基于CPLD的超声波倒车雷达.doc

KC021-1毕 业 设 计 说 明 书题目： 基于CPLD的超声波倒车雷达设计实现 二级学院（直属学部）： 专业： 班级： 0 学生姓名： 学号： 指导教师姓名： 职称： 评阅教师姓名： 职称： 2012 年 06 月摘要倒车雷达全称叫倒车防撞雷达，也叫泊车辅助装置，是汽车泊车或者倒车时的安全辅助装置。能以声音或者更为直观的显示告知驾驶员周围障碍物的情况，解除了驾驶员泊车、倒车和起动车辆时前后左右探视所引起的困扰，并帮助驾驶员扫除了视野死角和视线模糊的缺陷，提高驾驶的安全性。本文主要介绍了基于CPLD的超声波倒车雷达的设计，仿真和调试。本文所设计的倒车雷达可分为两部分：1.超声波测距部分：用超声波传感器做探头，用CPLD控制，获得障碍物的距离将数据输入控制芯片。2.CPLD控制部分：CPLD控制芯片要实现分频器，计数器，乘法器，译码器等功能。本文所采用的是ALTERA公司推出的MAXII系列芯片的ZRtech COREC-240U开发套件。使用QuartusII 进行软件的设计，所有的程序采用VHDL硬件描述语言，经过仿真后下载到开发板上验证，调试到整个系统正常工作。关键词：倒车雷达； CPLD； 超声波测距； QuartusIIAbstractThe backing car radar full name is backing car anti-collision radar also known as the parking assistant system, it is a safe auxiliary device when parking or reversing the car. It could make the driver known barriers around through the sound or a more intuitive display. It can solve the trouble of visit when the driver parking, reversing or starting the car. It can remove the vision dead ends and blurred vision to improve driving safe.This paper mainly introduces the design, simulation and test of backing car radar based on CPLD. The backing car radar in this paper can divided into two parts:1. the part of ultrasonic distance measurement: using the ultrasonic sensors as probe, using CPLD to control, when get the data from obstacles, put the data to the control chip. 2.CPLD control part: CPLD control chip should realize dividers, counters, multipliers and decoder functions. This paper using the developing package of ZRtech COREC-240U .It from the series of chip MAXII made by ALTERA. This paper using the QuartusII software to designing and using the VHDL hardware language to writing all the programs. Through simulations and tests until all the systems can work well.Keywords: backing car radar； CPLD；  ultrasonic ranging；  QuartusII目录摘要IABSTRACTII目录III第1章 倒车雷达简介11.1课题的来源11.2倒车雷达原理11.3倒车雷达的发展11.3.1倒车雷达发展史11.3.2 倒车雷达发展趋势31.4 倒车雷达市场需求31.5 本章小结3第2章 CPLD的介绍42.1 可编程逻辑器件42.1.1 可编程逻辑器件的概述42.1.2 可编程逻辑器件的分类42.1.3 可编程逻辑器件的发展历程42.2 CPLD与FPGA的比较52.2.1 CPLD与FPGA的特点52.2.2 CPLD与FPGA的区别62.3 开发板的介绍62.4 本章小结9第3章 系统的硬件设计103.1 硬件的总体设计103.2 MAXII系列芯片EPM240T100C5113.2.1 芯片EPM240T100C5的管脚图113.2.2 芯片EPM240T100C5的优点113.3 超声波的发送和接收部分123.3.1 超声波测距原理123.3.2 超声波传感器133.3.3 超声波发射和接收电路153.3.4 实验过程中发射和接收到的波形163.4 报警模块173.5 显示模块183.6 电源模块203.7 本章小结21第4章 系统的软件部分224.1 CPLD的设计流程224.2 系统程序流程图244.3 软件编译的各个模块254.3.1 分频器模块254.3.2 显示模块274.3.3 乘法器模块284.3.4 计数器模块314.3.5 报警模块344.4 本章小结34第5章 调试部分355.1 软件部分的整合355.2 软硬件的联合调试365.3 本章小结37结论38致谢39参考文献40附录 A42附录 B52附录C55第1章 倒车雷达简介倒车雷达全称叫“倒车防撞雷达”也叫“泊车辅助装置”是汽车泊车或者倒车时的安全辅助装置，由超声波传感器（俗称探头），控制器和显示器或蜂鸣器等部分组成。能以声音或者更为直观的显示告知驾驶员周围障碍物的情况，解除了驾驶员泊车、倒车和起动车辆时前后左右探视所引起的困扰，并帮助驾驶员扫除了视野死角和视线模糊的缺陷，提高驾驶的安全性。1.1课题的来源近年来，随着汽车产业的迅速发展和人们的生活水平的不断提高，我国的汽车的数量正在逐年增加。同时汽车驾驶人员中，非职业汽车驾驶人员的比例也逐年增加。在公路、街道、停车场车库等拥挤、狭窄的地方倒车时、驾驶员既要前瞻、又要后顾、稍微不小心就会发生汽车尾部碰撞事件。据有关调查统计，15%的汽车碰撞事故是由于倒车时汽车的后视能力不良造成的。因此，增强汽车的后视能力，对于提高行车安全，减轻司机的劳动强度和心理压力是十分重要的。有鉴于此，汽车倒车雷达应运而生。倒车雷达的加装可以解决驾驶人员的后顾之忧，大大降低了倒车事故的发生。1.2倒车雷达原理倒车雷达的原理是根据蝙蝠在黑夜里高速飞行而不会与任何障碍物相撞的原理设计开发的。通过感应装置发出超声波，然后通过反射回来的超声波来判断前方是否有障碍物，以及障碍物的距离、大小、方向、形状等。只不过由于倒车雷达体积大小及实用性的限制，目前其主要功能仅为判断障碍物与车的距离，并做出提示。倒车雷达是汽车泊车或者倒车时的安全辅助装置，能以声音或者更为直观的显示告知驾驶员周围障碍物的情况，解除了驾驶员泊车、倒车和起动车辆时前后左右探视所引起的困扰，并帮助驾驶员扫除了视野死角和视线模糊的缺陷，提高驾驶的安全性。通常倒车雷达由超声波传感器、控制器和显示器或蜂鸣器等部分组成。倒车雷达一般采用超声波测距原理，在控制器的控制下，由传感器发射超声波信号，当遇到障碍物时，产生回波信号，传感器接收到回波信号后经控制器进行数据处理、判断出障碍物的位置，由显示器显示距离并发出其他警示信号，得到及时警示，从而使驾驶者倒车时做到心中有数，使倒车变得更轻松。1.3倒车雷达的发展1.3.1倒车雷达发展史倒车雷达的快速发展始于20世纪末21世纪初，经过几年的时间，随着技术发展和用户需求的变化，倒车雷达在几年的时间里大致经过了六代的演变。第一代：倒车时通过喇叭提醒 。“倒车请注意！”想必不少人还记得这种声音，这就是倒车雷达的第一代产品，现在只有小部分商用车还在使用。只要司机挂上倒档，它就会响起，提醒周围的人注意。从某种意义上说，它对司机并没有直接的帮助，不是真正的倒车雷达。点评：汽车在倒车状态，语音提示路人小心，基本属于淘汰产品。第二代：采用蜂鸣器不同声音提示驾驶员。这是倒车雷达系统的真正开始。倒车时，如果车后1.8米-1.5米处有障碍物，蜂鸣器就会开始工作。蜂鸣声越急，表示车辆离障碍物越近。点评：没有语音提示，也没有距离显示，虽然司机知道有障碍物，但不能确定障碍物离车有多远，对驾驶员帮助不大。第三代：数码波段显示具体距离或者距离范围。这代产品比第二代进步很多，可以显示车后障碍物离车体的距离。如果是物体，在1.8米开始显示；如果是人，在0.9米左右的距离开始显示。这一代产品有两种显示方式，数码显示产品显示距离数字，而波段显示产品由三种颜色来区别：绿色代表安全距离，黄色代表警告距离，红色代表危险距离，必须停止倒车。 点评：第三代产品把数码和波段组合在一起，但比较实用，但安装在车内不太美观。第四代：液晶荧屏动态显示。这一代产品有一个质的飞跃，特别是屏幕显示开始出现动态显示系统。不用挂倒档，只要发动汽车，显示器上就会出现汽车图案以及车辆周围障碍物的距离。点评：动态显示，色彩清晰漂亮，外表美观，可以直接粘贴在仪表盘上，安装很方便。不过液晶显示器外观虽精巧，但灵敏度较高，抗干扰能力不强，所以误报也较多。第五代：魔幻镜倒车雷达。结合了前几代产品的优点，采用了最新仿生超声雷达技术，配以高速电脑控制，可全天候准确地测知2米以内的障碍物，并以不同等级的声音提示和直观的显示提醒驾驶员。魔幻镜倒车雷达可以把后视镜、倒车雷达、免提电话、温度显示和车内空气污染显示等多项功能整合在一起，并设计了语音功能。点评：因为其外形就是一块倒车镜，所以可以不占用车内空间，直接安装在车内倒视镜的位置。而且颜色款式多样，可以按照个人需求和车内装饰选配。第六代：无线倒车雷达。全新无线液晶倒车雷达，融无线连接、倒车雷达彩色液晶显示、BP警示音、于一体。由于普通倒车雷达安装时，从车后雷达主机到车前仪表台上，显示器要布一条线，这样要拆装车内的装饰板、胶条等，非常不方便。现在最新推出的第六代无线液晶倒车雷达，一举解决此问题，车后主机和显示器之间无线连接，方便快捷。更可在大巴、卡车等车身长的车上使用，使安装更容易。1.3.2 倒车雷达发展趋势1.由加装向原装发展。越来越多的汽车在出厂时配有倒车雷达。2.原装倒车雷达车型呈现高档、中档、低档的发展态势。3.由主流4探头向更多探头发展。4.功能更加强大，集成音响和音像播放功能。5.设备趋于小型化、人性化、智能化。1.4 倒车雷达市场需求根据所收集的资料分析，倒车雷达市场前景很好，需求量越来越大。引起需求量大增的原因有：1.汽车销量增加。汽车产销量双超1840万辆汽车销量的增加，必然导致倒车雷达需求量的增加。2.车位少、停车难。单位和个人拥有车辆的增加使得市区和住宅小区停车位紧张，停车越来越困难，碰撞时有发生。倒车雷达的使用有助于减少停车碰撞事件的发生。3.女性驾驶员增多。多数女性驾驶员由于个子小或是胆子小，停车时会非常紧张，因此越来越多的女性驾驶员开始喜欢上倒车雷达。4.城市街道交通拥挤。随着汽车市场的繁荣，城市街道的行车越来越拥挤，倒车雷达，尤其是多探头倒车雷达不仅能在倒车、泊车时提供倒车信息，还可以在行驶时提供前后左右的信息，有助于安全行驶。1.5 本章小结通过查找相关资料，对倒车雷达的来源，发展史，重要性，发展前景都有了很深的认识。倒车雷达是根据超声波测距原理发展起来的，对于解决驾驶员视野死角，减少交通事故的发生，有着很大的作用。第2章 CPLD的介绍2.1 可编程逻辑器件2.1.1 可编程逻辑器件的概述PLD（programmable logic device)可编程逻辑器件：PLD是做为一种通用集成电路生产的，他的逻辑功能按照用户对器件编程来定。一般的PLD的集成度很高，足以满足设计一般的数字系统的需要。这样就可以由设计人员自行编程而把一个数字系统“集成”在一片PLD上，而不必去请芯片制造厂商设计和制作专用的集成电路芯片了。2.1.2 可编程逻辑器件的分类目前使用的PLD产品主要有：1.现场可编程逻辑阵列FPLA（field programmable logic array)；2.可编程阵列逻辑PAL（programmable array logic)；3.通用阵列逻辑GAL（generic array logic)；4.可擦除的可编程逻辑器件EPLD（erasable programmable logic device)；5.现场可编程门阵列FPGA（field programmable gate array)。其中EPLD和FPGA的集成度比较高。有时又把这两种器件称为高密度PLD。2.1.3 可编程逻辑器件的发展历程当今社会是数字化的社会，是数字集成电路广泛应用的社会。数字集成电路本身在不断地进行更新换代。它由早期的电子管、晶体管、小中规模集成电路、发展到超大规模集成电路(VLSIC，几万门以上)以及许多具有特定功能的专用集成电路。但是，随着微电子技术的发展，设计与制造集成电路的任务已不完全由半导体厂商来独立承担。系统设计师们更愿意自己设计专用集成电路(ASIC)芯片，而且希望ASIC的设计周期尽可能短，最好是在实验室里就能设计出合适的ASIC芯片，并且立即投入实际应用之中，因而出现了现场可编程逻辑器件(FPLD)，其中应用最广泛的当属现场可编程门阵列(FPGA)和复杂可编程逻辑器件(CPLD)。早期的可编程逻辑器件只有可编程只读存贮器(PROM)、紫外线可擦除只读存贮器(EPROM)和电可擦除只读存贮器(EEPROM)三种。由于结构的限制，它们只能完成简单的数字逻辑功能。其后，出现了一类结构上稍复杂的可编程芯片，即可编程逻辑器件(PLD)，它能够完成各种数字逻辑功能。典型的PLD由一个“与”门和一个“或”门阵列组成，而任意一个组合逻辑都可以用“与或”表达式来描述，所以， PLD能以乘积和的形式完成大量的组合逻辑功能。20世纪80年代中期。 Altera和Xilinx分别推出了类似于PAL结构的扩展型 CPLD(Complex Programmab1e Logic Device)和与标准门阵列类似的FPGA(Field Programmable Gate Array)，它们都具有体系结构和逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围宽等特点。 这两种器件兼容了PLD和通用门阵列的优点，可实现较大规模的电路,编程也很灵活。与门阵列等其它ASIC(Application Specific IC)相比，它们又具有设计开发周期短、设计制造成本低、开发工具先进、标准产品无需测试、质量稳定以及可实时在线检验等优点，因此被广泛应用于产品的原型设计和产品生产(一般在10,000件以下)之中。几乎所有应用门阵列、PLD和中小规模通用数字集成电路的场合均可应用FPGA和CPLD器件。2.2 CPLD与FPGA的比较2.2.1 CPLD与FPGA的特点FPGA是现场可编程逻辑门阵列的简称，是电子设计的一个里程碑。CPLD是复杂可编程逻辑器件的简称。尽管FPGA和CPLD都是可编程ASIC器件,有很多共同特点,但由于CPLD和FPGA结构上的差异,具有各自的特点。1.CPLD更适合完成各种算法和组合逻辑,FPGA更适合于完成时序逻辑。换句话说,FPGA更适合于触发器丰富的结构,而CPLD更适合于触发器有限而乘积项较多的结构。  2.CPLD的连续式布线结构决定了它的时序延迟是均匀的和可预测的,而FPGA的分段式布线结构决定了其延迟的不可预测性。3.在编程上FPGA比CPLD具有更大的灵活性。CPLD通过修改具有固定内连电路的逻辑功能来编程,FPGA主要通过改变内部连线的布线来编程;FPGA可在逻辑门下编程,而CPLD是在逻辑块下编程。4.FPGA的集成度比CPLD高,具有更复杂的布线结构和逻辑实现。  5.CPLD比FPGA使用起来更方便。CPLD的编程采用EEPROM或FASTFLASH技术,无需外部存储器芯片,使用简单。而FPGA的编程信息需存放在外部存储器上,使用方法复杂。  6.CPLD的速度比FPGA快,并且具有较大的时间可预测性。这是由于FPGA是门级编程,并且CLB之间采用分布式互联,而CPLD是逻辑块级编程,并且其逻辑块之间的互联是集总式的。7.在编程方式上,CPLD主要是基于EEPROM或FLASH存储器编程,编程次数可达1万次,优点是系统断电时编程信息也不丢失。CPLD又可分为在编程器上编程和在系统编程两类。FPGA大部分是基于SRAM编程,编程信息在系统断电时丢失,每次上电时,需从器件外部将编程数据重新写入SRAM中。其优点是可以编程任意次,可在工作中快速编程,从而实现板级和系统级的动态配置。8.CPLD保密性好,FPGA保密性差。  9.一般情况下,CPLD的功耗要比FPGA大,且集成度越高越明显。  2.2.2 CPLD与FPGA的区别CPLD主要是由可编程逻辑宏单元（LMC，Logic Macro Cell）围绕中心的可编程互连矩阵单元组成，其中LMC逻辑结构较复杂，并具有复杂的I/O单元互连结构，可由用户根据需要生成特定的电路结构，完成一定的功能。由于CPLD内部采用固定长度的金属线进行各逻辑块的互连，所以设计的逻辑电路具有时间可预测性，避免了分段式互连结构时序不完全预测的缺点。到90年代，CPLD发展更为迅速，不仅具有电擦除特性，而且出现了边缘扫描及在线可编程等高级特性。较常用的有Xinlinx公司的EPLD和Altera公司的CPLD。 FPGA通常包含三类可编程资源：可编程逻辑功能块、可编程I/O块和可编程互连。可编程逻辑功能块是实现用户功能的基本单元，它们通常排列成一个阵列，散布于整个芯片；可编程I/O块完成芯片上逻辑与外部封装脚的接口，常围绕着阵列排列于芯片四周；可编程内部互连包括各种长度的连线线段和一些可编程连接开关，它们将各个可编程逻辑块或I/O块连接起来，构成特定功能的电路。不同厂家生产的FPGA在可编程逻辑块的规模，内部互连线的结构和采用的可编程元件上存在较大的差异。较常用的有Altera、Xinlinx和Actel公司的FPGA，FPGA一般用于逻辑仿真。电路设计工程师设计一个电路首先要确定线路，然后进行软件模拟及优化，以确认所设计电路的功能及性能。然而随着电路规模的不断增大，工作频率的不断提高，将会给电路引入许多分布参数的影响，而这些影响用软件模拟的方法较难反映出来，所以有必要做硬件仿真。FPGA就可以实现硬件仿真以做成模型机。将软件模拟后的线路经一定处理后下载到FPGA，就可容易地得到一个模型机，从该模型机，设计者就很直观地测试其逻辑功能及性能指标。2.3 开发板的介绍ZRtech COREC-240U开发套件采用ALTERA公司推出的MAXII系列芯片EPM240T100C5作为核心处理器进行设计，MAXII系列芯片是目前市场上性价比最高的CPLD芯片。所以ZRtech COREC-240U开发套件采用了该系列的芯片作为核心处理器，为了使广大用户能够用最低的门框掌握数字逻辑设计，计算机组成原理，和FPGA/CPLD初步设计的思想与方法。本开发套件价格低廉，产品质量高，为初学FPGA/CPLD设计的广大朋友们的首选。下图为所买的开发板的核心板的实物图，从图2-1中可以清晰地看出，核心板所含有的配件，对于每一个配件的位置都做了标记，可以使我们很轻松的找到配件的准确位置，使我们对于配件的使用更加的方便快捷，另外还配套有下载线，可以将我们编好的程序下载到核心板上，进行程序的测试。图2-1 核心板器件介绍该核心板由外部提供驱动电源，并提供了2排SLOT插槽用于连接外设板，其主要硬件资源如下：高性价比CPLD: MAXII系列EPM240CT100C5，板载50MHZ有源晶振。精心的去耦设计，采用大量去耦电容。5V直流电源插座红色电源指示灯电源开关，自锁按键用户可编程Led指示灯用户可编程轻触按键预留外部时钟接口巧妙的核心板与子卡设计方式，两个外设板插槽，可以同时插接两块外设板。精心设计的保护面板与铜柱支架，美观大方，又可以保护开发板。CPLD器件MAXII系列 EPM240CT100C5240LesCPLD配置JTAG烧写模式时钟板载50M有源晶振电源外部5V直流电源输入下图2-2为所用到的外设板， 图中已经标明了个个器件的位置，对于我们使用开发板是非常方便的。图2-2 外设板器件介绍该外设板子卡由核心板提供电源，其主要硬件资源如下：电源指示灯采用高亮度聚光贴片红色LED发光二极管，指示外设板是否加电工作。2x20 SLOT接插座用于接插核心板。8位8段共阳数码管共阳2组，每组4位，采用8550三极管增强其驱动能力。8个LED发光二极管采用高亮度聚光贴片绿色LED发光二极管，默认高电平点亮。8个独立轻触按键高性能轻触按键，帮您实现不同触发、电平操作。2位拨码开关两种常见的按键开关，帮您实现不同的功能要求。蜂鸣器可以实现简单报警与奏乐功能。可调电位器可以实现调节液晶屏的对比度。外部电源接口可以实现外部供电。开发板的配件比较全，这次设计中并不会全部用到。没有用到的配件可以在以后的其他的设计中用到，也可以自己探索着去使用。我们将该板的插槽与核心板的插槽连接起来，就做好了电路的控制部分和显示，报警模块的硬件部分的设计，下面只需要焊接一个超声波的发射和接收板就完成了全部的硬件设计了。采用开发板节省了很多时间，方便快捷，使我有更多时间进行对超声波的发射和接收部分的设计，焊接和测试过程。2.4 本章小结本章介绍了CPLD是什么，CPLD和FPGA的区别和特点。通过对CPLD的介绍我加深了对设计的理解，通过讨论CPLD和FPGA的特点，我对CPLD的优点有了了解。本章还介绍了设计所用到的开发板的型号，开发板的具体配置，以及一些优点。开发板的使用为我解决了一些硬件部分的设计，开发板的使用是明智的选择。第3章 系统的硬件设计3.1 硬件的总体设计CPLD核心部分超声波发送模块超声波接收模块放大比较显示模块报警模块图3-1 超声波倒车雷达的设计结构从图3-1中可以看出超声波倒车雷达的设计被划分为了几个小块，超声波的发射模块是负责发射出超声波的，超声波接收模块是负责接收超声波的，接收到的回波强度有所衰减，需要进行放大和比较后才能被CPLD核心板识别，显示模块是用来显示出计算出来的距离的，CPLD核心部分是用来进行控制的。报警模块是对设定的预警值进行报警的。其中显示模块和报警模块，由于开发板上有数码管和蜂鸣器所以不需要自己焊接，超声波发送模块和超声波接收模块自己找资料，设计出可行的电路图，购买元器件，进行焊接和测试。CPLD核心部分用ALTERA公司推出的MAXII系列芯片EPM240T100C5作为核心处理器，显示模块用数码管显示出数字就可以了，报警模块用蜂鸣器发出警报声即可。由于所买的开发板上有数码管和蜂鸣器所以不需要自己买材料焊接，超声波发送和接收模块开发板上没有附带需要自己设计，买材料来焊接测试。下面开始介绍各个模块的具体硬件设计。3.2 MAXII系列芯片EPM240T100C53.2.1 芯片EPM240T100C5的管脚图图3-2 EPM240T100C5的管脚图芯片EPM240T100C5的原理图如上图3-2所示，芯片有100个引脚，芯片的管脚分配具体分配情况请看附录。芯片控制晶振发出40KHZ的超声波信号，输出管脚被我设定为管脚82，得到的回波信号我设定为从管脚42输入芯片。具体的控制芯片的程序会在软件部分详细介绍。3.2.2 芯片EPM240T100C5的优点1.Altera MAX II 器件具有新的CPLD体系结构，打破了典型CPLD的成本、容量和功耗限制。2.MAX II CPLD 具有CPLD业界最低的动态功耗，只有以前 MAX CPLD 的十分之一。3.MAX II 器件提供8 Kbits用户可访问 Flash 存储器，可用于片内串行或并行非易失存储。4.MAX II器件支持用户在器件工作时对闪存配置进行更新。5.MAX II器件支持多种单端I/O接口标准，例如LVTTL、LVCMOS 和PCI 。6.MAX II 器件含有 JTAG 模块，可以利用并行Flash加载宏功能来配置非 JTAG兼容器件，例如分立闪存器件等。3.3 超声波的发送和接收部分3.3.1 超声波测距原理1.超声波的介绍超声波是频率高于20000Hz的声波,它方向性好,穿透能力强,易于获得较集中的声能,在水中传播距离远,可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。在医学、军事、工业、农业上有很多的应用。超声波因其频率下限大约等于人的听觉上限而得名。科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率，它的单位是赫磁 (HZ)。我们人类耳朵能听到的声波频率为20HZ20000HZ。当声波的振动频率大于20KHZ或小于20HZ时,我们便听不见了。因此，我们把频率高于20000HZ的声波称为“超声波”。理论研究表明，在振幅相同的条件下，一个物体振动的能量与振动频率成正比，超声波在介质中传播时，介质质点振动的频率很高，因而能量很大。在中国北方干燥的冬季，如果把超声波通入水罐中，剧烈的振动会使罐中的水破碎成许多小雾滴，再用小风扇把雾滴吹入室内，就可以增加室内空气湿度.这就是超声波加湿器的原理.如咽喉炎、气管炎等疾病，很难利用血流使药物到达患病的部位.利用加湿器的原理，把药液雾化，让病人吸入，能够提高疗效.利用超声波巨大的能量还可以使人体内的结石做剧烈的受迫振动而破碎，从而减缓病痛，达到治愈的目的。超声波在医学方面应用非常广泛，像现在的彩超、B超、碎石（例如胆结石、肾结石、祛眼袋之类的），还能破坏细菌结构，对物品进行杀菌消毒。声波是物体机械振动状态（或能量）的传播形式。所谓振动是指物质的质点在其平衡位置附近进行的往返运动形式。譬如，鼓面经敲击后，它就上下振动，这种振动状态通过空气媒质向四面八方传播，这便是声波。超声波是指振动频率大于20000HZ以上的，其每秒的振动次数（频率）很高，超出了人耳听觉的一般上限（20000HZ），人们将这种听不见的声波叫做超声波。超声和可闻声本质上是一致的，它们的共同点都是一种机械振动模式，通常以纵波的方式在弹性介质内会传播，是一种能量的传播形式，其不同点是超声波频率高，波长短，在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性，目前腹部超生成像所用的频率范围在25MHZ之间，常用为33.5MHZ（每秒振动1次为1HZ，1MHZ=106Hz,即每秒振动100万次，可闻波的频率在1620000HZ 之间）。超声波在媒质中的反射、折射、衍射、散射等传播规律，与可听声波的规律没有本质上的区别。但是超声波的波长很短，只有几厘米，甚至千分之几毫米。与可听声波比较，超声波具有许多奇异特性：传播特性：超声波的波长很短，通常的障碍物的尺寸要比超声波的波长大好多倍，因此超声波的衍射本领很差，它在均匀介质中能够定向直线传播，超声波的波长越短，该特性就越显著。功率特性：当声音在空气中传播时，推动空气中的微粒往复振动而对微粒做功。声波功率就是表示声波做功快慢的物理量。在相同强度下，声波的频率越高，它所具有的功率就越大。由于超声波频率很高，所以超声波与一般声波相比，它的功率是非常大的。空化作用：当超声波在液体中传播时，由于液体微粒的剧烈振动，会在液体内部产生小空洞。这些小空洞迅速胀大和闭合，会使液体微粒之间发生猛烈的撞击作用，从而产生几千到上万个大气压的压强。微粒间这种剧烈的相互作用，会使液体的温度骤然升高，起到了很好的搅拌作用，从而使两种不相溶的液体（如水和油）发生乳化，且加速溶质的溶解，加速化学反应。这种由超声波作用在液体中所引起的各种效应称为超声波的空化作用。研究频率高于20KHZ的声波的产生、传播、接收，以及各种超声效应和应用的声学分支叫超声波。产生超声波的装置有机械型超声发生器（例如气哨、汽笛和液哨等）、利用电磁感应和电磁作用原理制成的电动超声发生器、以及利用压电晶体的电致伸缩效应和铁磁物质的磁致伸缩效应制成的电声换能器等。2.超声波测距超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。通过超声波发射装置发出超声波，根据接收器接到超声波时的时间差就可以知道距离了。这与雷达测距原理相似。超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离s，即：s=340t/23.3.2 超声波传感器超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。下图所展示的是一对普通的探头，其中一个为发射超声波的探头，一个为接收超声波的探头，这两个探头所持有的固有频率是一样的，只有这样才能在发射出一定频率的超声波之后还能接受到相同频率的超声波的回波信号。本次设计中所用的探头是和下图3-3所示一样的探头。图3-3 探头1.组成部分超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。小功率超声探头多作探测作用。它有许多不同的结构，可分直探头、斜探头、表面波探头、兰姆波、双探头等。2.性能指标超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的。3.工作频率工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。超声波传感器主要材料有压电晶体（电致伸缩）及镍铁铝合金（磁致伸缩）两类。电致伸缩的材料有锆钛酸铅（PZT）等。压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器，它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波，同时它接收到超声波时，也能转变成电能，所以它可以分成发送器或接收器。有的超声波传感器既作发送，也能作接收。这里仅介绍小型超声波传感器，发送与接收略有差别，它适用于在空气中传播，工作频率一般为2325KHZ及4045KHZ。这类传感器适用于测距、遥控、防盗等用途。超声波传感器由发送传感器(或称波发送器)、接收传感器(或称波接收器)、控制部分与电源部分组成。发送器传感器由发送器与使用直径为15mm左右的陶瓷振子换能器组成，换能器作用是将陶瓷振子的电振动能量转换成超声波能量并向空中辐射；而接收传感器由陶瓷振子换能器与放大电路组成，换能器接收波产生机械振动，将其变换成电能量，作为传感器接收器的输出，从而对发送的超声波进行检测。而实际使用中，用发送传感器的陶瓷振子的也可以用做接收器传感器社的陶瓷振子。控制部分主要对发送器发出的脉冲链频率、占空比及稀疏调制和计数及探测距离等进行控制。3.3.3 超声波发射和接收电路超声波发射和接收电路如下图3-4所示。超声波发射部份由电阻R1、超声波发送探头T组成；接收电路由BG1、BG2和BG3组成的三级放大器组成；检波电路、比较整形电路由C3、D1、D2及BG4组成。40KHZ的方波由芯片EPM240T100C5的管脚82发出，加载到发送超声波的探头上，驱动超声波发射头发射超声波。发送出的超声波，遇到障碍物后，产生回波，反射回来的回波被超声波接收探头接收到。由于声波在空气中传播时衰减，所以接收到的波形幅值较低，经接收电路放大，整形，最后输入到芯片EPM240T100C5的管脚42，只有这样芯片才能对信号进行分析和处理。该测距电路的40KHZ方波信号由芯片EPM240T100C5的管脚82发出，连接到超声波发射的探头上，发射出40KHZ的超声波。由于开发板所提供的是50MHZ的晶振，并不能满足使用的要求，需要对晶振进行分频，分频是用软件编程来产生我们所用到的频率的。经过分频后产生了40.5KHZ和37.3KHZ的方波。本设计在编程时选用了后者，让芯片EPM240T100C5产生约37.3KHZ的方波。具体的原因是探头在40.5KHZ下不能工作，经过调试在37.3KHZ下能正常工作所以选择37.3KHZ的方波。关于分频的部分会在软件部分具体的介绍。下图3-4为所要焊接的超声波测距发送和接收电路图图3-4 超声波测距发送和接收电路图由于反射回来的超声波信号非常微弱，所以接收电路需要将其进行放大。接收电路如图3-4所示。接收到的信号加到BG1、BG2和BG3组成的三级放大器上进行放大。每级放大器的放大倍数为50倍。放大的信号通过检波电路得到解调后的信号，即把多个脉冲波解调成多个大脉冲波。这里使用的是IN4148检波二极管，输出的直流信号即两二极管之间电容电压。该接收电路结构简单，性能较好，制作难度较低。将最后得到的信号输入到芯片中就可以对信号进行处理和分析了。