基于FPGA的水下生命探测系统设计

发布时间：2017-07-15 06:50

  本文关键词：基于FPGA的水下生命探测系统设计

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【摘要】：近年来海难事故频繁发生,提高灾后救援效率已经成为水下生命救援的重要课题。目前,随着通信技术、嵌入式等技术的蓬勃发展,水下探测技术的也取得了一定的成果,如漫游者、机器鱼、荧光蝌蚪等水下探测工具。它们在军事、商业、救险等领域发挥着重要的作用。水下生命探测技术是各国研究海难救援的重点,对灾后挽回生命财产的损失有着重大意义,同时对水下生物资源以及海洋能源的开发利用也起到了积极的推进作用。本文在对比国内外水下生命探测技术研究的基础上,设计了以FPGA为硬件平台的超声波水下生命探测系统。本文研究的重点是对超声波回波信号的分析处理,从回波信号中准确的提取出与生命特征相关的信息,然后采用相关的算法分析得出物体的材料特性。本设计采用超声波为发射信号,硬件平台采用FPGA作为控制中心,软件程序采用VHDL语言编写,并且采用ModelSim进行仿真,在实践中进行了大量的水下生命探测实验,按照预期的结果实现了水下目标物体材料特性的判断功能以及测量目标物体距离的功能。该超声波水下生命探测系统主要由超声波发射电路、超声波接收电路、信号处理电路、控制电路、温度补偿电路以及音频输出电路组成。该系统的工作流程为,超声波发射电路发射出大功率的超声波信号,超声波信号在水下传播遇到障碍物后产生反射,反射回来的信号被超声波接收器接收,接收到的信号非常微弱且包含了背景中的杂波信号,该信号经过放大滤波电路处理再经过AD转换输入到控制电路,控制电路对回波信号进行分析,提取出生命特征信号并进行运算分析,运算结果以PWM信号输出,通过音频电路发出声音,借此救援人员就可以根据探测设备发出的声音信号的大小判断目标物体距离的远近。论文采用精确高速的信号采集电路对超声波回波信号进行数据采集,对回波信号中的生命特征信息进行处理。这里主要以超声波相关理论知识为背景,利用超声波在界面反射系数反演计算,从而判断出目标物体的特性。发射电路中采用二阶有源滤波电路对接收到的回波信号进行处理,得到了较高的信噪比。采用HC-SR04对目标物体的距离进行测量,精确度较高。温度补偿电路能够精确采集环境温度,并对测量的距离值进行修正。经调试,各个模块均能正常工作,系统能够准确的判断目标物体的材料特性以及目标物体的距离。本设计具有开发成本低、低功耗,硬件结构简单、便于携带、操作简单等优点,对水下生命救援系统的设计有一定的参考意义。
【关键词】：FPGA 超声波 水下生命探测 滤波 信号处理
【学位授予单位】：成都理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U676.83
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 引言10-18
• 1.1 研究背景10-14
• 1.1.1 超声技术发展背景10-11
• 1.1.2 生命探测技术的发展及现状11-13
• 1.1.3 水下探测技术的发展13-14
• 1.2 国内外研究现状14-15
• 1.3 研究目的与意义15-16
• 1.4 论文研究内容16-17
• 1.5 论文的内容安排17-18
• 第2章 关键技术分析18-36
• 2.1 超声波基本特性分析18-23
• 2.2 超声波换能器特性分析23-28
• 2.2.1 超声波换能器简介23-24
• 2.2.2 超声波换能器工作原理及结构分析24-26
• 2.2.3 超声波换能器性能指标分析26-27
• 2.2.4 超声波换能器的选型27-28
• 2.3 超声波测距原理及基本方法分析28-29
• 2.4 目标物体特性判断原理分析29-30
• 2.5 FPGA开发环境研究30-35
• 2.5.1 FPGA简介30-31
• 2.5.2 FPGA结构分析31-33
• 2.5.3 FPGA工作原理及设计流程分析33-34
• 2.5.4 FPGA的选型34-35
• 2.6 Quartus II集成开发环境的分析35
• 2.7 本章小结35-36
• 第3章 生命探测系统硬件设计36-52
• 3.1 系统硬件总体设计36-37
• 3.2 系统硬件设计与实现37-50
• 3.2.1 超声波发射与接收电路设计37-41
• 3.2.2 回波信号采集电路设计41-44
• 3.2.3 系统控制电路设计44-46
• 3.2.4 温度补偿电路设计46-48
• 3.2.5 音频输出电路设计48
• 3.2.6 JTAG程序下载电路分析48-49
• 3.2.7 电源电路设计49-50
• 3.3 本章小结50-52
• 第4章 生命探测系统软件设计52-58
• 4.1 系统软件总体设计52-53
• 4.2 超声波激励信号发生器程序设计53
• 4.3 超声波距离计算程序设计53-54
• 4.4 超声波物体特性判断程序设计54-55
• 4.5 DS18B20测温程序设计55-56
• 4.6 音频输出程序设计56
• 4.7 本章小结56-58
• 第5章 系统软件仿真与电路调试58-68
• 5.1 超声波激励模块设计及仿真58-59
• 5.2 脉冲发生模块设计及仿真59
• 5.3 信号采集模块设计及仿真59-60
• 5.4 温度采集模块设计及仿真60-61
• 5.5 数码管显示模块设计及仿真61-62
• 5.6 硬件电路调试62-67
• 5.6.1 超声波发射电路调试62-63
• 5.6.2 超声波接收电路调试63-66
• 5.6.3 音频输出电路调试66-67
• 5.7 本章小结67-68
• 结论68-69
• 致谢69-70
• 参考文献70-72
• 攻读学位期间取得学术成果72

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本文编号：542734