摘 要： 針對(duì)普通超聲測(cè)距系統(tǒng)精度低、速度慢的問(wèn)題，提出了一種全硬件實(shí)現(xiàn)的FPGA超聲測(cè)距系統(tǒng)。將最小二乘法的二次曲線擬合算法應(yīng)用于超聲回波包絡(luò)擬合，完成回波信號(hào)的數(shù)字信號(hào)處理和距離的測(cè)量。采用硬件描述語(yǔ)言在Altera公司的EP2C70F896C6上實(shí)現(xiàn)，在4 m范圍內(nèi)測(cè)距誤差小于±1 mm。該系統(tǒng)具有精度高、運(yùn)算速度快的特點(diǎn)，并具備很強(qiáng)的功能擴(kuò)展性，可擴(kuò)展到超聲探傷、超聲成像等領(lǐng)域。
關(guān)鍵詞： 超聲測(cè)距；包絡(luò)擬合；數(shù)字信號(hào)處理；FPGA

超聲測(cè)量是一種非接觸式的測(cè)量方法，具有成本低，對(duì)人體無(wú)害的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)、醫(yī)學(xué)、軍事、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。隨著科技的進(jìn)步，超聲測(cè)距逐漸推廣到對(duì)精度、速度要求很高的場(chǎng)合，例如在精密液位測(cè)量、建筑工程測(cè)量中，需要達(dá)到毫米級(jí)的測(cè)量精度，否則會(huì)產(chǎn)生較大誤差；在機(jī)器人避障和定位、車輛自動(dòng)導(dǎo)航中，由于車體速度快，要求測(cè)量時(shí)間短，否則不能及時(shí)控制方向。
國(guó)內(nèi)已展開了對(duì)超聲波測(cè)距的研究，參考文獻(xiàn)[1]指出超聲測(cè)距的主要問(wèn)題是回波信號(hào)幅值隨傳播距離增大呈指數(shù)規(guī)律衰減，造成測(cè)距范圍有限和精度不高。參考文獻(xiàn)[2]提出雙比較器閾值檢測(cè)法，在2～4 m范圍內(nèi)誤差為±6 mm。參考文獻(xiàn)[3]使用LM567組成模擬檢波電路。但測(cè)量誤差只能保證在±2 cm之內(nèi)。參考文獻(xiàn)[4]提出了包絡(luò)峰值檢測(cè)法，系統(tǒng)的誤差為±4 mm。
針對(duì)以上問(wèn)題，本文將參考文獻(xiàn)[5]提出的二次曲線擬合算法應(yīng)用于超聲回波包絡(luò)擬合，設(shè)計(jì)了以FPGA為核心的全硬件超聲測(cè)距系統(tǒng)。在Altera公司EP2C70型FPGA組成的系統(tǒng)上完成了超聲測(cè)距系統(tǒng)測(cè)試，在4 m范圍內(nèi)測(cè)距誤差小于±1 mm。

2.1 模擬前端電路設(shè)計(jì)
系統(tǒng)采用ZT(R)40-16型分立式傳感器。超聲波發(fā)射電路選用MAX232芯片作為發(fā)射放大器件，接收電路選用集成運(yùn)放芯片OPA606組成放大電路。
2.2 FPGA數(shù)字電路設(shè)計(jì)
系統(tǒng)FPGA設(shè)計(jì)包含發(fā)射脈沖模塊、A/D(MAX120)驅(qū)動(dòng)模塊、測(cè)頻測(cè)溫模塊、FIR濾波模塊、RAM數(shù)據(jù)緩存模塊、包絡(luò)擬合模塊及顯示模塊。
2.2.1 FIR濾波模塊
設(shè)計(jì)了一個(gè)20階、帶通為30 kHz～50 kHz的濾波器。濾波后回波信號(hào)如圖2所示。

2.2.2 包絡(luò)擬合模塊