小议FPGA的窗口FOURIER变换在超声波传播时间检测上的应用.doc

基于fpga的窗口fourier变换在超声波传播时间检测上的应用 引言 超声波传感器目前已经广泛应用于距离，风速，流量的测量等众多工业领域中。其中最主要的应用原理就是超声波传播时间的测量，即超声波从发射端发射开始，经过传播媒质后到达接收端的时间。常用的测量方法为脉冲转换后计数法1 2 ，此方法成本较低，且易于实现，但是测量精度不高。还有其他一些方法是通过ad采集原始波形后进行hilbert变换来提取超声波包络，进而设置阈值求出飞行时间，但此方法对噪声的抑制能力并不理想。本文提出一种利用全数字信号处理的窗口fourier变换（wft）来计算超声波传播时间，可以有效克服噪声影响并提高精度。 1 超声波理论介绍 超声波通过超声波换能器发送后，在流体介质中传播。在经过一段传播时间后，到达接收端，并将振动信号转化为电压信号。在超声波传播过程中，信号会被一定程度衰减，并且在接收电路中还会引入噪声，这些都会对测量精度造成影响。 我们假设s（t）是发送信号，那么经过一段传播时间td后的接收到的信号为： r（t）=s（t-td）+n（t） 其中为衰减系数，n（t）是零均值噪声。我们使用频率和相位的方法来表示为 r（t）=a（t）cos（2fr t+r）+ n（t） 其中fr和r分别为谐振频率和相位偏转角，而a（t）表示信号的包络。 a（t）=a0tmexp（-t/u） 参数u由探头特性决定，而m的范围为区间（1，3）1。 因此，必须准确检测到接收波形的起始位置，才可以正确计算出超声波的传播时间。 2 窗口傅立叶变换介绍 要准确计算声波起始位置，则需要提取信号包络。而常用的包络提取方法是hilbert变换1，这种方法对噪声的抑制能力并不理想。因为超声波接收信号的频率只在探头谐振频率附近很窄的频带内，所以我们只需要对这一窄带内的信号进行分析。而对某一频率信号分析最理想的方法就是fourier变换。传统的fourier变换是将全部时域信号映射到频域内，再对感兴趣的频率做分析，这样时域内任何局部的变化都会引起整个频域内全局的改变。因此传统的fourier变换只能观察到某个频率信号的特征，而不能了解这个频率是由哪段时间信号做出的贡献。 要想知道信号的局部频率成分，那么首先要将给定的信号与一个窗函数相乘，截取出期望的部论文联盟www.lwlm.com整理分，然后再对截取部分进行fourier变换，这种时频兼顾的分析方法称为窗口fourier变换，即wft4。 3 传播时间的计算方法 在超声波发射的同时，系统的计数器开始计数。当计数器计数一定时间后，系统启动ad开始记录接收波形。下图为实际接收到的超声波信号f（t）。信号在40khz的较窄频带内，并且中含有一定能量噪声。ad采样频率为10mhz，则每个周期可以采集250个点。为了减小计算量，我们选择矩形窗函数，在每隔25个采样点加窗做一次fourier变换，则在一个声波周期内可以计算得到10个fourier变换的复数值结果。将这些复数值分别求模值和求相位角后就可以得到超声波信号的包络曲线和相位角，如图1所示。 从图1中可以看出，超声波接收信号的包络曲线只表现出40khz窄带信号的幅值特征，而其他频带的噪声都被有效衰减掉了。这样我们在幅度包络曲线上设定一个门限值，使其小于超声波接收到信号的第一个周期的包络幅值，做为声波信号阈值。当包络值大于此阈值时，说明超声波信号已经接收到，从超声波发射点到阈值以前的时间就是超声波传播的阈值时间tth，再通过查找此阈值位置所对应的相位就可以计算出信号起始点到阈值位置声波所传播的时间tpd。于是，超声波真正的传播时间应为tfly=tth-tpd。 4 实现方式 在此方法中，以单片机mcu为主控制芯片，由它发送指令来控制fpga完成超声波信号发送，计时器记时，ad采集，fourier计算等任务。fpga芯片采用xilinx公司的spatan3e芯片。该芯片最高频率240mhz，具有20个硬件乘法器，可以同时进行10路以上的fourier变换计算。当所有的fourier变换算完后，fpga将计算后的结果保留于sram中，再通信给mcu单片机进行包络幅值和相位角的计算，以及飞行时间的计算。系统的硬件逻辑框图如下所示： 在此平台上，既可以发挥fpga的同步控制能力和并行运算的速度优势，又可以利用mcu的强大外围设备功能，因此可以做到速度与功能的兼顾。 5 结论 使用wft计算超声波的包络值与传统的hilbert变换的方法比较，可以有效降低噪声干扰，确定超声波起始波形的位置。再利用相位对计时时间进行修正，就可以准确计算出超声传播的时间。但wft的运算量较大，因此采用fpga的并行计算方式可以大大降低计算时间。此方案可以广泛应用于以超声波传播时间为测量基础的超声波测距，超声波风速，流量计中。我的大学爱情观目录：1、 大学概念2、 分析爱情健康观3、 爱情观要三思4、 大学需要对爱情要认识和理解5、 总结1、什么是大学爱情：大学是一个相对宽松，时间自由，自己支配的环境，也正因为这样，培植爱情之花最肥沃的土地。大学生恋爱一直是大学校园的热门话题，恋爱和学业也就自然成为了大学生在校期间面对的两个主要问题。恋爱关系处理得好、正确，健康，可以成为学习和事业的催化剂，使人学习努力、成绩上升；恋爱关系处理的不当，不健康，可能分散精力、浪费时间、情绪波动、成绩下降。因此，大学生的恋爱观必须树立在健康之上，并且树立正确的恋爱观是十分有必要的。因此我从下面几方面谈谈自己的对大学爱情观。2、什么是健康的爱情：1) 尊重对方，不显示对爱情的占有欲，不把爱情放第一位，不痴情过分；2) 理解对方，互相关心，互相支持，互相鼓励，并以对方的幸福为自己的满足; 3) 是彼此独立的前提下结合；3、什么是不健康的爱情：1)盲目的约会，忽视了学业;2)过于痴情，一味地要求对方表露爱的情怀，这种爱情常有病态的夸张;3)缺乏体贴怜爱之心，只表现自己强烈的占有欲;4)偏重于外表的追求;4、大学生处理两人的在爱情观需要三思：1. 不影响学习：大学恋爱可以说是一种必要的经历，学习是大学的基本和主要任务，这两者之间有错综复杂的关系，有的学生因为爱情，过分的忽视了学习，把感情放在第一位；学习的时候就认真的去学，不要去想爱情中的事，谈恋爱的时候用心去谈，也可以交流下学习，互相鼓励，共同进步。2. 有足够的精力：大学生活，说忙也会很忙，但说轻松也是相对会轻松的！大学生恋爱必须合理安排自身的精力，忙于学习的同时不能因为感情的事情分心，不能在学习期间，放弃学习而去谈感情，把握合理的精力，分配好学习和感情。3、 有合理的时间；大学时间可以分为学习和生活时间，合理把握好学习时间和生活时间的“度”很重要；学习的时候，不能分配学习时间去安排两人的在一起的事情，应该以学习为第一；生活时间，两人可以相互谈谈恋爱，用心去谈，也可以交流下学习，互相鼓励，共同进步。5、大学生对爱情需要认识与理解，主要涉及到以下几个方面：（1） 明确学生的主要任务“放弃时间的人，时间也会放弃他。”大学时代是吸纳知识、增长才干的时期。作为当代大学生，要认识到现在的任务是学习学习做人、学习知识、学习为人民服务的本领。在校大学生要集中精力，投入到学习和社会实践中，而不是因把过多的精力、时间用于谈情说爱浪费宝贵的青春年华。因此，明确自己的目标，规划自己的学习道路，合理分配好学习和恋爱的地位。（2） 树林正确的恋爱观提倡志同道合、有默契、相互喜欢的爱情：在恋人的选择上最重要的条件应该是志同道合，思想品德、事业理想和生活情趣等大体一致。摆正爱情与学习、事业的关系：大学生应该把学习、事业放在首位，摆正爱情与学习、事业的关系，不能把宝贵的大学时间，锻炼自身的时间都用于谈情说有爱而放松了学习。 相互理解、相互信任，是一份责任和奉献。爱情是奉献而不时索取，是拥有而不是占有。身边的人与事时刻为我们敲响警钟，不再让悲剧重演。生命只有一次，不会重来，大学生一定要树立正确的爱情观。（3） 发展健康的恋爱行为 在当今大学校园，情侣成双入对已司空见惯。抑制大学生恋爱是不实际的，大学生一定要发展健康的恋爱行为。与恋人多谈谈学习与工作，把恋爱行为限制在社会规范内，不致越轨，要使爱情沿着健康的道路发展。正如马克思所说：“在我看来，真正的爱情是表现在恋人对他的偶像采取含蓄、谦恭甚至羞涩的态度，而绝不是表现在随意流露热情和过早的亲昵。”（4） 爱情不是一件跟风的事儿。很多大学生的爱情实际上是跟风的结果，是看到别人有了爱情，看到别人幸福的样子（注意，只是看上去很美），产生了羊群心理，也就花了大把的时间和精力去寻找爱情（5） 距离才是保持爱情之花常开不败的法宝。爱情到底需要花多少时间，这是一个很大的问题。有的大学生爱情失败，不是因为男女双方在一起的时间太少，而是因为他们在一起的时间太多。相反，很多大学生恋爱成功，不是因为男女双方在一起的时间太少，而是因为他们准确地把握了在一起的时间的多少程度。（6） 爱情不是自我封闭的二人世界。很多人过分的活在两人世界，对身边的同学，身边好友渐渐的失去联系，失去了对话，生活中只有彼此两人；班级活动也不参加，社外活动也不参加，每天除了对方还是对方，这样不利于大学生健康发展，不仅影响学习，影响了自身交际和合作能力。总结：男女之间面对恋爱，首先要摆正好自己的心态，树立自尊、自爱、自强、自重应有的品格，千万不要盲目地追求爱，也不宜过急追求爱，要分清自己的条件是否成熟。要树立正确的恋爱观，明确大学的目的，以学习为第一；规划好大学计划，在不影响学习的条件下，要对恋爱认真，专一，相互鼓励，相互学习，共同进步；认真对待恋爱观，做健康的恋爱；总之，我们大学生要树立正确的恋爱观念，让大学的爱情成为青春记忆里最美的风景，而不是终身的遗憾！ 我的大学爱情观目录：6、 大学概念7、 分析爱情健康观8、 爱情观要三思9、 大学需要对爱情要认识和理解10、 总结1、什么是大学爱情：大学是一个相对宽松，时间自由，自己支配的环境，也正因为这样，培植爱情之花最肥沃的土地。大学生恋爱一直是大学校园的热门话题，恋爱和学业也就自然成为了大学生在校期间面对的两个主要问题。恋爱关系处理得好、正确，健康，可以成为学习和事业的催化剂，使人学习努力、成绩上升；恋爱关系处理的不当，不健康，可能分散精力、浪费时间、情绪波动、成绩下降。因此，大学生的恋爱观必须树立在健康之上，并且树立正确的恋爱观是十分有必要的。因此我从下面几方面谈谈自己的对大学爱情观。2、什么是健康的爱情：4) 尊重对方，不显示对爱情的占有欲，不把爱情放第一位，不痴情过分；5) 理解对方，互相关心，互相支持，互相鼓励，并以对方的幸福为自己的满足; 6) 是彼此独立的前提下结合；3、什么是不健康的爱情：1)盲目的约会，忽视了学业;2)过于痴情，一味地要求对方表露爱的情怀，这种爱情常有病态的夸张;3)缺乏体贴怜爱之心，只表现自己强烈的占有欲;4)偏重于外表的追求;4、大学生处理两人的在爱情观需要三思：3. 不影响学习：大学恋爱可以说是一种必要的经历，学习是大学的基本和主要任务，这两者之间有错综复杂的关系，有的学生因为爱情，过分的忽视了学习，把感情放在第一位；学习的时候就认真的去学，不要去想爱情中的事，谈恋爱的时候用心去谈，也可以交流下学习，互相鼓励，共同进步。4. 有足够的精力：大学生活，说忙也会很忙，但说轻松也是相对会轻松的！大学生恋爱必须合理安排自身的精力，忙于学习的同时不能因为感情的事情分心，不能在学习期间，放弃学习而去谈感情，把握合理的精力，分配好学习和感情。4、 有合理的时间；大学时间可以分为学习和生活时间，合理把握好学习时间和生活时间的“度”很重要；学习的时候，不能分配学习时间去安排两人的在一起的事情，应该以学习为第一；生活时间，两人可以相互谈谈恋爱，用心去谈，也可以交流下学习，互相鼓励，共同进步。5、大学生对爱情需要认识与理解，主要涉及到以下几个方面：（7） 明确学生的主要任务“放弃时间的人，时间也会放弃他。”大学时代是吸纳知识、增长才干的时期。作为当代大学生，要认识到现在的任务是学习学习做人、学习知识、学习为人民服务的本领。在校大学生要集中精力，投入到学习和社会实践中，而不是因把过多的精力、时间用于谈情说爱浪费宝贵的青春年华。因此，明确自己的目标，规划自己的学习道路，合理分配好学习和恋爱的地位。（8） 树林正确的恋爱观提倡志同道合、有默契、相互喜欢的爱情：在恋人的选择上最重要的条件应该是志同道合，思想品德、事业理想和生活情趣等大体一致。摆正爱情与学习、事业的关系：大学生应该把学习、事业放在首位，摆正爱情与学习、事业的关系，不能把宝贵的大学时间，锻炼自身的时间都用于谈情说有爱而放松了学习。 相互理解、相互信任，是一份责任和奉献。爱情是奉献而不时索取，是拥有而不是占有。身边的人与事时刻为我们敲响警钟，不再让悲剧重演。生命只有一次，不会重来，大学生一定要树立正确的爱情观。（9） 发展健康的恋爱行为 在当今大学校园，情侣成双入对已司空见惯。抑制大学生恋爱是不实际的，大学生一定要发展健康的恋爱行为。与恋人多谈谈学习与工作，把恋爱行为限制在社会规范内，不致越轨，要使爱情沿着健康的道路发展。正如马克思所说：“在我看来，真正的爱情是表现在恋人