红外超声波雷达测距（water）

文章目录

  • 一 RS-232
  • 二 RS485
  • 三 Modbus
  • 四 stm32多路超声波测距
    • 4.1 设计方案
    • 4.2 代码
  • 参考资料
  • 总结

实验要求
一. 采用stm32F103和HC-SR04超声波模块， 使用标准库或HAL库+ 定时器中断，完成1或2路的超声波障碍物测距功能。
1）测试数据包含噪声，程序需要进行滤波处理；将测距数值通过串口上传到上位机串口助手；
2）根据障碍物距离远近，控制一个蜂鸣器（可以用LED灯代替）发出频率不同的声音（或LED不同闪烁），即输出占空比变化的PWM波形；
3）在没有超声波模块硬件的场景下，先使用Keil中的仿真逻辑分析仪，观察分析对应管脚上的时序波形，判读是否符合协议规范。
二. 当前智能汽车上一般配置有12路超声波雷达，这些专用超声波雷达内置了MCU，直接输出数字化的测距结果，一般硬件接口采用串口RS485，通信协议采用modbus。请思考：
1）RS485与RS232（UART）有什么不同？
2）Modbus协议是什么？
3）如果让你设计一款 12路车载超声波雷达，采用 stm32F103+HC-SR04超声波模块，对外提供RS485和Modbus协议，你的设计方案是什么？

一 RS-232

是异步串行通信接口标准之一，规定了连接电缆和机械、电气特性、信号功能及发送过程
请添加图片描述

特点：

  • 支持全双工通信
  • 波特率可选
  • 负逻辑传送
  • 传送距离较远

缺点：

  • 接口信号电平值较高，易损坏接口电路芯片
  • 传输速率较低，只有20Kbps
  • 共地传输，易产生共模干扰
  • 传输距离有限

引脚定义
在这里插入图片描述
通信机理
A向B发送数据：
1、A先设置RTS为1，表示要发数据给B
2、B检测到RTS为1，先看自己是否准备好：
如果准备好，就设置CTS为1表示A可以发数据给B了
如果没有准备好，继续处理自己的数据。弄完了，再将CTS设置为1，让A发送数据
3、A发现CTS置1后，将数据通过TXD信号线发送出去
4、A每发送一次数据给B之前，都会继续上面的逻辑
5、A发送完数据后，就将RTS置0，表示数据发送完毕

二 RS485

为针对RS232的缺点，出现了RS485

半双工网络
请添加图片描述

特点

  • RS-485的电气特性：以两线间的电压差表示电平1和0
    在这里插入图片描述

  • 最高传输速率是10Mbps

  • 平衡驱动器和差分接收器组合，抗共模干扰能力强，抗噪声干扰性好

  • RS232在总线上只允许连接1个收发器。RS485允许连接多达128个收发器，可使用单一的RS485建立设备网络

485驱动电路
请添加图片描述
RXD和TXD是连接串口的，choose是选择作为接收端还是发送端（二选一）。右边就输出A和B，即差分信号的线，与其它的485器件的AB连接。
请添加图片描述

三 Modbus

  • Modbus是一种由Modicon（施耐德电气公司）于1979年开发的串行通信协议，主要用于可编程逻辑控制器（PLC）和其他工业电子设备之间的通信。
  • Modbus网络遵循主/从模型，其中主站（Master）负责请求信息，而从站（Slave）提供信息。如下图所示。
    在这里插入图片描述

地址标识：每个从设备都有一个唯一的地址标识。
信息交互：主站可以读取从站的内部寄存器，也可以向其写入信息。

四 stm32多路超声波测距

4.1 设计方案

这里假设设定四路超声波。设定4个输入捕获通道，当超声波模块echo收到回波后，即触发输入捕获上升沿，开始echo持续时间的计时，然后下降沿后开始使用公式进行换算，得到距离，通过串口发送出去。其中，着重要考虑以下问题；

  • stm32的定时器资源是否足够，同一定时器可以采用多路记录超声波吗

可知stm32一个定时器有几个通道，这些通道可以用来进行输入捕获，此方案也节省了io口资源。但是需要考虑如何设定定时器计数频率，以及如何避免这种情况：假设定时器的重载值为200，echo在180时收到上升沿开始计数，会持续50个计数值，即在下一轮的30得到下降沿，此时如果直接使用减法，会造成负数或者不准确数值的问题。所以为了避免这种情况，需要使用一个变量来判断是否完成了一个计数周期。

  • stm32的定时器之间是否会有计数冲突：

在实验检验过程中，单独测试一个通道时记录结果大致准确，但是接入两个模块时，似乎结果发生了干扰，但无法确认是否是定时器问题还是其它问题，后续有待解决。

  • 若采用轮询（状态机）方案访问会出现当一个超声波停止工作时，其它超声波也无法正常工作的状态。

4.2 代码

GPIO定时器初始化

void GPIO_Init(void) {// 配置Trig引脚为输出，Echo引脚为输入RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_2; // Trig1, Trig2GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1 | GPIO_Pin_3; // Echo1, Echo2GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
}void Timer_Init(void) {// 配置定时器用于捕获Echo信号RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 65535;TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 72-1; // 1MHzTIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure);TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStructure;TIM_ICInitStructure.TIM_Channel = TIM_Channel_1;TIM_ICInitStructure.TIM_ICPolarity = TIM_ICPolarity_Rising;TIM_ICInitStructure.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_DirectTI;TIM_ICInitStructure.TIM_ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1;TIM_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 0x0;TIM_ICInit(TIM2, &TIM_ICInitStructure);TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
}

Modbus设计

void USART_Init(void) {// 配置USART用于RS485通信RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9; // USART1_TXGPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10; // USART1_RXGPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);USART_InitTypeDef USART_InitStructure;USART_InitStructure.USART_BaudRate = 9600;USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);USART_Cmd(USART1, ENABLE);
}void Send_Modbus_Response(uint8_t* response, uint8_t length) {// 发送Modbus响应帧for (uint8_t i = 0; i < length; i++) {USART_SendData(USART1, response[i]);while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TC) == RESET);}
}

参考资料

https://blog.csdn.net/LX567567/article/details/139182689?spm=1001.2014.3001.5502
https://mp.weixin.qq.com/s/6wBNP-9SHh1OGiTV51gH1w

总结

进一步了解了RS232及RS485，为后续设计打下基础。

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