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基于FPGA的六路无串扰超声测距系统的设计与实现

作　者: 扈佳林
导　师: 孟庆浩
学　校: 天津大学
专　业: 检测技术与自动化装置
关键词: 脉冲压缩技术编码调制技术相关算法 FPGA 超声测距系统
分类号: TP274.53
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 3次
引　用: 0次
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内容摘要

针对目前用于移动机器人的超声测距系统存在测距精度较低、多个换能器之间相互干扰（即串扰）等问题，本文给出了一种基于现场可编程门阵列（FPGA）的六路无串扰超声测距系统的设计与实施方案。本测距系统采用了脉冲压缩技术，它不仅可以有效地识别回波，还可以准确地捕获超声传播的渡越时间，进而得到较高精度的距离信息。其设计方案为：在超声发射端，采用伪随机编码与调制技术相结合的方法构造激励序列。其中，Gold编码方式与二值频移键控调制技术的组合具有最优的相关特性和能量特性，因而被本测距系统选用。在接收端，回波通过相关器实现匹配滤波，并由相关结果的峰值所对应的时刻求得渡越时间。由于普通相关算法运算复杂，相关器的实现需要占用大量的硬件资源且难以保证实时性，本测距系统采用精简的过零极化相关算法，易于相关器在FPGA中的实现。在实施的过程中，首先搭建了六路超声测距系统的硬件平台。它以FPGA为控制核心，外围设有六路超声收发一体及信号调理电路。基于该平台，在上述脉冲压缩方案的指导下，利用FPGA实现了六路超声激励序列的发射与接收、基于过零极化相关算法的精确测距，同时完成了与上位机通信及LCD实时显示等功能。经过实验验证，该测距系统可以在20cm到6m的范围内达到15mm内的测距精度，并且可以有效地消除超声串扰。该系统的各方面性能满足机器人避障的需求，可用来实时探测机器人四周的环境信息。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-9
第一章绪论  9-14
  1.1 选题背景及意义  9
  1.2 存在问题及研究现状  9-11
  1.3 研究思路  11-12
  1.4 主要贡献  12-13
  1.5 内容安排  13
  1.6 本章小结  13-14
第二章理论基础  14-24
  2.1 超声测距原理  14
  2.2 超声换能器特性分析  14-15
  2.3 超声扩频编码激励序列构造方法及性能比较  15-22
    2.3.1 伪随机编码与调制技术结合构造超声激励序列  16-19
    2.3.2 激励序列性能比较  19-22
  2.4 回波识别及渡越时间捕获  22-23
  2.5 本章小结  23-24
第三章六路超声测距系统硬件平台设计  24-50
  3.1 控制核心的选择及其最小系统板设计  24-32
    3.1.1 控制核心选型  24-25
    3.1.2 FPGA 最小系统各功能模块介绍  25-28
    3.1.3 FPGA 最小系统多层 PCB 设计  28-32
  3.2 超声收发一体及信号调理电路  32-45
    3.2.1 超声发送/接收一体电路  33-35
    3.2.2 超声回波信号调理电路  35-43
    3.2.3 极化电路设计  43-44
    3.2.4 低频模拟电路系统 PCB 设计注意事项  44-45
  3.3 电源模块  45-49
    3.3.1 功耗分析  46-47
    3.3.2 电源模块设计  47-49
  3.4 本章小结  49-50
第四章六路无串扰超声测距系统程序设计  50-62
  4.1 基于超声脉冲压缩技术的测距方案实现  50-57
    4.1.1 过零极化相关算法的实现  52-54
    4.1.2 回波识别、渡越时间捕获、减小测距盲区的设计与实现  54-57
  4.2 与上位机通讯方案的实现  57-59
  4.3 LCD 显示控制方案的实现  59-61
  4.4 本章小结  61-62
第五章实验设计及结果分析  62-69
  5.1 无串扰环境下超声测距实验结果  63-65
  5.2 测距单元两两相互串扰时实验结果  65-68
  5.3 本章小结  68-69
第六章总结与展望  69-71
参考文献  71-75
发表论文和参加科研情况说明  75-76
致谢  76

基于FPGA的六路无串扰超声测距系统的设计与实现

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