一种超声波多普勒测速装置的制作方法

1.本技术涉及超声波测速技术领域，具体涉及一种超声波多普勒测速装置。


背景技术：

2.超声波是一种振动频率高于20khz的声波，具有能量集中、穿透力强、指向性好等特点，在工业、医学、农业、军事方面都有应用。超声多普勒测速即利用超声波的多普勒效应，对移动目标的运动速度进行检测。当超声波声源和被测物体存在相对运动时，回波的频率会发生变化。若被测物体朝向声源运动，则回波频率升高；反之，若被测物体背离声源运动，则回波频率减少。声源和回波之间的频率差，成为多普勒频移(也称为多普勒频率)，且频移的大小与相对运动速度成正比。因此，获取多普勒频移可直接计算相对运动速度。
3.按照声源在时域的工作方式，超声多普勒分为两类：连续波多普勒和脉冲波多普勒。二者主要区别在于连续波多普勒的发射和接收各使用一个超声换能器，采样连续，信号处理简单，速度精度高；脉冲波多普勒的发射和接收使同一个超声换能器，在两段脉冲的间隔时间内完成回波采样，信号处理较复杂，但具有空间距离测量能力。
4.常见的连续波超声多普勒测速系统普遍由cpu搭配fpga的架构组成，存在电路复杂和运算效率低的问题。


技术实现要素：

5.鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，本技术旨在提供一种超声波多普勒测速装置，包括：
6.超声波发射组件，所述超声波发射组件用于向待测物体发射超声波；
7.超声波接收组件，所述超声波接收组件用于接收来自所述待测物体的回波信号；
8.系统芯片，所述系统芯片包括：
9.信号发生单元，所述信号发生单元与所述超声波发射组件电连接，所述信号发生单元配置用于激励所述超声波发射组件发射超声波；
10.第一运算单元，所述第一运算单元与所述超声波接收组件电连接，所述第一运算单元配置用于将所述回波信号转换为所述待测物体的速度。
11.根据本技术实施例提供的技术方案，还包括第一采集单元，所述第一采集单元与所述信号发生单元电连接，所述第一采集单元配置用于采集来自所述信号发生单元的三角波数字信号；
12.第一转换单元，所述第一转换单元与所述第一采集单元的输出端电连接，所述第一转换单元配置用于将所述三角波数字信号转换为三角波模拟信号；
13.第一光电隔离单元，所述第一光电隔离单元与所述第一转换单元的输出端电连接，所述第一光电隔离单元配置用于将所述三角波模拟信号转换为激励信号，所述激励信号用于激励所述超声波发射组件。
14.根据本技术实施例提供的技术方案，还包括：
15.第二采集单元，所述第二采集单元与所述信号发生单元和所述超声波接收组件的输出端电连接，所述第二采集单元配置用于采集来自所述信号发生单元的正弦波数字信号和所述回波信号；
16.第三转换单元，所述第三转换单元与所述第二采集单元的输出端电连接，所述第三转换单元配置用于将所述正弦波数字信号转换为正弦波模拟信号；
17.第二运算单元，所述第二运算单元与所述第二采集单元和所述第三转换单元的输出端电连接，所述第二运算单元配置用于将所述正弦波模拟信号和所述回波信号转换为第一信号；所述第二运算单元的输出端与所述第一运算单元的输入端电连接，所述第一运算单元将所述第一信号转换为所述待测物体的速度。
18.根据本技术实施例提供的技术方案，还包括：
19.第二转换单元，所述第二转换单元与所述第二运算单元的输出端电连接，所述第二转换单元配置用于将模拟量的所述第一信号转换为第二信号，所述第二信号为数字量信号；
20.第三运算单元，所述第三运算单元与所述第二转换单元的输出端电连接，所述第三运算单元配置用于将所述第二信号进行傅里叶变换，得到多普勒频移参数；所述第三运算单元的输出端与所述第一预算单元的输入端电连接，所述第一运算单元将所述多普勒频移参数转换为所述待测物体的速度。
21.根据本技术实施例提供的技术方案，还包括第一运放单元，所述第一运放单元的输入端与所述超声波接收组件的输出端电连接，其输出端与所述第二采集单元的输入端电连接；所述第一运放单元配置用于将所述回波信号进行滤波放大。
22.根据本技术实施例提供的技术方案，还包括第二运放单元，所述第二运放单元的输入端与所述第二运算单元的输出端电连接，其输出端与所述第二转换单元的输入端电连接，所述第二运放单元配置用于将所述第一信号进行滤波放大。
23.根据本技术实施例提供的技术方案，还包括第三运放单元，所述第三运放单元的输入端和所述第三转换单元的输出端电连接，其输出端与所述第二运算单元的输入端电连接，所述第三运放单元配置用于将所述正弦波模拟信号进行滤波放大。
24.综上所述，本技术提出一种超声波多普勒测速装置，通过设置系统芯片，系统芯片向超声波发射组件发射激励信号，激励信号激励超声波发射组件向待测物体发射超声波，超声波经过待测物体反射后由超声波接收组件接收到回波信号，回波信号传回系统芯片，系统芯片由回波信号计算得到待测物体的速度；本方案的系统芯片不仅可发射激励发射超声波的信号，还可计算待测物体的速度，与现有技术相比，一个系统芯片具有cpu和fpga的双重功能，提高了计算待测物体的运算效率，且节约了硬件成本。
附图说明
25.图1为本技术实施例提供的一种超声波多普勒测速装置的结构示意图；
26.图2为本技术实施例提供具有信号收发模块和信号调理采集模块时的结构示意图；
27.图3为本技术实施例提供的信号收发模块的结构示意图；
28.图4为本技术实施例提供的信号调理采集模块的结构示意图。
29.图中所述文字标注表示为：100、系统芯片；210、第一运算单元；310、信号发生单元；320、uart接口；400、超声波发射组件；500、超声波接收组件；600、待测物体；700、内部总线；800、信号收发模块；810、第一采集单元；820、第一转换单元；830、第一光电隔离单元；900、信号调理采集模块；910、第二采集单元；920、第三转换单元；930、第二运放单元；940、第二运算单元；950、第二转换单元；960、第一运放单元。
具体实施方式
30.下面结合附图和实施例对本技术作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
31.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
32.诚如背景技术中提到的，针对现有技术中的问题，如图1-图4所示，本技术提出了一种超声波多普勒测速装置，包括：
33.超声波发射组件400，所述超声波发射组件400用于向待测物体600发射超声波；
34.超声波接收组件500，所述超声波接收组件500用于接收来自所述待测物体600的回波信号；其中，可选地，所述超声波发射组件400和所述超声波接收组件500可选用同时具有发射超声波和接收超声波回波功能的超声波换能器，亦可采用分别具有发射超声波或可接收超声波回波功能的两个换能器；
35.系统芯片100，所述系统芯片100包括：
36.信号发生单元310，所述信号发生单元310与所述超声波发射组件400电连接，所述信号发生单元310配置用于激励所述超声波发射组件400发射超声波；
37.第一运算单元，所述第一运算单元与所述超声波接收组件500电连接，所述第一运算单元配置用于将所述回波信号转换为所述待测物体600的速度。
38.其中，所述系统芯片100选用xilinx公司推出的zynq7000系列soc芯片，包括由双核arm cortex-a9构成的处理系统(ps)，和一片fpga的可编程逻辑(pl)部分；pl部分包括所述信号发生单元310，所述信号发生单元310通过uart接口320，输出三角波数字信号，三角波数字信号经过信号调理后形成可激励所述超声波发射组件400发射超声波；所述超声波接收组件500将接收到的所述回波信号通过所述uart接口320再返回至pl部分；ps端与pl端通过axi-dma内部总线700实现二者的数据交换；pl将所述回波信号处理后传送至所述ps端的所述第一运算单元210，通过所述第一运算单元210的计算得到所述待测物体600的速度。本方案通过一个soc芯片完成了对波形信号的产生、回波信号的处理以及待测物体600的速度的计算，与现有技术相比，具有处理器运算速度快和fpga实时处理的优势，极大程度上提高了运算效率，且节约了硬件成本。
39.超声波多普勒测速装置还包括：
40.第一采集单元810，所述第一采集单元810与所述信号发生单元310电连接，所述第一采集单元810配置用于采集来自所述信号发生单元310的三角波数字信号；其中，所述测速装置还包括信号收发模块800，所述信号收发模块800包括所述第一采集单元810等；
41.第一转换单元820，所述第一转换单元820与所述第一采集单元810的输出端电连
接，所述第一转换单元820配置用于将所述三角波数字信号转换为三角波模拟信号；其中，所述信号收发模块800还包括所述第一转换单元820，可选地，所述第一转换单元820为dds芯片，所述dds芯片将所述三角波数字信号转换为三角波模拟信号；
42.第一光电隔离单元830，所述第一光电隔离单元830与所述第一转换单元820的输出端电连接，所述第一光电隔离单元830配置用于将所述三角波模拟信号转换为激励信号，所述激励信号用于激励所述超声波发射组件400；其中，所述信号收发模块800还包括所述第一光电隔离单元830，可选地，所述第一光电隔离单元830为光耦，所述超声波收发模块内还包括mos管，三角波模拟信号通过所述光耦进行光电隔离后，控制mos管的工作状态，产生能够激励所述超声波发射组件400发射超声波的高频率的电压信号。
43.进一步地，超声波多普勒测速装置还包括第二采集单元910，所述第二采集单元910与所述信号发生单元310和所述超声波接收组件500的输出端电连接，所述第二采集单元910配置用于采集来自所述信号发生单元310的正弦波信号和所述回波信号；其中，所述测速装置还包括信号调理采集模块900，所述信号调理采集模块900包括所述第二采集单元910；所述pl端通过uart接口320向所述第一采集单元810输出三角波数字信号，向所述第二采集单元910输出正弦波数字信号；
44.第三转换单元920，所述第三转换单元920于所述第二采集单元910的输出端电连接，所述第三转换单元920配置用于将所述正弦波数字信号转换为正弦波模拟信号；其中，所述信号调理采集模块900还包括所述第三转换单元920，可选地，所述第三转换单元920也为dds芯片，所述dds芯片将所述正弦波数字信号转换为正弦波模拟信号，此时所述回波信号和所述正弦波模拟信号同为模拟量信号；
45.第二运算单元940，所述第二运算单元940与所述第三转换单元920的输出端电连接，所述第二运算单元940配置用于将所述正弦波模拟信号和所述回波信号转换为第一信号；所述第二运算单元940的输出端与所述第一运算单元210的输入端电连接，所述第一运算单元210将所述第一信号转换为所述待测物体600的速度；其中，所述第二运算单元940为乘法器，所述乘法器将所述回波信号和所述正弦波信号进行乘法运算得到所述第一信号，所述第一信号为混频信号。
46.进一步地，所述测速装置还包括：
47.第二转换单元950，所述第二转换单元950与所述第二运算单元940的输出端电连接，所述第二转换单元950配置用于将模拟量的所述第一信号转换为第二信号，所述第二信号为数字量信号；其中，所述信号调理采集模块900还包括所述第二转换单元950，所述第二转换单元950为ad转换芯片，所述混频信号经过所述ad转换芯片得到多普勒频移信号，即所述第二信号；
48.第三运算单元，所述第三运算单元与所述第二转换单元950的输出端电连接，所述第三运算单元配置用于将所述第二信号进行傅里叶变换，得到多普勒频移参数；所述第三运算单元的输出端与所述第一预算单元的输入端电连接，所述第一运算单元210将所述多普勒频移参数转换为所述待测物体600的速度；其中，所述系统芯片100的pl端还包括所述第三运算单元，所述第三运算单元，所述多普勒频移信号经过所述第三运算单元的计算后得到多普勒频移参数。
49.进一步地，所述测速装置还包括第一运放单元960，所述第一运放单元960的输入
端与所述超声波接收组件500的输出端电连接，其输出端与所述第二采集单元910的输入端电连接；所述第一运放单元960配置用于将所述回波信号滤波放大；其中，所述信号调理采集模块900还包括所述第一运放单元960，所述第一运放单元960为第一滤波放大单元，所述第二采集单元910接收到所述回波信号后，经过所述第一滤波放大单元，再将处理后的信号输入至所述第二运算单元940与所述正弦波。
50.进一步地，所述测速装置还包括第三运放单元，所述第三运放单元的输入端和所述第三转换单元920的输出端电连接，其输出端与所述第二运算单元940的输入端电连接，所述第三运放单元配置用于将所述正弦波模拟信号进行滤波放大；其中，所述信号调理采集模块900还包括第二运放单元930，所述第二运放单元930为第二滤波放大单元，所述第二采集单元910接收到所述正弦波数字信号后，首先经过所述第三转换单元920转换为所述正弦波模拟信号后，再通过所述第二运放单元930滤波放大后传送至所述第二运算单元940与经过滤波放大后的所述回波信号进行乘法计算。
51.进一步地，所述测速装置还包括第二运放单元930，所述第二运放单元930的输入端与所述第二运算单元940的输出端电连接，其输出端与所述第二转换单元950的输入端电连接，所述第二运放单元930配置用于将所述第一信号滤波放大；其中，所述pl端还包括第二运放单元930，所述第二运放单元930为第三滤波放大单元，当所述信号调理采集模块900将数字量的所述第一信号滤波放大后，传送至所述pl端的所述第三运算单元进行傅里叶变换得到所述多普勒频移参数。
52.故，所述测速装置的测速方法包括如下步骤：
53.pl端生成正弦波数字信号和三角波数字信号，
54.所述正弦波数字信号由所述第一采集单元810接收后，经过所述第一转换单元820转换为三角波模拟信号，再经过所述第一光电隔离单元830产生高频率的电压信号，此信号激励所述超声波发射组件400向所述待测物体600发射超声波；
55.所述正弦波数字信号由所述第二采集的接收后，经过所述第三转换单元920转换为正弦波模拟信号，再经过所述第三运放单元滤波放大后得到第三信号；
56.所述超声波接收组件500接收到由所述待测物体600反射回的所述回波信号，所述回波信号经过所述第一运放单元960滤波放大后得到第四信号；
57.所述第三信号和所述第四信号作为输入传送至所述第二运算单元940后做乘法运算后得到所示第一信号，所示第一信号为混频信号，计算公式如下所示：
[0058][0059]
其中，sv代表所述混频信号，a代表所述回波信号的幅值，b代表所述第六信号的幅值，w1和分别为所述第四信号的角频率和相位；w0和分别为所述第三信号的角频率和相位；
[0060]
所示第一信号经所述第二转换单元950转换为数字量信号，即所述第二信号，所述第二信号通过所述第二运放单元930滤波放大后再传送至所述第三运算单元对其进行傅里叶变换，进而得到多普勒频移参数fd，计算公式如下所示：
[0061]
[0062]
将所述多普勒参数作为输入传送至所述第一运算单元210，第一运算单元210经过计算后得到所述待测物体600的速度，其计算公式如下所示：
[0063][0064]
其中,v代表所述待测物体600的速度，c代表超声波声速，θ代表超声波发射波束与超声波回波波束的夹角，f0代表所述第三信号的频率，
[0065]
本文中应用了具体个例对本技术的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本技术的方法及其核心思想。以上所述仅是本技术的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其他场合的，均应视为本技术的保护范围。