Ultraschall Entfernungsmessung

Ultraschall schrieb:

> Wenn ich jetzt mal das "klassische" Nyquist-Shannon-Abtasttheorem
> hernehme, dann müsste ich ja den Timer-Interrupt in etwa alle 8,5 µS
> auslösen.

Du löst den Interrupt überhaupt nicht aus.
Deine Hardware löst den Interrupt aus. Konkret den Timer Capture 
Interrupt.

Und warum läst du das nicht die Hardware des uC für dich machen?
Sowas macht man mit dem Capturemode des Timers.

amateur schrieb:
> und Du es nicht übertreibst und einen
> Überlauf provozierst.

Dafuer gibt es den Overflow Interrupt. Damit kann man den Zaehler 
beliebig breit machen.

amateur schrieb:
> Warte aufs Echo.

Das Warten muss dann aber mit einem Time-Out begrenzt werden, falls kein 
Echo zurückkommt. Das lässt sich z.B. mit dem von Helmut erwähnten 
Overflow Interrupt einfach realisieren.

Gruß Dietrich

Wolfgang schrieb:
> kommt und wahre Entfernungen messen möchte, sollte man sich auch gleich
> Gedanken über die passende Temperaturmessung machen, um mit der
> Genauigkeit in Bereiche vorzustoßen, die an die Auflösung heranreicht.

Das stimmt zwar, aber kannst du sicherstellen das ueberall auf der 
Strecke die gleiche Temperatur ist?

Ultraschall schrieb:
> um dann bloß 2 Pins in
> Anspruch zu nehmen ;).

Wie? Nur VCC und GND willst du anschliessen :=)

Ultraschall schrieb:
> Dann eben 4 ;).

Noe. Du brauchst noch einen Quarz (2 Pine) , Reset (1 Pin), 
Analogversorgung (3 Pins), die Programmierpins (3 Pins), einen 
Sendeausgang ( 1Pin), einen Empfangspin (1 Pin). Und dann steht das 
Ergebnis irgendwo in uC. Also auch noch Pins fuer die Ausgabe.

Nun zaehl mal zusammen.

Das hier

Ultraschall schrieb:
>> sollte man sich auch gleich
>> Gedanken über die passende Temperaturmessung machen, um mit der
>> Genauigkeit in Bereiche vorzustoßen, die an die Auflösung heranreicht.
>
> Das hatte ich letztendlich sogar vor. Aber davor wollte ich ein wenig
> mit dem Ganzen experimentieren.

und das hier

Ultraschall schrieb:
> Nicht wirklich. Der Quarz wäre vielleicht für eine genauere Auflösung
> sinnvoll, aber ich kann ja auch den internen Oszillator kalibrieren. Mal
> sehen. Analogversorgung brauch ich keine.

passt nicht wirklich zusammen.

Ultraschall schrieb:
>> passt nicht wirklich zusammen.
> Es soll Temperatursensoren geben, welche über I2C angesprochen /
> ausgelesen werden.

Das meine ich nicht damit. Oder willst du den internen Oszillator auch 
noch mit der Temperatur korrigieren? Ein Quarz ist da einfacher.

Hallo,
ich hatte mal ein berufliches Projekt mit Ultraschallentfernungsmessung. 
3mm Genauigkeit kann man mit normalen Mitteln eher vergessen. Mit 
üblichen Ultraschallwandlern mit Frequenzen von ca. >30kHz bis <100kHz 
ist eine reine Zeitmessung mit der Genauigkeit nicht zu machen. 
Piezowandler haben fast immer eine ausgeprägte Resonanzfrequenz mit 
kleiner Bandbreite, die Anstiegs- und Abfallzeit hängt direkt von der 
Bandbreite ab. Ein schmalbandiger Wandler mit z.B. 5kHz Bandbreite hat 
Anstiegszeiten in der Größenordnung von ca. 200us.

Für genaue Messungen braucht man vor allem breitbandige Wandler, die 
dürfen also keine ausgeprägte Resonanz haben. Wird derselbe Wandler zum 
Senden und Empfangen mit Umschaltung benutzt, hat man im Nahbereich eine 
tote Zone, denn nach Abschalten schwingt der Wandler noch langsam aus 
(mit ausgeprägter Resonanz dauert das besonders lange!) und erst, wenn 
er ca. 80dB oder noch mehr abgeklungen ist, ist er als Mikrofon für das 
Echo empfindlich.

Besser man hat zwei Sensoren, einen Sender und einen getrennten 
Empfänger, dann ist die Totzeit erheblich kürzer, aber auch nicht ganz 
weg. Beim Senden wird der Empfänger übersteuert, da der Sender 
normalerweise direkt daneben sitzt, die Schwingung muß also auch 
abklingen, da die Anfangsamplitude erheblich kleiner als beim 
kombinierten Sender/Empfänger ist, geht das Abklingen schneller.

Am besten würe es aber, kontinuierlich ein moduliertes Ultraschallsignal 
zu senden, die Modulation ist ein Pseudozufallsgenerator (z.B. 
rückgekoppeltes Schiebereister) und mit dem empfangenen Signal eine 
Kreuzkorrelation durchzuführen. Der Empfänger samt A/D-Wandler muß aber 
eine hohe Dynamik haben, damit er vom direkten Sendesignal nicht 
übersteuert wird und trotzdem das wesentlich schwächere Echo noch gut 
aufgelöst wird. Ein Audio A/D-Wandler mit 192kHz und >=20Bit dürfte da 
nicht verkehrt sein, natürlich nur für Ultraschallfrequenzen < ca. 
80kHz.

Ohne Korrelation, also mit direkter Zeitmessung, wird es nur genauer 
werden, wenn man mit noch höheren Ultraschallfrequenzen und 
breitbandigen Wandlern arbeitet, z.B. eher mit 1MHz, aber da ist die 
Dämpfung in der Luft schon sehr groß, so daß das Echo extrem schwach 
zurückkommt.

Wichtig ist die Messung der Lufttemperatur der Meßstrecke, die 
Schallgeschwindigkeit ist proportional zur Quadratwurzel der absoluten 
Temperatur. Wenn sich die Temperatur bei ca. 300 Kelvin um 6° ändert, 
hat man bereits ca. 1% Meßwertabweichung. Der Luftdruck und die 
Feuchtigkeit hat praktisch keinen Einfluß auf die Schallgeschwindigkeit, 
wohl aber auf die Dämpfung. Kleinerer Druck und höhere Luftfeuchtigkeit 
können das empfangene Signal deutlich dämpfen, es kommt aber deshalb 
nicht später an.

Gruß
Andy_W

Andreas W. schrieb:
> Am besten würe es aber, kontinuierlich ein moduliertes Ultraschallsignal
> zu senden, die Modulation ist ein Pseudozufallsgenerator (z.B.
> rückgekoppeltes Schiebereister) und mit dem empfangenen Signal eine
> Kreuzkorrelation durchzuführen.

Warum bevorzugst Du ein Zufallsmuster statt einem deterministischen 
Signal?

Rolf S. schrieb:
> Warum bevorzugst Du ein Zufallsmuster statt einem deterministischen
> Signal?

Ist ja kein Zufall sondern nur Pseudo also berechnenbar. Das ganze ist 
unter Spreadspektrum bekannt. Wie auch GPS funktioniert.

3 mm Auflösung wären schon sehr gut für die üblichen 40 kHz. Das würde 
heißen man müsste auf 1 Wellenlänge genau auflösen, und genau da hat man 
die Probleme wegen der Resonanzen. Man bekommt nämlich eine langsam 
ansteigende Amplitude des Signals und kann dann gar nicht so leicht und 
eindeutig sagen ab welcher Schwingung es gilt. Die einzelnen 
Schwingungen kann man dagegen oft gut auflösen - es ist halt nur die 
Frage um vielfache von 1/2 Wellenlänge. Mit einem Modulierten Signal 
könnte man das ggf. umgehen - aber nicht mit dem einfachen Modul. Da 
muss man eher mit Fehlern von 1 cm rechnen - wenn man die richtige 
Periode erst mal zuverlässig hätte, wäre man schnell auch bei Werten im 
Bereich 1/10 mm, sofern es mit der Temperatur hinkommt.

Ganz so hoch muss man mit den Anforderungen an den AD Wandler nicht 
unbedingt gehen, wenn man eine Zeitabhängige Verstärkung vorsieht. Die 
Dämpfung ist ja relativ berechenbar, der Dynamikbereich also gar nicht 
so groß.

Die Zeitmessung mit dem Modul kann man auch gut und gerne mit einem 
normalen Interrupt (z.B. int0, Pinc Change) machen: Den US Puls starten, 
den Timer bei 0 starten lassen und dann einfach im Interrupt den Timer 
auslesen. Wenn keine anderen Interrupts groß dazwischen kommen, kommt 
man auch damit die Zeit auf etwa 5 Zyklen (=µs bei 1 MHz Takt) genau. 
Nur mit dem Überlaufinterrupt muss man sich da etwas anstrengen und 
kriegt da dann in einem kleinen Zeitfenster ggf. etwa 10-30 µs 
Ungenauigkeit. Man kann aber ggf. auch so etwas wie USI als Erweiterung 
eines 8 Bit Timers nutzen.

Ultraschall schrieb:
> Allerdings scheint es bei einem ATmega88 z.B. nur einen solchen Pin zu
> geben (sowie den ADC Komparator). Beim ATtiny85 hingegen sogar keinen
> :(.
>
> Was wäre hier eine brauchbare Alternative?

Machst Du die Messungen nacheinander? Dann verodere doch die 
Echo-Signale.

Ansonsten gibt es noch Prioritätenencoder oder andere µC-Familien mit 
deutlich mehr Input-Captures.

Beim Arduino Mega sind viele ICPs nicht herausgeführt, du könntest 
Fädeldraht an die Pins anlöten.

Helmut Lenzen schrieb:
> Ist ja kein Zufall sondern nur Pseudo also berechnenbar. Das ganze ist
> unter Spreadspektrum bekannt. Wie auch GPS funktioniert.

ahja!