文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
文章編號(hào)： 0258-7998(2012)07-0014-03
超聲測(cè)量是一種非接觸式的測(cè)量方法，具有成本低，對(duì)人體無(wú)害的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)、醫(yī)學(xué)、軍事、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。隨著科技的進(jìn)步，超聲測(cè)距逐漸推廣到對(duì)精度、速度要求很高的場(chǎng)合，例如在精密液位測(cè)量、建筑工程測(cè)量中，需要達(dá)到毫米級(jí)的測(cè)量精度，否則會(huì)產(chǎn)生較大誤差；在機(jī)器人避障和定位、車(chē)輛自動(dòng)導(dǎo)航中，由于車(chē)體速度快，要求測(cè)量時(shí)間短，否則不能及時(shí)控制方向。
國(guó)內(nèi)已展開(kāi)了對(duì)超聲波測(cè)距的研究，參考文獻(xiàn)[1]指出超聲測(cè)距的主要問(wèn)題是回波信號(hào)幅值隨傳播距離增大呈指數(shù)規(guī)律衰減，造成測(cè)距范圍有限和精度不高。參考文獻(xiàn)[2]提出雙比較器閾值檢測(cè)法，在2～4 m范圍內(nèi)誤差為±6 mm。參考文獻(xiàn)[3]使用LM567組成模擬檢波電路。但測(cè)量誤差只能保證在±2 cm之內(nèi)。參考文獻(xiàn)[4]提出了包絡(luò)峰值檢測(cè)法，系統(tǒng)的誤差為±4 mm。
針對(duì)以上問(wèn)題，本文將參考文獻(xiàn)[5]提出的二次曲線(xiàn)擬合算法應(yīng)用于超聲回波包絡(luò)擬合，設(shè)計(jì)了以FPGA為核心的全硬件超聲測(cè)距系統(tǒng)。在Altera公司EP2C70型FPGA組成的系統(tǒng)上完成了超聲測(cè)距系統(tǒng)測(cè)試，在4 m范圍內(nèi)測(cè)距誤差小于±1 mm。
2.1 模擬前端電路設(shè)計(jì)
系統(tǒng)采用ZT(R)40-16型分立式傳感器。超聲波發(fā)射電路選用MAX232芯片作為發(fā)射放大器件，接收電路選用集成運(yùn)放芯片OPA606組成放大電路。
2.2 FPGA數(shù)字電路設(shè)計(jì)
系統(tǒng)FPGA設(shè)計(jì)包含發(fā)射脈沖模塊、A/D(MAX120)驅(qū)動(dòng)模塊、測(cè)頻測(cè)溫模塊、FIR濾波模塊、RAM數(shù)據(jù)緩存模塊、包絡(luò)擬合模塊及顯示模塊。
2.2.1 FIR濾波模塊
設(shè)計(jì)了一個(gè)20階、帶通為30 kHz～50 kHz的濾波器。濾波后回波信號(hào)如圖2所示。
2.2.2 包絡(luò)擬合模塊
(1)回波特征值提取：從回波數(shù)據(jù)中找出最大值的數(shù)值和對(duì)應(yīng)的RAM地址，并找到最大值點(diǎn)之前離最大值點(diǎn)地址最近的7個(gè)極值點(diǎn)的數(shù)值和對(duì)應(yīng)的RAM地址。
(2)曲線(xiàn)擬合：由回波特征值提取模塊得到8個(gè)特征值點(diǎn)的數(shù)值和地址，進(jìn)行最小二乘法的二次曲線(xiàn)擬合，由擬合得到二次曲線(xiàn)求得與地址軸的交點(diǎn)為回波的起振點(diǎn)。
(3)距離計(jì)算：將起振點(diǎn)地址、A/D實(shí)際采樣頻率、環(huán)境溫度值計(jì)算得到距離值。
3 系統(tǒng)測(cè)試驗(yàn)證
對(duì)不同距離進(jìn)行測(cè)距測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。
將系統(tǒng)與參考文獻(xiàn)的測(cè)距精度進(jìn)行對(duì)比來(lái)評(píng)價(jià)系統(tǒng)精度。利用QuartusII9.0集成的SoPC Builder建立SoPC平臺(tái)，用C語(yǔ)言將包絡(luò)擬合算法移植到NiosII處理器進(jìn)行對(duì)比來(lái)評(píng)價(jià)系統(tǒng)速度，對(duì)比結(jié)果如表2所示。
本文針對(duì)普通超聲測(cè)距系統(tǒng)精度低、速度慢的問(wèn)題，提出了一種全硬件實(shí)現(xiàn)的FPGA超聲測(cè)距系統(tǒng)。將二次曲線(xiàn)擬合算法應(yīng)用于超聲回波包絡(luò)擬合，在4 m范圍內(nèi)測(cè)距誤差小于±1 mm，具有精度高、運(yùn)算速度快、實(shí)時(shí)性好的特點(diǎn)。系統(tǒng)采用FPGA結(jié)構(gòu)，具備很強(qiáng)的功能擴(kuò)展性，可擴(kuò)展到超聲探傷、超聲成像等領(lǐng)域。
參考文獻(xiàn)
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