超音波定位平台原型開發

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姓名

盧甫旻(Fu-Min Lu) 查詢紙本館藏

畢業系所

光機電工程研究所

論文名稱

超音波定位平台原型開發
(Local Positioning System Prototype Development)

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摘要(中)

本論文承襲前兩代之雙頻、變頻超音波測距演算法研究，設計實作一超音波測距專用晶片，並以此晶片發展出超音波定位平台原型。
利用此一晶片IP核心，可載於Xilinx Spartan II等級以上之FPGA。其存取介面為通用8-bit MCU之Memory Mapping I/O方式，適用於各一般8-bit MCU做超音波量測專用。
由此晶片發展之定位平台原型，除可做一般點對點超音波距離量測外，本論文並提出未來發展多點定位之設計原型。

摘要(英)

This paper follows the research of dual frequency and frequency alteration algorithm. The objective is to design and implement an ASIC used for ultrasonic distance measurement, and to use this ASIC to develop a local positioning system prototype.
With this IP core, which can be applied in Xilinx Spartan II FPGA or more advanced FPGA. The access interface of this chip is memory mapping I/O of general 8-bit MCU. It’s suitable for any common 8-bit MCU to measure distance by ultrasound.
This local positioning system can be used for peer to peer ultrasonic distance measurement. In this article, bring up a prototype that can locate mobile stations future.

關鍵字(中)

★ 定位
★ 超音波

關鍵字(英)

★ ultrasound
★ locate

論文目次

論文摘要 I
ABSTRACT II
致謝 III
目錄 IV
圖目 VII
第一章序論 1
1.1 定位的需求 1
1.2 過去至今的成果 1
1.2.1 異波速測距 2
1.2.2 雙頻、變頻演算法 4
1.3 本文之貢獻 4
1.4 本文架構 5
第二章超音波測距之理論基礎與演算法 6
2.1 超音波測距之物理特性 6
2.1.1 超音波轉能器之特性 6
2.1.2 超音波在空氣中的傳遞 9
2.1.3 比較器的影響 10
2.2 超音波測距的誤差來源 11
2.3 雙頻式演算法 12
2.4 變頻式演算法 16
第三章系統設計 20
3.1 系統內之名詞定義 20
3.2 情景介紹 20
3.3 BASE STATION SUBSYSTEM 21
3.4 MOBILE STATION 22
3.5 系統功能與架構 23
第四章超音波測距專用晶片設計 25
4.1 IRUS-M 25
4.1.1 超音波接收現象分析 25
4.1.2 參考訊號到達時間記錄器 26
4.1.2.1 參考訊號到達時間記錄器之規格 26
4.1.2.2 參考訊號到達時間記錄器之功能方塊圖 26
4.1.2.3 PULSE DEBOUNCER 27
4.1.2.4 EDGE DETECTOR 27
4.1.2.5 IR SYNC DETECTOR 28
4.1.2.6 FIFO 28
4.1.2.7 TIME RECORDER 29
4.1.3 IRDA通訊 30
4.1.3.1 UART通訊格式 30
4.1.3.2 UART TX模組 30
4.1.3.3 UART RX模組 31
4.2 IRUS-S 32
4.2.1 參考訊號產生器之規格 32
4.2.2 參考訊號產生器之功能方塊圖 32
第五章電路硬體設計 34
5.1 實體電路板設計簡介 34
5.2 定位原型板之一 35
5.2.1 維度與元件布置 35
5.2.2 簡介 35
5.3 定位原型板之二 36
5.3.1 維度與元件布置 36
5.3.2 簡介 36
5.3.3 超音波驅動電路 37
5.3.4 超音波感測訊號濾波與放大電路 38
5.3.5 紅外線收發器與IRDA通訊格式 41
5.3.5.1 紅外線收發器 41
5.3.5.2 IRDA通訊格式 42
5.3.5.3 紅外線收發器與IRDA CODEC 43
5.3.6 RF電路 43
第六章實驗數據與討論 45
6.1 實驗架設與環境 45
6.2 雙頻測距與傳統測距比較 46
6.2.1 傳統式測距 47
6.2.1.1 50CM距離量測 47
6.2.1.2 100CM距離量測 49
6.2.1.3 150CM距離量測 50
6.2.2 雙頻式測距 51
6.2.2.1 50CM距離量測 51
6.2.2.2 100CM距離量測 52
6.2.2.2 150CM距離量測 53
6.2.3 雙頻式測距與傳統測距比較 53
第七章結論 54
REFERENCES 55
附錄 56
附錄.1 定位板之一，LAYOUT圖 56
附錄.2 定位板之二，LAYOUT圖 56
附錄.3 定位板之實體照片 57

參考文獻

[1] Jiang, et al., “Measuring system and method for detecting object distance by transmitted media with different wave velocities”, U.S. Patent NO.6,680,688
[2] 孫清華，感測器應用電路的設計與製作，初版。全華，台北市，民81。
[3] 王迺愨，應用電子學I，未出版手稿，國立中央大學光電科學研究所，2003。
[4] 普崴電子公司，網址：http://www.prowave.com.tw/
[5] 黃瑞松（民94），變頻式超音波測距之可行性研究，國立中央大學機械工程研究所碩士論文，未出版，台灣桃園。
[6] A. P. Cracknell, “Ultrasonics.” London: Wykeham, 1982, chap.3
[7] Alan V. Oppenheim, Ronald W. Schafer, John R. Buck, “Discrete-Time Signal Processing” 2nd, Prentice Hall, 1999.
[8] 陳凱志（民93），雙頻超音波測距研究，國立中央大學機械工程研究所碩士論文，未出版，台灣桃園。
[9] Keshab K. Parhi, “VLSI Digital Signal Processing System Design and Implementation” , Wiley-Interscience, 1999.
[10] M. Morris Mano, “Digital Desgin” 3rd, Prentice Hall, 2002.
[11] M. Morris Mano and Charles R. Kime, “Logic and Computer Design Fundamentals” 3rd, Prentice Hall, 2004.
[12] Infrared Data Association Serial Infrared Physical Layer Specification, Version 1.4, May 30th, 2001

指導教授

葉則亮、江士標
(Tse-Liang Yeh、Shyh-Biau Jiang)

審核日期

2006-7-12

推文