基于FPGA超聲多普勒計程儀的系統設計與研究

重慶理工大學機械檢測技術與裝備教育部工程研究中心 時柵傳感及先進檢測技術重慶市重點實驗室　王先全重慶理工大學機械檢測技術與裝備教育部工程研究中心　朱桂林　余　堯　姜增暉　趙婷婷

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基于FPGA超聲多普勒計程儀的系統設計與研究

重慶理工大學機械檢測技術與裝備教育部工程研究中心 時柵傳感及先進檢測技術重慶市重點實驗室王先全
重慶理工大學機械檢測技術與裝備教育部工程研究中心朱桂林余堯姜增暉趙婷婷

【摘要】本文借鑒船用多普勒計程儀技術，提出基于FPGA的頻譜分析提取速度信息的具體實現進行了研究，完成一種完整的基于FPGA超聲多普勒計程儀的系統設計和實現方法，該方法計算精度較高，系統實現簡單靈活，為實現高效、準確的陸用超聲多普勒計程儀提供了基礎。

【關鍵詞】超聲波；FPGA；計程儀；數字正交解調

0　引言

為了克服里程儀的缺點，借鑒船用多普勒計程儀技術經驗，本文設計一種高精度、低成本的基于FPGA的多普勒計程儀。它基于多普勒效應，使用換能器向斜下方發射超聲波，通過檢測發射信號和經地面反射回來的接收信號間的多普勒頻移，解算出車輛對地速度。

1　超聲多普勒測速原理

首先了解單向單波束的的情況，如果將一收發兩用型換能器安置在車輛底盤底部，換能器朝斜下方發射超聲波，然后它接收由地面反射回來的帶有多普勒頻移的回波信號，圖1為示意圖。

圖1　超聲多普勒測速原理

已知：車輛相對地面的速度為vx，換能器發射信號頻率為f0，聲速為C。根據多普勒原理，如果P點有一換能器，那么它接收到的信號頻率為[2]：

汽車底盤距離地面約為30cm，超聲波發射信號和接收信號的總傳播路徑約為1m，從發射開始約3ms之后，換能器的位置從點O變為點O`，它接收到的信號頻率變為：

由于汽車位移很小，可將入射角a近似為a`，那么式子(2)可以表示為：

化簡后得到車輛的對地速度計算公式為：

式子中fd多普勒頻移。f0為發射信號頻率，c聲速m/s。vx為車輛相對于地的速度m/s，a為車輛行駛方向與發射波束之間夾角，如果求出多普勒頻移fd就可得到運載體的速度vx。

2　基于FPGA的多普勒計程儀系統框架設計

系統的硬件設計由超聲換能器激勵電路、前端模擬電路、FPGA信號處理電路、LCD顯示等組成。系統的整體硬件設計結構如圖2所示，其中FPGA為控制核心。FPGA先產生一組脈沖激勵信號，脈沖信號經過MOSFET驅動電路激勵超聲換能器發射一組超聲波脈沖。超聲換能器接收回波信號并將聲波信號轉換為電信號，經過前段模擬電路的放大濾波以及A/D轉換，回波信號轉變為數字信號并傳輸至FPGA內進行正交解調、頻譜分析等處理。最后，得到車速的多普勒頻信號的頻譜數據，通過LCD實時顯示，得到移動物體速度的實時信息。

在煤礦巷道掘進作業中，施工作業人員是提高作業效率，保證質量的關鍵。而在巷道掘進中，其面臨的地質條件相對比較復雜，在狹小的空間中人員和機械設備都較多，且空氣質量差。所以一方面施工作業人員必須提高自己的安全意識，在作業前應對相關人員做好工作前的培訓，使他們在實際作業中認識到一旦不遵守規章制度的嚴重性，這樣他們才會嚴格遵照施工作業步驟和相關工業來開展工作。另一方面在實際作業中，施工技術人員需時刻保持警惕，做好通風工作，保證巷道內的空氣質量和可見度。為保證在實際作業中施工作業人員有良好的精神狀態，需合理安排作業時間，保證施工能力，使每位工作人員都遵守操作規范，這是保證工作人員安全施工的最關鍵因素。

2.1多普勒回波信號處理方案

超聲脈沖多普勒系統換能器發射超聲脈沖后，經過反射和散射等回波信號被換能器接收，系統的關鍵在于提取車速的多普勒頻移信息。

本文提出一個簡單實用的數字正交解調方案。超聲脈沖多普勒回波信號由A/D轉換為數字信號之后，通過帶通濾波器濾除高頻噪聲和低頻的雜波信號。直接進行希爾伯特變換轉換成兩路正交的I和Q信號，然后通過低通濾波器濾除雜波即可實現信號的正交解調。隨后由頻譜分析模塊將信號從時域變換為頻域，并解算出頻移信息，通過(4)公式求出相對地速度，并顯示。

2.2回波信號處理部分

從換能器接收到的回波信號，經過低噪聲放大和高速AD，回波信號被轉換為數字信號。作為平臺的核心處理器，FPGA被用于數字信號的處理。

前端模擬電路的優劣對平臺的成像質量具有顯著的影響。由于超聲回波信號非常微弱，這對超聲成像平臺的影響尤其明顯。在這樣的緊湊設計中特別注意降低系統的噪聲水平，提高系統的靈敏度。

一階段放大器又被稱為預放大器。最大噪聲系數為1.7dB，最小增益為26dB，10-250MHz頻率范圍內增益平坦度為±0.2dB。一個專用的模擬濾波器設計用于抗混疊濾波，去除高頻噪聲。濾波器的截止頻率為為93MHz，插入損耗為小于1dB。低噪聲、低失真的放大器實現20dB的第二級放大。當AD的采樣頻率不是很高的時候，利用一個高速11位ADC，其200兆每秒的最大采樣頻率足夠高頻超聲成像的采樣率。當回波信號數字化后，數字信號通過總線傳送到FPGA。

3　基于FPGA的軟件設計部分

3.1軟件設計考慮

根據技術性能的要求，在FPGA多普勒計程儀收發處理器用LCD顯示器。在收發處理器中，FPGA軟件是儀器的關鍵部分，它對提高精度、車速數據的穩定性、低速靈敏度、歸零性能等引起了很好的作用，圖2為主程序流程框圖。

圖2　軟件設計流程圖

3.2軟件構架設計

初始化之后執行主循環中的程序，包括打開PWM 脈沖生成、空氣溫度測量、采樣完成與否判斷、速度解算、結果顯示和等待100ms定時中斷。中斷包括兩個周期中斷定時器中斷（T0和T1）。低功耗定時器脈沖計數中斷(T2)、周期中斷定時器(T0)每隔100ms中斷一次，以實現每隔100ms重新開始產生PWM脈沖。當中斷發生后，在T0中斷服務程序中置中斷標志flag1為1。在主程序中等待T0定時中斷的發生，如果發生，則重新開始產生PWM脈沖。

3.3對車程做到實時輸出

在軟件設計時考慮了實時觀測的需要，對車程數據和車速數據的處理分別進行，車速每隔100ms輸出一個新數據，而車程也采取每計滿0.005ns脈沖數就實時輸出一個數據，因此不受車速輸出的影響，這對于需精確計程場合，如測速場校驗時特別有用。

4　結論

本文借鑒船用多普勒計程儀技術，以FPGA微控制器為核心，設計了一種高精度、非接觸式、低成本的陸用超聲多普勒計程儀。完成了系統的軟硬件設計，并進行了系統的測試和功能驗證。

在實現的過程中考慮到溫度對信號的影響，采用了溫度補償環節，讓溫度保持在恒定的環境，通過軟硬件的聯合調試，對提高車速的精度起到了重要作用。基于FPGA的超聲多普勒計程儀具有安全，可靠，實現簡單，車速精度高，為我國路用計程儀的發展提供了重要的參考意義。

參考文獻

[1]岳海波.GPS/DR車載組合導航定位系統研究[D].南京理工大學,2009.

[2]馮若.超聲手冊[M].南京:南京大學出版社,1999.

王先全（1978—），男，四川人，教授，主要研究計算機輔助測試技術與儀器。

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