摘 要： 針對普通超聲測距系統(tǒng)精度低、速度慢的問題，提出了一種全硬件實現(xiàn)的FPGA超聲測距系統(tǒng)。將最小二乘法的二次曲線擬合算法應(yīng)用于超聲回波包絡(luò)擬合，完成回波信號的數(shù)字信號處理和距離的測量。采用硬件描述語言在Altera公司的EP2C70F896C6上實現(xiàn)，在4 m范圍內(nèi)測距誤差小于±1 mm。該系統(tǒng)具有精度高、運算速度快的特點，并具備很強的功能擴展性，可擴展到超聲探傷、超聲成像等領(lǐng)域。
關(guān)鍵詞： 超聲測距；包絡(luò)擬合；數(shù)字信號處理；FPGA

超聲測量是一種非接觸式的測量方法，具有成本低，對人體無害的特點，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)、醫(yī)學(xué)、軍事、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。隨著科技的進步，超聲測距逐漸推廣到對精度、速度要求很高的場合，例如在精密液位測量、建筑工程測量中，需要達到毫米級的測量精度，否則會產(chǎn)生較大誤差；在機器人避障和定位、車輛自動導(dǎo)航中，由于車體速度快，要求測量時間短，否則不能及時控制方向。
國內(nèi)已展開了對超聲波測距的研究，參考文獻[1]指出超聲測距的主要問題是回波信號幅值隨傳播距離增大呈指數(shù)規(guī)律衰減，造成測距范圍有限和精度不高。參考文獻[2]提出雙比較器閾值檢測法，在2～4 m范圍內(nèi)誤差為±6 mm。參考文獻[3]使用LM567組成模擬檢波電路。但測量誤差只能保證在±2 cm之內(nèi)。參考文獻[4]提出了包絡(luò)峰值檢測法，系統(tǒng)的誤差為±4 mm。
針對以上問題，本文將參考文獻[5]提出的二次曲線擬合算法應(yīng)用于超聲回波包絡(luò)擬合，設(shè)計了以FPGA為核心的全硬件超聲測距系統(tǒng)。在Altera公司EP2C70型FPGA組成的系統(tǒng)上完成了超聲測距系統(tǒng)測試，在4 m范圍內(nèi)測距誤差小于±1 mm。

2.1 模擬前端電路設(shè)計
系統(tǒng)采用ZT(R)40-16型分立式傳感器。超聲波發(fā)射電路選用MAX232芯片作為發(fā)射放大器件，接收電路選用集成運放芯片OPA606組成放大電路。
2.2 FPGA數(shù)字電路設(shè)計
系統(tǒng)FPGA設(shè)計包含發(fā)射脈沖模塊、A/D(MAX120)驅(qū)動模塊、測頻測溫模塊、FIR濾波模塊、RAM數(shù)據(jù)緩存模塊、包絡(luò)擬合模塊及顯示模塊。
2.2.1 FIR濾波模塊
設(shè)計了一個20階、帶通為30 kHz～50 kHz的濾波器。濾波后回波信號如圖2所示。

2.2.2 包絡(luò)擬合模塊