【文章內(nèi)容簡介】 ................................................... 47 致 謝 .............................................................................................................................. 48 參考文獻 .............................................................................................................................. 49 附錄 源程序 ........................................................................................................................ 50 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 1 頁 第 1 章 緒 論 本章為緒論章節(jié)，介紹了 課題 的研究背景以及研究現(xiàn)狀，同時也向大家展示了論文的 研究 內(nèi)容和結(jié)構(gòu)安排。 課題的 研究背景 傳感器技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)的主要內(nèi)容之一。 在基礎(chǔ)學(xué)科研究中，傳感器更具有突出的地位。顯然，要獲取大量人類感官無法直接獲取的信息，沒有相適應(yīng)的傳感器是不可能的。許多基礎(chǔ)科學(xué)研究的障礙，首先就在于對象信息的獲取存在困難，而一些新機理和高靈敏度的檢測傳感器的出現(xiàn)，往往會導(dǎo)致該領(lǐng)域內(nèi)的突破。一些傳感器的發(fā)展，往往是一些邊緣學(xué)科開發(fā)的先驅(qū)。 傳感器早已滲透到諸如工業(yè)生產(chǎn)、宇宙開發(fā)、海洋探測、環(huán) 境保護、資源調(diào)查、醫(yī)學(xué)診斷、生物工程、甚至文物保護等等極其之泛的領(lǐng)域?？梢院敛豢鋸埖卣f，從茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各種復(fù)雜的工程系統(tǒng)，幾乎每一個現(xiàn)代化項目，都離不開各種各樣的傳感器。 比如溫度傳感器、光電傳感器、濕度傳感器、超聲波傳感器、紅外傳感器和壓力傳感器等等。 其中，超聲波傳感器在測量方面有著廣泛、普遍的應(yīng)用。利用單片機控制超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且測量精度較高。 超聲波測距系統(tǒng)主要應(yīng)用于汽車的倒車雷達、機器人自動避障行走、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場例如：液位、 井深、管道長度等場合。因此研究超聲波測距系統(tǒng)的原理有著很大的現(xiàn)實意義。對本課題的研究與設(shè)計，還能進一步提高自己的電路設(shè)計水平，深入對 CPLD 的理解和應(yīng)用。 課題的 國 研究現(xiàn)狀 內(nèi)外 聲學(xué)作為物理學(xué)的一個分支 , 它是研究聲波的發(fā)生、傳播、接收和效應(yīng)的一門科學(xué)。 1893 年 Golton 發(fā)現(xiàn)了超聲哨子 ,此時建立了超聲波領(lǐng)域。 20 世紀 20 年代 , R伍德證實了超聲強化物理化學(xué)過程的可能性 ,美國普林斯頓大學(xué)化學(xué)實驗室發(fā)現(xiàn)超聲波有加速化學(xué)反應(yīng)的作用。 但在 1940 年以前 ,只有單晶壓電材料 , 這種技術(shù)存在許多缺點 ,使 得超聲波未能得到廣泛應(yīng)用。 20 世紀 40 年代 ,人們發(fā)現(xiàn)了壓電多晶材料 —鈦酸鋇壓電陶瓷 ,50 年代 ,美國賈菲等發(fā)現(xiàn) 了 PbZrO3 PbTiO3 (PZT)固溶體系統(tǒng) ,70 年代 ,人們又研制出 PLZT 透明壓電陶瓷 壓電材料的發(fā)展大大地促進了超聲波領(lǐng)域的發(fā)展。80 年代中期 ,由于功率超聲設(shè)備的普及與應(yīng)用 ,超聲波在化學(xué)中的應(yīng)用研究才迅速展開 ,形成了一門新興的交叉學(xué)科 —聲化學(xué)。 1990 年歐洲聲化學(xué)學(xué)會在法國宣告成立 ,并組織了專題學(xué)術(shù)交流會。 1991 年 9 月在意大利召開了第二次歐洲聲化學(xué)學(xué)會會 議 ,西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 2 頁 同年美國聲學(xué)學(xué)會 121 屆年會上組織了聲化學(xué)與聲空化的專題討論會。 1991 年聲化學(xué)專著《 Practical S onochemistry》發(fā)行 ,1994 年 3 月聲化學(xué)雜志《 Ultras onics S onochemistry》 創(chuàng)刊。目前超聲波已廣泛應(yīng)用于化學(xué) (如分析化學(xué)、物理化學(xué)、聚合物化學(xué)、電化學(xué)、光化學(xué)、環(huán)境化學(xué)等 )、醫(yī)學(xué) 、 食品工業(yè)、工業(yè)焊接、廢水處理和材料的改性等方面。大量的文獻報道和許多實驗結(jié)果表明 : 超聲波不僅可以改善反應(yīng)條件 ,加快反應(yīng)速度和提高反應(yīng)產(chǎn)率 ,還可以使一些難以進行的化學(xué)反應(yīng)得以實現(xiàn)。超聲波輻射能加速各種 有機均相及異相反應(yīng) ,特別是金屬參與的反應(yīng)。近幾年來國外學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)超聲波能產(chǎn)生核聚變現(xiàn)象 ,已引起廣大學(xué)者的極大關(guān)注 [1]。 論文的 研究內(nèi)容 本課題是 研究的目的是提高超聲波系統(tǒng)的測量精度 ，采用了相位差測距離 的思路，尋求一種能夠減小測距誤差的方法。所以在論文中主要是介紹了對超聲波脈沖測距的一種改進，借鑒了激光相位差測距的方法，但不是利用激光相位差測距中 對激光束進行幅度調(diào)制并測定調(diào)制光往返測相 一次所產(chǎn)生的相位延遲，再根據(jù)調(diào)制光的波長，換算此相位延遲所代表的距離的方法， 而是 做了簡化 利用線纜將兩個待測點連接起 來。一端發(fā)射超聲波，線纜的另一端接收，然后通過鑒相監(jiān)測兩點的相位差變化來測量兩點的相對運動距離。測量結(jié)果分為兩個部分，一部分是當前相位差值，通過鑒相器監(jiān)測當前的瞬時相位差，這是一個小于等于 360 度的值；另一部分，設(shè)置一個計數(shù)器將兩點移動過程中相位差變化了多少個 360 度。將兩個部分的相位差值映射到距離的變化上去， 通過移動過程中整個相位差的改變測量距離的變化。系統(tǒng)的軟件部分是采用 在 CPLD 中運用硬件編程語言 VHDL 和原理圖混合輸入法實現(xiàn)的，同時又是對以往學(xué)習(xí)的 EDA 方面的知識的一種復(fù)習(xí)和加深理解。 論文 的 結(jié)構(gòu)安排 本論文分為 5 個章節(jié)。 第 1 章為緒論，簡單介紹論文研究的背景，研究的內(nèi)容以及論文的結(jié)構(gòu)。 第 2 章 為整體方案分析和設(shè)計的介紹，對系統(tǒng)的需求分析、硬件架構(gòu)、軟件功能、工作原理等都 做了詳細的闡述，這一章整體介紹功能的介紹，為后面的設(shè)計做好規(guī)劃 。理清系統(tǒng)設(shè)計的步驟和思路。 第 3 章 為硬件電路的設(shè)計，超聲波發(fā)射模塊、接收模塊及積分比較等都進行了詳細的說明，并對 每個模塊之間是怎樣的相互連接和配合實現(xiàn)系 統(tǒng)的具體功能方案做了詳細的闡述。 第 4 章 則是對 CPLD 可編程功能實現(xiàn)進行分析，對利用相位差測量距離的算法等進行了 詳細分析。 第 5 章為硬件電路的 PCB 制作、對系統(tǒng)功能的測試和對數(shù)據(jù)中存在誤差的分析。 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 3 頁 本章小結(jié) 本章介紹了課題的研究背景以及研究現(xiàn)狀，同時也向大家展示了論文的研究內(nèi)容和結(jié)構(gòu)安排，為接下來各章內(nèi)容的 做好理論鋪墊和思路的提供 。 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 4 頁 第 2 章 整體方案 分析和 設(shè)計 本章首先 分別從 系統(tǒng) 的功能和方案的形成下手，對系統(tǒng)的需求做了詳細地分析 ；通過對各種方案的比較， 然后 依據(jù)需求最終確定 硬件 和軟件兩大模塊 的具體設(shè)計和實現(xiàn)方法。 功能 分析 系統(tǒng)主要 功能 本課題是對超聲波測距的一種改進方法，常見的超聲波測距系統(tǒng)是采用脈沖法反射實現(xiàn)的。這種方法有點是實現(xiàn)簡單， 但是可能測距誤差較大?；谔岣邷y距準確度的目的考慮借鑒激光相位法測距的 思路，將距離的變化反應(yīng)到信號相位差變化上去，通過對相位差的實時檢 測，然后對數(shù)據(jù)進行計算得出兩點距離的 變化值。 本課題是對激光相位差測距的一種簡化，不是采用 無線電波段的頻率，對激光束進行幅度調(diào)制并測定調(diào)制光往返測線一次所 產(chǎn)生的相位延遲，再根據(jù)調(diào)制光的波長，換算此相位延遲所代表的距離 ， 而是 將發(fā)射和接收用電纜連接。雖然對應(yīng)用產(chǎn)生一些制約但是避免了相位檢測的多值性， 降低了電路實現(xiàn)的 難度。 系統(tǒng) 方案 的 分析 基于超聲波相位差測距系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵在于數(shù)字鑒相器， 傳統(tǒng)的鑒相器只是在一個穩(wěn)定的狀態(tài)下，鑒別出相位差在 02π之間的相位。但是在本課題中要涉及到兩路同頻信號的相位差的變化 ，因為在兩點距離不斷變化的過程中， 信號的相位差也是在不斷變化的。我們要記錄下在這個過程中相位差經(jīng)過 0 相位點的次數(shù) n，所以要增加一個周期數(shù)計數(shù)裝置。 在實時監(jiān)測的過程中要記下相位差從 2π 到 0 或 0 到 2π 的跳變次數(shù)。 所以，在電路中加了一個積分電路，將相位差的變化轉(zhuǎn)化成 模擬 電壓 信號 的變化，然后利用產(chǎn)生的脈沖信號作為周期數(shù) n的計數(shù)時鐘，這種方法的 如 圖 21：具體的實現(xiàn)方案將在后面詳細介紹。 圖 21 積分電路的輸出曲線 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 5 頁 系統(tǒng) 總體設(shè)計 圖 22 架構(gòu)設(shè)計圖 本地振蕩產(chǎn)生 40KHz 的方波信號，通過線纜接入遠端 發(fā) 射端。利用 7404反相器驅(qū)動超聲波換能器，轉(zhuǎn)換成正弦交流信號發(fā)射出去 ，本地接收端接收到超聲波信號。然后將本地信號同接收到的信號進行鑒相，鑒相器實時監(jiān)測相位的變化值 ，在相位從 0 到 2π 或 2π 到 0 的跳變的瞬間記錄周期個數(shù) n。 對于不足一個周期內(nèi)相位差送到另外計數(shù)器單獨處理，兩處的數(shù)據(jù) 經(jīng)過后續(xù)的計算 轉(zhuǎn)換成距離的變化，然后 送到顯示模塊顯示。 工作原理 系統(tǒng)功能實現(xiàn)的具體算法原理： 發(fā)射端發(fā)射超聲波信號 ： 20() j fts t Ae ?? ； （ 21） 式 中 f 為超聲波頻率 ； t 為 超聲波 傳播時間； 超聲波發(fā)射 驅(qū)動電路 顯示模塊 相位計數(shù)器 數(shù)字鑒相器 本地信號 超聲波接收 計算模塊 相位 解模糊 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 6 頁 接收端收到的信號是 ： 2 ( )( ) ( ) xj f t cds t s t A e? ???? ； （ 22） 式中 x? 為發(fā)射端和接收端的距離 ； 由式（ 21）和式（ 22）可以推導(dǎo)出 發(fā)射信號和接收信號之間的相位差為 ： cxf /2 ??? ?? ； （ 23） 式中 c為超聲波在空氣中的傳播速度； 將波長 ? 和波速 c的關(guān)系 /cf?? ，代入式（ 23） 推導(dǎo)出發(fā)射和接收端的距離 是： ???2 ????x ； （ 24） 假設(shè)兩 端初始位置 距離是 0x ， 因此， 當前的位置是： xxx ??? 0 ； 相位測量的模糊性，因為它的定期性。傳統(tǒng)的相位檢測器，我們只能量測一階段從 0 到 360。如果略高于 360，相位翻轉(zhuǎn)回約 0。在本課題中研究的相位可以超越 2π，距離增量增加。要解決這種不確定性，我們要監(jiān)視每個階段翻轉(zhuǎn)，并將它們添加到當前測階段。 檢 測出總的相變 之 后計 算 ， 其中總的相位變化是： 2 n? ? ?? ? ? 。 軟件實現(xiàn) 工作 框 圖 系統(tǒng)的發(fā)射接收模塊是用 模擬的方法在 CPLD 的外部實現(xiàn) ，可控的編程的實現(xiàn)的部分 是：數(shù)字鑒相器、相位計數(shù)器、計算模塊 和顯示模塊。 它們之間的互聯(lián)和工作方式如圖 23 所示。 數(shù)字 鑒相器 發(fā)射信號 接收信號 周期數(shù) 計數(shù)器 2 π 內(nèi) 相位差 波長 λ 2?? 顯示模塊 圖 23 軟件實現(xiàn)的原理框圖 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 7 頁 圖 23 中 運算需將相位差的變化轉(zhuǎn)換成兩端的距離變化 ，需要借助波長 ? 這個中間變量。 具體的轉(zhuǎn)化方法： 2 n? ? ?? ? ? ???2???? x /2xn ? ? ? ?? ? ? 上式中的 n 是整周期個數(shù)， ? 為在一個周期之內(nèi)的相位差。原理框圖是對上式的形象的描述。 整周期 計數(shù) 模塊流程圖 圖 24 整周期數(shù) n 計數(shù)流程 圖 24 描述了整周期數(shù)的計數(shù)原理，在距離動態(tài)變化的過程中 不斷檢測信號clk 的變化，如果 clk 出現(xiàn) 上升沿計數(shù)器加一。 其中 clk 信號是由數(shù)字鑒相器產(chǎn)