一种基于DSP和FPGA架构的超声波飞行时间测量装置及方法与流程

本发明属于声学检测领域，具体涉及一种基于DSP和FPGA架构的实现超声波飞行时间测量的装置。

背景技术：

现有的超声波飞行时间测量方法主要有阈值法和互相关法：

1)阈值法。设定一个阀值，当接收到的波形信号幅度超过该设定的阀值时，将这个时刻作为超声波回波波到时刻，即超声波飞行时间。然而不能忽略噪声的影响，实际中设定的阈值通常设为三到五倍的背景噪声左右，以尽量减小噪声带来的误差。但是如果设定的阀值过高，可能忽略某些超声波回波信号。设定的阀值过低，则难以排除噪声的影响。因此，阈值法很难满足实际应用。

2)互相关法。互相关法根据发射波形信号与接收波形信号在时间轴上不同时刻的相关程度，能够有效地分析发射波形信号和接收波形信号之间的时间延迟关系，进而得出超声波飞行时间。该方法避免了阈值法中直接寻找超声波波到时刻带来的误差，提高了超声波飞行时间的测量精度。但是互相关法中的参考波形必须与超声波回波波形仅存在时间轴上的平移，且互相关法只能消除噪声形式为高斯白噪声的影响。这些条件制约了超声波飞行时间测量的可操作性。

与超声波相关的研究诸如温度、距离等参数测量，其核心都可以转化为对超声波飞行时间的测量。因此，高精度、实时性较强的超声波飞行时间测量对于超声波测温、超声波测距具有重要意义。

技术实现要素：

本发明的目的是解决现有的阈值法、互相关法等超声波飞行时间测量方法具有时延较长的问题。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种基于DSP和FPGA架构的超声波飞行时间测量装置及方法，其特征在于:

搭建包括DSP控制模块、上位机、电源驱动模块、信号调理模块、A/D转换模块，FPGA缓存模块、超声波发射换能器、超声波接收换能器的超声波飞行时间测量装置硬件系统；

测量过程包括以下步骤：

1)上位机控制DSP控制模块中的内置外设ePWM模块发出周期性的n个方波信号，n为自然数；

2)方波信号经过电源驱动模块传到超声波发射换能器输入端，超声波发射换能器将接收到的方波信号转换为机械能，即向外发出超声波；

3)超声波接收换能器将机械能转换为电能,即接收信号，接收信号通过采样得到回波信号，超声波接收换能器的输出端口与信号调理模块输入端口连接，信号调理模块将所述的回波信号通过A/D转换模块进行A/D转换，使回波信号转换为与所述的n个方波对应的数字回波信号y_n(t)；

4)数字信号传入FPGA缓存模块进行缓存。FPGA缓存模块将数字信号传输到DSP控制模块，由DSP控制模块计算得到超声波飞行时间：

4-1)针对信号y_n(t)，利用希尔伯特变换求取其回波包络A[y_n(t)]；

4-2)运用超声波回波包络模型函数对实际回波包络A[y_n(t)]进行拟合，最终得到精确的回波包络模型A(t)；

所述的超声波回波包络模型函数为其中，A₀为波形信号的幅度；τ为超声波回波到达时刻；T和α为超声波回波包络形状参数；u(*)为阶跃函数；

4-3)根据回波包络模型A(t)，计算包络最大值对应的时间T_max；

4-4)令t＝T_max，

根据公式计算出与T_max对应的τ值，最终由Δt＝T_max-τ确定超声波飞行时间τ。

式中，y(t)为超声波包络模型函数；k为超声波信号总的增益；δ表示超声波换能器参数，T为超声波信号的周期。

值得说明的是，基于上述装置和方法，本发明解决了超声波飞行时间测量中的实时性和精确性问题。即提供一种基于DSP和FPGA架构的超声波飞行时间测量装置，运用该装置结合最大特征值算法实现超声波飞行时间的精确、快速测量。

附图说明

图1：所述装置硬件原理框图。

图2：所述装置电源驱动模块PCB图。

图3：所述装置信号调理模块中超声波接收换能器输出信号电压放大电路原理图(mV级放大为±5V)

图4：所述装置信号调理模块中±5V转为1-3V电路原理图。

图5：所述装置信号调理模块外接+12V电源转为+5V电路原理图。

图6：所述装置信号调理模+5V转为-5V电路原理图。

图7：所述装置A/D转换模块、FPGA缓存模块电路原理图。

图8：所述装置实物图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

本实施例公开一种基于DSP和FPGA架构的超声波飞行时间测量装置及方法，

搭建包括DSP控制模块、上位机、电源驱动模块、信号调理模块、A/D转换模块，FPGA缓存模块、超声波发射换能器、超声波接收换能器的超声波飞行时间测量装置硬件系统。

如图1所示，一种基于DSP和FPGA架构的超声波飞行时间测量装置主要包括DSP控制模块、上位机、电源驱动模块、信号调理模块、A/D转换模块，FPGA缓存模块、超声波收发换能器。DSP控制模块采用美国德州仪器公司TI TMS320F 2000系列32位浮点控制器TMS320F28335。电源驱动模块包括两种驱动电路，采用74L04六非门芯片和稳压芯片LM2596，来驱动超声波发射换能器发射超声波。超声波收发换能器型号为40LT-16和40LR-16。信号调理模块主要功能是对接收到的超声波信号进行电压调节，以满足A/D转换模块的电压转换要求。A/D转换模块采用的芯片为ADC9226。FPGA缓存模块采用Altera公司Cyclone 2系列EP2C8Q208C8芯片，其功能为对A/D转换模块输出的数字信号进行采样并缓存以便DSP控制模块对缓存数据进行读取。上位机控制DSP控制模块中的内置外设ePWM模块发出周期性方波信号。方波信号经过电源驱动模块传到超声波发射换能器输入端，超声波发射换能器将接收到的方波信号转换为机械能，并与超声波接收换能器进行信号转换。超声波接收换能器将机械能转换为电能并接收回波信号。超声波接收换能器的输出端口与信号调理模块输入端口连接，信号调理模块将接收到的回波信号通过A/D转换模块进行A/D转换，使回波信号转换为数字信号。数字信号传入FPGA缓存模块进行缓存。FPGA缓存模块将数字信号传输到DSP控制模块，由DSP控制模块得到超声波飞行时间。

由于超声波发射换能器需要驱动电路才能正常工作，所以需要在超声波发射换能输入端加入电源驱动模块来驱动超声波发射换能器发射信号。图2为所述装置电源驱动模块PCB图，包括两种电源驱动电路，一种是采用74L04六非门芯片，由74L04的六个反相器组成多级放大电路对ePWM模块发出的方波信号进行电压放大，驱动超声波发射换能器发射超声波。另一种是通过稳压芯片LM2596将12V电压转为5V电压，驱动发射换能器发射超声波。

因为超声波接收换能器输出信号电压不满足A/D转换模块输入电压要求，所以，需要在超声波接收换能器和A/D转换模块之间加入信号调理模块进行电压调节，来满足A/D转换模块输入电压要求，超声波接收换能器输出信号电压一般为mV级，A/D转换模块输入电压要求为1-3V。

图3为信号调理模块中的超声波接收换能器输出信号电压放大电路原理图。首先将超声波接收换能器输出信号电压(mV级)放大为±5V。图3中，TL074双运放芯片将超声波接收换能器输出信号电压转为±5V之后，由ADin端口进入下一级±5V转1-3V电路(图4)。

图4中，电阻阻值为18K和2K的电阻组成降压网络，将±5V电压转为±1V电压。由电压基准源芯片ADR5040(提供2.048V基准电压)、TL072芯片和AD9065运算放大器芯片构成加法电路，将±1V电压转为到1-3V，从而满足A/D转换模块输入端电压要求，转换之后的电压从ADout端口输出进入A/D采样模块输入端。

在图4中，信号调理模块中的AD9065运算放大器芯片需要外接±5V电源，所以首先利用现有的+12V电源将+12V电源转为+5V，然后将+5V电源转为-5V。图5为信号调理模块外接+12V电源转为+5V电路原理图。+12V电源经过稳压芯片LM2596稳压后输出+5V电压。图6为信号调理模+5V转为-5V电路原理图。DC-DC变换器控制芯片MC34063将+5V电压转为-5V电压。因此，得到AD9065运算放大器芯片所需±5V电源。

图7为A/D转换模块、FPGA缓存模块电路原理图。信号调理模块的输出信号(模拟信号)通过Ain端口进入A/D转换芯片AD9226进行模拟信号与数字信号的转换和采样。数字信号通过接口D0-D7进入FPGA缓存模块进行缓存。DSP控制模块控制FPGA缓存模块，利用FPGA缓存模块中的双口RAM和FIFO数据传输方式，将采样得到的数字信号从FPGA缓存模块输出到DSP控制模块并运用最大特征值算法得到超声波飞行时间。图8为所述装置实物图。

测量过程包括以下步骤：

1)上位机控制DSP控制模块中的内置外设ePWM模块发出周期性的n个方波信号，n为自然数。

2)方波信号经过电源驱动模块传到超声波发射换能器输入端，超声波发射换能器将接收到的方波信号转换为机械能，即向外发出超声波。

3)超声波接收换能器将机械能转换为电能，即接收信号，接收信号通过采样得到回波信号。超声波接收换能器的输出端口与信号调理模块输入端口连接，信号调理模块将接收到的回波信号通过A/D转换模块进行A/D转换，使回波信号转换为与所述的n个方波对应的数字回波信号y_n(t)。

4)数字信号传入FPGA缓存模块进行缓存。FPGA缓存模块将数字信号传输到DSP控制模块，由DSP控制模块计算得到超声波飞行时间：

4-1)针对信号y_n(t)，利用希尔伯特变换求取其回波包络A[y_n(t)]。

4-2)运用超声波回波包络模型函数对实际回波包络A[y_n(t)]进行拟合，最终得到精确的回波包络模型A(t)。进一步，本发明采用BP神经网络进行包络函数的拟合，BP神经网络的代价函数为其中θ为神经网络模型设置的权值，A(θ,i)为权值为θ时神经网络模型的输出值，y(i)为实际回波包络A[y_n(t)]的采样数据,i为第i个采样点,[a,b]为拟合区间。通过迭代优化求得使J[A(θ,i)]达到最小值时的包络模型，即最优模型。

所述的超声波回波包络模型函数为其中，A₀为波形信号的幅度。τ为超声波回波到达时刻。T和α为超声波回波包络形状参数。为阶跃函数。

4-3)根据回波包络模型A(t)，计算包络最大值对应的时间T_max。

4-4)令t＝T_max，

根据公式计算出与T_max对应的τ值，最终由Δt＝T_max-τ确定超声波飞行时间Δt。

式中，y(t)为超声波包络模型函数(回波信号由接收信号采样得到，包络由回波信号经过希尔伯特变换得到)。k为超声波信号总的增益。δ表示超声波换能器参数，在发射波个数为6-14时，δ等于160μs。T为超声波信号的周期。