基于FPGA超聲多普勒計(jì)程儀的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

重慶理工大學(xué)機(jī)械檢測(cè)技術(shù)與裝備教育部工程研究中心 時(shí)柵傳感及先進(jìn)檢測(cè)技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　王先全重慶理工大學(xué)機(jī)械檢測(cè)技術(shù)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(jì)程儀的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

重慶理工大學(xué)機(jī)械檢測(cè)技術(shù)與裝備教育部工程研究中心 時(shí)柵傳感及先進(jìn)檢測(cè)技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王先全
重慶理工大學(xué)機(jī)械檢測(cè)技術(shù)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(jì)程儀技術(shù)，提出基于FPGA的頻譜分析提取速度信息的具體實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了研究，完成一種完整的基于FPGA超聲多普勒計(jì)程儀的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法，該方法計(jì)算精度較高，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單靈活，為實(shí)現(xiàn)高效、準(zhǔn)確的陸用超聲多普勒計(jì)程儀提供了基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】超聲波；FPGA；計(jì)程儀；數(shù)字正交解調(diào)

0　引言

為了克服里程儀的缺點(diǎn)，借鑒船用多普勒計(jì)程儀技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，本文設(shè)計(jì)一種高精度、低成本的基于FPGA的多普勒計(jì)程儀。它基于多普勒效應(yīng)，使用換能器向斜下方發(fā)射超聲波，通過(guò)檢測(cè)發(fā)射信號(hào)和經(jīng)地面反射回來(lái)的接收信號(hào)間的多普勒頻移，解算出車(chē)輛對(duì)地速度。

1　超聲多普勒測(cè)速原理

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

圖1　超聲多普勒測(cè)速原理

已知：車(chē)輛相對(duì)地面的速度為vx，換能器發(fā)射信號(hào)頻率為f0，聲速為C。根據(jù)多普勒原理，如果P點(diǎn)有一換能器，那么它接收到的信號(hào)頻率為[2]：

汽車(chē)底盤(pán)距離地面約為30cm，超聲波發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)的總傳播路徑約為1m，從發(fā)射開(kāi)始約3ms之后，換能器的位置從點(diǎn)O變?yōu)辄c(diǎn)O`，它接收到的信號(hào)頻率變?yōu)椋?/p>

由于汽車(chē)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(jiǎn)后得到車(chē)輛的對(duì)地速度計(jì)算公式為：

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

2　基于FPGA的多普勒計(jì)程儀系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)由超聲換能器激勵(lì)電路、前端模擬電路、FPGA信號(hào)處理電路、LCD顯示等組成。系統(tǒng)的整體硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中FPGA為控制核心。FPGA先產(chǎn)生一組脈沖激勵(lì)信號(hào)，脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)MOSFET驅(qū)動(dòng)電路激勵(lì)超聲換能器發(fā)射一組超聲波脈沖。超聲換能器接收回波信號(hào)并將聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過(guò)前段模擬電路的放大濾波以及A/D轉(zhuǎn)換，回波信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)并傳輸至FPGA內(nèi)進(jìn)行正交解調(diào)、頻譜分析等處理。最后，得到車(chē)速的多普勒頻信號(hào)的頻譜數(shù)據(jù)，通過(guò)LCD實(shí)時(shí)顯示，得到移動(dòng)物體速度的實(shí)時(shí)信息。

在煤礦巷道掘進(jìn)作業(yè)中，施工作業(yè)人員是提高作業(yè)效率，保證質(zhì)量的關(guān)鍵。而在巷道掘進(jìn)中，其面臨的地質(zhì)條件相對(duì)比較復(fù)雜，在狹小的空間中人員和機(jī)械設(shè)備都較多，且空氣質(zhì)量差。所以一方面施工作業(yè)人員必須提高自己的安全意識(shí)，在作業(yè)前應(yīng)對(duì)相關(guān)人員做好工作前的培訓(xùn)，使他們?cè)趯?shí)際作業(yè)中認(rèn)識(shí)到一旦不遵守規(guī)章制度的嚴(yán)重性，這樣他們才會(huì)嚴(yán)格遵照施工作業(yè)步驟和相關(guān)工業(yè)來(lái)開(kāi)展工作。另一方面在實(shí)際作業(yè)中，施工技術(shù)人員需時(shí)刻保持警惕，做好通風(fēng)工作，保證巷道內(nèi)的空氣質(zhì)量和可見(jiàn)度。為保證在實(shí)際作業(yè)中施工作業(yè)人員有良好的精神狀態(tài)，需合理安排作業(yè)時(shí)間，保證施工能力，使每位工作人員都遵守操作規(guī)范，這是保證工作人員安全施工的最關(guān)鍵因素。

2.1多普勒回波信號(hào)處理方案

超聲脈沖多普勒系統(tǒng)換能器發(fā)射超聲脈沖后，經(jīng)過(guò)反射和散射等回波信號(hào)被換能器接收，系統(tǒng)的關(guān)鍵在于提取車(chē)速的多普勒頻移信息。

本文提出一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)用的數(shù)字正交解調(diào)方案。超聲脈沖多普勒回波信號(hào)由A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)之后，通過(guò)帶通濾波器濾除高頻噪聲和低頻的雜波信號(hào)。直接進(jìn)行希爾伯特變換轉(zhuǎn)換成兩路正交的I和Q信號(hào)，然后通過(guò)低通濾波器濾除雜波即可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的正交解調(diào)。隨后由頻譜分析模塊將信號(hào)從時(shí)域變換為頻域，并解算出頻移信息，通過(guò)(4)公式求出相對(duì)地速度，并顯示。

2.2回波信號(hào)處理部分

從換能器接收到的回波信號(hào)，經(jīng)過(guò)低噪聲放大和高速AD，回波信號(hào)被轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。作為平臺(tái)的核心處理器，F(xiàn)PGA被用于數(shù)字信號(hào)的處理。

前端模擬電路的優(yōu)劣對(duì)平臺(tái)的成像質(zhì)量具有顯著的影響。由于超聲回波信號(hào)非常微弱，這對(duì)超聲成像平臺(tái)的影響尤其明顯。在這樣的緊湊設(shè)計(jì)中特別注意降低系統(tǒng)的噪聲水平，提高系統(tǒng)的靈敏度。

一階段放大器又被稱(chēng)為預(yù)放大器。最大噪聲系數(shù)為1.7dB，最小增益為26dB，10-250MHz頻率范圍內(nèi)增益平坦度為±0.2dB。一個(gè)專(zhuān)用的模擬濾波器設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)20dB的第二級(jí)放大。當(dāng)AD的采樣頻率不是很高的時(shí)候，利用一個(gè)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(dāng)回波信號(hào)數(shù)字化后，數(shù)字信號(hào)通過(guò)總線傳送到FPGA。

3　基于FPGA的軟件設(shè)計(jì)部分

3.1軟件設(shè)計(jì)考慮

根據(jù)技術(shù)性能的要求，在FPGA多普勒計(jì)程儀收發(fā)處理器用LCD顯示器。在收發(fā)處理器中，F(xiàn)PGA軟件是儀器的關(guān)鍵部分，它對(duì)提高精度、車(chē)速數(shù)據(jù)的穩(wěn)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(shè)計(jì)流程圖

3.2軟件構(gòu)架設(shè)計(jì)

初始化之后執(zhí)行主循環(huán)中的程序，包括打開(kāi)PWM 脈沖生成、空氣溫度測(cè)量、采樣完成與否判斷、速度解算、結(jié)果顯示和等待100ms定時(shí)中斷。中斷包括兩個(gè)周期中斷定時(shí)器中斷（T0和T1）。低功耗定時(shí)器脈沖計(jì)數(shù)中斷(T2)、周期中斷定時(shí)器(T0)每隔100ms中斷一次，以實(shí)現(xiàn)每隔100ms重新開(kāi)始產(chǎn)生PWM脈沖。當(dāng)中斷發(fā)生后，在T0中斷服務(wù)程序中置中斷標(biāo)志flag1為1。在主程序中等待T0定時(shí)中斷的發(fā)生，如果發(fā)生，則重新開(kāi)始產(chǎn)生PWM脈沖。

3.3對(duì)車(chē)程做到實(shí)時(shí)輸出

在軟件設(shè)計(jì)時(shí)考慮了實(shí)時(shí)觀測(cè)的需要，對(duì)車(chē)程數(shù)據(jù)和車(chē)速數(shù)據(jù)的處理分別進(jìn)行，車(chē)速每隔100ms輸出一個(gè)新數(shù)據(jù)，而車(chē)程也采取每計(jì)滿(mǎn)0.005ns脈沖數(shù)就實(shí)時(shí)輸出一個(gè)數(shù)據(jù)，因此不受車(chē)速輸出的影響，這對(duì)于需精確計(jì)程場(chǎng)合，如測(cè)速場(chǎng)校驗(yàn)時(shí)特別有用。

4　結(jié)論

本文借鑒船用多普勒計(jì)程儀技術(shù)，以FPGA微控制器為核心，設(shè)計(jì)了一種高精度、非接觸式、低成本的陸用超聲多普勒計(jì)程儀。完成了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了系統(tǒng)的測(cè)試和功能驗(yàn)證。

在實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中考慮到溫度對(duì)信號(hào)的影響，采用了溫度補(bǔ)償環(huán)節(jié)，讓溫度保持在恒定的環(huán)境，通過(guò)軟硬件的聯(lián)合調(diào)試，對(duì)提高車(chē)速的精度起到了重要作用。基于FPGA的超聲多普勒計(jì)程儀具有安全，可靠，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，車(chē)速精度高，為我國(guó)路用計(jì)程儀的發(fā)展提供了重要的參考意義。

參考文獻(xiàn)

[1]岳海波.GPS/DR車(chē)載組合導(dǎo)航定位系統(tǒng)研究[D].南京理工大學(xué),2009.

[2]馮若.超聲手冊(cè)[M].南京:南京大學(xué)出版社,1999.

王先全（1978—），男，四川人，教授，主要研究計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試技術(shù)與儀器。

作者簡(jiǎn)介：