《電子技術(shù)應用》
您所在的位置：首頁 > 可編程邏輯 > 設計應用 > 基于包絡擬合法的FPGA超聲測距系統(tǒng)設計
基于包絡擬合法的FPGA超聲測距系統(tǒng)設計
來源：電子技術(shù)應用2012年第7期
張 祥，楊飛鵬,，黃寶瑩,，黃啟俊,，常 勝
武漢大學 物理科學與技術(shù)學院 電子科學與技術(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用于超聲回波包絡擬合，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,。
中圖分類號： TP391
文獻標識碼： 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,，廣泛應用于現(xiàn)代工業(yè),、醫(yī)學、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用于超聲回波包絡擬合，設計了以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)字電路設計
    系統(tǒng)FPGA設計包含發(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,、包絡擬合模塊及顯示模塊。
2.2.1 FIR濾波模塊
    設計了一個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用于超聲回波包絡擬合,，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
[1] 李戈，孟祥杰,，王曉華,，等．國內(nèi)超聲波測距研究應用現(xiàn)狀[J]．測繪科學，2011(7)：60-62.
[2] 唐雅萍,，劉震宇,，郭鑫，等．高精度超聲波測距系統(tǒng)設計[J]．實驗技術(shù)與管理,，2010(3)：61-64.
[3] 閏東磊．基于ATmega8L高精度超聲波測距儀的設計[D]．武漢：武漢理工大學．2010.
[4] 張海鷹，高艷麗．超聲波測距技術(shù)研究[J]．儀表技術(shù),，2011(9)：58-60.
[5] BARSHAN B,，KUC R．A bat-like sonar system for obstacle localization[J]．IEEE Transactions on Systems，Man and Cybernetics．1992,，22(4)：636-646.
[6] 苑潔,，常太華．基于STM32單片機的高精度超聲波測距系統(tǒng)的設計[J]．電子設計工程，2011(8)：76-78.
[7] 滕艷菲,，陳尚松．超聲波測距精度的研究[J]．國外電子測量技術(shù),，2006，25(2)：23-25.

此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng),，未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載,。