STM32 .NET MF 開發板實作：超聲波測距模組完整指南

專案背景：賦予智能小車「視覺」

智能小車已實現多種遙控方式，但要邁向真正的「智能」，必須具備環境感知能力。超聲波測距模組是邁出的第一步，後續將擴展循跡、視覺等感測器，構建完整感知系統。

硬體介面選擇：觸發/脈衝 vs 串口

市面超聲波模組主流兩種介面：

• 觸發/脈衝輸出（GPIO）：即時性要求高，精度取決於程式實作，成本較低。
• 串口通訊（RS232/TTL）：程式開發簡單（單純串口讀取），但售價較高。

本文專注於 GPIO 觸發模式，掌握核心時序控制。

模組工作原理與測距公式

1. IO 觸發：給予至少 10µs 高電位 訊號。
2. 模組自動發射 8 個 40kHz 方波，並啟動回波偵測。
3. 若有回波，Echo 腳位輸出高電位，**高電位持續時間 = 超聲波往返時間**。

測距公式：

距離 (cm) = (高電位時間 (µs) × 聲速 340 m/s) / 2
          = 高電位時間 × 0.017

關鍵在於精確量測高電位脈寬。實測精度可達 3mm 等級。

硬體接線對照表

軟體架構：非受控代碼封裝托管介面

高精度脈寬量測需硬體計時器支援，C# 托管代碼無法直接實現。採用分層架構：

• 底層（C/C++）：配置 Timer 硬體捕獲模式，中斷記錄上升/下降沿時間戳，計算脈寬。
• 中介層：封裝為原生函式庫。
• 上層（C# 托管）：透過 P/Invoke 呼叫原生介面。

托管端介面定義

using System;

namespace YFSoft.Hardware
{
    public sealed class Ultrasonic
    {
        // timer: 使用的硬體計時器編號
        // pin: Echo 腳位對應的 GPIO 編號
        public Ultrasonic(byte timer, int pin);

        // 回傳距離，單位：毫米
        public uint GetValue();
    }
}

測試程式範例

public static void Main()
{
    // 使用 Timer 2，Echo 接 PA0 (對應 GPIO 編號視開發板定義)
    Ultrasonic sonar = new Ultrasonic(2, 0); 
    
    while (true)
    {
        uint distanceMm = sonar.GetValue();
        Debug.Print("Distance: " + distanceMm + " mm");
        Thread.Sleep(200); // 適當延遲避免觸發過快
    }
}

關鍵實作細節提示

• Timer 設定：輸入捕獲模式，雙邊緣觸發，預分頻使計數頻率適合 µs 級量測（如 1MHz → 1 計數 = 1µs）。
• 中斷處理：上升沿記錄計數器值；下降沿計算差值得脈寬，轉換為距離並存入共用緩衝區。
• 觸發邏輯：GPIO 輸出模式，拉高 10µs 以上（可用 `Thread.Sleep` 或忙等待），再拉低。
• 異常處理：超時無回波、脈寬異常（過大/過小）需回傳錯誤碼或特定值。
• 電源與共地：模組 VCC 接 3.3V，務必與開發板共地，否則訊號不穩。

總結

透過硬體計時器捕獲 Echo 脈寬，封裝為簡潔的托管類別，即可在 .NET MF 平台輕鬆實現高精度超聲波測距。此架構分離了即時性關鍵路徑與應用邏輯，既保證精度又維持開發效率，是嵌入式感測器開發的典型範式。