spresenseを利用した超音波距離計

spresenseを利用して同相フェーズドアレイ超音波距離計を作りました。
超音波を物体に向けて送信して、反射波が返ってくるまでの時間を計測するToF(Time of Flight)方式です。
（FMCW方式を試そうとしたところ、送信機と受信機のクロストークが酷かったため諦めました。）

距離はUSBシリアルから出力された波形から判別します。

SPRESENSEメインボード・拡張ボード
Arduino UNO互換ボード
LM324
超音波スピーカー・マイク https://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-00120/

Arduino UNOを用いて4つの送信機を40kHz 10Vp-p矩形波パルスで駆動しています。
矩形波パルスの長さは2.5msです。
超音波送信機の共振スペクトルは鋭いため、送信される超音波は正弦波になり、パルス波形も鋭さを失います。
各送信機に別々のGPIOピンが割り当てられているので、位相はプログラマブルに制御することが可能です。

1段目で100倍,2段目で10倍の増幅をしています。
入力インピーダンスは10 kΩです。


#include <Arduino.h>

void setup()
{
  // put your setup code here, to run once:
  DDRD = 0b11111111;
  DDRC = 0b00000001;
  for (;;)
  {
    PORTC=0b00000001;
    for (int i = 0; i < 100; i++)
    {
      PORTD = 0b10101010;
      // PORTD = 0b00100000;
      _delay_us(12);
      PORTD = 0b01010101;
      // PORTD = 0b00010000;
      _delay_us(12);
    }
    PORTC=0b00000000;
    PORTD = 0;
    _delay_ms(100);
  }
}

トリガーが信号が入ると、ADCを開始して、FIFOバッファーの値を一定ビット数分だけglobal配列にコピーして、内容をprintfします。
超音波スピーカー以外にもADCの測定テストに用いることができます。


#include <sdk/config.h>
#include <nuttx/arch.h>

#include <sys/types.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <sys/boardctl.h>

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>
#include <debug.h>
#include <arch/chip/pin.h>
#include <arch/board/board.h>

#ifdef CONFIG_CXD56_ADC
#include <arch/chip/scu.h>
#include <arch/chip/adc.h>
#endif

/****************************************************************************
 * Pre-processor Definitions
 ****************************************************************************/

#ifndef CONFIG_EXAMPLES_ADC_MONITOR_DEVPATH
#define CONFIG_EXAMPLES_ADC_MONITOR_DEVPATH "/dev/hpadc0"
#endif

#ifndef CONFIG_EXAMPLES_ADC_MONITOR_BUFSIZE
#define CONFIG_EXAMPLES_ADC_MONITOR_BUFSIZE 10000
#endif
bool signal_triggered = false;
/****************************************************************************
 * Name: myapp_main
 ****************************************************************************/
static int gpio_handler(int irq, FAR void *context, FAR void *arg)
{
  board_gpio_int(PIN_UART2_RXD, false);
  // printf("interrupt occured");
  fflush(stdout);
  signal_triggered = true;
  board_gpio_write(PIN_UART2_TXD, 1);

  return OK;
}

int max(int a, int b)
{
  return a > b ? a : b;
}
int min(int a, int b)
{
  return a < b ? a : b;
}

char wave_buffer[CONFIG_EXAMPLES_ADC_MONITOR_BUFSIZE];
int main(int argc, FAR char *argv[])
{
  board_gpio_config(PIN_UART2_TXD, 0, false, true, PIN_FLOAT);
  board_gpio_config(PIN_UART2_RXD, 0, true, false, PIN_PULLDOWN);
  board_gpio_intconfig(PIN_UART2_RXD, INT_RISING_EDGE, 0, gpio_handler);
  board_gpio_int(PIN_UART2_RXD, true);
  // printf("interrupt initialized");
  fflush(stdout);
  // board_gpio_int(PIN_UART2_RXD, true)
  int ret;
  int errval = 0;
  int fd;
  char *buftop = &wave_buffer;

  fd = open(CONFIG_EXAMPLES_ADC_MONITOR_DEVPATH, O_RDONLY);
  if (fd < 0)
  {
    printf("open %s failed: %d\n", CONFIG_EXAMPLES_ADC_MONITOR_DEVPATH, errno);
    errval = 4;
    goto errout;
  }

  /* SCU FIFO overwrite */

  ret = ioctl(fd, SCUIOC_SETFIFOMODE, 1);
  if (ret < 0)
  {
    errval = errno;
    printf("ioctl(SETFIFOMODE) failed: %d\n", errval);
    goto errout_with_dev;
  }

  while (!signal_triggered)
  {
    __asm__("nop");
  }
  /* Start A/D conversion */
  ret = ioctl(fd, ANIOC_CXD56_START, 0);
  if (ret < 0)
  {
    errval = errno;
    printf("ioctl(START) failed: %d\n", errval);
    goto errout_with_dev;
  }

  int total_bytes = 0;
  for (;;)
  {
    ssize_t nbytes;
    nbytes = read(fd, buftop + total_bytes, min(CONFIG_EXAMPLES_ADC_MONITOR_BUFSIZE - total_bytes, CONFIG_CXD56_HPADC0_FSIZE));
    if (nbytes < 0)
    {
      errval = errno;
      printf("read failed:%d\n", errval);
      goto errout_with_dev;
    }
    total_bytes += nbytes;
    if (total_bytes >= CONFIG_EXAMPLES_ADC_MONITOR_BUFSIZE)
    {
      break;
    }
  }
  /* Stop A/D conversion */

  ret = ioctl(fd, ANIOC_CXD56_STOP, 0);
  if (ret < 0)
  {
    int errcode = errno;
    printf("ioctl(STOP) failed: %d\n", errcode);
  }

  close(fd);
  char *start = buftop;
  char *end = buftop + CONFIG_EXAMPLES_ADC_MONITOR_BUFSIZE;
  while (1)
  {
    int16_t data = (int16_t)(*(uint16_t *)(start));
    start += sizeof(uint16_t);
    if (start >= end)
    {
      break;
    }
    printf("%d ", data);
  }
  printf("\n");

  board_gpio_write(PIN_UART2_TXD, 0);
  return OK;

  /* Error exits */

errout_with_dev:
  close(fd);

errout:
  printf("ADC monitor example terminating!\n");
  if (buftop)
  {
    free(buftop);
    buftop = NULL;
  }
  fflush(stdout);
  return errval;
}