基于包络拟合法的FPGA超声测距系统设计

摘 要： 针对普通超声测距系统精度低、速度慢的问题，提出了一种全硬件实现的FPGA超声测距系统。将最小二乘法的二次曲线拟合算法应用于超声回波包络拟合，完成回波信号的数字信号处理和距离的测量。采用硬件描述语言在Altera公司的EP2C70F896C6上实现，在4 m范围内测距误差小于±1 mm。该系统具有精度高、运算速度快的特点，并具备很强的功能扩展性，可扩展到超声探伤、超声成像等领域。
关键词： 超声测距；包络拟合；数字信号处理；FPGA

超声测量是一种非接触式的测量方法，具有成本低，对人体无害的特点，广泛应用于现代工业、医学、军事、农业等领域。随着科技的进步，超声测距逐渐推广到对精度、速度要求很高的场合，例如在精密液位测量、建筑工程测量中，需要达到毫米级的测量精度，否则会产生较大误差；在机器人避障和定位、车辆自动导航中，由于车体速度快，要求测量时间短，否则不能及时控制方向。
国内已展开了对超声波测距的研究，参考文献[1]指出超声测距的主要问题是回波信号幅值随传播距离增大呈指数规律衰减，造成测距范围有限和精度不高。参考文献[2]提出双比较器阈值检测法，在2～4 m范围内误差为±6 mm。参考文献[3]使用LM567组成模拟检波电路。但测量误差只能保证在±2 cm之内。参考文献[4]提出了包络峰值检测法，系统的误差为±4 mm。
针对以上问题，本文将参考文献[5]提出的二次曲线拟合算法应用于超声回波包络拟合，设计了以FPGA为核心的全硬件超声测距系统。在Altera公司EP2C70型FPGA组成的系统上完成了超声测距系统测试，在4 m范围内测距误差小于±1 mm。

2.1 模拟前端电路设计
系统采用ZT(R)40-16型分立式传感器。超声波发射电路选用MAX232芯片作为发射放大器件，接收电路选用集成运放芯片OPA606组成放大电路。
2.2 FPGA数字电路设计
系统FPGA设计包含发射脉冲模块、A/D(MAX120)驱动模块、测频测温模块、FIR滤波模块、RAM数据缓存模块、包络拟合模块及显示模块。
2.2.1 FIR滤波模块
设计了一个20阶、带通为30 kHz～50 kHz的滤波器。滤波后回波信号如图2所示。

2.2.2 包络拟合模块