基于EtherCAT总线的相干多普勒流速仪的设计与研究

发布时间：2022-07-29 13:29

　　多普勒流速测量为现今最常用的流速测量方法之一,其应用越来越广泛。为了加快多普勒流速计算速度、提高系统稳定性以及确保数据的实时性,本文提出了基于EtherCAT通信技术和FPGA技术的多普勒测速系统的设计方法。为减少回波误差、增加信号发射能量,有效降低水中超声波的能量耗散对信号提取的影响,将二相调制信号作为发射信号,即利用M码对数字频率合成器DDS产生的正弦波进行二相调制。本文采用5级M序列对正弦波进行二相调制,发射信号的中心频率为2MHz。文中利用EtherCAT网络的实时数据交换技术,保证了数据的实时高效率传输。同时以FPGA为控制芯片搭建硬件电路,利用控制芯片内有丰富的IP核资源,最大化地精简硬件电路,降低了设计难度。本文首先介绍并回顾了国内外超声波流速仪的发展概况,目前利用多普勒效应进行流速测量已经成为现今测流方法的趋势之一。概述中阐述了多普勒测流的基本原理,由于本文设计的流速仪主要应用于海岸和近海工程实验室环境下,所以采用相干测流方法,并在此基础上,利用时域相位估计复自相关算法作为本文的回波处理算法,从而减少计算量、提高计算精度。选用XC5VLX85芯片作为控制芯片。在发射电路... 

【文章页数】：64 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 课题研究背景、目的及意义
    1.2 国内和国外研究近况及发展动态分析
        1.2.1 国内研究现状及发展动态分析
        1.2.2 国外研究现状及发展动态分析
    1.3 多普勒测速原理及现有测频方法分析与比较
        1.3.1 多普勒测速原理
        1.3.2 相干测流方法
    1.4 论文研究内容与章节安排
2 测流方法、传输和信号生成的各原理介绍
    2.1 复自相关脉冲回波处理技术
        2.1.1 复自相关算法
        2.1.2 复自相关算法频率估计
    2.2 EtherCAT通信原理
        2.2.1 EtherCAT整体网络架构
        2.2.2 EtherCAT通信过程
    2.3 数字频率合成技术
        2.3.1 DDS的工作原理
        2.3.2 DDS性能
    2.4 本章小结
3 硬件设计
    3.1 中央处理器模块设计
        3.1.1 控制芯片的选择
        3.1.2 时钟电路设计
    3.2 发射驱动电路设计
        3.2.1 D/A电路设计
        3.2.2 驱动电路设计
    3.3 信号接收电路
        3.3.1 回波放大电路
        3.3.2 接收滤波电路
        3.3.3 A/D电路设计
    3.4 换能器设计
        3.4.1 材料选择
        3.4.2 压电换能器设计
    3.5 EtherCAT接口设计
    3.6 本章小结
4 软件设计
    4.1 发射信号的选择与生成
        4.1.1 信号的选择
        4.1.2 M序列的产生
        4.1.3 信号的生成
    4.2 接收信号分析
    4.3 本章小结
5 实验仿真结果
    5.1 D/A模数转换加无源滤波性能测试
    5.2 运放性能测试
    5.3 回波信号处理
        5.3.1 回波放大电路测试
        5.3.2 带通滤波性能测试
    5.4 接口电路性能测试
    5.5 整体实验仿真
    5.6 本章小结
结论
参考文献
攻读硕士学位期间发表学术论文情况
致谢



本文编号：3666550