摘要：本文设计并实现了一种多超声信号融合处理系统，主要用于移动机器人超声测距导航。系统针对超声回波信号的特点，使用at89c52单片机对来自多个超声波传感器的微弱回波信号进行数字处理，并通过rs-232串行口与主机实现通讯。利用该系统，可以完成超声波信号的精确提取及多传感器信息的融合处理，为移动机器人在未知环境下的快速导航奠定了基础。
关键字：多通道；超声测距；信息融合

1 引言

在移动机器人超声测距导航系统中，单一的超声波传感器因其发射角等固有的不足难以完成对环境的全面探测。因而在实践中，常常用到大量的超声传感器阵列。

然而，专门针对这种情况设计的数据采集处理平台却很少。同时，在远距离测量时，超声回波信号很微弱并受到了较大噪声干扰。在这种情况下，传统的基于电路方法的超声测距仪很难实现回波的提取，常常造成误判。而已有的基于pc机的数据采集卡却又带来了便携性和适用性差的问题^[1]。

本文介绍的基于单片机的数字信号采集处理系统，针对上述情况，采用了八通道设计以适合多超声传感器信号的采集，并引入了数字信号处理算法，通过对超声回波信号的数字处理，可以精确地检测回波，完成高精度测距的任务。另外基于该平台进行的多传感器数据融合处理使得移动机器人可以获得更准确的环境信息，提高了环境感知的能力。

2 系统硬件电路设计

图1 系统结构框图

如图1所示，系统的主要硬件组成包括：前端微弱信号调理模块、a/d转换模块、微控制器模块、存储器模块、串行通讯模块以及扩展模块等。多个超声波换能器获取的回波信号输入系统后，经过各自前端调理电路处理，采样转化为数字信号，然后存放至系统sram芯片中。at89c52单片机从sram芯片中读取数据并进行回波提取处理以及多通道融合处理，最后根据需要将处理结果通过rs-232标准接口送往上位pc机。同时，pc机的控制指令也可以通过该接口传送给单片机。

2.1微弱信号调理电路

　　在一般情况下,超声回波信号十分微弱,转换电信号的幅值也较小,必须采用高增益的放大电路。同时，复杂的工作环境又使得超声回波信号中包含了较多的噪声干扰。因此在设计调理电路时，既要进行信号的放大又要做适当的滤波处理。

　　由于系统要对多个超声传感器信号进行同步处理，因而设计了八通道并行的调理电路。每一个通道如图2所示。电路采用两级ad公司的高性能、超低失调电压运算放大器op07串连实现信号的放大，并采用lm741芯片完成低通滤波处理。其中，在信号放大的第二级上设计了两个精密电位器r₅和r₆，其功能分别用于放大倍数和零点漂移的调整，以适合信号的下一步处理。

图2 微弱信号调理电路

超声回波信号经过调理电路后，八个输出端(通道一至通道八）将依次连接到a/d转换器的八个模拟信号输入端，以完成信号的模数转换处理。

2.2 a/d转换电路

　　a/d转换电路采用了maxim公司推出的8位8通道高速模数转换芯片max158^[2]。该芯片具有转换速度快、功耗低、精度高等特点。每通道转换时间仅为2.5μs，能够满足移动机器人导航时实时信号处理的要求。

max158芯片的外部模拟信号输入端ain1-ain8分别连接八路来自信号调理电路的超声回波信号，db0-db7端为转换结果的三态数据缓冲输出端，连接at89c52单片机的八位数据线。 端为片选信号输入端，片选信号来自单片机的p1.4脚。ref+和ref-为参考电压的正负极输入端（分别对应全为1和全为0的输出），连接 +5v标准电压和gnd。a0-a2端控制了芯片内部的多路开关。max158根据这三个端口的输入信号选择通道，并对此通道模拟量进行跟踪和保持。

max158芯片提供了两种不同的工作方式，即mode0和mode1。系统采用mode1流水线读数方式，工作时序如图3所示：一个读信号（置 端和 端为低电平）会启动一个新的转换，并随即取走上一次转换的结果。两个读信号至少间隔2.5μs以保证数据的转换和读取。 端在 端或端的上升沿转为高电平，并在一次转换过程结束时出现低电平。

2.3 微控制器模块

系统采用的at89c52型单片机内含8kb的flash程序存储器、25