一种基于自适应滤波的相位差检测系统的制作方法

本实用新型属于同频正弦波相位差测量技术领域，尤其涉及一种基于自适应滤波的相位差检测系统。

背景技术：

对于超声波测量设备，声波的测量最终转变成为同频正弦信号的相位差检测；例如：在电力领域常常用使用超声相位差检测法对检测断路器泄露的SF6的浓度，在通信控制领域相位差检测应用就更为广泛了。

传统的超声波相位检测，主要是通过阻抗法，和/差法，李沙育法和模拟计数法，简单概括来说，是通过超声信号，经过模拟带通滤波，然后进行过零比较形成方波，让两路方波通过异或门，用计数器对通过的模拟信号进行计数，进而计算出相位差。但是，采用模拟信号，要经过过零比较器和异或门等器件，由于器件电路通路不可能完全一样，不可避免的引入了噪声和一定的延迟。此外，信号传输过程会引入高斯白噪声，由于噪声的干扰，引入噪声的模拟信号在通过过零比较器时会因为噪声尖刺产生误差。

模拟滤波的效果，与环境等多方面因素有关，如果测量环境复杂，电磁干扰大，不可避免的会引入白噪声，所以自适应滤波就变得尤为重要了。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种能够实时根据环境噪声进行最优滤波，保证鉴别相位的精度的相位差检测系统。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种基于自适应滤波的相位差检测系统，包括机壳，包括超声波模块、AD模数转换模块、数字信号处理模块和供电模块，超声波模块依次连接AD模数转换模块、数字信号处理模块，供电模块分别连接AD模数转换模块和数字信号处理模块，超声波模块置于机壳外，AD模数转换模块和数字信号处理模块置于机壳中。

在上述的基于自适应滤波的相位差检测系统中，超声波模块包括性能相同的第一超声换能器、第二超声换能器。

在上述的基于自适应滤波的相位差检测系统中，AD模数转换模块包括数模转换芯片及外围电路，分别连接第一超声换能器、第二超声换能器和供电模块。

在上述的基于自适应滤波的相位差检测系统中，数字信号处理模块包括第一自适应滤波算法模块、第二自适应滤波算法模块、数字鉴相模块、FPGA芯片、外部晶振、SDRAM，第一自适应滤波算法模块和第二自适应滤波算法模块分别与数模转换芯片及外围电路和数字鉴相模块连接，数字鉴相模块与FPGA芯片连接，外部晶振、SDRAM与FPGA芯片连接，FPGA芯片连接供电模块。

在上述的基于自适应滤波的相位差检测系统中，第一超声换能器连接一个密闭的气室作为接收参考超声波的器件，第二超声换能器连接半封闭的气室，作为对照，接收另一路超声波。

在上述的基于自适应滤波的相位差检测系统中，数模转换芯片及外围电路包括低噪声小信号放大器、模数转换芯片和外围电路，模数转换芯片采用AD9125双通道16位带宽芯片，外围电路调整输出电平为3.3V。

在上述的基于自适应滤波的相位差检测系统中，供电模块采用电源管理芯片TPS75003，分别提供1.2V3A，3.3V3A，2.5V300mA的功率输出。

本实用新型的有益效果是：通过自适应算法，实时的根据环境噪声进行最优滤波，以保证鉴别相位的精度，且设备代码易于移植。该相位差检测系统成本低，易于在不同环境中使用。

附图说明

图1：为本实用新型一个实施例的结构示意图；

图2：为本实用新型一个实施例的模块示意图；

图3：为本实用新型一个实施例的自适应滤波算法原理图；

其中，1-超声波模块、2- AD模数转换模块、3-数字信号处理模块、4-供电模块、5-第一超声换能器、5＇-第二超声换能器、6-数模转换芯片的外围电路、7-自适应滤波器算法模块、8-数字鉴相模块、9-FPGA芯片、10-机壳、11-供电模块、12-外部晶振、13-SDRAM ；

14-16位输入信号、15-16位输入期望信号、16- FIR滤波器参数、17- RLS最小二乘法参数迭代、18-输出信号、19-误差信号。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的实施方式进行详细描述。

所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能解释为对本实用新型的限制。

下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本实用新型的不同结构。为了简化本实用新型的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本实用新型。此外，本实用新型可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本实用新型提供了各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其它工艺的可应用性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征之“上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。

本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“相连”“连接"应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于相关领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本实施例的技术方案如下：一种基于自适应滤波的相位差检测系统，包括超声波接收模块，16位AD模数转换模块，数字信号处理模块和供电模块。

并且，超声波接收模块包括性能相同的第一超声换能器、第二超声换能器，通过两个性能相同的超声换能器将超声波信号，转换为同频率的正弦电信号；

并且，16位AD模数转换模块包括数模转换芯片及外围电路，将第一换能器、第二换能器传过来的正弦电信号通过采样量化编码成16位数字信号，通过外围电路调整输出电平为3.3V，其中数模转换芯片采用ADI公司的AD9125芯片，支持双通道输入；可将两路数字电信号同时传输到FPGA接收；

并且，数字信号处理模块在接受到两路超声波数字信号之后，通过外部高速系统时钟的驱动，同时进行两路信号的并行处理，信号不可避免的由于多种因素会引入噪声，通过RLS自适应滤波算法，外部配置SDRAM，提前将要采集的超声信号信息写入作为期望信号，在算法中提取期望信号，与当前输出做差，误差信号控制FIR滤波器系数，通过算法不断迭代，使得输出于期望之差平方和最小。

数字鉴相方法是将输出信号以数字形式，在FPGA芯片9内部通过异或门，进行50MHz脉冲计数，进行一段时间的计数并统计脉冲数，最后多次计数取平均值，可算出超声波时间。进而可算出相位差大小。

具体实施时，如图1所示，一种基于自适应滤波的相位差检测系统，包括超声波模块1，AD模数转换模块2，数字信号处理模块3，供电模块4。超声波模块1依次连接AD模数转换模块2和数字信号处理模块3；供电模块4为AD模数转换模块2和数字信号处理模块3提供电源。

如图2所示，超声波模块1包括第一超声换能器5和第二超声换能器5＇；AD模数转换模块2包括数模转换芯片及外围电路6；数字信号处理模块3包括第一自适应滤波器算法模块7，第二自适应滤波器算法模块7＇，数字鉴相模块8，FPGA芯片9，外部晶振12，SDRAM 13；机壳10，供电模块4采用电源管理芯片11。第一超声换能器、第二超声换能器置于机壳外部，其它部件均置于机壳内。

本实施例检测系统主要用于两路超声波相位差的测量，但是相应的测量方法同样适用于同频相位差信号。具体使用方式是第一超声换能器5连接一个密闭的存入空气的气室作为接收参考超声波的器件；第二超声换能器5＇连接的是半封闭的气室，作为对照，接收另一路超声波。数模转换芯片及外围电路6包括：低噪声小信号放大器（LNA），将采集的电信号进行一定的放大，模数转换芯片使用的是ADI公司的AD9125双通道16位带宽芯片，将第一、第二超声换能器传过来的正弦电信号转化成16位数字信号，通过外围电路调整输出电平为3.3V，将两路数字电信号同时传输到FPGA芯片9接收；数字信号处理模块3包括第一自适应滤波器算法模块7、第二自适应滤波器算法模块7＇，数字鉴相模块8，FPGA芯片9。如图2所示，FPGA芯片9在接受到两路超声波数字信号之后，通过外部晶振12外部高速系统时钟的驱动，以50MHz的高速时钟晶振，同时进行两路信号的并行处理，信号不可避免的由于多种因素会引入噪声，通过第一自适应滤波算法模块7、第二自适应滤波算法模块7＇并行处理两路输入信号，通过片外SDRAM 13，提前将要采集的超声信号信息写入，从SDRAM 13中提取期望信号，通过期望信号与输出信号做差，得到误差信号，通过算法不断迭代，使得输出于期望之差平方和最小，以得到两路通过数字滤波，且仍然保持原有相位信息的数字信号；此外该系统有JTAG，可以根据需要，更改程序中相应的SDRAM的值；数字鉴相方法8，将输出信号以数字形式，在FPGA芯片内部通过异或门，进行50MHz脉冲计数，进行一段时间的计数，计数取平均值，得到以两路信号的时间差，从而获得相位差；供电模块４是多路供电电源，采用的是Ti公司的FPGA电源管理芯片，TPS75003，相对于独立的电源转化设计，电源管理芯片能够更好的提高供电效率，可提供1.2V3A，3.3V3A，2.5V300mA的功率输出，给模数转换芯片和FPGA芯片的VCC引脚供电，另外提供5V电压，通过模数转换芯片的外围电路将输出的数字信号转换为适合FPGA芯片9的IO端口3.3V电平。

自适应算法原理图，如图3所示，算法基于VerilogHDL语言编写，编写平台采用quartus ii 13版。16位输入信号14，16位输入期望信号15，FIR滤波器参数16，RLS最小二乘法参数迭代17，输出信号18，误差信号19。算法模块有两个，在时钟作用下同时处理，FIR滤波器参数3为4阶，可同时处理4位参数。RLS算法在2秒内可以收敛，速度要比LMS自适应算法快的多。这也是选用该算法的优势。

综上所述，本实施例检测系统的工作流程是：超声波模块用于接收两路超声信号，将声音信号转化为同频电信号，通过检测电信号相位差，进而得到超声波之间的时间间隔；AD模数转换模块，是将超声波从模拟信号变成离散信号进入FPGA芯片进行处理；数字信号处理模块基于RLS递归最小二乘法自适应算法，实现滤波器抽头参数不断修正的FIR数字滤波器，经过数字滤波后的信号，进行数字鉴相运算。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

虽然以上结合附图描述了本实用新型的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本实用新型的原理和实质。本实用新型的范围仅由所附权利要求书限定。