超聲測距

超聲測距模塊 HC-SR04P。工作電壓3-5V，有效距離2-400cm，解析度1mm。註意型號末尾的“P”：有另一個外觀、介面、工作方式一樣的型號 HC-SR04，但工作電壓為5V。我這個模塊 PCB正面印刷的是HC-SR04，反面印刷 HC-SR04P：

有4個引腳，VCC/GND供電，TRIG觸發測距，ECHO接收測量結果。向TRIG給一個10us以上（規格書建議40-50us）的正脈衝觸發信號，模塊開始工作，發射超聲波並接收回聲。從發射到接收到回聲的時間，以迴響電平的形式從ECHO輸出；電平持續時間等於聲波往返模塊到障礙物的時間：

 常溫下，聲音在空氣中的傳播速度約343m/s = 3.43mm/10us = .8575mm/2.5us。初步想法是，啟動一個Timer作為時間基，計數頻率 2.5us = 400kHz，以滿足10us觸發信號延時和1mm測量解析度的需求。介面方式，觸發信號用GPIO output，迴響信號用GPIO外部中斷。如下圖，迴響信號接PC7（Arduino相容Pin D9），其EXTI line編號為7：

使用基本Timer TIM6，時鐘源為PCLK1 x 2=72MHz。設PSC=179，得計數頻率 CK_CNT = 72MHz / (1+179) = 400kHz。設 ARR = 63999，則 UEV 頻率為 400kHz /(1+63999) = 6.25Hz = 160ms。

計時及有關工具函數實現如下。全局變數 _App_timestamp 記錄時間戳，在TIM6 UEV 中斷回調函數中更新，因此其精度為160ms。獲取當前時間戳時，將_App_timestamp 與 TIM6 CNT寄存器值相加，可達到 2.5us 精度：

typedef struct {
    uint32_t milli;
    uint16_t micro;
} _App_Timestamp;

volatile _App_Timestamp _App_timestamp = { 0, 0 };

void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim) {
    if (&htim6 == htim) {
        _App_timestamp.milli += 160; // 160 ms/tick
    }
}

#define _App_GetDuration(from, to)  (           \
        1000 * ((to).milli - (from).milli)    \
        + (to).micro - (from).micro           \
        )

void _App_GetTimestamp(_App_Timestamp *ts) {
    *ts = _App_timestamp;
    uint32_t micro = 5 * htim6.Instance->CNT / 2;
    ts->milli += (micro / 1000);
    ts->micro += (micro % 1000);
}

void _App_DelayMicro(uint32_t micro) {
    _App_Timestamp t1, t2;
    _App_GetTimestamp(&t1);
    for (;;) {
        _App_GetTimestamp(&t2);
        if (_App_GetDuration(t1, t2) >= micro) {
            break;
        }
    }
}

ECHO Pin啟用外部中斷，在中斷回調函數內記錄上升沿和下降沿的時間戳：

typedef struct {
    uint8_t state;
    uint32_t duration; // in us
    _App_Timestamp _risingTs;
} _App_Measure;

volatile _App_Measure _App_measure = { 0 };

void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin) {
    if (D9_ECHO_Pin == GPIO_Pin) {
        if (GPIO_PIN_SET == HAL_GPIO_ReadPin(D9_ECHO_GPIO_Port, D9_ECHO_Pin)) {
            // Rising edge
            _App_Timestamp now;
            _App_GetTimestamp(&now);
            _App_measure._risingTs = now;
            _App_measure.state = 0;
        } else {
            // Falling edge
            _App_Timestamp now;
            _App_GetTimestamp(&now);
            _App_measure.duration = _App_GetDuration(_App_measure._risingTs,
                    now);
            _App_measure.state = 1;
        }
    }
}

主迴圈如下。首先發送TRIG脈衝，時間設為20us。距離的計算註意將聲波往返距離除以 2 才是到障礙物的距離：

void App_Loop() {

    _App_Trig(20);

    HAL_Delay(500);

    if (_App_measure.state) {
        uint32_t dur = _App_measure.duration;
        uint32_t dist = (uint32_t) (.343f * dur / 2);

        if (dist > 25 && dist < 5000) {
            char msg[80];
            sprintf(msg, "%d mm\n", (int) dist);
            HAL_UART_Transmit(&huart2, (uint8_t *) msg, strlen(msg),
            HAL_MAX_DELAY);
        }
    }
}

void _App_Trig(uint32_t micro) {
    HAL_GPIO_WritePin(D8_TRIG_GPIO_Port, D8_TRIG_Pin, GPIO_PIN_SET);
    _App_DelayMicro(micro);
    HAL_GPIO_WritePin(D8_TRIG_GPIO_Port, D8_TRIG_Pin, GPIO_PIN_RESET);
}

測得的距離從串口 USART2 輸出，單位為mm：