无串扰超声测距系统的激励方法及基于FPGA的设计与实现

【摘要】：单个超声换能器不能同时检测全方位的环境信息,如果采用多个换能器同时工作,而又不对发出的超声加以区分,则将产生超声串扰问题。本文的解决思路是给每个超声换能器发出的超声赋予独特的标识,然后在接收端采用相关匹配的方法进行区分。为实现基于此思想的超声测距系统,本文做了如下研究工作。 采用带有独特标志的信号去调制载波作为激励信号,为简化硬件实现,使用脉冲位置调制方式。经过调制后的信号激励超声换能器发出超声波,其回波回到接收端后并不解调,而是直接应用相关法进行匹配识别。为获得使回波信号相关特性良好、能量利用率高的激励信号,一般采用数值法或实验方法。本文从数学基本原理和换能器的本质特性出发,推导并得到了兼顾相关特性和能量利用率的激励信号的条件,以更好地指导激励信号的构建。 搭建了超声信号前端处理硬件系统,此硬件系统结构紧凑,功耗较低,且具有超声接收/发送一体化和大动态范围回波幅值自动增益的特点。设计了基于现场可编程门阵列(FPGA)的后端数字信号处理模块,为降低硬件资源消耗和加快FPGA处理速度,此数字信号处理系统采用了过零极化相关方法,其核心就是在不影响最终结果判断的前提下用简单的逻辑运算代替复杂的乘法运算。分别设计了超声测距系统和和上位机的RS-232接口,使测距系统和上位机之间相互通信得以实现。 最后对超声测距系统进行了实验,实验表明本文设计的测距系统不但具有测量精度非常高、测量范围大和稳定性好的特点,还能完全抑制串扰信号的影响。这充分说明了本文给出的超声激励方法及基于FPGA的硬件系统的可行性、有效性和实用性。