描述

介紹

超聲波測距模塊HC-SR04提供2cm-400cm非接觸測量功能，測距精度可達3mm。這些模塊包括超聲波發射器、接收器和控制電路。工作的基本原理：

• (1) 使用IO觸發至少10us的高電平信號，
• (2) 模塊自動發送八個40kHz 并檢測是否有脈沖信號返回。
• (3) IF 信號返回，通過高電平，輸出IO 高電平持續時間即為從發送超聲波到返回的時間。
• 測試距離=（高電平時間×聲速（340M/S）/2

雖然所有這些聽起來很簡單，但由于涉及到精確計時，我沒有找到很多關于在 Zephyr 上實現它的最佳方法。所以我決定自己做一個。

硬件

• 96Boards Carbon：由于傳感器具有 5v 的高值，Carbon 是我能用 3v3 獲得的最接近的值。3v3 足以在沒有任何電平轉換的情況下向觸發引腳發出信號，但我們仍然需要在回聲引腳上安裝一個分壓器。
• HC-SR04：原因很明顯。
• 分壓器：它基本上是電阻器的組合，用于將 Echo Pin 上的電壓從 5v 降低到 3v3，因此我們最終不會燒毀碳板。這是顯示如何設置它的圖表：

• 接線非常簡單，5v 連接到 5v 引腳，GND 連接到接地引腳，觸發器連接到碳上的“PA1”，Echo 引腳的分壓器的另一端連接到“PA3”上碳。

計算周期

• 好的，讓我們來看看代碼

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#define GPIO_OUT_PIN		1
#define GPIO_INT_PIN		3
#define PORT		"GPIOA"

void main(void)
{
  uint32_t cycles_spent;
  uint32_t nanseconds_spent;
  uint32_t val;
  uint32_t cm;
  uint32_t stop_time;
  uint32_t start_time;
  struct device *dev;
  dev = device_get_binding(PORT);
  gpio_pin_configure(dev, GPIO_OUT_PIN, GPIO_DIR_OUT);
  gpio_pin_configure(dev, GPIO_INT_PIN, (GPIO_DIR_IN | GPIO_INT_EDGE| GPIO_INT_ACTIVE_HIGH | GPIO_INT_DEBOUNCE));

  while (1) {
    gpio_pin_write(dev, GPIO_OUT_PIN, 1);
    k_sleep(K_MSEC(10));
    gpio_pin_write(dev, GPIO_OUT_PIN, 0);
    do {
			gpio_pin_read(dev, GPIO_INT_PIN, &val);
		} while (val == 0);
		start_time = k_cycle_get_32();

		do {
			gpio_pin_read(dev, GPIO_INT_PIN, &val);
      stop_time = k_cycle_get_32();
      cycles_spent = stop_time - start_time;
      if (cycles_spent > 1266720) //260cm for 84MHz (((MAX_RANGE * 58000) / 1000000000) * (CLOCK * 1000000))
      {
        break;
      }
		} while (val == 1);
    nanseconds_spent = SYS_CLOCK_HW_CYCLES_TO_NS(cycles_spent);
    cm = nanseconds_spent / 58000;
    printk("%d\n", cm);
    k_sleep(100);
}
}

1）初始化

頭文件

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

管腳定義

#define GPIO_OUT_PIN		1
#define GPIO_INT_PIN		3
#define PORT		"GPIOA"

變量初始化

void main(void)
{
uint32_t cycles_spent;
uint32_t nanseconds_spent;
uint32_t val;
uint32_t cm;
uint32_t stop_time;
uint32_t start_time;

初始化引腳并設置 IO 方向

struct device *dev;
dev = device_get_binding(PORT);
gpio_pin_configure(dev, GPIO_OUT_PIN, GPIO_DIR_OUT);
gpio_pin_configure(dev, GPIO_INT_PIN, (GPIO_DIR_IN | GPIO_INT_EDGE| GPIO_INT_ACTIVE_HIGH | GPIO_INT_DEBOUNCE));

2）主要邏輯

首先，我們將觸發引腳設置為高電平 10 微秒

gpio_pin_write(dev, GPIO_OUT_PIN, 1);
k_sleep(K_MSEC(10));
gpio_pin_write(dev, GPIO_OUT_PIN, 0);

接下來我們的第一個 do while 循環運行直到 Echo Pin 為低電平，并在它變高時立即中斷，然后我們開始計算周期

do {
      gpio_pin_read(dev, GPIO_INT_PIN, &val);
  } while (val == 0);
  start_time = k_cycle_get_32();

我們的下一個 do while 循環運行直到 ECHO 引腳保持高電平：在這個 do while 塊中，我們計算花費的周期數并不斷檢查if用于限制最大范圍的值。我們使用公式 (((MAX_RANGE * 58000) / 1000000000) * (CLOCK * 1000000)) 并將 MAX_RANGE 替換為以厘米為單位的所需值，并將 CLOCK 替換為微處理器的時鐘速度。

do {
  gpio_pin_read(dev, GPIO_INT_PIN, &val);
stop_time = k_cycle_get_32();
cycles_spent = stop_time - start_time;
if (cycles_spent > 1266720) //260cm for 84MHz (((MAX_RANGE * 58000) / 1000000000) * (CLOCK * 1000000))
{
break;
}
} while (val == 1);

最后我們使用該SYS_CLOCK_HW_CYCLES_TO_NS函數計算 ECHO 引腳為高電平時的持續時間，它以納秒為單位返回結果。然后將值乘以 58000 得到以厘米為單位的結果，請記住空氣中的聲速是 340 米/秒

nanseconds_spent = SYS_CLOCK_HW_CYCLES_TO_NS(cycles_spent);
cm = nanseconds_spent / 58000;
printk("%d\n", cm);

• 首先，有一個主要的 while 循環讓事情無限運行
• 計時方法：要為 ECHO 引腳高電平狀態計時，我們可以使用普通精度方法，該方法使用系統時鐘來確定兩個時間點之間經過了多少時間。但是，我們將使用高精度方法來計算兩個時間點之間經過的周期，因為我們的邏輯基本上是計算確切的持續時間。

參考

• HC-SR04 數據表
• Zephyr 內核時鐘文檔
• 示例代碼 GitHub GIST