[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

摘要

本发明公开一种基于DSP和FPGA架构的超声波飞行时间测量装置。通过上位机控制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。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。超声波接收换能器将机械能转换为电能，即接收回波信号。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，信号调理模块将接收到的回波信号通过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。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。

主权项

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yn(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yn(t)，利用希尔伯特变换求取其回波包络A[yn(t)]；4‑2)运用超声波回波包络模型函数对实际回波包络A[yn(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Tmax；4‑4)令t＝Tmax，根据公式计算出与Tmax对应的τ值，最终由Δt＝Tmax‑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。