基于SOPC相关法超声波风速风向仪的研究

摘要

随着经济的发展，能源问题受到了广泛关注。在风力发电中，风速风向的测量起着重要的作用。超声波风速仪是近年来受到重视的风速测量仪表，本文超声波风速风向仪的核心部件是32位NIOS II软核。软核可以灵活的定制，构建片上系统，性能强大。本文首先分析了超声波测流速的方法，包括多普勒法、时差法、和相关法。并且对相关法测量风速风向进行了深入的研究，对系统的构建加以分析，完成基于SOPC超声波风速风向测量系统的整体设计。包括前端采集电路的设计，SOPC的硬件构架，软件设计，显示模块设计。
　　前端和外围电路的设计主要包括驱动信号的产生，数据采集控制电路，和FPGA的外围电路。在传统型DDS技术的基础上对基于CORDIC算法的DDS进行了研究，实现了正弦波信号的产生。数据采集电路主要包括放大电路、AD转换、FIFO等。FPGA的外围电路主要有电源电路、时钟电路、调试和配置电路、通信电路和显示模块的电路。
　　本课题使用的FPGA芯片是altera公司的EP2C8Q208，选择该器件构建工程，完成SOPC系统的整体硬件架构。主要包括：SDRAM控制器、EPCS串行控制器、定时器控制器、PIO控制器、JTAG_UART控制器和UART控制器等。然后为系统设计了自定义用户组件 ADC和 DAC，分别用于数据采集的模数转换和超声波换能器驱动的模数转换。将各组件整体连结，生成 SOPC系统。硬件系统生成后在EDS嵌入式开发包中进行软件开发，分别对各子模块进行了在线测试，分析测得的数据，以验证子模块的可靠性。系统设计完成后，进行了现场测试，完成了超声波信号的采集，验证了整个系统的可靠性。最后对整个系统的设计进行了总结，并给出了改进意见。

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第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 超声波风速风向测量的发展过程及现状

1.3 本课题研究内容及目标

第二章 超声波风速风向仪测量的理论研究

2.1 超声波与超声换能器

2.2 超声波测速的理论基础

2.3 时延估计算法的研究

2.4 二维风速风向测量模型的建立

2.5 整体系统的框架

2.6 本章总结

第三章 前端电路的设计和外围电路的搭建

3.1 驱动信号的产生

3.2 数据采集控制电路的设计

3.3 外围电路的搭建

3.4 本章总结

第四章 SOPC系统硬件电路设计

4.1 SOPC原理和开发环境

4.2 SOPC系统的硬件搭建

4.3 基于Avalon自定义外设组件

4.4 系统的整体连结

4.5 本章总结

第五章 SOPC系统的软件设计和系统的验证

5.1NIOS IIEDS软件开发平台

5.2 ADC模块的在线调试

5.3 风速检测的软件设计

5.4 显示模块的设计

5.5 系统的测试

5.6 数据的误差分析

5.7 本章总结

第六章 结论和展望

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果