基于FPGA超声多普勒计程仪的系统设计与研究

2016-03-22重庆理工大学机械检测技术与装备教育部工程研究中心时栅传感及先进检测技术重庆市重点实验室王先全重庆理工大学机械检测技术与装备教育部工程研究中心朱桂林姜增晖赵婷婷

电子世界 2016年4期

重庆理工大学机械检测技术与装备教育部工程研究中心时栅传感及先进检测技术重庆市重点实验室　王先全重庆理工大学机械检测技术与装备教育部工程研究中心　朱桂林　余　尧　姜增晖　赵婷婷

重庆理工大学机械检测技术与装备教育部工程研究中心时栅传感及先进检测技术重庆市重点实验室王先全
重庆理工大学机械检测技术与装备教育部工程研究中心朱桂林余尧姜增晖赵婷婷

【摘要】本文借鉴船用多普勒计程仪技术，提出基于FPGA的频谱分析提取速度信息的具体实现进行了研究，完成一种完整的基于FPGA超声多普勒计程仪的系统设计和实现方法，该方法计算精度较高，系统实现简单灵活，为实现高效、准确的陆用超声多普勒计程仪提供了基础。

【关键词】超声波；FPGA；计程仪；数字正交解调

0　引言

为了克服里程仪的缺点，借鉴船用多普勒计程仪技术经验，本文设计一种高精度、低成本的基于FPGA的多普勒计程仪。它基于多普勒效应，使用换能器向斜下方发射超声波，通过检测发射信号和经地面反射回来的接收信号间的多普勒频移，解算出车辆对地速度。

1　超声多普勒测速原理

首先了解单向单波束的的情况，如果将一收发两用型换能器安置在车辆底盘底部，换能器朝斜下方发射超声波，然后它接收由地面反射回来的带有多普勒频移的回波信号，图1为示意图。

图1　超声多普勒测速原理

已知：车辆相对地面的速度为vx，换能器发射信号频率为f0，声速为C。根据多普勒原理，如果P点有一换能器，那么它接收到的信号频率为[2]：

汽车底盘距离地面约为30cm，超声波发射信号和接收信号的总传播路径约为1m，从发射开始约3ms之后，换能器的位置从点O变为点O`，它接收到的信号频率变为：

由于汽车位移很小，可将入射角a近似为a`，那么式子(2)可以表示为：

化简后得到车辆的对地速度计算公式为：

式子中fd多普勒频移。f0为发射信号频率，c声速m/s。vx为车辆相对于地的速度m/s，a为车辆行驶方向与发射波束之间夹角，如果求出多普勒频移fd就可得到运载体的速度vx。

2　基于FPGA的多普勒计程仪系统框架设计

系统的硬件设计由超声换能器激励电路、前端模拟电路、FPGA信号处理电路、LCD显示等组成。系统的整体硬件设计结构如图2所示，其中FPGA为控制核心。FPGA先产生一组脉冲激励信号，脉冲信号经过MOSFET驱动电路激励超声换能器发射一组超声波脉冲。超声换能器接收回波信号并将声波信号转换为电信号，经过前段模拟电路的放大滤波以及A/D转换，回波信号转变为数字信号并传输至FPGA内进行正交解调、频谱分析等处理。最后，得到车速的多普勒频信号的频谱数据，通过LCD实时显示，得到移动物体速度的实时信息。

在煤矿巷道掘进作业中，施工作业人员是提高作业效率，保证质量的关键。而在巷道掘进中，其面临的地质条件相对比较复杂，在狭小的空间中人员和机械设备都较多，且空气质量差。所以一方面施工作业人员必须提高自己的安全意识，在作业前应对相关人员做好工作前的培训，使他们在实际作业中认识到一旦不遵守规章制度的严重性，这样他们才会严格遵照施工作业步骤和相关工业来开展工作。另一方面在实际作业中，施工技术人员需时刻保持警惕，做好通风工作，保证巷道内的空气质量和可见度。为保证在实际作业中施工作业人员有良好的精神状态，需合理安排作业时间，保证施工能力，使每位工作人员都遵守操作规范，这是保证工作人员安全施工的最关键因素。

2.1多普勒回波信号处理方案

超声脉冲多普勒系统换能器发射超声脉冲后，经过反射和散射等回波信号被换能器接收，系统的关键在于提取车速的多普勒频移信息。

本文提出一个简单实用的数字正交解调方案。超声脉冲多普勒回波信号由A/D转换为数字信号之后，通过带通滤波器滤除高频噪声和低频的杂波信号。直接进行希尔伯特变换转换成两路正交的I和Q信号，然后通过低通滤波器滤除杂波即可实现信号的正交解调。随后由频谱分析模块将信号从时域变换为频域，并解算出频移信息，通过(4)公式求出相对地速度，并显示。

2.2回波信号处理部分

从换能器接收到的回波信号，经过低噪声放大和高速AD，回波信号被转换为数字信号。作为平台的核心处理器，FPGA被用于数字信号的处理。

前端模拟电路的优劣对平台的成像质量具有显著的影响。由于超声回波信号非常微弱，这对超声成像平台的影响尤其明显。在这样的紧凑设计中特别注意降低系统的噪声水平，提高系统的灵敏度。

一阶段放大器又被称为预放大器。最大噪声系数为1.7dB，最小增益为26dB，10-250MHz频率范围内增益平坦度为±0.2dB。一个专用的模拟滤波器设计用于抗混叠滤波，去除高频噪声。滤波器的截止频率为为93MHz，插入损耗为小于1dB。低噪声、低失真的放大器实现20dB的第二级放大。当AD的采样频率不是很高的时候，利用一个高速11位ADC，其200兆每秒的最大采样频率足够高频超声成像的采样率。当回波信号数字化后，数字信号通过总线传送到FPGA。

3　基于FPGA的软件设计部分

3.1软件设计考虑

根据技术性能的要求，在FPGA多普勒计程仪收发处理器用LCD显示器。在收发处理器中，FPGA软件是仪器的关键部分，它对提高精度、车速数据的稳定性、低速灵敏度、归零性能等引起了很好的作用，图2为主程序流程框图。

图2　软件设计流程图

3.2软件构架设计

初始化之后执行主循环中的程序，包括打开PWM 脉冲生成、空气温度测量、采样完成与否判断、速度解算、结果显示和等待100ms定时中断。中断包括两个周期中断定时器中断（T0和T1）。低功耗定时器脉冲计数中断(T2)、周期中断定时器(T0)每隔100ms中断一次，以实现每隔100ms重新开始产生PWM脉冲。当中断发生后，在T0中断服务程序中置中断标志flag1为1。在主程序中等待T0定时中断的发生，如果发生，则重新开始产生PWM脉冲。

3.3对车程做到实时输出

在软件设计时考虑了实时观测的需要，对车程数据和车速数据的处理分别进行，车速每隔100ms输出一个新数据，而车程也采取每计满0.005ns脉冲数就实时输出一个数据，因此不受车速输出的影响，这对于需精确计程场合，如测速场校验时特别有用。