1 引言
在很多工程领域，深度的测量是必不可少的测量项目。如矿山开采中的炮孔深度；在水利工程中河道的深度。测量以及相关数据的处理实现自动化，成为建设急需解决的重要课题。
本文讨论基于高性能PIC16F877单片机为主构成的距离测试仪，详细介绍该仪器的工作原理、基本功能框图、关键技术以及相应的工作软件流程。
2 系统组成及工作原理
系统基于声纳测量原理。测量仪器的系统结构框图如图1所示。下位机系统中单片机芯片选用价格低廉，性能优良的PIC16F877单片机，充分利用其提供的软硬件资源，配以响应的外围电路完成距离检测。主要组成部分包括：PIC单片机；外存储器（E2PROM）；触摸式键盘；液晶显示器（LCD）；通讯电路；电池电源通断控制电路。下位机主要实现声波的发射与接收、数据的处理及传输。除此之外，各下位机还具有独立显示温度的功能，避免因为通信网络的故障而造成整个系统的瘫痪。上位机是整个控制系统起统一管理和协调指挥的作用。它的主要功能有：数据采集处理；数据显示；超限报警；文件处理等。
2.1 微处理器系统
PIC 单片机是Microchip 公司推出的单片机系列, 它采用先进的RISC 技术, 具有低价格、低功耗、高性能、全静态、易使用等特点。目前已在仪器仪表、工业自动化、计算机通讯以及民用产品等领域得到广泛的应用, 本设计中采用了PIC 系列中的PIC16F877 作为电路系统的控制核心,在本系统中,以I2C 总线方式利用RCO、RC1 口与存储器24WC02 进行数据通讯,并通过RC2、RC3 口对电源进行监测, RC4、RC5用于声波的发射与接受，RC6、RC7与上位机通讯, RB2、RB3、RB4 口驱动液晶显示模块, RA口进行键盘的输入。
2.2 声波发射模块
电路上电以后，程序读取外部存储电路中记录下的声波发生器晶体频率。系统工作时，每隔2秒系统发射一次5个连续矩形波，矩形波占空比为50%。矩形波的频率和声波发生器内晶体频率须一致，这样才能产生最佳的声波。为了提高声波发射功率，RC0在正半周期输出为5V，负半周期为0V，RC1在正半周期输出为0V，负半周期为5V。
2.3 变增益声波接收模块
当有声波返回时，接收电路将捕捉到返回的声波。由于声波在传播过程中，随传播距离呈指数衰减，图中放大器U6A的增益随着时间也要呈指数变大。所以选用了具有32级可调电阻的数字电位器（X9315），在检测声波信号时，随着时间给数字电位器脉冲，以减小其电阻值。如果收到信号，信号在经过电位整形、去除毛刺、做比较之后，送到RC2口的是一个5V信号。如果没有检测到回波，可能出现情况是回波的幅值过小。通过调整阻值大小，增加放大器增益。放大器增益不可过大，否则会带来引进干扰信号及高次回波的问题。 利用单片机提供的预分频器，记录下此刻时间T。根据D＝0.5VT（V为声波在介质中传播速度）计算出回波单程走过的距离。
2.4 与上位机通讯
单片机在处理完数据以后，需要将数据传输给上位机，让上位机做处理、记录。上位机也需要将声波在介质中的传播速度数据输送到下位机。
通用同步异步接收发送模块（USART） 是两个串行通信接口之一，USART 又称为SCI（Serial Communication Interface）。USART 可以设置为全双工异步串行通信系统， 这种方式可以与个人计算机PC 或串行接口CRT等外围设备进行串行通信；也可以设置为半双工异步串行通信系统， 与串行接口的A / D 或D / A 集成电路、串行EEPROM等器件连接。USART是二线制串行通信接口，它可以被定义为如下三种工作方式：全双工异步方式、半双工同步主控方式、半双工同步从动方式。为了把RC6 和RC7 分别设置成串行通信接口的发送/时钟（TX/CK）线和接收/ 数据（TX/DT）线，必须首先把SPEN位（TCSTAT的RD7） 和方向寄存器TRISC 的D7：D6 置1。USART功能模块含有两个8 位可读/ 写的状态/ 控制寄存器，它们是发送状态/ 控制寄存器TXSTA和接收状态/ 控制寄存器TCSTA。USART 带有一个8 位波特率发生器BRG（Baud Rato Generator），这个BRG 支持USART 的同步和异步工作方式。用SPBRG 寄存器控制一个独立的8 位定时器的周期。在异步方式下， 发送状态/ 控制寄存器TXSTA的BRGH位（即D2）也被用来控制波特率（在同步方式下忽略BRGH位）。向波特率寄存器SPBRG写入一个新的初值时，都会使BRG定时器复位清零，由此可以保证BRG不需要等到定时器溢出后就可以输出新的波特率。对 USART方式进行初始化的程序如下：
BSF STATUS,RP0 ；将指针指向数据存储器的第1页
MOVLW 0x19
MOVWF SPBRG ；设置波特率为9600
BCF STATUS,RP0 ；将指针指向数据存储器的第0页
CLRF RCSTA ；将接收控制和状态寄存器清零
BSF RCSTA,SPEN ；串口允许
CLRF PIR1 ；清除中断标志
BSF STATUS,RP0 ；将指针指向数据存储器的第1页
CLRF TXSTA ；将发送控制和状态寄存器清零
BSF TXSTA,BRGH ；设置为异步、高速波特率
BSF TXSTA,TXEN ；允许发送
BCF STATUS,RP0 ；将指针指向数据存储器的第0页
BSF RCSTA,CREN ；允许接收
初始化完成后， 即可发送或接收数据。在发送或接收数据时， 通过查询发送/ 接收中断标志位即可判断是否发送完一个数据/ 接收到一个数据。发送/ 接收中断标志位不需要也不能用软件复位。在异步串行发送的过程中，只要TXREG 寄存器为空，中断标志T X I F 就置位。因此， TXIF为1 并不是发送完毕的标志， 但仍可以用TXIF 标志来判断。因为当TXREG 为空时，将数据送入后，数据会保留在TXREG 寄存器中，直到前一个数据从发送移位寄存器中移出， 即前一个数据发送完。在本设计中， 单片机与IC卡通信的
本系统将C 口的RC 6 和RC7 设置成异步串行通信模式， 经过MAX232A芯片进行电平转换后，将TTL 电平转换为RS232 电平，再与DB9 接口相连， 即可实现通信。
3 软件系统设计
3.1 系统流程
系统流程参见图2。
3.2 谐波处理
系统在发射完声波以后，声波发射器存在余震，在其后的一段时间内不能检测回波，所在软件中要屏蔽这段时间的信号检测。由于被测物体表面不光滑、声波介质性质复杂以及回波出现谐波等原因，存在多次回波情况。对于前两种情况，只要找出最后一次回波即可；对于最后一种情况，需要用判断出它的谐波。在测试过程中发现，出现的都是二次谐波，三波以及更高的谐波由于声波的衰减，基本不会出现。所以在程序中需找出二次谐波，并将之剔除。具体程序如下：
……
RLF TEMP1 ;TEMP1记录了时间的高位，将其乘以2
RLF TEMP2 ;temp2记录的是时间的低位
BTFSS STATUS ,C
GOTO OP1
INCF TEMP1,F
OP1
MOVF TEMP1,W
SUBWF RESULT1,W
SKPZ
GOTO OP2
MOVF TEMP2,W
SUBWF RESULT2,W
MOVWF TEMP3 ;它们的差值
MOVLW 3
SUBWF TEMP3,W
BTFSS STATUS,C ; 如果有借位说明是有谐波的
GOTO OP2
GOTO OP3
程序流程图
4 结束语
本设计硬件电路简单，功能齐全，安全可靠，性价比高，能较好地解决多次回波问题，具有很高的实用价值。
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