基于SOPC相关法超声波风速风向仪的研究

发布时间：2017-06-23 19:02

  本文关键词：基于SOPC相关法超声波风速风向仪的研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着经济的发展，能源问题受到了广泛关注。在风力发电中，风速风向的测量起着重要的作用。超声波风速仪是近年来受到重视的风速测量仪表，本文超声波风速风向仪的核心部件是32位NIOS II软核。软核可以灵活的定制，，构建片上系统，性能强大。本文首先分析了超声波测流速的方法，包括多普勒法、时差法、和相关法。并且对相关法测量风速风向进行了深入的研究，对系统的构建加以分析，完成基于SOPC超声波风速风向测量系统的整体设计。包括前端采集电路的设计，SOPC的硬件构架，软件设计，显示模块设计。 前端和外围电路的设计主要包括驱动信号的产生，数据采集控制电路，和FPGA的外围电路。在传统型DDS技术的基础上对基于CORDIC算法的DDS进行了研究，实现了正弦波信号的产生。数据采集电路主要包括放大电路、AD转换、FIFO等。FPGA的外围电路主要有电源电路、时钟电路、调试和配置电路、通信电路和显示模块的电路。 本课题使用的FPGA芯片是altera公司的EP2C8Q208，选择该器件构建工程，完成SOPC系统的整体硬件架构。主要包括：SDRAM控制器、EPCS串行控制器、定时器控制器、PIO控制器、JTAG_UART控制器和UART控制器等。然后为系统设计了自定义用户组件ADC和DAC，分别用于数据采集的模数转换和超声波换能器驱动的模数转换。将各组件整体连结，生成SOPC系统。硬件系统生成后在EDS嵌入式开发包中进行软件开发，分别对各子模块进行了在线测试，分析测得的数据，以验证子模块的可靠性。系统设计完成后，进行了现场测试，完成了超声波信号的采集，验证了整个系统的可靠性。最后对整个系统的设计进行了总结，并给出了改进意见。
【关键词】：超声波 SOPC 相关法 高精度 NIOS II
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TH765.4
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-8
• 目录8-11
• 第一章 绪论11-15
• 1.1 研究背景及意义11-12
• 1.2 超声波风速风向测量的发展过程及现状12-13
• 1.3 本课题研究内容及目标13-15
• 第二章 超声波风速风向仪测量的理论研究15-25
• 2.1 超声波与超声换能器15-18
• 2.1.1 超声波15
• 2.1.2 超声波在空气中的传播15-16
• 2.1.3 超声波换能器16-17
• 2.1.4 超声波换能器的主要参数17-18
• 2.2 超声波测速的理论基础18-20
• 2.2.1 多普勒法18-19
• 2.2.2 时差法19-20
• 2.2.3 相关法20
• 2.3 时延估计算法的研究20-23
• 2.3.1 超声波信号传播时间的处理方案21-22
• 2.3.2 广义互相关算法22-23
• 2.4 二维风速风向测量模型的建立23-24
• 2.5 整体系统的框架24
• 2.6 本章总结24-25
• 第三章 前端电路的设计和外围电路的搭建25-37
• 3.1 驱动信号的产生25-30
• 3.1.1 传统型 DDS 的实现25-26
• 3.1.2 CORDIC 算法的研究26-27
• 3.1.3 CORDIC 算法的 DDS 实现27-28
• 3.1.4 CORDIC 算法的仿真实验28-29
• 3.1.5 D/A 转换器29-30
• 3.2 数据采集控制电路的设计30-33
• 3.2.1 放大电路的设计30-31
• 3.2.2 A/D 转换器31-32
• 3.2.3 FIFO 模块的定制32-33
• 3.3 外围电路的搭建33-36
• 3.3.1 电源电路33
• 3.3.2 时钟电路33-34
• 3.3.3 调试/配置电路34-35
• 3.3.4 RS-232 电路35
• 3.3.5 显示模块电路35-36
• 3.4 本章总结36-37
• 第四章 SOPC 系统硬件电路设计37-55
• 4.1 SOPC 原理和开发环境37-40
• 4.1.1 FPGA 技术37-38
• 4.1.2 SOPC 的概述38-39
• 4.1.3 SOPC 系统的开发设计流程39-40
• 4.2 SOPC 系统的硬件搭建40-49
• 4.2.1 NIOS II 处理器核40-43
• 4.2.2 SDRAM 控制器43-44
• 4.2.3 EPCS 串行控制器44-45
• 4.2.4 定时器控制器45-47
• 4.2.5 PIO 控制器47
• 4.2.6 JTAG_UART 控制器47-48
• 4.2.7 UART 控制器48-49
• 4.3 基于 AVALON自定义外设组件49-54
• 4.3.1 Avalon 总线49-51
• 4.3.2 用户组件 ADC 的设计51-52
• 4.3.3 用户组件 DAC 的设计52-54
• 4.4 系统的整体连结54
• 4.5 本章总结54-55
• 第五章 SOPC 系统的软件设计和系统的验证55-67
• 5.1 NIOS II EDS 软件开发平台55-57
• 5.2 ADC 模块的在线调试57-58
• 5.3 风速检测的软件设计58-59
• 5.4 显示模块的设计59-60
• 5.5 系统的测试60-64
• 5.6 数据的误差分析64-66
• 5.7 本章总结66-67
• 第六章 结论和展望67-68
• 致谢68-69
• 参考文献69-71
• 攻硕期间取得的研究成果71-72

【参考文献】

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