[发明专利]一种基于DSP和FPGA架构的超声波飞行时间测量装置及方法

说明书

技术领域

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。

发明内容

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。