基于EtherCAT总线的相干多普勒流速仪的设计与研究

摘要

多普勒流速测量为现今最常用的流速测量方法之一，其应用越来越广泛。为了加快多普勒流速计算速度、提高系统稳定性以及确保数据的实时性，本文提出了基于EtherCAT通信技术和FPGA技术的多普勒测速系统的设计方法。为减少回波误差、增加信号发射能量，有效降低水中超声波的能量耗散对信号提取的影响，将二相调制信号作为发射信号，即利用M码对数字频率合成器DDS产生的正弦波进行二相调制。采用5级M序列对正弦波进行二相调制，发射信号的中心频率为2MHz。文中利用EtherCAT网络的实时数据交换技术，保证了数据的实时高效率传输。同时以FPGA为控制芯片搭建硬件电路，利用控制芯片内有丰富的IP核资源，最大化地精简硬件电路，降低了设计难度。
　　本研究首先介绍并回顾了国内外超声波流速仪的发展概况，目前利用多普勒效应进行流速测量已经成为现今测流方法的趋势之一。概述中阐述了多普勒测流的基本原理，由于本文设计的流速仪主要应用于海岸和近海工程实验室环境下，所以采用相干测流方法，并在此基础上，利用时域相位估计复自相关算法作为本文的回波处理算法，从而减少计算量、提高计算精度。选用XC5VLX85芯片作为控制芯片。在发射电路的设计上，利用 AD9708作为DAC电路的主控芯片，将数字信号转换为模拟信号，再将模拟信号经过两级放大，使发射信号的峰峰值达到换能器工作的要求。详细讲述了一级放大和二级放大电路的设计。发射信号经过换能器之后转换为声波发射出去，阐述了换能器的分类和设计。超声波回波信号经过多普勒效应并反射回收发一体的换能器，将声能转化为电能。描述了低通、高通和带通滤波器的应用范围，介绍了带通滤波器中宽带带通滤波器和窄带带通滤波器的设计方法，详细阐述了窄带带通滤波器的电路设计。回波信号通过窄带带通滤波器，可以有效地去除杂波和白噪声，从而有助于有效信号的提取。将回波信号交由FPGA进行处理分析之后，利用EtherCAT通信技术，将数据传输到PC机网络主站上。最后，通过测速实验和仿真对所提方法和各个模块进行验证。实验结果表明，所提方法和设计不仅具有较低的实验误差而且具有较高的可靠性。

目录

声明

1 绪论

1.1 课题研究背景、目的及意义

1.2 国内和国外研究近况及发展动态分析

1.3 多普勒测速原理及现有测频方法分析与比较

1.4 论文研究内容与章节安排

2 测流方法、传输和信号生成的各原理介绍

2.1 复自相关脉冲回波处理技术

2.2 EtherCAT通信原理

2.3 数字频率合成技术

2.4 本章小结

3 硬件设计

3.1 中央处理器模块设计

3.2 发射驱动电路设计

3.3 信号接收电路

3.4 换能器设计

3.5 EtherCAT接口设计

3.6 本章小结

4 软件设计

4.1 发射信号的选择与生成

4.2 接收信号分析

4.3 本章小结

5 实验仿真结果

5.1 D/A模数转换加无源滤波性能测试

5.2 运放性能测试

5.3 回波信号处理

5.4 接口电路性能测试

5.5 整体实验仿真

5.6 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢