fā)明的超聲波收發(fā)節(jié)點(diǎn)以處理控制模塊為中心，信息感知模塊與處理控制模塊雙向聯(lián)通， 供電模塊由三種供電方式為整個(gè)節(jié)點(diǎn)提供能源。
UsCell超聲波收發(fā)節(jié)點(diǎn)具體實(shí)現(xiàn)方式和開(kāi)發(fā)步驟為
(1) 在對(duì)超聲波原理及測(cè)距領(lǐng)域進(jìn)行深入具體研究的基礎(chǔ)上，明確超聲波收發(fā)節(jié)點(diǎn)所需要完 成的總體功能和基本的性能指標(biāo)。針對(duì)實(shí)際應(yīng)用的需求，UsCell節(jié)點(diǎn)需要完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送和采 集，信號(hào)處理，多種供電方式等多種功能。為了達(dá)到上述的各項(xiàng)基本功能，UsCell節(jié)點(diǎn)具有了較 高的系統(tǒng)可靠性和集成度，較好的實(shí)時(shí)分析與處理能力，并且具備長(zhǎng)時(shí)間低能耗的工作條件。
(2) 明確系統(tǒng)應(yīng)用所必須達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)。
a) 系統(tǒng)的輸入輸出
本發(fā)明的節(jié)點(diǎn)分為發(fā)送和接收超聲波兩部分，發(fā)送端要求輸入信號(hào)控制超聲波的發(fā)送，接收 端根據(jù)接收的超聲波信號(hào)輸出一個(gè)識(shí)別信號(hào)，包括了信息發(fā)送、接收和處理。較好的完成了超聲 波信號(hào)的實(shí)時(shí)發(fā)送和接收處理。
b) 節(jié)點(diǎn)信號(hào)類型與數(shù)據(jù)特性
發(fā)送節(jié)點(diǎn)信號(hào)是傳輸于38KHZ—40KHZ的超聲波方波，具體調(diào)制方法可以通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。接 收節(jié)點(diǎn)經(jīng)電路處理，傳輸一個(gè)下降沿信號(hào)，無(wú)線節(jié)點(diǎn)通過(guò)軟件處理這個(gè)信號(hào)。
c) 節(jié)點(diǎn)的執(zhí)行方式與功能實(shí)現(xiàn)
節(jié)點(diǎn)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)51針接口與無(wú)線節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接，在無(wú)線節(jié)點(diǎn)的控制與監(jiān)視下，即可執(zhí)行相關(guān)操 作，完成應(yīng)用任務(wù)。
(3) 節(jié)點(diǎn)的基本構(gòu)架設(shè)計(jì)。本發(fā)明節(jié)點(diǎn)的基本構(gòu)架遵循了一般嵌入式產(chǎn)品的基本模式。節(jié)點(diǎn) 基本構(gòu)架由三個(gè)層面組成，自下而上分別是供電部件層，數(shù)據(jù)處理控制層和超聲波信號(hào)層。
a) 供電部件層
供電功能部件層是整個(gè)節(jié)點(diǎn)能正常工作的基礎(chǔ)，使用超聲波的設(shè)備T般功耗比較大，本發(fā)明
的超聲波設(shè)備應(yīng)用于室內(nèi)，對(duì)節(jié)點(diǎn)的持續(xù)性要求較高。供電層提供三種供電方式，效率高，節(jié)點(diǎn) 工作時(shí)間較長(zhǎng)。
b) 數(shù)據(jù)處理控制層-
數(shù)據(jù)處理控制層是整個(gè)節(jié)點(diǎn)的底層平臺(tái)與硬件基礎(chǔ)。包括了節(jié)點(diǎn)所有的硬件模塊組成與無(wú)線 節(jié)點(diǎn)連接的集合。將超聲波節(jié)點(diǎn)和無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行綜合并協(xié)調(diào)工作。同時(shí)，定義了節(jié)點(diǎn)的發(fā) 送接收信號(hào)處理。
9c)超聲波信號(hào)層
超聲波信號(hào)層利用超聲波發(fā)射接收頭來(lái)實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)送和接收，實(shí)現(xiàn)超聲波信號(hào)的感知。 節(jié)點(diǎn)的基本構(gòu)架設(shè)計(jì)如圖4所示。
(4) 進(jìn)行節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案的描述。系統(tǒng)采用自頂向下的方法將本節(jié)點(diǎn)的功能部件進(jìn)行模塊劃分。
主要包括信號(hào)感知模塊、處理控制模塊和供電模塊。
a) 信號(hào)感知模塊
信息感知模塊使用通用超聲波發(fā)送接收頭，提供超聲波信息的采集工作。與處理控制模塊相 連，實(shí)現(xiàn)超聲波信號(hào)的發(fā)送和接收。
b) 處理控制模塊
本發(fā)明節(jié)點(diǎn)的處理控制模塊是整個(gè)節(jié)點(diǎn)的核心模塊，進(jìn)行信號(hào)發(fā)送接收處理以及與無(wú)線傳感
器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行交互。將信息感知模塊采集到的超聲波信息轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的形式，并通過(guò)51針標(biāo)準(zhǔn)串
行接口與無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行交流。發(fā)送部分控制超聲波信號(hào)的發(fā)送，接收部分處理超聲波信號(hào)
的接收處理。無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)利用51針標(biāo)準(zhǔn)串行接口控制和接收超聲波信息。
c) 供電模塊
供電模塊為上述所有模塊提供能源供給，給出三種供電方式，用戶可在不同供電方式下進(jìn)行 切換，為處理控制模塊和信號(hào)感知模塊供電。
節(jié)點(diǎn)內(nèi)各個(gè)模塊的層次劃分與相互調(diào)用關(guān)系如圖5所示。
(5) 實(shí)施UsCell的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。根據(jù)本系統(tǒng)的規(guī)模和硬件平臺(tái)的復(fù)雜程度，采用了分塊式 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式。將系統(tǒng)整體按照功能進(jìn)行劃分。包括了信號(hào)感知模塊、處理控制模塊和供電模 塊。在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，每一個(gè)模塊都對(duì)應(yīng)了相應(yīng)的系統(tǒng)功能，并最終通過(guò)系統(tǒng)總線相連接，完 成UsCell節(jié)點(diǎn)的整體功能的實(shí)現(xiàn)。采用分塊式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不僅有利于嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的軟硬件 協(xié)同設(shè)計(jì)，同時(shí)有有助于提高系統(tǒng)的可靠性，因?yàn)橐坏?yīng)用系統(tǒng)發(fā)生故障，則只要更改相應(yīng)的電 路模塊即可。
(6) 接下來(lái)的步驟是進(jìn)行系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。在實(shí)際操作中，采用了軟硬件并行開(kāi)發(fā)的 協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)。硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中包括了這樣幾個(gè)方面與步驟
a) 超聲波發(fā)送接收設(shè)備的選擇
超聲波發(fā)射接收采用收發(fā)TR-40系列通用型超聲波發(fā)射接收傳感器，它是采用壓電效應(yīng)工作的 傳感器。其振子用壓電陶制成，加上共振喇叭可提高動(dòng)作靈敏度，當(dāng)處于發(fā)射狀態(tài)時(shí)，外加共振 頻率的電壓能產(chǎn)生超聲波，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。當(dāng)處于接收狀態(tài)時(shí)，又能很靈敏的探測(cè)到共振 頻率的超聲波，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。
b) 發(fā)送控制芯片的選擇
超聲波發(fā)射端把從單片機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的40KHZ的方波進(jìn)行整波,并把方波送給超聲波壓電式發(fā)射 頭，向外界發(fā)送超聲波信號(hào)。選擇高速硅門(mén)CMOS設(shè)備和低功耗肖特基晶體管邏輯電路引腳的六通 道反相器74HC04產(chǎn)生兩個(gè)波形相反的方波信號(hào)送給發(fā)射頭的兩端。
c) 接收處理芯片的選擇
超聲波接收端利用超聲波接收頭接收發(fā)射端發(fā)送的40KHZ方波，把方波信號(hào)送給CX20106進(jìn) 行分析，產(chǎn)生一個(gè)下降沿發(fā)送給單片機(jī)進(jìn)行處理。CX20106是日本索尼公司生產(chǎn)的紅外遙控接收 器，帶通濾波器的中心頻率可由電阻調(diào)節(jié)，范圍30—60KHz,所以使用此芯片對(duì)40KHZ的超聲波 方波進(jìn)行處理。
本發(fā)明在電路設(shè)計(jì)中，從集成模塊，到基本元件，都盡可能采用了典型的器件，促進(jìn)了硬件系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化。同時(shí)，全面規(guī)劃了系統(tǒng)的軟硬件資源，在進(jìn)行開(kāi)發(fā)的過(guò)程中充分考慮了 系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，從而有利于系統(tǒng)的二次開(kāi)發(fā)。
d) 電源芯片的選擇
超聲波傳感器電路芯片74HC04和CX20106的典型工作電壓都是5V，根據(jù)設(shè)計(jì)思想，提供三 種供電方式①輸入5~18V的交流電壓轉(zhuǎn)化為5V的直流電壓②5 18V的直流電壓轉(zhuǎn)化為5V的 直流電壓③把節(jié)點(diǎn)上提供的3. 3V的直流電壓轉(zhuǎn)化為5V的直流電壓。由于方式(Dd)的原理基本相 同，不同是①中需要把5 18V的交流電壓轉(zhuǎn)化為5~18V的直流電壓，所以可以把方式①②放在 一起設(shè)計(jì)。選擇高性能芯片，提供供電效率。
e) 硬件平臺(tái)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)
本發(fā)明采用了一系列較為先進(jìn)的電路CAD軟件進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和較大規(guī)模集成電路的設(shè)計(jì)。通用 性強(qiáng)，開(kāi)發(fā)效率高。系統(tǒng)的主要模塊均采用了Protel99完成硬件電路的設(shè)計(jì)與繪制。鑒于本產(chǎn)品 的部分元器f牛并沒(méi)有預(yù)定義的封裝形式，在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，加入了對(duì)于這些器件的封裝的定義，并 己經(jīng)打包到了其封裝庫(kù)當(dāng)中，以便今后擴(kuò)展使用?？紤]到集成性，抗干擾能力，以及系統(tǒng)各項(xiàng)性 能指標(biāo)的要求，在滿足功能需要的情況下降低成本，本發(fā)明采用了單層板布線的策略，通過(guò)手動(dòng) 布線和自動(dòng)布線相結(jié)合的方式進(jìn)行。本發(fā)明的原理圖如圖2所示，PCB圖如圖3所示。
f) 硬件平臺(tái)的可靠性設(shè)計(jì)和抗干擾性能
實(shí)際應(yīng)用中的超聲波收發(fā)節(jié)點(diǎn)，工作于各種復(fù)雜的環(huán)境中，在較高性能要求的同時(shí)，也對(duì)系 統(tǒng)的可靠性提出了越來(lái)越高的要求，特別是應(yīng)用于室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境下。本發(fā)明從抑制干擾源，切斷 傳播路徑和提高敏感元器件的抗千擾能力等多方面降低干擾，提高平臺(tái)的可靠性。采用共地的方 式把無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)和超聲波收發(fā)節(jié)點(diǎn)等接起來(lái)，提供穩(wěn)定一致的超聲波信號(hào)。在傳播路徑抑制 方面，本發(fā)明充分考慮了電源對(duì)于片上系統(tǒng)的噪聲影響，設(shè)計(jì)出帶有濾波電路的穩(wěn)定電源，在1/0 口與噪聲源之間同樣加以隔離，同時(shí)，電路板合理分區(qū)，將干擾源與敏感器件分離。本發(fā)明為提 髙敏感元器《牛的抗干擾能力，進(jìn)行了多方面改進(jìn)。
(7)與系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)同時(shí)開(kāi)展的是系統(tǒng)的軟件功能設(shè)計(jì)。編寫(xiě)超聲波發(fā)送信號(hào)程序和超聲 波接收信號(hào)處理程序?qū)τ布?jié)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，以便于進(jìn)一步對(duì)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)。
權(quán)利要求
1. 一種超聲波收發(fā)節(jié)點(diǎn)，其特征在于該傳感器節(jié)點(diǎn)以處理控制模塊(1)為中心，信息感知模塊(2)與處理控制模塊(1)單向聯(lián)通，供電模塊(3)通過(guò)集成供電方式為整個(gè)節(jié)點(diǎn)提供能源；其中，處理控制模塊(1)包括發(fā)射部分六通道反相器74HC04，接受部分紅外遙控接收器CX20106；信息感知模塊(2)包括TR-40系列通用型超聲波發(fā)射接收傳感器；供電模塊(3)由無(wú)線節(jié)點(diǎn)供電、交流轉(zhuǎn)直流和直流轉(zhuǎn)直流的三種供電方式組成；發(fā)送部分的處理控制模塊通過(guò)第一個(gè)51針端口(A)與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)相連，接收來(lái)自無(wú)線節(jié)點(diǎn)的控制信號(hào)，處理后控制信息感知模塊發(fā)送超聲波信號(hào)；接收部分接收來(lái)自信息感知模塊的超聲波信號(hào)，處理后通過(guò)第二個(gè)51針端口(B)發(fā)送給無(wú)線節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)信號(hào)；供電模塊處理來(lái)自無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)第三個(gè)51針端口(C)或外接5～18伏直流電源和交流電源，為收發(fā)節(jié)點(diǎn)供電。
2. —種超聲波收發(fā)節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于超聲波收發(fā)節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)方法所包含的步驟為步驟l)明確傳感器硬件平臺(tái)所需要完成的總體功能和基本性能指標(biāo)節(jié)點(diǎn)需要完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理和控制、多種供電方式去種功能，節(jié)點(diǎn)要求具有較高的系統(tǒng)可靠性和集成度，較 好的實(shí)時(shí)分析與處理能力，實(shí)時(shí)信息采集和處理，并且具備長(zhǎng)時(shí)間低能耗的工作條件，步驟2)確定無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的輸入輸出分為發(fā)送和接收超聲波兩部分，發(fā)送端要求輸入信號(hào)控制超聲波的發(fā)送，接收端根據(jù)接收的超聲波信號(hào)輸出一個(gè)識(shí)別信號(hào)，包括了信息發(fā)送、 接收和處理，完成超聲波信號(hào)的實(shí)時(shí)發(fā)送和接收處理，步驟3)明確節(jié)點(diǎn)信號(hào)類型與數(shù)據(jù)特性發(fā)送節(jié)點(diǎn)信號(hào)是傳輸于38KHZ—40KHZ的超聲波方 波，具體調(diào)制方法可以通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，接收節(jié)點(diǎn)經(jīng)電路處理，傳輸一個(gè)下降沿信號(hào)，無(wú)線節(jié)點(diǎn) 通過(guò)軟件處理這個(gè)信號(hào)，步驟4)節(jié)點(diǎn)的執(zhí)行方式與功能實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)51針接口與無(wú)線節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接，在無(wú)線節(jié) 點(diǎn)的控制與監(jiān)視下，即可執(zhí)行相關(guān)操作，完成應(yīng)用任務(wù)，步驟5)節(jié)點(diǎn)的基本構(gòu)架設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)的基本構(gòu)架遵循一般嵌入式產(chǎn)品的基本模式，同時(shí)，基于 實(shí)際應(yīng)用的需要，在各個(gè)層面上都有所擴(kuò)展，節(jié)點(diǎn)基本構(gòu)架由三個(gè)層面組成，自下而上分別是 供電部件層，數(shù)據(jù)處理控制層和超聲波信號(hào)層；步驟6)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案的描述系統(tǒng)采用自頂向下的方法將本節(jié)點(diǎn)的功能部件進(jìn)行模塊劃分，主要包括信號(hào)感知模塊、處理控制模塊和供電模塊，步驟7)信息感知模塊的實(shí)現(xiàn)信息感知模塊使用通用超聲波發(fā)送接收頭，提供超聲波信息的 采集工作，與處理控制模塊相連，實(shí)現(xiàn)超聲波信號(hào)的發(fā)送和接收，步驟8)處理控制模塊的實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的處理控制模塊是整個(gè)節(jié)點(diǎn)的核心模塊，進(jìn)行信號(hào)發(fā)送接 收處理以及與無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行交互，將信息感知模塊采集到的超聲波信息轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的形 式，并通過(guò)51針標(biāo)準(zhǔn)串行接口與無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行交流，發(fā)送部分控制超聲波信號(hào)的發(fā)送，接 收部分處理超聲波信號(hào)的接收處理，無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)利用51針標(biāo)準(zhǔn)串行接口控制和接收超聲波信 息，步驟9)供電模塊的實(shí)現(xiàn)供電模塊為上述所有模塊提供能源供給，給出三種供電方式，用戶 可在不同供電方式下進(jìn)行切換，為處理控制模塊和信號(hào)感知模塊供電，步驟IO)根據(jù)本系統(tǒng)的規(guī)模和硬件平臺(tái)的復(fù)雜程度，采用分塊式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式，將系統(tǒng)整 體按照功能進(jìn)行劃分，包括信號(hào)感知模塊、處理控制模塊和供電模塊，在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，每一 個(gè)模塊都對(duì)應(yīng)了相應(yīng)的系統(tǒng)功能，并最終通過(guò)系統(tǒng)總線相連接，完成UsCell節(jié)點(diǎn)的整體功能的實(shí) 現(xiàn)，步驟ll)超聲波發(fā)送接收設(shè)備的選擇超聲波發(fā)射接收釆用收發(fā)TR-40系列通用型超聲波發(fā) 射接收傳感器，它是采用壓電效應(yīng)工作的傳感器，其振子用壓電陶制成，加上共振喇叭可提高動(dòng) 作靈敏度，當(dāng)處于發(fā)射狀態(tài)時(shí)，外加共振頻率的電壓能產(chǎn)生超聲波，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能；當(dāng)處 于接收狀態(tài)時(shí)，又能很靈敏的探測(cè)到共振頻率的超聲波，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，步驟12)發(fā)送控制芯片的選擇超聲波發(fā)射端把從單片機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的40KHZ的方波進(jìn)行整波， 并把方波送給超聲波壓電式發(fā)射頭，向外界發(fā)送超聲波信號(hào)，選擇高速硅門(mén)CMOS設(shè)備和低功耗肖 特基晶體管邏輯電路引腳的六通道反相器74HC04產(chǎn)生兩個(gè)波形相反的方波信號(hào)送給發(fā)射頭的兩 端，步驟13)接收處理芯片的選擇超聲波接收端利用超聲波接收頭接收發(fā)射端發(fā)送的40KHZ方 波，把方波信號(hào)送給紅外遙控接收器CX20106進(jìn)行分析，產(chǎn)生一個(gè)下降沿發(fā)送給單片機(jī)進(jìn)行處理， 帶通濾波器的中心頻率可由電阻調(diào)節(jié)，范圍30—60KHz,步驟14)電源芯片的選擇超聲波傳感器電路芯片74HC04和CX20106的典型工作電壓都是 5V，根據(jù)設(shè)計(jì)思想，提供三種供電方式①輸入5 18V的交流電壓轉(zhuǎn)化為5V的直流電壓②5 18V 的直流電壓轉(zhuǎn)化為5V的直流電壓③把節(jié)點(diǎn)上提供的3. 3V的直流電壓轉(zhuǎn)化為5V的直流電壓。
全文摘要
一種超聲波收發(fā)節(jié)點(diǎn)及其實(shí)現(xiàn)方法涉及一種應(yīng)用于室內(nèi)測(cè)距的超聲波收發(fā)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法，給出了一個(gè)超聲波節(jié)點(diǎn)的實(shí)例，主要解決了高頻條件下的無(wú)線傳感問(wèn)題，該傳感器節(jié)點(diǎn)以處理控制模塊(1)為中心，信息感知模塊(2)與處理控制模塊(1)單向聯(lián)通，供電模塊(3)通過(guò)集成供電方式為整個(gè)節(jié)點(diǎn)提供能源；其中，處理控制模塊(1)包括發(fā)射部分六通道反相器74HC04，接受部分紅外遙控接收器CX20106；信息感知模塊(2)包括TR-40系列通用型超聲波發(fā)射接收傳感器；供電模塊(3)由無(wú)線節(jié)點(diǎn)供電、交流轉(zhuǎn)直流和直流轉(zhuǎn)直流的三種供電方式組成。節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)不僅在功能上實(shí)現(xiàn)超聲波接收和發(fā)送的功能，具有較低的能耗，通過(guò)不同的供電方式滿足各種需要。
文檔編號(hào)H04B11/00GK101430381SQ200810244030
公開(kāi)日2009年5月13日 申請(qǐng)日期2008年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月12日
發(fā)明者凡高娟, 寧 葉, 孫力娟, 超 沙, 王汝傳, 王玉斐, 志 陳, 馬守明, 博 高, 黃海平 申請(qǐng)人:南京郵電大學(xué)