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基于包絡(luò)擬合法的FPGA超聲測距系統(tǒng)設(shè)計

來源：電子技術(shù)應(yīng)用2012年第7期

張祥，楊飛鵬，黃寶瑩，黃啟俊，常勝

武漢大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院電子科學(xué)與技術(shù)系，湖北武漢430072

摘要： 針對普通超聲測距系統(tǒng)精度低、速度慢的問題，提出了一種全硬件實現(xiàn)的FPGA超聲測距系統(tǒng)。將最小二乘法的二次曲線擬合算法應(yīng)用于超聲回波包絡(luò)擬合，完成回波信號的數(shù)字信號處理和距離的測量。采用硬件描述語言在Altera公司的EP2C70F896C6上實現(xiàn)，在4 m范圍內(nèi)測距誤差小于±1 mm。該系統(tǒng)具有精度高、運算速度快的特點，并具備很強的功能擴展性，可擴展到超聲探傷、超聲成像等領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞： 超聲測距包絡(luò)擬合數(shù)字信號處理 FPGA

中圖分類號： TP391
文獻標(biāo)識碼： A
文章編號： 0258-7998(2012)07-0014-03

Design of FPGA ultrasonic ranging system with envelope fitting method

Zhang Xiang，Yang Feipeng，Huang Baoying，Huang Qijun，Chang Sheng

Department of Electronics Science and Technology, School of Physics and Technology, Wuhan University,Wuhan 430072，China

Abstract： Aiming at the problem of poor precision and low speed in the application of ordinary ultrasonic ranging, we put forward a full hardware realization of FPGA-based ultrasonic ranging system. The system realizes ultrasonic echo envelope fitting by least squares method of quadratic curve fitting algorithm, which can calculate the distance through the process of echo signal. The digital circuit is described by Verilog HDL, and the system is implemented on Altera′s EP2C70F896C6. The measurement error is less than 1 mm in range of 4 meters. System′s measure precision is high and operation speed is fast. System can be extended on the field of ultrasonic flaw detection and ultrasonic imaging, etc.

Key words : ultrasonic ranging；envelope fitting；digital signal processing；FPGA

超聲測量是一種非接觸式的測量方法，具有成本低，對人體無害的特點，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。隨著科技的進步，超聲測距逐漸推廣到對精度、速度要求很高的場合，例如在精密液位測量、建筑工程測量中，需要達到毫米級的測量精度，否則會產(chǎn)生較大誤差；在機器人避障和定位、車輛自動導(dǎo)航中，由于車體速度快，要求測量時間短，否則不能及時控制方向。

國內(nèi)已展開了對超聲波測距的研究，參考文獻[1]指出超聲測距的主要問題是回波信號幅值隨傳播距離增大呈指數(shù)規(guī)律衰減，造成測距范圍有限和精度不高。參考文獻[2]提出雙比較器閾值檢測法，在2～4 m范圍內(nèi)誤差為±6 mm。參考文獻[3]使用LM567組成模擬檢波電路。但測量誤差只能保證在±2 cm之內(nèi)。參考文獻[4]提出了包絡(luò)峰值檢測法，系統(tǒng)的誤差為±4 mm。
針對以上問題，本文將參考文獻[5]提出的二次曲線擬合算法應(yīng)用于超聲回波包絡(luò)擬合，設(shè)計了以FPGA為核心的全硬件超聲測距系統(tǒng)。在Altera公司EP2C70型FPGA組成的系統(tǒng)上完成了超聲測距系統(tǒng)測試，在4 m范圍內(nèi)測距誤差小于±1 mm。

2.1 模擬前端電路設(shè)計
   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放芯片OPA606組成放大電路。
2.2 FPGA數(shù)字電路設(shè)計
   系統(tǒng)FPGA設(shè)計包含發(fā)射脈沖模塊、A/D(MAX120)驅(qū)動模塊、測頻測溫模塊、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)計了一個20階、帶通為30 kHz～50 kHz的濾波器。濾波后回波信號如圖2所示。

2.2.2 包絡(luò)擬合模塊

   (1)回波特征值提?。簭幕夭〝?shù)據(jù)中找出最大值的數(shù)值和對應(yīng)的RAM地址，并找到最大值點之前離最大值點地址最近的7個極值點的數(shù)值和對應(yīng)的RAM地址。
   (2)曲線擬合：由回波特征值提取模塊得到8個特征值點的數(shù)值和地址，進行最小二乘法的二次曲線擬合，由擬合得到二次曲線求得與地址軸的交點為回波的起振點。
   (3)距離計算：將起振點地址、A/D實際采樣頻率、環(huán)境溫度值計算得到距離值。
3 系統(tǒng)測試驗證
   對不同距離進行測距測試，測試結(jié)果如表1所示。

將系統(tǒng)與參考文獻的測距精度進行對比來評價系統(tǒng)精度。利用QuartusII9.0集成的SoPC Builder建立SoPC平臺，用C語言將包絡(luò)擬合算法移植到NiosII處理器進行對比來評價系統(tǒng)速度，對比結(jié)果如表2所示。

本文針對普通超聲測距系統(tǒng)精度低、速度慢的問題，提出了一種全硬件實現(xiàn)的FPGA超聲測距系統(tǒng)。將二次曲線擬合算法應(yīng)用于超聲回波包絡(luò)擬合，在4 m范圍內(nèi)測距誤差小于±1 mm，具有精度高、運算速度快、實時性好的特點。系統(tǒng)采用FPGA結(jié)構(gòu)，具備很強的功能擴展性，可擴展到超聲探傷、超聲成像等領(lǐng)域。
參考文獻
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