朱义德,杨瑞峰,郭晨霞,葛双超

(中北大学电子测试技术国家重点实验室，山西太原 030051)

1 超声测距原理和互相关法测TOF

1.1 超声测距原理

超声波测量物体间距离的原理是基于脉冲回波法[1]，该方法利用声波的回波特性。如图1所示。

图1 超声波测距系统示意图

控制电路产生一个触发信号，这个信号由发射端T接收并受此激励产生超声波脉冲。脉冲传输至物体，遭遇物体阻拦时会产生脉冲回波，然后接收端R检测脉冲回波[2-4]。通过A/D转换器将发射端T的发射信号和接收端R检测信号分别作为参考信号和接收信号进行数字化，通过信号特征值(峰值、频率等)匹配计算出超声波的飞行时间(TOF)。最后结合飞行时长TTOF和所测的声速vU计算发射器T和接收器R到目标的距离L[5-7]。如式(1)所示。

(1)

1.2 互相关法测TOF

一般情况下，TOF是用阈值法计算的，但阈值法受信噪比的影响较大[8]。采用信号互相关算法，通过匹配发射信号与接收信号之间的相似度，从而识别出回波位置[9]。

互相关算法原理如下[10-11]：

用x(n)表示发射端离散时间信号，用y(n)表示接收端离散时间信号。

x(n)=z(n)+w1(n)

(2)

y(n)=z(n+τ)+w2(n)

(3)

式中：z(n)为超声波信号；w1(n)、w2(n)分别为发射端、接收端的干扰信号；τ为时间延迟序号。

将采集到的回波信号y(n)与发射信号x(n)进行N点的互相关运算,由于3个信号z(n)、w1(n)、w2(n)两两之间都互不相关，x(n)、y(n)的互相关表达式为

(4)

由式(4)计算出的Rxy(τ)表示回波信号y(n)与发射信号x(n)之间相似程度，互相关运算的最大值时刻即为时间延迟的估计值。

2 系统总体设计

系统采用cyclone四代EP4CE30F23V6N芯片为核心的FPGA，时钟主频为50 MHz，几十个I/O接口可以满足系统设计的要求。……