超声波测距系统数字信号处理设计

摘要

超声波具有指向性强、介质中传播距离远、传播过程中能量消耗缓慢等特点而被作为重要的载体进行信号的传输，同时基于此特性的超声波测距系统由于其对于恶劣天气如雨雪天气、雾霾天气、沙城暴天气等具有高适应性而被广泛应用于军事、工业、汽车制造业等众多领域。目前国内的超声波测距系统在测距精度方面与国外的系统仍有很大差距，因此对于提高精度的数字信号处理方面迫切需要深入研究。
　　本文首先介绍了超声波的特性，并分析了基于超声波载体的测距系统优良的抗干扰性能。以NUC472主控芯片为开发核心介绍了测距系统的硬件框架，结合硬件架构设计了各可编程模块的驱动函数，分析了基于AGC可控增益技术的步进放大算法的设计，并对比分析了非等间隔步进方案的可行性。进行了FFT匹配算法的设计，用来避免远距离测距噪声误触发带来的步进级数的跳变。
　　介绍了一种适用于超声波回波信号数字通路的技术处理方案，该方案的思路是利用椭圆数字滤波算法作为输入输出端，并结合程序化的包络检测与下采样处理，归结为五步算法，利用MATLAB软件和MDK软件对比开发进行各路算法的设计与仿真，并检验算法开发的合理性。介绍了用于处理五步算法输出的平方律检波算法，此模块作为可选模块，用于提高小信号的动态范围。
　　设计了基于NUC472主控系统的超声波回波匹配算法，目的是避免外界超声波设备的干扰，同时实现测距系统中指定换能器对自身信号的智能识别。设计与仿真了BCH编解码算法实现方案，构建发送端码元序列的结构与软件调制方式，详细分析了单阈值系统的阈值设定方法，并以此进行软件阈值回归序列的设计。通过板级实验测试了匹配算法的可行性。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 超声波测距及其数字信号处理的发展概况

1．3 本论文的主要内容和章节安排

第二章 超声波测距原理及特性分析

2．1 超声波概述

2．2 超声波的衰减特征

2．3 超声波测距原理

2．4 影响测距性能的因素分析

第三章 超声波测距系统硬件架构

3．1 硬件架构介绍

3．2 NUC472主控模块

3．2．1 NUC472芯片介绍

3．2．2 Cortex-M4F内核介绍

3．3 超声波测距发射电路

3．4 多级放大电路

3．5 比较器电路

3．6 温度补偿电路

3．7 电源电路

第四章 超声波测距系统软件模块设计

4．1 软件编译器介绍

4．2 测距系统的软件流程

4．3 系统初始化函数的设计

4．3．1 NUC472的时钟系统解析

4．3．2 系统初始化函数

4．4 AGC步进增益的软件设计

4．4．1 AGC步进算法方案

4．4．2 非等间隔步进算法的设计

4．5 ADC与PDMA模块联合传输

4．5．1 基于NUC472的PDMA控制器

4．5．2 ADC+PDMA的算法程序设计

4．6 FFT匹配算法设计

4．6．1 FFT性能分析

4．6．2 基于FFT匹配的算法设计

第五章 超声波测距DSP五步算法设计

5．1 DSP算法开发平台及方案规划

5．1．1 基于MATLAB软件设计方案

5．1．2 基于Cortex-M4F的DSP指令库

5．2 超声波测距系统DSP模块设计

5．3 数字带通滤波器算法设计

5．3．1 椭圆滤波器的性能分析

5．3．2 数字带通滤波器算法的设计

5．4 整流器算法设计

5．5 峰值包络提取算法的设计

5．5．1 基于MATLAB的包络提取

5．5．2 新型的包络检测算法

5．6 下采样算法的设计

5．7 椭圆数字低通滤波算法的设计

5．8 平方律检波算法设计

第六章 基于信道编码的匹配算法设计

6．1 BCH编解码算法设计及实验测试

6．1．1 BCH编解码算法设计

6．1．2 BCH编解码算法的实验论证

6．2 发送端序列及调制发送方式的设计

6．3 软件阈值比较回归序列的设计

6．4 匹配算法的实验论证

6．5 测距系统综合实验结果

第七章 总结与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

攻读硕士期间的学术活动及成果情况