超聲測量是一種非接觸式的測量方法，具有成本低，對人體無害的特點，廣泛應用于現代工業、醫學、軍事、農業等領域。隨著科技的進步，超聲測距逐漸推廣到對精度、速度要求很高的場合，例如在精密液位測量、建筑工程測量中，需要達到毫米級的測量精度，否則會產生較大誤差；在機器人避障和定位、車輛自動導航中，由于車體速度快，要求測量時間短，否則不能及時控制方向。

    國內已展開了對超聲波測距的研究，參考文獻[1]指出超聲測距的主要問題是回波信號幅值隨傳播距離增大呈指數規律衰減，造成測距范圍有限和精度不高。參考文獻[2]提出雙比較器閾值檢測法，在2～4 m范圍內誤差為±6 mm。參考文獻[3]使用LM567組成模擬檢波電路。但測量誤差只能保證在±2 cm之內。參考文獻[4]提出了包絡峰值檢測法，系統的誤差為±4 mm。
    針對以上問題，本文將參考文獻[5]提出的二次曲線擬合算法應用于超聲回波包絡擬合，設計了以FPGA為核心的全硬件超聲測距系統。在Altera公司EP2C70型FPGA組成的系統上完成了超聲測距系統測試，在4 m范圍內測距誤差小于±1 mm。

2.1 模擬前端電路設計
    系統采用ZT(R)40-16型分立式傳感器。超聲波發射電路選用MAX232芯片作為發射放大器件，接收電路選用集成運放芯片OPA606組成放大電路。
2.2 FPGA數字電路設計
    系統FPGA設計包含發射脈沖模塊、A/D(MAX120)驅動模塊、測頻測溫模塊、FIR濾波模塊、RAM數據緩存模塊、包絡擬合模塊及顯示模塊。
2.2.1 FIR濾波模塊
    設計了一個20階、帶通為30 kHz～50 kHz的濾波器。濾波后回波信號如圖2所示。

2.2.2 包絡擬合模塊

    (1)回波特征值提取：從回波數據中找出最大值的數值和對應的RAM地址，并找到最大值點之前離最大值點地址最近的7個極值點的數值和對應的RAM地址。
    (2)曲線擬合：由回波特征值提取模塊得到8個特征值點的數值和地址，進行最小二乘法的二次曲線擬合，由擬合得到二次曲線求得與地址軸的交點為回波的起振點。
    (3)距離計算：將起振點地址、A/D實際采樣頻率、環境溫度值計算得到距離值。
3 系統測試驗證
    對不同距離進行測距測試，測試結果如表1所示。

    將系統與參考文獻的測距精度進行對比來評價系統精度。利用QuartusII9.0集成的SoPC Builder建立SoPC平臺，用C語言將包絡擬合算法移植到NiosII處理器進行對比來評價系統速度，對比結果如表2所示。

    本文針對普通超聲測距系統精度低、速度慢的問題，提出了一種全硬件實現的FPGA超聲測距系統。將二次曲線擬合算法應用于超聲回波包絡擬合，在4 m范圍內測距誤差小于±1 mm，具有精度高、運算速度快、實時性好的特點。系統采用FPGA結構，具備很強的功能擴展性，可擴展到超聲探傷、超聲成像等領域。
參考文獻
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