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摘要 超声波非常适合应用于导盲系统，已有的超声波导盲系统都是获得障碍物的距离信息，进行声音或触觉提示。我们利用可编程增益，使用数字电位器，获得超声回波的强度信息，进行音频调制，向盲人提供更加丰富的信息。文中主要阐述可编程增益的研究，包括硬件构成、软件设计和信息后处理。
关键词 可编程增益；数字电位器；超声波传感器；回声定位；时间渡越法；盲人
S t u d y o n p ro g ram m a b le g a in in u lt ra s o n ic g u id a n ce s ys t em
fo r t h e b lin d
YAO Xiang, SU Yong- chun YU We i DENG Qin- ka i
（1. S chool of Ba s ic Medica l S c ience s , S outhe rn Medica l Unive rs ity, Guangzhou 510515, China；2. KunmingGene ra l Hos pita l, Chengdu Milita ry Region, Kunming 650032, China ; 3. S chool of Biomedica l Engine e ring,S outhe rn Medica l Unive rs ity, Guangzhou 510515, China）
Abstr act Ultrasonic sensors are optimal to the guidance system for the blind. The previous ultrasonic guidance systemsacquire the position information of obstacles, and transform it into audio signal or tactile vibration. The system developed inthis paper, utilizing programmable gain technique and digital potentiometer, acquires the power of reflected ultrasonic asadditional information, and informs the blind with modulated audio signal. In this paper, the studies on programmable gain is described detailed including the hardware structure, the software design and information post processing.Keywor ds programmable gain; digital potentiometer; ultrasonic sensor; echolocation; time of flight; the blind
中国是世界上盲人最多的国家，约有900万视力障碍或全盲者，占全世界4 500万盲人总数的1/5左右。人生活过程中95%的信息是通过视觉获得的。盲人生活在黑暗的世界中，给工作、生活、社交活动带来了莫大的困难。如何安全行走, 是盲人生活中最大的问题。
除了传统的白色手杖和导盲犬，为了提高盲人的生活质量，增加其行走能力，世界各国一直进行着导盲系统的研制。目前研发成功的导盲系统有：超声波导盲系统、无线电导盲系统、卫星导盲、盲人电子眼镜、红外线导向灯系统等。超声波导盲系统大体可以分为2类：基于电子技术的导盲仪和基于机器人技术的导盲仪。已有的超声波导盲系统都是获得障碍物
的距离信息，进行声音或触觉提示。
本超声波导盲系统是基于电子技术，在获得障碍物的距离信息的基础上，利用可编程增益，使用数字电位器，获得超声回波的强度信息，进行音频编码，向盲人提供更加丰富的信息。本系统为便携式设计，体积小，重量轻；选用低电压、低功耗电路，延长电池的使用时间；低成本设计，便于推广。
下面介绍超声回波定位原理和本超声波导盲系统的构成，重点阐述可编程增益的研究，包括：硬件构成、软件设计和信息后处理。
1 超声回波定位原理
超声回波定位原理是基于超声测距的基础，由若干个探头探测物体的位置。超声测距，就是由发射电路发射一定频率和功率的高频电信号, 激励超声换能器，利用逆压电效应把电信号转换成超声波发射出去。由于超声波具有入射到2种不同介质交界面上发生反射的特性, 所以，发射出去的超声波经媒质传到物体表面会发生反射。反射后的超声波通过媒质传到接收探头, 再由超声换能器利用压电效应把其转换成电信号送到后级电路中
超声测距采用时间渡越法（time of flight, TOF），利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。测距的公式为：
D=ct/2 （1）
式中：D为测量的距离长度,c为超声波在空气中的传播速度,t为超声发射到返回的时间间隔。在空气中
c=331.5+0.607T（m/s） （2）
其中：T为摄氏温度。
应用1个超声发射接收探头可以得到障碍物的距离，实现一维定位。应用2个超声发射接收探头，可以得到障碍物的距离和方位角，实现二维定位.应用3个超声发射接收探头，利用三角形测量原理可以实现三维定位
2 系统构成
本系统采用的超声波传感器接收和发射功能为一体，中心频率为40kHz，灵敏度为- 66dB，声束角为60°，最大输入电压峰峰值为 40V，回响时间最大为 1.4ms。所用的单片机为MSP430系列，低电压，低功耗，功能强大。
本超声波导盲系统分为2个子系统：手杖子系统和眼镜子系统。
手杖子系统中2个超声波传感器安置于手柄的下部，探测前方的障碍物信息。每个超声波传感器对应1个安置于手柄的振动马达，采用脉宽调制技术控制振动马达，马达的振动频率和障碍物的距离成反比。这样盲人可通过触觉感知前方的路况信息。在这一子系统中仅获得距离信息，未使用可编程增益。
眼镜子系统中2个超声波传感器安放于镜框的两端，每个超声波传感器对应于立体声耳机的1个声道。在此子系统中使用可编程增益技术，获得回波信号的强度，结合障碍物的距离信息对声音进行编码，声音的频率和障碍物的距离成反比，声音的强度和回波信号的强度成正比。这样盲人可通过听觉感
知前方的路况信息。提示声音为短促的滴答声，这样周围环境的声音不至于被完全掩盖。
本超声波导盲系统的示意图如图1所示。
3 可编程增益控制
在获得距离信息的同时，将回波的强度信息提取出，可提供更加丰富的信息。本系统的
超声波传感器的灵敏度为 - 66dB，实际接收的感 应 电 压 为 2mV 至200mV， 动 态 范 围 为40dB。设计合理的可编程增益控制电路，使回波信号放大到可以识别的范围，获得信号的强度信息。
3.1 硬件构成
本系统采用三级放大电路，第一级和第三级为固定增益放大电路，第二极是可编程增益放大电路。三级放大电路如图2所示。
图2 三级放大电路
电路的第二级为反向比例放大电路，用数字电位器担当反馈电阻。单片机控制数字电位器，当数字电位器的阻值发生变化时，放大倍数随之改变。
使用的数字电位器是MAX5407。MAX5407是32级对数变化的数字电位器，每级间隔 1dB，可控制范围为 32dB。MAX5407由电阻串和COMS开关组成，通过简单的2线串行接口进行控制。它具有机械电位器相同的功能，使用它替代了若干电阻和多工器，大大节省了电路板的面积。
单片机发出相应的时序信号对数字电位器的CS和U/D2脚进行异步串行控制，使数字电位器的抽头位置改变。电路中使用数字电位器的电阻低端和电阻抽头端，电阻高端空置。上电时数字电位器的抽头位置在最下，抽头端和低端之间的电阻最小。当抽头位置向上移动时，抽头端和低端之间的电阻增大。当抽头位置向下移动时，抽头端和低端之间的电阻减小。当抽头位于最低级时，向下调整将不起作用。当抽头位于最高级时，向上调整将不起作用。
3.2 软件设计
超声波导盲系统中眼镜子系统的整体软件流程图如图3所示。单片机初始化后，在每次测量循环开始后首先进行自动增益控制。每个测量循环包括：自动增益控制、温度测量、向上位机发送数据、发送超声脉冲、捕获回波和计算距离，周期为100ms。根据MAX5407的控制特性，分别编写抽头位置上升和下降1位的子程序，需要时调用相应的子程序。MAX5407自身没有复位功能，系统不掉电重启时抽头的位置保持不变，而上电重启时抽头的位置为最低，为了防止控制错误，在初始化时，连续调用31次抽头下降子程序，保证抽头的位置在最低，抽头端和低端之间的电阻最小，接收放大电路的增益最小。抽头的位置最高为32，最低为1。
可编程增益控制在软件上采用双阈值法控制抽头位置的变化。超声波传感器的感应电压经三级放大后送至单片机内比较器的正端，比较器的负端为低阈值参考电压，当正端电压大于负端电压时比较器输出为高，系统认为捕获到了回波信号。如果未捕获到回波信号，则在下1次循环时将抽头的位置上升1位。如果捕获到了回波信号，即对回波信号进行A/D采样，提取回波的最大值，如果回波的最大值超过设定的高阈值参考电压时，认为信号被过度放大，在下1次循环将抽头的位置下降1位；如果回波的最大值未超过高阈值，则抽头的位置保持不变。这样系统在动态地调整放大电路的增益。可编程增益控制的软件流程图如图4所示。
3.3 信息后处理每次测量周期在自动增益控制结束后，通过RS232串行接口向上位机传送抽头位置和障碍物距离的数据。
可以使用2种形式向盲人进行音频提示。1种是语言提示，这种提示精确，但是非常缓慢，容易使听者疲惫，掩盖了周围环境有用的声音信息。1种是滴答声，这种提示快捷，包含的信息丰富，周围环境有用的声音也可大部分获得。
本系统采用滴答声提示。上位机接收到信息后即时处理。采用时间平均技术，每秒钟提示1次。对声音进行编码，声音的频率和障碍物的距离成反比，声音的强度和抽头的位置成反
比。此功能已在虚拟仪器LabVIEW软件上得到了实现
4 结束语
使用可编程增益获得超声回波的强度信息，在传统超声波导盲系统的基础上，向盲人提供更加丰富的信息。
参考文献
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ternational Symposium on Robotics),2001.580～585
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