一种高采样率高精度的便捷实时声波测距系统

1.本发明属于测距传感器技术领域，涉及一种基于声波信号的便捷精密测距系统，特别涉及一种高采样率高精度的便捷实时声波测距系统。


背景技术：

2.非接触式测距技术中，超声测距具有其独特优势而被广泛应用，体现在其不受光线条件影响，可测量透明目标，不损害视听觉，成本低且普适性好等。现有超声测距技术常采用超声走时法，即利用专用超声波换能器发射高频超声脉冲信号，通过检测脉冲首波到达时间来间接测距。为了提取首波到达时间，一些研究提出了判断首波的时阈值法、提取回波包络线法以及可变阈值鉴幅法等解决方法，然而，这种估计首波到达时间的方法精度不高。为了解决超声测距中首波难于识别的问题，一些研究基于fmcw算法和互相关法设计高精度测距方法，但难以达到亚毫米级测距精度。fmcw算法和互相关法的实现往往对声波收发平台的便捷可控性能提出了要求，而现有超声测距传感器设备往往硬件已设定为固定的脉冲测距，无法实现收发波形的软件定义以及可视化的便捷处理。
3.目前，使用音频设备实现精密声波测距是一个新颖且便捷的方案，因为其可以通过上位机(如电脑、手机等带操作系统的终端)进行便捷化的软件定义信号收发。然而，音频设备通常采样频率fs≤48khz，且一些普通音箱的可用带宽b为4khz(为不干扰听觉，能利用的频段为18khz～22khz)。若分别采用与带宽b正相关的fmcw算法，以及采样频率fs正相关的互相关法，则最高理论测距分辨率分别约为4.29cm和3.57mm(以室内20
°
常温为例，声速c≈343m/s)。


技术实现要素：

4.为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于：为了能够便捷地实现亚毫米级的测距精度，从相对容易满足需求的互相关测距算法入手，设计一种满足192khz高采样率(该采样率下，测距分辨率δr＝343/(2
×
192000)≈0.89mm，即系统理论测距分辨率达到亚毫米级)的收发同步的板卡，并基于此，提出一套高精度实时声波测距系统方案。
5.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
6.一种高采样率高精度的便捷实时声波测距系统，其主要特征在于，包括：板卡硬件、fpga软件、实时测距软件，其中：
7.板卡硬件，主要包括：usb声卡芯片、dac、mems数字麦克风、以及fpga模块；
8.fpga软件，用于：实现mems数字麦克风的信号采集、低通和抽取滤波，经iis编码器将数据传输至usb声卡芯片，其还产生pdm和iis信号所需的精确时钟，以实现收发采样率一致和同步；
9.实时测距软件，主要包括：实时收发、互相关、互相关峰值消抖、距离转化模块。
10.优选地，所述板卡硬件，其usb声卡芯片采用支持192khz采样率的专用声卡芯片，与操作系统进行usb通信；dac采用高动态范围的音频解码芯片，实现iis信号转成模拟信
号，并输出至音箱播放，其中音箱单元为任意高音音箱；mems数字麦克风采用具备宽频带响应范围的数字麦克风，板载在板卡硬件上；fpga模块采用gw1n系列芯片，连接接收mems数字麦克风输出的pdm信号。
11.优选地，所述fpga软件，其主要担任低通、抽取滤波器，以及输出时序的关键作用，体现在：fpga作为时序生成器，产生pdm和iis信号所需的时钟源自dac的主时钟mclk，即对49.152mhz大小的mclk进行分频，提供给mems麦克风所需的位时钟clk为3.072mhz，给fpga片内iis编码器时钟为192khz，即实现收、发采样频率fs一致为192khz。
12.优选地，所述实时测距软件，其部署在操作系统上，主要包括：
13.实时收发模块，通过构建一段先进先出的队列(first input first output，fifo，数据长度为：0.2s
×
fs)用于存储录音信号，并通过控制上位机内置的usb声卡驱动实现实时无阻塞播放发射信号和录音，其中发射信号利用高音音箱可用的不干扰人的频段18khz～22khz，设计为线性调频(chirp)信号，信号参数为：调频周期t＝0.02s，基频fc＝22khz，频宽b＝4khz；
14.互相关模块，截取与fifo等长的发送信号，并进行逆序，进而采用时域卷积定理代替互相关运算，获得收发信号的互相关序列。
15.互相关峰值消抖模块，由于实时互相关序列存在不确定的峰值抖动，继而导致识别并提取局部峰值对应的平移量lag出现误差，为了尽量减少提取lag的误差，该软件模块采用对多个互相关峰值曲线实时提取lag值。
16.距离转化模块，以已知初始位置r
ref
为参考，计算目标位置相对参考位置的平移量lag，继而参照式：r＝(c
·
lag)/(2
×
fs)+r
ref
实现距离的估计，其中c为声速。此外，为提高测距结果的稳定性，将实时测距结果存入较短的fifo进行滑动窗高斯滤波并取均值作为最终距离值。
17.优选地，所述互相关峰值消抖模块，其具体步骤如下：
18.首先，将多峰值互相关序列以fs*t大小进行切分；
19.然后，将各分块的互相关序列横轴归到0～fs*t范围内；
20.再则，提取各自峰值对应的lag值并放入缓存，得到lag值的序列；
21.最后，对lag值的序列取均值以获取最终lag值。
22.与现有声波测距系统相比，本发明不仅能够进行收发波形的软件定义以及可视化的便捷处理，而且收发同步且具备192khz高采样率。通过接入任意高音音箱和操作系统，可构建便捷的声波测距系统，再嵌入上述实时测距软件，在温、湿度稳定且无风的环境下，系统能够稳定地进行亚毫米级高精度实时测距。
附图说明
23.图1是本发明的系统整体硬件图。
24.图2是本发明的fpga模块的fpga软件整体架构。
25.图3是本发明的实时测距软件的整体流程图。
26.图4是本发明的实时测距软件模块中的多峰值互相关序列。
27.图5是本发明的实时测距软件模块中的某分块、横轴归到0～fs*t范围的互相关序列图。
具体实施方式
28.下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
29.图1所展示了一种高采样率高精度的便捷实时声波测距系统，主要包括：板卡硬件、fpga软件、实时测距软件部分；将fpga软件写入板卡硬件上的fpga模块，然后采用usb总线连接操作系统和板卡硬件，待板卡被上位机识别为usb音频播放和录音外部设备后，再将音频线连接板卡硬件上的dac和某一高音音箱，以完成系统的构建。
30.本发明的主要特征包括：板卡硬件、fpga软件、以及实时测距软件这三部分。其中，板卡硬件主要由usb声卡芯片、dac、mems数字麦克风、以及fpga模块组成；其中，usb声卡芯片采用192khz采样率的专用声卡芯片，与操作系统进行通信；dac采用高动态范围的音频解码芯片，将iis信号转成模拟信号，并输至音箱播放。此外，为使工作在异步模式下的dac更好地同步，对其iis主时钟接口(mclk)引入外部高速晶振的时钟信号(一般为256*fs＝49.152mhz，其中fs＝192khz)；mems数字麦克风采用具备宽频带的数字麦克风模块；fpga模块采用gw1n系列芯片，所述mems数字麦克风连续输出pdm信号，且其位时钟输入和数据输出引脚连接至fpga模块。
31.fpga软件是实现板卡硬件功能和性能的关键，需设计低通、抽取滤波器，以及输出时序的程序，fpga软件的整体架构如图2所示。实际上，其关键问题是以满足192khz采样率需求前提下的抽取因子及各路输出时钟大小的确定。由于mems数字麦克风需要3.072mhz～4.8mhz范围的位时钟clk，其定义生成pdm比特流的频率，且与转化的pcm数据流频率之间满足关系式clk＝fs
×
div，其中div为抽取因子(偶数值)，决定多少pdm比特流长度表示的信号值转换为用1音频帧的pcm数据流来表示。已知fs需为192khz，则设定clk为3.072mhz，div为16。此外，为了保证收发时钟同步，fpga作为时序生成器，产生pdm和iis信号所需的时钟源自dac的主时钟mclk，即对49.152mhz进行分频，提供给mems数字麦克风所需的位时钟clk为3.072mhz，给iis编码器为192khz，经iis编码器将音频数据传输至usb声卡芯片。
32.实时测距软件在操作系统上实现，其软件整体流程图如图3所示，主要包括：实时收发、互相关、互相关峰值消抖、距离转化等软件模块。
33.优选地，所述实时收发模块，通过构建一段先进先出的队列(first input first output，fifo，数据长度为：0.2s
×
fs)用于存储录音信号，并通过控制上位机内置的usb声卡驱动实现实时无阻塞播放发射信号和录音，其中发射信号利用高音音箱可用的不干扰人的频段18khz～22khz，设计为线性调频(chirp)信号，信号参数为：调频周期t＝0.02s，基频fc＝22khz，频宽b＝4khz；
34.优选地，所述互相关模块，截取与fifo等长的发送信号，并进行逆序，进而采用时域卷积定理代替互相关运算，获得收发信号的互相关序列。
35.优选地，所述互相关峰值消抖模块，由于实时互相关序列存在不确定的峰值抖动，继而导致识别并提取局部峰值对应的平移量lag出现误差。为了尽量减少提取lag的误差，该软件模块采用对多个互相关峰值曲线实时提取lag值。互相关峰值消抖模块的具体步骤如下：
36.首先，经过互相关模块得到多峰值互相关序列，如图4所示，将多峰值互相关序列以fs*t大小进行切分；
37.然后，将各分块的互相关序列横轴归到0～fs*t范围内，得到某块互相关序列如图
5所示；
38.再则，提取各自峰值对应的lag值并放入缓存，得到lag值的序列；
39.最后，对lag值的序列取均值以获取最终lag值。
40.优选地，所述距离转化模块，以已知初始位置r
ref
为参考，计算目标位置相对参考位置的平移量lag，继而参照式：r＝(c
·
lag)/(2
×
fs)+r
ref
实现距离的估计，其中c为声速。此外，为提高测距结果的稳定性，将实时测距结果存入较短的fifo进行滑动窗高斯滤波并取均值作为最终距离值。
41.本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的；本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。