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基于STM32的超声相控阵导盲系统设计

厉彦忠  
【摘要】:在日常生活中,人们95%的信息都是依靠视觉得到的。盲人生活在黑暗的世界中,他们的生活、工作和社交都存在极大的困难。如何安全行走,是盲人生活中最大的问题。中国是世界上盲人数量最多的国家,约占世界盲人总数的1/5。针对盲人如何能够独立安全行走的问题,本文提出了一种基于超声相控阵技术的导盲系统,利用超声相控阵在盲人前方一定区域进行空间扫描,从而给盲人提供比较全面的空间信息。 本文的绪论部分首先介绍导盲技术的研究意义和及其国内外的研究现状。介绍了当前导盲所采用的主要手段。文中主要介绍导盲犬、导盲机器人、盲人电子眼镜、卫星导盲、无线电导盲以及RFID的室内导盲等多种技术。通过分析以上几种导盲手段的优缺点,得到本文所提出设计的基本思路和研究方向。 接着文中介绍了超声相控阵技术的基本原理,阐述了超声相控阵在不同位置聚焦的实现方法,在本文所介绍的系统中采用的是利用CPLD控制超声相控阵各个阵元的时序,从而实现在不同区域的聚焦。根据聚焦点的位置是否有回波以及回波信号的特征,能够对环境和障碍作出判断。另外还介绍了超声相控阵在各个领域的发展应用,以及超声相控阵导盲相对普通超声传感器导盲所具有的优势。 本文的第三部分介绍了本设计的整体构架,包括系统工作的基本流程和实现空间扫描的方法。本系统中采用了多个超声探头组成了多发一收的超声相控阵。根据设定的不同延时程序能够在前方25个点实现聚焦,从而得到较为完整的环境信息。接下来本文重点介绍了导盲系统的硬件构建和软件系统。包括超声相控阵系统的发射部分,回波信号的放大电路,低通滤波电路。发射信号由CPLD产生,通过驱动器放大之后再通过变压器放大,以达到能够驱动超声探头的电压;由于方波是由CPLD产生,所以STM32和CPLD之间需要一个简单的通信协议,当系统启动时,STM32向CPLD发送一个扫描开始信号,CPLD接收到扫描开始信号之后按照预定的时序开始扫描25个焦点,在对每一个焦点的扫描前后CPLD都会向STM32发送一个帧信号,标识数据采集的开始与结束。超声信号的接收部分的放大电路主要器件采用TI公司的OPA725系列运算放大器。通过对前方一定区域进行有效地扫描,实现对盲人前方空间的探测,并对信号进行采集,做进一步的处理。系统的主控芯片采用的是ST公司推出的高性能ARM Cortex-M3内核的STM32系列芯片。发射部分时序部分采用Altera公司的CPLD芯片,实现高精度聚焦。 接下来简单介绍了系统对回波信号所采用的处理方法,通过对不同回波信号的处理分析,辨别不同的障碍种类,给盲人行动提供必要的信息。 最后对本文做了总结和下一步工作的展望。


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