基于STM32的超声相控阵导盲系统研究

摘要：在此为盲人设计了一种基于STM32的超声相控阵导盲避障系统，主要涉及到系统的硬件设计部分，以及超声相控阵识别几种障碍的方法。该系统以意法半导体的STM32微控制器为核心，主要包括超声发射电路，回波信号接收与放大电路，以及回波信号的处理与分析。该设计能够探测前对前方宽1．5 m纵深2 m的范围进行探测，能够分辨狭窄通道、台阶、沟壑以及柱状障碍物等，使盲人行动时更加方便。并且该系统功耗小，成本低，具有很好的使用价值。
关键词：导盲系统；超声相控阵；STM32；CORTEX

0 引言
根据世界卫生组织公布的数据，全世界目前有3 000多万人目盲，其中约有18％是中国人。针对盲人行动不便的情况，本文介绍了一种基于超声相控阵的盲人避障系统。
本文综合超声波的导盲设计，采用超声相控阵技术对障碍物进行探测，核心控制器件STM32为ST公司推出的基于CORTEX内核的32位MCU，具有丰富的外设和强大的数据处理能力。通过它对外围电路的控制，及其强大的信号处理能力，实瑰障碍物的探测以及环境的判断。

1 系统组成及原理
本设计是利用意法半导体有限公司推出的基于CORTEX 内核的高性能 32 位 MCU，STM32F103RBT6为核心硬件。多个超声探头按照一定规则组成的超声相控阵，通过芯片与探头及外围电路共同组成的信号发送与识别系统完成导盲避障功能。系统工作原理方框示意图如图1所示。

系统采用超声相控阵以多发一收的形式完成障碍探测。具体方案如下：超声信号的工作频率是40 kHz，首先STM32F103RBT6 MCU产生40 kHz的方波信号，工作时各个探头按照预定的延迟时间依次发送5个周期的方波信号。根据不同的延时时间，超声相控阵发出的信号能够在前方9个点实现不同情况的聚焦。这9个点分布于超声相控阵前方的左、中、右3个方向上，每个方向有上、中、下3个点。其中左右以及上下方向的偏转角度设为30°。聚焦深度为1．5 m。信号从发射到在聚焦点返回，所需时间约为8．8 ms。所以发送完信号后经过8 ms的延迟，打开接收通道的开关，开始接收回波信号。由于回波比较微弱，所以先将信号进行放大，将其放大为单片机能够识别的信号。经A／D转换后进行存储，之后进行相关的信号分析与处理工作，从而实现相控阵扫描。

2 超声相控阵的介绍
超声相控阵换能器由多个相互独立的压电晶片组成阵列，按照一定的规则和时序用电子系统控制激发各个晶片单元，来调整焦点的位置和聚焦的方向。相控阵换能器最显著的特点是可以灵活、便捷而有效地控制声束形状和声压分布。其声束角度、焦柱位置、焦点尺寸及位置在一定范围内连续、动态可调。无需声透镜便可实现声束聚焦，从而可以灵活有效地控制声束，实现区域扫描探测；相控阵技术能够实现理想的声束聚焦；采用同样幅度的电压驱动每个阵元，聚焦区域的实际声场强度远大于常规的超声波技术；在分辨力、信噪比、障碍检出率等方面有明显的优越性。