基于GD32E230的US-016模拟电压式超声波测距模块驱动移植与实战

基于GD32E230的US-016模拟电压式超声波测距模块驱动移植与实战最近在做一个智能小车的项目需要用到超声波测距来避障。市面上常见的超声波模块大多是像HC-SR04那样通过发送和接收回波的时间差来计算距离需要单片机提供触发信号并测量高电平时间。但这次我找到了一款挺特别的模块——US-016它直接把测得的距离转换成一个模拟电压输出用起来就像读一个电位器一样简单。正好手头有块立创的GD32E230C8T6开发板我就琢磨着把这两个东西搭起来用用。这篇文章我就来手把手带你走一遍完整的流程从了解US-016这个模块的特性到在GD32E230上配置ADC读取它的电压最后把电压值换算成实际的距离。整个过程我会尽量讲得细一些特别是电压和距离的换算关系以及ADC配置里容易踩的坑希望能帮到正在用GD32系列做项目或者学习传感器应用的朋友们。1. 认识US-016一款“另类”的超声波模块咱们先来看看US-016到底是个啥。它和HC-SR04最大的不同就是输出方式。HC-SR04输出的是数字脉冲信号而US-016输出的是一个模拟电压。这个电压值和你测量的距离是成正比的距离越远电压越高。模块核心特性工作电压3.3V - 5V。这意味着它可以直接用我们开发板的3.3V供电非常方便。工作电流大约3.8mA功耗很低。测量范围2厘米到3米。这个范围对于大部分室内避障、测距应用足够了。输出方式模拟电压输出。这是它的核心卖点。接口一共4个引脚分别是VCC电源、GND地、OUT模拟电压输出、RANGE量程选择。量程选择是关键US-016有一个很实用的功能可以通过RANGE引脚选择不同的量程就像相机的变焦一样让你在精度和范围之间做取舍。RANGE引脚悬空或接高电平量程为3米。这是默认状态适合测量较远的距离。RANGE引脚接低电平GND量程切换为1米。在这个量程下测量精度会更高因为满量程电压对应1.024米电压变化对距离更敏感。电压与距离的换算公式这是驱动US-016最核心的知识点一定要理解。模块输出的电压Vout范围是0V到供电电压Vcc。距离L单位毫米的计算公式如下量程为1米时L 1024 * (Vout / Vcc)当Vout 0V对应距离L 0mm。当Vout Vcc对应距离L 1024mm即1.024米。量程为3米时L 3096 * (Vout / Vcc)当Vout 0V对应距离L 0mm。当Vout Vcc对应距离L 3096mm即3.096米。注意公式里的Vcc指的是给US-016模块供电的电压比如5V或3.3V而Vout是我们用单片机ADC测量到的模块输出电压。如果单片机的ADC参考电压Vref和模块的Vcc不一样公式还需要乘以一个系数Vref/Vcc。在我们的例子里开发板和模块都用3.3V供电所以Vref Vcc这个系数就是1公式可以简化。2. 硬件连接与引脚规划接下来我们把模块和开发板连起来。连接非常简单VCC- 开发板的3.3V引脚。GND- 开发板的GND引脚。OUT- 开发板的PA1引脚这是我们选定的ADC输入引脚。RANGE- 我们暂时让它悬空使用默认的3米量程。为什么选PA1因为我们需要一个带ADC模数转换器功能的引脚来读取模拟电压。查一下GD32E230C8T6的数据手册第19页左右的引脚定义图可以看到PA1引脚复用了ADC的通道1ADC_CHANNEL_1功能正好符合我们的需求。3. 工程搭建与代码移植硬件连好了现在来搞软件。我们需要在GD32的工程里编写驱动代码来初始化ADC并读取电压值。3.1 创建驱动文件首先在你的工程里新建两个文件bsp_us016.c和bsp_us016.h“bsp”是板级支持包的意思用来放外设驱动。把下面的代码分别复制进去。头文件bsp_us016.h这个文件主要进行宏定义和函数声明让代码更清晰修改配置也方便。#ifndef _BSP_US016_H_ #define _BSP_US016_H_ #include gd32e23x.h // 超声波OUT引脚连接定义 #define RCU_OUT RCU_GPIOA // 引脚所在GPIO端口的时钟 #define PORT_OUT GPIOA // 引脚所在GPIO端口 #define GPIO_OUT GPIO_PIN_1 // 具体的引脚号PA1 // ADC相关定义 #define RCU_OUT_ADC RCU_ADC // ADC外设时钟 #define PORT_OUT_ADC ADC // ADC外设 #define CHANNEL_OUT_ADC ADC_CHANNEL_1 // ADC通道号对应PA1 #define CHANNEL_NUM 1 // 我们只使用1个ADC通道进行采样 // 量程选择宏。0代表3米量程1代表1米量程。这里我们选择悬空3米量程 #define RANGE 0 // 函数声明 void US016_GPIO_Init(void); // 初始化函数 float Get_distance(void); // 获取距离函数 #endif源文件bsp_us016.c这里是具体的实现包含了ADC初始化和距离计算。#include bsp_us016.h #include systick.h // 用于延时函数 #include bsp_usart.h // 用于printf调试可选 #include stdio.h /****************************************************************** * 函数名称US016_GPIO_Init * 函数说明初始化US-016模块所需的GPIO和ADC * 函数形参无 * 函数返回无 * 注 意这里配置ADC为单通道、连续转换模式方便持续读取 ******************************************************************/ void US016_GPIO_Init(void) { /* 第1步打开相关时钟 */ rcu_periph_clock_enable(RCU_OUT); // 使能GPIOA时钟 rcu_periph_clock_enable(RCU_OUT_ADC); // 使能ADC时钟 rcu_adc_clock_config(RCU_ADCCK_APB2_DIV4); // 配置ADC时钟为APB2的4分频 /* 第2步配置PA1引脚为模拟输入模式 */ // 读取模拟电压必须配置为模拟模式上下拉电阻无效 gpio_mode_set(PORT_OUT, GPIO_MODE_ANALOG, GPIO_PUPD_NONE, GPIO_OUT); /* 第3步配置ADC工作模式 */ adc_special_function_config(ADC_CONTINUOUS_MODE, ENABLE); // 使能连续转换模式 adc_special_function_config(ADC_SCAN_MODE, DISABLE); // 我们只有一个通道禁用扫描模式 adc_resolution_config(ADC_RESOLUTION_12B); // 设置ADC分辨率为12位0-4095 /* 第4步配置ADC触发源与数据对齐 */ adc_external_trigger_source_config(ADC_REGULAR_CHANNEL, ADC_EXTTRIG_REGULAR_NONE); // 不使用外部触发 adc_data_alignment_config(ADC_DATAALIGN_RIGHT); // 数据右对齐方便读取 /* 第5步配置ADC规则组通道 */ adc_channel_length_config(ADC_REGULAR_CHANNEL, CHANNEL_NUM); // 规则组通道数为1 // 配置规则组第0个转换序列为ADC通道1采样时间13.5个周期 adc_regular_channel_config(0, CHANNEL_OUT_ADC, ADC_SAMPLETIME_13POINT5); /* 第6步使能ADC并校准 */ adc_enable(); // 使能ADC delay_1ms(1); // 短暂延时等待ADC稳定 adc_calibration_enable(); // 开启ADC自校准这个很重要能减少误差 /* 第7步启动转换 */ adc_software_trigger_enable(ADC_REGULAR_CHANNEL); // 软件触发开始转换 } /****************************************************************** * 函数名称Get_ADC_Value * 函数说明获取指定次数的ADC采样平均值用于滤波 * 函数形参num - 平均次数 * 函数返回平均后的ADC原始值0-4095 ******************************************************************/ unsigned int Get_ADC_Value(unsigned int num) { unsigned int sum 0; for(int i 0; i num; i) { sum adc_regular_data_read(); // 读取ADC数据寄存器 delay_1ms(1); // 每次读取间隔1ms避免采样过快 } return (sum / num); // 返回平均值 } /****************************************************************** * 函数名称Get_distance * 函数说明核心函数读取ADC值并换算为距离单位毫米 * 函数形参无 * 函数返回浮点型距离值 * 注 意公式推导是关键 * 12位ADC最大值是4095对应电压Vref3.3V。 * 量程3米时ADC值d对应的电压 Vout d * (Vref / 4096)。 * 代入距离公式 L 3096 * (Vout / Vcc)。 * 因为Vref Vcc 3.3V公式简化为 L 3096 * (d / 4096) d * 0.7559。 * 同理1米量程时 L 1024 * (d / 4096) d * 0.25。 * 代码中为了计算快直接用乘法。 ******************************************************************/ float Get_distance(void) { float distance 0; unsigned int adc_val Get_ADC_Value(30); // 采样30次取平均 #if (RANGE 0) // 3米量程 distance adc_val * 0.75f; // 近似于 adc_val * 3096 / 4096 #else // 1米量程 distance adc_val * 0.25f; // 近似于 adc_val * 1024 / 4096 #endif return distance; // 返回的单位是毫米(mm) }3.2 代码要点解析ADC配置流程使能时钟 - 配置GPIO为模拟输入 - 设置ADC模式连续转换、分辨率 - 配置通道 - 使能并校准ADC - 软件触发开始转换。这是一套标准的ADC初始化流程。采样平均滤波Get_ADC_Value函数里对ADC采样了30次然后取平均。这是因为模拟信号容易受到干扰多次平均可以有效地让读数更稳定减少跳动。距离换算公式这是最核心的部分。在Get_distance函数里我们根据RANGE宏的定义选择不同的系数。这个系数是怎么来的就是前面讲的公式L 系数 * (Vout/Vcc)结合ADC值d与电压Vout的关系Vout d * (Vref/4096)以及Vref Vcc的假设推导出来的简化计算。直接相乘比做浮点除法快得多。4. 主函数调用与实验验证驱动写好了最后就是在主函数里调用它了。我们每隔500毫秒读取一次距离并通过串口打印出来方便在电脑上查看。#include gd32e23x.h #include systick.h #include bsp_usart.h // 串口初始化用于printf #include stdio.h #include bsp_us016.h // 包含我们刚写的驱动头文件 int main(void) { /* 系统初始化 */ systick_config(); // 初始化系统滴答定时器提供delay函数 usart_gpio_config(115200U); // 初始化串口波特率115200用于打印数据 /* US-016模块初始化 */ US016_GPIO_Init(); printf(US-016 Distance Measurement Demo Start!\r\n); while(1) { // 读取距离并打印 float dist Get_distance(); printf(Distance: %.1f mm\r\n, dist); // 打印距离保留一位小数 delay_1ms(500); // 延时500ms } }实验现象将代码编译下载到GD32E230开发板连接好US-016模块和串口线。打开电脑上的串口助手如XCOM、Putty等设置好波特率115200。在模块前方大约20厘米的地方放一个障碍物比如一本书你会在串口助手上看到类似Distance: 203.5 mm的输出。移动障碍物输出的距离值也会相应变化。提示如果发现测量值跳动比较大可以尝试增加Get_ADC_Value函数中的平均次数比如从30次增加到50次。检查电源是否稳定可以用万用表量一下给US-016供电的电压是否准确。确保测量前方物体表面平整超声波对光滑表面的反射效果最好。好了整个从硬件连接到软件驱动、从原理到实战的过程就是这样。用GD32E230驱动US-016这个模拟输出的超声波模块其实核心就是ADC的配置和那个距离换算公式。掌握了这个方法你就能轻松地把这个模块应用到你的测距、避障项目里去了。实际项目中你可能还需要根据环境对数据进行更复杂的滤波处理但基本的驱动框架就是这些。