本文關鍵詞：基于FPGA的水下生命探測系統(tǒng)設計

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【摘要】：近年來海難事故頻繁發(fā)生,提高災后救援效率已經成為水下生命救援的重要課題。目前,隨著通信技術、嵌入式等技術的蓬勃發(fā)展,水下探測技術的也取得了一定的成果,如漫游者、機器魚、熒光蝌蚪等水下探測工具。它們在軍事、商業(yè)、救險等領域發(fā)揮著重要的作用。水下生命探測技術是各國研究海難救援的重點,對災后挽回生命財產的損失有著重大意義,同時對水下生物資源以及海洋能源的開發(fā)利用也起到了積極的推進作用。本文在對比國內外水下生命探測技術研究的基礎上,設計了以FPGA為硬件平臺的超聲波水下生命探測系統(tǒng)。本文研究的重點是對超聲波回波信號的分析處理,從回波信號中準確的提取出與生命特征相關的信息,然后采用相關的算法分析得出物體的材料特性。本設計采用超聲波為發(fā)射信號,硬件平臺采用FPGA作為控制中心,軟件程序采用VHDL語言編寫,并且采用ModelSim進行仿真,在實踐中進行了大量的水下生命探測實驗,按照預期的結果實現(xiàn)了水下目標物體材料特性的判斷功能以及測量目標物體距離的功能。該超聲波水下生命探測系統(tǒng)主要由超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、信號處理電路、控制電路、溫度補償電路以及音頻輸出電路組成。該系統(tǒng)的工作流程為,超聲波發(fā)射電路發(fā)射出大功率的超聲波信號,超聲波信號在水下傳播遇到障礙物后產生反射,反射回來的信號被超聲波接收器接收,接收到的信號非常微弱且包含了背景中的雜波信號,該信號經過放大濾波電路處理再經過AD轉換輸入到控制電路,控制電路對回波信號進行分析,提取出生命特征信號并進行運算分析,運算結果以PWM信號輸出,通過音頻電路發(fā)出聲音,借此救援人員就可以根據探測設備發(fā)出的聲音信號的大小判斷目標物體距離的遠近。論文采用精確高速的信號采集電路對超聲波回波信號進行數據采集,對回波信號中的生命特征信息進行處理。這里主要以超聲波相關理論知識為背景,利用超聲波在界面反射系數反演計算,從而判斷出目標物體的特性。發(fā)射電路中采用二階有源濾波電路對接收到的回波信號進行處理,得到了較高的信噪比。采用HC-SR04對目標物體的距離進行測量,精確度較高。溫度補償電路能夠精確采集環(huán)境溫度,并對測量的距離值進行修正。經調試,各個模塊均能正常工作,系統(tǒng)能夠準確的判斷目標物體的材料特性以及目標物體的距離。本設計具有開發(fā)成本低、低功耗,硬件結構簡單、便于攜帶、操作簡單等優(yōu)點,對水下生命救援系統(tǒng)的設計有一定的參考意義。
【關鍵詞】：FPGA 超聲波 水下生命探測 濾波 信號處理
【學位授予單位】：成都理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：U676.83
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 引言10-18
• 1.1 研究背景10-14
• 1.1.1 超聲技術發(fā)展背景10-11
• 1.1.2 生命探測技術的發(fā)展及現(xiàn)狀11-13
• 1.1.3 水下探測技術的發(fā)展13-14
• 1.2 國內外研究現(xiàn)狀14-15
• 1.3 研究目的與意義15-16
• 1.4 論文研究內容16-17
• 1.5 論文的內容安排17-18
• 第2章 關鍵技術分析18-36
• 2.1 超聲波基本特性分析18-23
• 2.2 超聲波換能器特性分析23-28
• 2.2.1 超聲波換能器簡介23-24
• 2.2.2 超聲波換能器工作原理及結構分析24-26
• 2.2.3 超聲波換能器性能指標分析26-27
• 2.2.4 超聲波換能器的選型27-28
• 2.3 超聲波測距原理及基本方法分析28-29
• 2.4 目標物體特性判斷原理分析29-30
• 2.5 FPGA開發(fā)環(huán)境研究30-35
• 2.5.1 FPGA簡介30-31
• 2.5.2 FPGA結構分析31-33
• 2.5.3 FPGA工作原理及設計流程分析33-34
• 2.5.4 FPGA的選型34-35
• 2.6 Quartus II集成開發(fā)環(huán)境的分析35
• 2.7 本章小結35-36
• 第3章 生命探測系統(tǒng)硬件設計36-52
• 3.1 系統(tǒng)硬件總體設計36-37
• 3.2 系統(tǒng)硬件設計與實現(xiàn)37-50
• 3.2.1 超聲波發(fā)射與接收電路設計37-41
• 3.2.2 回波信號采集電路設計41-44
• 3.2.3 系統(tǒng)控制電路設計44-46
• 3.2.4 溫度補償電路設計46-48
• 3.2.5 音頻輸出電路設計48
• 3.2.6 JTAG程序下載電路分析48-49
• 3.2.7 電源電路設計49-50
• 3.3 本章小結50-52
• 第4章 生命探測系統(tǒng)軟件設計52-58
• 4.1 系統(tǒng)軟件總體設計52-53
• 4.2 超聲波激勵信號發(fā)生器程序設計53
• 4.3 超聲波距離計算程序設計53-54
• 4.4 超聲波物體特性判斷程序設計54-55
• 4.5 DS18B20測溫程序設計55-56
• 4.6 音頻輸出程序設計56
• 4.7 本章小結56-58
• 第5章 系統(tǒng)軟件仿真與電路調試58-68
• 5.1 超聲波激勵模塊設計及仿真58-59
• 5.2 脈沖發(fā)生模塊設計及仿真59
• 5.3 信號采集模塊設計及仿真59-60
• 5.4 溫度采集模塊設計及仿真60-61
• 5.5 數碼管顯示模塊設計及仿真61-62
• 5.6 硬件電路調試62-67
• 5.6.1 超聲波發(fā)射電路調試62-63
• 5.6.2 超聲波接收電路調試63-66
• 5.6.3 音頻輸出電路調試66-67
• 5.7 本章小結67-68
• 結論68-69
• 致謝69-70
• 參考文獻70-72
• 攻讀學位期間取得學術成果72

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本文編號：542734