超声波测距系统设计与实现毕业设计Word格式.docx
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测量结果分为两个部分,一部分是当前相位差值,通过鉴相器监测当前的瞬时相位差,这是一个小于等于360度的值;
另一部分,设置一个计数器将两点移动过程中相位差变化了多少个360度。
将两个部分的相位差值映射到距离的变化上去,然后求和,即可得到距离的变化。
整个系统的运算等功能在CPLD中运用硬件编程语言VHDL和原理图实现。
论文分为五个部分,第一个部分为绪论,介绍了课题的研究目的和意义等,同时对本篇论文的主要内容和结构做了一定的阐述;
第二部分为整体方案分析和设计的介绍,对系统的需求分析、硬件架构、软件功能、工作原理等都做了详细的阐述;
第三部分为硬件电路的设计,超声波发射模块、接收模块及积分比较等都进行了详细的说明;
第四部分则是对CPLD可编程功能实现进行分析,对利用相位差测量距离的算法等进行了详细分析;
第五部分为硬件电路的PCB制作、对系统功能的测试和对数据中存在误差的分析。
关键词:
测距;
相位差;
VHDL编程;
CPLD
Abstract
Withtherapiddevelopmentofmodernscienceandtechnology,onthelocationoftheapplicationareas,suchasalaserrange-finderandultrasonicdistanceandsoon.Oneofthecharacteristicsoftheultrasonicdistanceis:
ultrasonicpointtostrong,energyconsumptionisslow,mediumdistances,andultrasonicdistancemeasurementoftenused,suchastheFinderandlevelmeasuringinstrument,etc,canbeimplementedbyultrasound.Useultrasonicinspectionisoftencomparedtoquickly,easily,andcalculateasimple,easy-to-achievereal-timecontrol.Commonultrasonicdistanceprincipleisthepulsemethod,usinganultrasonicpulseemittedtoreceivereflectedpulseofandultrasonicinairspeedmultiplydistance.Implementationfeaturesprocesssimple,butaccuracyisnotenough.Laserdistancemeasurementyoucantakeadvantageofthephase,laserrangeprecisionphaseisveryhigh,butmorecomplextoimplement.
Topicisontheultrasonicpulserangefinder,animprovedborrowinglaserphasedifferencerangingmethod,butnotexactlythesame,buttheuseofwires,aretwomeasuringpoints.Endoftheemissionultrasonic,ontheotherendofthecabletoreceive,andthenbyphasetwoofthephasechangemonitoringtomeasurethedistancebetweentwopointsofrelativemotion.Themeasurementresultsaredividedintotwoparts,partofthecurrentphasedifferencevalues-monitoringcurrentinstantaneousphasedifference,thisisalessthanorequaltothevalueofthe360degrees;
theotherpart,setsacounter-pointmoveprocessphasechangemany360degrees.Thetwopartsofthephasedifferencevalueismappedtoadistanceofchangeandsummation,distancechanges.Theentiresystemofoperations,andotherfunctionsinCPLDsusedhardwareprogramminglanguageVHDLandschematics.
Paperisdividedintofivesections,thefirstpartistheintroduction,describesthesubjectofpurposeandmeaning,aswellasonthismajorcontentandthestructureofacertain;
thesecondpartoftheoverallprojectanalysisanddesign,tothesystemrequirementanalysis,hardwarearchitecture,softwarefunctionality,principlemadedetailed;
thethirdpartofthehardwarecircuitdesign,ultrasonictransmitter,receivermoduleandintegralcomparisonwhichdetails;
thefourthpartoftheCPLDprogrammablefeaturestoimplement,usephasedifferencemeasurementdistanceofalgorithmsforanalysis;
thefifthpartofthePCBforhardwarecircuit,testingtosystemfunctionalityanddataintheerroranalysis.
Keywords:
location;
thephasedifference;
VHDLprogramming;
第1章绪论
本章为绪论章节,介绍了课题的研究背景以及研究现状,同时也向大家展示了论文的研究内容和结构安排。
1.1课题的研究背景
传感器技术是现代信息技术的主要内容之一。
在基础学科研究中,传感器更具有突出的地位。
显然,要获取大量人类感官无法直接获取的信息,没有相适应的传感器是不可能的。
许多基础科学研究的障碍,首先就在于对象信息的获取存在困难,而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现,往往会导致该领域内的突破。
一些传感器的发展,往往是一些边缘学科开发的先驱。
传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。
可以毫不夸张地说,从茫茫的太空,到浩瀚的海洋,以至各种复杂的工程系统,几乎每一个现代化项目,都离不开各种各样的传感器。
比如温度传感器、光电传感器、湿度传感器、超声波传感器、红外传感器和压力传感器等等。
其中,超声波传感器在测量方面有着广泛、普遍的应用。
利用单片机控制超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制,并且测量精度较高。
超声波测距系统主要应用于汽车的倒车雷达、机器人自动避障行走、建筑施工工地以及一些工业现场例如:
液位、井深、管道长度等场合。
因此研究超声波测距系统的原理有着很大的现实意义。
对本课题的研究与设计,还能进一步提高自己的电路设计水平,深入对CPLD的理解和应用。
1.2课题的国研究现状内外
声学作为物理学的一个分支,它是研究声波的发生、传播、接收和效应的一门科学。
1893年Golton发现了超声哨子,此时建立了超声波领域。
20世纪20年代,R·
伍德证实了超声强化物理化学过程的可能性,美国普林斯顿大学化学实验室发现超声波有加速化学反应的作用。
但在1940年以前,只有单晶压电材料,这种技术存在许多缺点,使得超声波未能得到广泛应用。
20世纪40年代,人们发现了压电多晶材料—钛酸钡压电陶瓷,50年代,美国贾菲等发现了PbZrO3-PbTiO3(PZT)固溶体系统,70年代,人们又研制出PLZT透明压电陶瓷压电材料的发展大大地促进了超声波领域的发展。
80年代中期,由于功率超声设备的普及与应用,超声波在化学中的应用研究才迅速展开,形成了一门新兴的交叉学科—声化学。
1990年欧洲声化学学会在法国宣告成立,并组织了专题学术交流会。
1991年9月在意大利召开了第二次欧洲声化学学会会议,同年美国声学学会121届年会上组织了声化学与声空化的专题讨论会。
1991年声化学专著《PracticalSonochemistry》发行,1994年3月声化学杂志《UltrasonicsSonochemistry》创刊。
目前超声波已广泛应用于化学(如分析化学、物理化学、聚合物化学、电化学、光化学、环境化学等)、医学、食品工业、工业焊接、废水处理和材料的改性等方面。
大量的文献报道和许多实验结果表明:
超声波不仅可以改善反应条件,加快反应速度和提高反应产率,还可以使一些难以进行的化学反应得以实现。
超声波辐射能加速各种有机均相及异相反应,特别是金属参与的反应。
近几年来国外学者研究发现超声波能产生核聚变现象,已引起广大学者的极大关注[1]。
1.3论文的研究内容
本课题是研究的目的是提高超声波系统的测量精度,采用了相位差测距离的思路,寻求一种能够减小测距误差的方法。
所以在论文中主要是介绍了对超声波脉冲测距的一种改进,借鉴了激光相位差测距的方法,但不是利用激光相位差测距中对激光束进行幅度调制并测定调制光往返测相一次所产生的相位延迟,再根据调制光的波长,换算此相位延迟所代表的距离的方法,而是做了简化利用线缆将两个待测点连接起来。
将两个部分的相位差值映射到距离的变化上去,通过移动过程中整个相位差的改变测量距离的变化。
系统的软件部分是采用在CPLD中运用硬件编程语言VHDL和原理图混合输入法实现的,同时又是对以往学习的EDA方面的知识的一种复习和加深理解。
1.4论文的结构安排
本论文分为5个章节。
第1章为绪论,简单介绍论文研究的背景,研究的内容以及论文的结构。
第2章为整体方案分析和设计的介绍,对系统的需求分析、硬件架构、软件功能、工作原理等都做了详细的阐述,这一章整体介绍功能的介绍,为后面的设计做好规划。
理清系统设计的步骤和思路。
第3章为硬件电路的设计,超声波发射模块、接收模块及积分比较等都进行了详细的说明,并对每个模块之间是怎样的相互连接和配合实现系统的具体功能方案做了详细的阐述。
第4章则是对CPLD可编程功能实现进行分析,对利用相位差测量距离的算法等进行了详细分析。
第5章为硬件电路的PCB制作、对系统功能的测试和对数据中存在误差的分析。
1.5本章小结
本章介绍了课题的研究背景以及研究现状,同时也向大家展示了论文的研究内容和结构安排,为接下来各章内容的做好理论铺垫和思路的提供。
第2章整体方案分析和设计
本章首先分别从系统的功能和方案的形成下手,对系统的需求做了详细地分析;
通过对各种方案的比较,然后依据需求最终确定硬件和软件两大模块的具体设计和实现方法。
2.1功能分析
2.1.1系统主要功能
本课题是对超声波测距的一种改进方法,常见的超声波测距系统是采用脉冲法反射实现的。
这种方法有点是实现简单,但是可能测距误差较大。
基于提高测距准确度的目的考虑借鉴激光相位法测距的思路,将距离的变化反应到信号相位差变化上去,通过对相位差的实时检测,然后对数据进行计算得出两点距离的变化值。
本课题是对激光相位差测距的一种简化,不是采用无线电波段的频率,对激光束进行幅度调制并测定调制光往返测线一次所产生的相位延迟,再根据调制光的波长,换算此相位延迟所代表的距离,而是将发射和接收用电缆连接。
虽然对应用产生一些制约但是避免了相位检测的多值性,降低了电路实现的难度。
2.1.2系统方案的分析
基于超声波相位差测距系统实现的关键在于数字鉴相器,传统的鉴相器只是在一个稳定的状态下,鉴别出相位差在0-2π之间的相位。
但是在本课题中要涉及到两路同频信号的相位差的变化,因为在两点距离不断变化的过程中,信号的相位差也是在不断变化的。
我们要记录下在这个过程中相位差经过0相位点的次数n,所以要增加一个周期数计数装置。
在实时监测的过程中要记下相位差从2π到0或0到2π的跳变次数。
所以,在电路中加了一个积分电路,将相位差的变化转化成模拟电压信号的变化,然后利用产生的脉冲信号作为周期数n的计数时钟,这种方法的如图2-1:
具体的实现方案将在后面详细介绍。
图2-1积分电路的输出曲线
2.2系统总体设计
图2-2架构设计图
本地振荡产生40KHz的方波信号,通过线缆接入远端发射端。
利用7404反相器驱动超声波换能器,转换成正弦交流信号发射出去,本地接收端接收到超声波信号。
然后将本地信号同接收到的信号进行鉴相,鉴相器实时监测相位的变化值,在相位从0到2π或2π到0的跳变的瞬间记录周期个数n。
对于不足一个周期内相位差送到另外计数器单独处理,两处的数据经过后续的计算转换成距离的变化,然后送到显示模块显示。
2.3工作原理
系统功能实现的具体算法原理:
发射端发射超声波信号:
;
(2-1)
式中
为超声波频率;
t为超声波传播时间;
接收端收到的信号是:
(2-2)
式中
为发射端和接收端的距离;
由式(2-1)和式(2-2)可以推导出发射信号和接收信号之间的相位差为:
;
(2-3)
式中c为超声波在空气中的传播速度;
将波长
和波速c的关系
,代入式(2-3)推导出发射和接收端的距离是:
(2-4)
假设两端初始位置距离是
,因此,当前的位置是:
相位测量的模糊性,因为它的定期性。
传统的相位检测器,我们只能量测一阶段从0到360。
如果略高于360,相位翻转回约0。
在本课题中研究的相位可以超越2π,距离增量增加。
要解决这种不确定性,我们要监视每个阶段翻转,并将它们添加到当前测阶段。
检测出总的相变之后计算,其中总的相位变化是:
。
2.3.1软件实现工作框图
系统的发射接收模块是用模拟的方法在CPLD的外部实现,可控的编程的实现的部分是:
数字鉴相器、相位计数器、计算模块和显示模块。
它们之间的互联和工作方式如图2-3所示。
图2-3软件实现的原理框图
图2-3中运算需将相位差的变化转换成两端的距离变化,需要借助波长
这个中间变量。
具体的转化方法:
上式中的n是整周期个数,
为在一个周期之内的相位差。
原理框图是对上式的形象的描述。
2.3.2整周期计数模块流程图
图2-4整周期数n计数流程
图2-4描述了整周期数的计数原理,在距离动态变化的过程中不断检测信号clk的变化,如果clk出现上升沿计数器加一。
其中clk信号是由数字鉴相器产生的,在鉴相器的相位差从最大值跳变到0的瞬间,clk产生一个上升沿触发整周期计数器加一。
具体的实现方法将在后续章节详细介绍。
2.4本章小结
本章首先介绍了系统的功能和系统方案的形成,然后对系统的硬件和软件结构方面都进行了详细地设计,最后辅以系统工作原理对整个系统的运行做了全面的分析。
第3章硬件电路的设计
本章主要介绍电路的硬件电路部分具体实现方案,其中包括系统的方波信号发生模块、超声波发射模块、超声波接收模块、数字鉴相电路和积分电路等。
本章将对这些模块做详细的介绍。
3.1时钟信号及超声波信号源产生电路
3.1.1时钟信号简介
时钟信号是时序逻辑的基础,它用于决定逻辑单元中的状态何时更新。
时钟信号是指有固定周期并与运行无关的信号量。
在本系统中的时钟信号是为系统各个时序部分提供时钟的信号,比如为计数器提供计数时钟或者为触发器提供触发信号。
同时也可作为各模块的同步提供信号,保证电路的时序正常,确保功能的实现。
3.1.2时钟信号及超声波信号源产生电路
本系统采用的是频率为6MHz的系统时钟,用有源晶振实现的。
下面介绍有源晶振和无缘晶振的区别以及具体实现电路。
1.晶振选择依据:
无源晶振是有2个引脚的无极性元件,需要借助于时钟电路才能产生振荡信号,自身无法振荡起来。
无源晶振没有电压的问题,信号电平是可变的,也就是说是根据起振电路来决定的,同样的晶振可以适用于多种电压,可用于多种不同时钟信号电压要求的DSP,而且价格通常也较低。
但是,无源晶振相对于晶振而言其缺陷是信号质量较差,通常需要精确匹配外围电路。
有源晶振有4只引脚,是一个完整的振荡器,里面除了石英晶体外,还有晶体管和阻容元件。
有源晶振不需要DSP的内部振荡器,信号质量好,比较稳定,而且连接方式相对简单,不需要复杂的配置电路。
综上有源晶振和无缘晶振的优缺点,结合电路需要。
由于晶振产生的振荡信号还将用于超声波发射的信号源,所以对波形的质量要求较高,所以在这里选用有源晶振。
2.系统时钟产生电路如图3-1:
图3-1系统时钟产生电路
电路中用一个电容和电感构成的PI型滤波网络,输出端用一个小阻值的电阻过滤信号。
1脚悬空,2脚接地,3脚输出接cpld时钟输入端,4脚接3.3v电压[2]。
3.超声波信号源产生电路,如图3-2所示。
图3-1产生的频率6MHz的方波信号,经过分频器150分频产生标准的40KHz的方波信号作为超声波发射输出的信号源。
图3-2150分频模块
其中clk为输入的6MHz的系统时钟,nrst为异步清零信号,clk_div为分频产生40KHz的超声波发射信号源。
输入输出波形对照如图3-3所示。
图3-3分频输出波形
功能分析:
采用这种利用内部时钟产生超声波发射信号的信号源,其优势在于,减少了外部信号的输入、增加了信号的稳定性以及在一定程度上避免了由于最初的输入信号造成的干扰,使得信号稳定性增强。
3.2超声波发射模块设计与实现
3.2.1超声波概念简介
科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率,它的单位是Hz。
我们人类耳朵能听到的声波频率为20~20000Hz。
当声波的振动频率大于20000Hz或小于20Hz时,我们便听不见了。
因此,我们把频率高于20000Hz的声波称为“超声波”。
本系统采用的是40KHz的超声波信号。
超声波换能器:
超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。
超声波是一种振动频率高于声波的机械波,由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的,它具有频率高、波长短、绕射现象小,特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。
超声波探头主要由压电晶片组成,既可以发射超声波,也可以接收超声波。
3.2.240KHz超声波发射电路
发射电路由74ls04反相器构成,从cpld输出的40KHz的方波信号,一路经过一级反相器送到超声波换能器发射端T40的一个电极,另一路经两级反相器送到T40的另一个电极。
用这种推挽形式将方波信号加到超声波发射传感器的两个电极,可以提高超声波的发射强度。
输出端使用两个反相器并联,可以提高驱动能力。
上拉电阻R1,R2一方面可以提高反相器74LS04输出电平的驱动能力,另一方面可以增加超声波发射传感器的阻尼效果,缩短其自由振荡时间。
具体实现电路如图3-4超声波发射电路[3]。
图3-4超声波发射电路
3.3超声波接收电路设计与实现
超声波接收原理:
超声波换能器的发射端将数字方波信号转换成正弦模拟信号发射到空气中去,超声波传感器的接收端接收到正弦信号,经过两级运算放大器放大后经过电压比较电路转换成40KHz的方波信号。
等待送入cpld处理。
超声波在空气中传播时,其能量的衰减与距离成正比,即距离越近信号越强,距离越远信号越弱。
由于输入信号的范围较大,对放大电路的增益提出了两个要求:
一是放大增益要大,以适应小信号时的需要;
二是放大增益要能变化,以适应信号变化范围大的需要。
另外,由于输入信号为正弦波,因此必须将放大电路设计成交流放大电路。
采用三个LF356运算放大器。
前两个构成两级放大器,第三个构成比较器。
之所以采用两级放大时为了避免一级放大提前出现波形失真。
当然在本体统的实际中由于测量距离比较近故只采用了一级放大,然后便进行比较。
比较电路采用过零比较器,由于是想得到数字方波信号。
具体实现电路如图3-5超声波接收电路。
图3-5超声波接收电路
由于测量距离较近,所以只采用了一级运放,其中输入端接10k
电阻,反馈电阻300k
放大倍数30倍可以满足要求。
后一级用LF356构成电压过零比较器,将经放大后的信号整形变成方波信号以供后续处理。
由于运放输出后电压较大而且由于输出信号要输入到cpld中处理,所以为了避免电压过大烧坏cpld,故在输出端加一个3.3v的稳压管。
3.4两路同频信号数字鉴相电路
3.4.1数字鉴相器简介
使输出电压与两个输入信号之间的相位差有确定关系的电路。
表示其间关系的函数称为鉴相特性。
鉴相器是锁相环的基本部
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- 超声波 测距 系统 设计 实现 毕业设计
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