1

Lokalizator ultradźwiękowy

Arkadiusz Materek

7 czerwiec 2006

1. Cel projektu

Celem projektu było zapoznanie się z działaniem sonarów ultradźwiękowych
i ich własnościami, oraz zapoznaniu się z komunikacją miedzy
mikroprocesorami oraz miedzy komputerem PC a mikrokontrolerem.

2. Założenia projektowe

Urządzenie wyposażone będzie w trzy niezależne odbiorniki
ultradźwiękowe, każdy z nich wyposażony w mikrokontroler, główny
mikrokontroler odpowiedzialny za komunikację z odbiornikami i
komputerem PC, oraz sterowaniem nadajnikiem ultradźwiękowym.
Użytkownik obsługujący lokalizator z poziomu PC, będzie miał możliwość
wykonania pomiaru oraz odczytania wyników i na podstawie znajomości
położenia odbiorników określenia pozycji nadajnika.

3. Odbiornik ultradźwiękowy

Celem było zaprojektowanie prostego odbiornika. Do tego celu
wykorzystano mikrokontroler ATtiny12, mikrofon ultradźwiękowy, jeden
rezystor i kondensator.
Własności ATtini12:
- posiada komparator analogowy
-

wewnętrzny oscylator 1.2Mhz

- 32 rejestry ogólnego przeznaczenia
- 1KB FLASH
- 64 Bajty EEPROM
- Tirem/Licznik 8mi bitowy z programowalnym preskalerem

- Watchdog

2

Rysunek 1. Schemat odbiornika

Zasada działania odbiornika ultradźwiękowego:
Mikrofon podłączony jest bezpośrednio na wejścia komparatora
analogowego równolegle z rezystorem 470kΩ. Piny PB0 i PB1 (wejścia
komparatora), gdy nie wykonywany jest pomiar ustawione są jako wyjścia w
stanie niskim, co powoduje szybkie rozładowanie mikrofonu. Podczas
pomiaru przełączane są na wejścia w stanie wysokiej impedancji.
Mikrokontroler dokonuje pomiar czasu od momentu otrzymania impulsu
synchronizującego do momentu ustawienia bitu ACO w rejestrze ACSR (bit
odzwierciedla aktualny stan komparatora) lub przepełnienia licznika.
Czas od sygnał synchronizującego (zbocze opadające na PB2) do zliczania
czasu wynosi ok. 5μs. Stan komparatora sprawdzany jest co ok. 5μs, co przy
liczniku 8-bitowy daje pomiar czasu do 1,28ms (przy prędkości dźwięku 340
m/s odległość 43,52cm).
Kod w asemblerze realizujący wyżej opisaną procedurę:

Pomiar:

;czekamy na sygnal synchronizujacy

Pomiar2:

sbic PINB, Wire

rjmp Pomiar2

;przelaczenie pinow komparatora z wyjsc na wejscia

in

r16,

DDRB

andi

r16,

~((1<<PB0)|(1<<PB1))

out

DDRB,

r16

;pomiar czasu

clr

r20

Pomiar0:

sbic ACSR, ACO

rjmp

Pomiar1

nop

inc

r20

brne

Pomiar0

Pomiar1:

dec

r20

3

;przelaczenie pinow komparatora z wejsc na

;wyjscia w stanie niskim

in

r16,

DDRB

ori

r16,

((1<<PB0)|(1<<PB1))

out

DDRB,

r16

ret

4. Nadajnik ultradźwiękowy

Nadajnik jest zbudowany na układzie MAX232. Zadaniem tego układu jest
wytworzenie odpowiedniego dla poprawnego działania sonaru napięcia,
które powinno wynosić ok. 20V, co zapewnia wyżej wymieniony układ.

Rysunek 2. Schemat nadajnika

Na wejście T1IN podawany jest sygnał prostokątny 0-5V o częstotliwości
40kHz, a na wejście T2IM jego negacja, co daje różnice napięć na wyjściach
T1OUT i T2OUT ok. 20V. Tranzystor T1 oraz oporniki R1 i R2 tworzą
bramkę NOT.

5. Obwód głównego mikrokontrolera

Jako głównego mikrokontrolera użyto ATtini2312.
Własności ATtini2313:

- 2kB pamięci FLASH
- 128 bajtów pamięci EEPROM
- 128 bajtów RAM
- jeden tirem 8-bitowy z (2xPWM, 2xOC)
- jeden 16-bitowy (2xPWM, 2xOC, IC)

4

- USART
- USI
- Watchdog

Rysunek 3. Schemat głównego obwodu

Mikrokontroler jako źródła zegara używa zewnętrzny kwarc o częstotliwości
8Mhz. W tym celu należy odpowiednio ustawić bity konfiguracyjne (patrz
dokumentacja ATtini2313 str. 23 i 24).
a) Obsługa nadajnika

Do nadajnika podawany jest sygnał prostokątny o częstotliwości 40kHz
generowany przy pomocy funkcji Output Compare timera 0. Wycie OC
znajduje się na pinie 2 portu B.
Konfiguracja Timera 0 w trybie CTC z przerwaniem:

ldi

r16, (1<<COM0A0)|(1<<WGM01)

out TCCR0A,

r16

;PB2 – wyjcie OC

ldi

r16,

100

;stala przy ktorej licznik sie zeruje

out

OCR0A,

r16

ldi

r16,

(1<<OCIE0A)

;odblokowanie przerwania

out

TIMSK,

r16

Włączenie timera 0 taktowanego, co jeden takt zegara odbywa się przez
ustawienie bitu CS00 w rejestrze TCCR0B.
W funkcji obsługi przerwania dekrementowany jest licznik, a gdy
osiągnie wartość 0 to tirem zostaje wyłączony. Rozwiązanie takie
możliwość wysłania określonej liczby okresów fali.

5

Funkcja obsługi przerwania OC0

ObslugaOC0:

in

r3,

SREG

;zapamietanie resjestru flag

dec

r24

;zminiejszenie licznika

brne

ObslugaOC00

out

TCCR0B,

r24

;jesli r24==0 to wylaczamy timer

ObslugaOC00:

out

SREG,

r3

;przywrocenie rejestru flag

reti

Do poprawnego wykorzystania funkcji trzeba zainicjować rejestr r24
podwójną liczbą wysyłanych okresów fali oraz do rejestru licznika
TCNT0 wpisać wartość taka samą jak w rejestrze TCCR0A, aby wymusić
przerwanie zaraz po włączeniu timera.

b) Procedura pomiaru sonarem

Do wszystkich odbiorników jednocześnie wysyłana jest komenda
oczekiwania na sygnał synchronizujący, następnie wysyłana jest fala
ultradźwiękowa i zboczem opadającym synchronizowany pomiar czasu
przez odbiorniki (ta sama linia, co do magistrali 1-wire). Należy poczekać
na zakończenie pomiarów np. 5ms i odczytujemy kolejno z odbiorników
zmierzone wartości przez z magistrali 1-wire.
Przykładowa implementacja:

WykonajPomiary:

push

r16

push

r17

push

r18

cli

;zablokowanie przeran

ldi

r18,

0x00

;adres wszystkich urzadzen

rcall

wire_w

;wysylamy adres do sonarow

ldi

r18,

SonarPomiar

rcall

wire_w

;wysylamy komende do sonarow

sei

;odblokowanie przerwan

;wysylamy

fale

ldi

r24,

16

ldi

r17,

100

out

TCNT0,

r17

ldi

r17,

(1<<CS00)

out

TCCR0B,

r17

;wlaczenie timera

;czekamy na wyslanie fali

Pomiary2: tst

r24

brne Pomiary2

;zbocze

synchronizujace

cbi

PORTD,

PD6

delay

40

sbi

PORTD,

PD6

;czekamy

ok.

5ms

6

ldi

r17,

52

Pomiary0: delay 255

dec

r17

brne

Pomiary0

cli

;zablokowanie przeran

;pomiary juz sa wykonane, odczytujemy dane z sonarow

ldi

r18,

SonarAddr1

;odczyat z sonaru 1

rcall

wire_w

ldi

r18,

SonarWynik

;komenda wyslaniia wyniku

rcall

wire_w

;wyslanie komendy

rcall

wire_r

;wysylane zawsze do 1mastera

;nie

ma

potrzeby

sprawdzac

adresu

rcall

wire_r

;odebranie wyniku pomiaru

sts

Pomiary+0,

r18

;zapisanie wyniku w RAM

;

pomiary juz sa wykonane, odczytujemy dane z sonarow

ldi

r18,

SonarAddr2

;odczyat z sonaru 1

rcall

wire_w

ldi

r18,

SonarWynik

;komenda wyslaniia wyniku

rcall

wire_w

;wyslanie komendy

rcall

wire_r

;wysylane zawsze do 1mastera

;nie ma potrzeby sprawdzac adresu

rcall

wire_r

;odebranie wyniku pomiaru

sts

Pomiary+1,

r18

;zapisanie wyniku w RAM

;pomiary juz sa wykonane, odczytujemy dane z sonarow

ldi

r18,

SonarAddr3

;odczyat z sonaru 1

rcall

wire_w

ldi

r18,

SonarWynik

;komenda wyslaniia wyniku

rcall

wire_w

;wyslanie komendy

rcall

wire_r

;wysylane zawsze do 1mastera

;nie ma potrzeby sprawdzac adresu

rcall

wire_r

;odebranie wyniku pomiaru

sts

Pomiary+2,

r18

;zapisanie wyniku w RAM

sei

;odblokowanie przerwan

pop

r18

pop

r17

pop

r16

ret

c) Komunikacja z komputerem PC

Komunikacja z PC odbywa się interfejsem RS232. Mikrokontroler
ATtiny2313 ma sprzętową obsługę UART. Standard 0-5V jest
konwertowany na standard R232 za pomocą układu MAX232. Prędkość
transmisji ustalona została na 9600 bodów na sekundę. Format ramki to 8
bitów danych 2bity stopu i kontrola parzystości ODD.

;inicjowanie UART

clr

r16

out

UBRRH,

r16

ldi

r16, 51

;predkosc transmisji 9600 przy kwarcu 8Mhz

out

UBRRL,

r16

;wlaczenie odbiornika i nadajnik i odblokowanie przerwan

ldi

r16,

(1<<RXCIE)|(1<<RXEN)|(1<<TXEN)

7

out

UCSRB,

r16

Komputer PC wysyła do mikrokontrolera komendy, na które
mikrokontroler odpowiednio reaguje.
Zaimplementowane zostały komendy:
- wykonaj pomiar
- prześlij wynik pomiaru
- prześlij informacje o urządzeniu (ciąg znaków „Lokalizator
ultradzwiękowy”)
- sprawdzenie obecności urządzenia (wysyła bajt 0x07)
W przypadku wystąpienia błędów transmisji komenda zostaje odrzucona.
Komenda odbierana jest w przerwaniu URX.

ObslugaURX:

push

r16

in

r2,

SREG

;zapamietanie rejestru flag

in

r12,

UDR

;zapamietanie odebrabego bajtu

in

r16,

UCSRA

andi

r16,

(1<<FE)|(1<<UPE)

;czy wystapily blady

breq

ObslugaURX0

clr r12

;jesli tak to zerujemy odebrany bajt

ObslugaURX0:

out SREG, r2

;przywrocenie rejestru flag

pop

r16

reti

Proceura wysyłajaca wyniki pomoarów

;wyniki zapisane w tabli pomiary

WyslijWyniki:

push

r16

push

r17

ldi

r31,

HIGH(Pomiary

) ;ladujemy adres

ldi

r30,

LOW(Pomiary)

;pierwszego elementu tablicy

ldi

r17,

3+1

;licznik – wysylamy 3 bajty

WyslijWyniki0:

dec

r17

breq

WyslijWyniki2

WyslijWyniki1:

sbis UCSRA, UDRE

;czekamy na wolny bufor

rjmp

WyslijWyniki1

ld

r16,

Z+

;odczyt bajtu z ram

;z pod adresu w Z i zwieksz Z o 1

out

UDR,

r16

;wysylamy bajt

rjmp

WyslijWyniki0

WyslijWyniki2:

pop

r17

pop

r16

ret

Procedura wysyłająca informację o urządzeniu:

;dane zapisane są pamieci programu

WyslijInfo:

push

r16

ldi

r31,

HIGH(Info<<1

) ;ladujemy adres

ldi

r30,

LOW(Info<<1)

8

WyslijInfo0:

lpm

r16, Z+

;do r17 bajt z pamieci programu i

;inkrementacja rejestru indeksowego Z

tst

r16

breq

WyslijInfo2

;koniec gdy napotkamy znak 0

WyslijInfo1:

sbis UCSRA, UDRE

;czekamy na wolny bufor

rjmp

WyslijInfo1

out

UDR,

r16

;wysylamy bajt

rjmp

WyslijInfo0

WyslijInfo2:

pop

r16

ret

Procedura wysyłająca potwierdzenie obecności urządzenia:

ldi r16,

0x07

łtaki wzmzslone potwierdzenie

☺

loop: sbis UCSRA,

UDRE

;czekamy na wolny bufor

rjmp

loop

out UDR,

r16

;wysylamy bajt z rejestru r16

6. Komunikacja 1-wire

Komunikacja pomiędzy głównym mikrokontrolerem a odbiornikami odbywa
się za pomocą interfejsu 1-wire. W projekcie zmodyfikowano ramkę do
dwóch bajtów, pierwszy bajt oznacza adres urządzenia, a drugi dane. Jeżeli
urządzenie odbierze pakiet z adresem, który się nie zgadza z adresem
urządzenia to dane nie są ignorowane.
Przesyłanie bitów interfejsem 1-wire pokazuje rysunek 4.

Rysunek 4. Przesyłanie bitów

Rozpoznawanie przesyłanych bitów odbywa się przez pomiar czasu stanu
niskiego na magistrali. Układ master generuje zbocze opadające na
magistrali, co synchronizuje układy slave przy obieraniu i nadawaniu bitow.

9

Ważną rzeczą podczas wykorzystania software’owej implementacji 1-wire
jest, aby blokować przerwania na czas komunikacji przez magistrale, które
mogą wprowadzić przesunięcia czasowe sygnału na magistrali, co może
doprowadzić do błędów podczas przesyłania danych.
a) Odbiorniki (slave)

- Przykład implementacji odbierania bitu:

wire_r_b:

;czekamy na sygnal synchronizujacy

wrb0: sbic PINB, Wire

rjmp

wrb0

delay

8

;odczekanie ok 20us

sbic

PINB,

Wire

;odczytanie stanu magistrali

;(przeskocz jesli 0)

ori

r18,

0b10000000

delay

15

;odczekanie ok 45us

ret

Odebrany bit jest zapisywany jako najstarszy w rejestrze r18, ale przed
wywołaniem procedury mus być wyzerowany.

- Przykład implementacji nadawania bitu:

wire_w_b

;czekamy na sygnal synchronizujacy

wwb0: sbic PINB, Wire

rjmp wwb0

nop

nop

cbi

PORTB,

Wire

sbrc

r18,

0

;(przeskocz jesli 0)

sbi

PORTB,

Wire

sbi

DDRB,

Wire

;zapis na magistrale (PB2 - wyjscie)

delay

10

;czekamy

cbi

DDRB,

Wire

;przelaczenie pinu na wejscie

cbi

PORTB,

Wire

delay

6

ret

W tym przypadku nadawany jest najmłodszy bit rejestru r18.

- Przykład implementacji odbierania bajtu:

;procedura czyta bajt z magistrali 1-wire do rejestru r18

wire_r:

clr r18

;zerujemy wynik

ldi

R17,

8

;licznik do petli

wire_r_1:

;przed kazdym odczytaniu bitu

lsr r18

;przesuwamy ostatni odebrany w prawo

rcall wire_r_b

;odczyt bitu

dec

r17

;dekrementacja licznika

brne

wire_r_1

;jesli r17!=0 to powtarzamy czytanie bitu

ret

- Przykład implementacji wysyłania bajtu:

;procedura zapisuje bajt na magistrale 1-wire z rejestru r18

wire_w:

ldi

r17,

8

;licznik petli

10

wire_w_1: rcall wire_w_b

;wyslanie najmlodszego bitu bitu

lsr

r18

;pzesuniecie w lewo

dec

r17

brne

wire_w_1

;jesli r17!=0 to nadajemy nastepny

ret

b) Główny mikrokontroler (master)

- Przykład implementacji odbierania bitu:

wire_r_b:

cbi

PORTD,

PD6

;zbocze synchronizujacy

delay

14

;odczekanie 5us

cbi

DDRD,

PD6

;przelaczeny PD6 na wejscie

delay

39

sbic

PIND,

PD6

;odczytanie stanu magistrali

ori

r18,

0b10000000

delay

105

;odczekanie ok 45us

sbi

PORTD,

PD6

; stan wysoko na magistral

i

sbi

DDRD,

PD6

; przełac PD6 na wyjscie

ret

Odebrany bit jest zapisywany jako najstarszy w rejestrze r18, ale przed
wywołaniem procedury mus być wyzerowany.

- Przykład implementacji nadawania bitu:

wire_w_b:

cbi

PORTD,

PD6

;zbocze synchronizujace

delay

13

sbrc

r18,

0

;(przeskocz jesli 0)

sbi

PORTD,

PD6

delay

146

;czekamy

sbi

PORTD,

PD6

;stan wysoki na magistrale

ret

W tym przypadku nadawany jest najmłodszy bit rejestru r18.

- Przykład implementacji odbierania bajtu:

wire_r:

push

r16

push

r17

push

r2

in

r2,

SREG

clr r18

;zerujemy wynik

ldi

R17,

8

;licznik do petli

wire_r_1:

lsr

r18

;po kazdym odczytaniu bitu przesuwamy go w lewo

rcall wire_r_b

;odczyt bitu

delay

100

dec r17

;dekrementacja licznika

brne

wire_r_1

;jesli r17!=0 to powtarzamy

out SREG,

r2

pop

r2

pop

r17

pop

r16

ret

- Przykład implementacji wysyłania bajtu:

11

wire_w:

push

r16

push

r17

push

r2

in

r2,

SREG

ldi

r17,

8

;licznik pretli

wire_w_1: rcall wire_w_b

;wysylamy najmlodszy bit r18

lsr r18

;przygotwanie nastepnego bitu

delay

100

dec

r17

brne

wire_w_1

;jeli r17!=0 to powtarzamy wysylanie

out

SREG,

r2

pop

r2

pop

r17

pop

r16

ret

7. Wnioski

Urządzenie zostało zmontowane i przetestowane. Działanie jest poprawne.
Dobrym rozwiązaniem okazało się użycie zintegrowanego komparatora
analogowego w mikrokontrolerze. Jest on wystarczająco czuły, aby
wychwycić fale z nadajnika nawet z kilku metrów a jednocześnie dość
odporny na zakłócenia. Dodatkowo dokonuje pomiaru czasu bez obciążania
innego mikrokontroler, a wynik można w każdej chwili odczytać.
Napisany został również interfejs graficzny z wykorzystaniem biblioteki QT.
Do kompilacji programów w asemblerze użyto AVRSTudio 4.12.

8. Literatura

Dokumentacje producentów podzespołów elektronicznych.
Materiały internetowe:

http://konar.ict.pwr.wroc.pl/uploads/download/raporty/sonar.pdf