本文關(guān)鍵詞：基于FPGA的水下生命探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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【摘要】：近年來(lái)海難事故頻繁發(fā)生,提高災(zāi)后救援效率已經(jīng)成為水下生命救援的重要課題。目前,隨著通信技術(shù)、嵌入式等技術(shù)的蓬勃發(fā)展,水下探測(cè)技術(shù)的也取得了一定的成果,如漫游者、機(jī)器魚、熒光蝌蚪等水下探測(cè)工具。它們?cè)谲娛�、商業(yè)、救險(xiǎn)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。水下生命探測(cè)技術(shù)是各國(guó)研究海難救援的重點(diǎn),對(duì)災(zāi)后挽回生命財(cái)產(chǎn)的損失有著重大意義,同時(shí)對(duì)水下生物資源以及海洋能源的開發(fā)利用也起到了積極的推進(jìn)作用。本文在對(duì)比國(guó)內(nèi)外水下生命探測(cè)技術(shù)研究的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了以FPGA為硬件平臺(tái)的超聲波水下生命探測(cè)系統(tǒng)。本文研究的重點(diǎn)是對(duì)超聲波回波信號(hào)的分析處理,從回波信號(hào)中準(zhǔn)確的提取出與生命特征相關(guān)的信息,然后采用相關(guān)的算法分析得出物體的材料特性。本設(shè)計(jì)采用超聲波為發(fā)射信號(hào),硬件平臺(tái)采用FPGA作為控制中心,軟件程序采用VHDL語(yǔ)言編寫,并且采用ModelSim進(jìn)行仿真,在實(shí)踐中進(jìn)行了大量的水下生命探測(cè)實(shí)驗(yàn),按照預(yù)期的結(jié)果實(shí)現(xiàn)了水下目標(biāo)物體材料特性的判斷功能以及測(cè)量目標(biāo)物體距離的功能。該超聲波水下生命探測(cè)系統(tǒng)主要由超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、信號(hào)處理電路、控制電路、溫度補(bǔ)償電路以及音頻輸出電路組成。該系統(tǒng)的工作流程為,超聲波發(fā)射電路發(fā)射出大功率的超聲波信號(hào),超聲波信號(hào)在水下傳播遇到障礙物后產(chǎn)生反射,反射回來(lái)的信號(hào)被超聲波接收器接收,接收到的信號(hào)非常微弱且包含了背景中的雜波信號(hào),該信號(hào)經(jīng)過(guò)放大濾波電路處理再經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換輸入到控制電路,控制電路對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行分析,提取出生命特征信號(hào)并進(jìn)行運(yùn)算分析,運(yùn)算結(jié)果以PWM信號(hào)輸出,通過(guò)音頻電路發(fā)出聲音,借此救援人員就可以根據(jù)探測(cè)設(shè)備發(fā)出的聲音信號(hào)的大小判斷目標(biāo)物體距離的遠(yuǎn)近。論文采用精確高速的信號(hào)采集電路對(duì)超聲波回波信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,對(duì)回波信號(hào)中的生命特征信息進(jìn)行處理。這里主要以超聲波相關(guān)理論知識(shí)為背景,利用超聲波在界面反射系數(shù)反演計(jì)算,從而判斷出目標(biāo)物體的特性。發(fā)射電路中采用二階有源濾波電路對(duì)接收到的回波信號(hào)進(jìn)行處理,得到了較高的信噪比。采用HC-SR04對(duì)目標(biāo)物體的距離進(jìn)行測(cè)量,精確度較高。溫度補(bǔ)償電路能夠精確采集環(huán)境溫度,并對(duì)測(cè)量的距離值進(jìn)行修正。經(jīng)調(diào)試,各個(gè)模塊均能正常工作,系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確的判斷目標(biāo)物體的材料特性以及目標(biāo)物體的距離。本設(shè)計(jì)具有開發(fā)成本低、低功耗,硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于攜帶、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),對(duì)水下生命救援系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有一定的參考意義。
【關(guān)鍵詞】：FPGA 超聲波 水下生命探測(cè) 濾波 信號(hào)處理
【學(xué)位授予單位】：成都理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：U676.83
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 引言10-18
• 1.1 研究背景10-14
• 1.1.1 超聲技術(shù)發(fā)展背景10-11
• 1.1.2 生命探測(cè)技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)狀11-13
• 1.1.3 水下探測(cè)技術(shù)的發(fā)展13-14
• 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀14-15
• 1.3 研究目的與意義15-16
• 1.4 論文研究?jī)?nèi)容16-17
• 1.5 論文的內(nèi)容安排17-18
• 第2章 關(guān)鍵技術(shù)分析18-36
• 2.1 超聲波基本特性分析18-23
• 2.2 超聲波換能器特性分析23-28
• 2.2.1 超聲波換能器簡(jiǎn)介23-24
• 2.2.2 超聲波換能器工作原理及結(jié)構(gòu)分析24-26
• 2.2.3 超聲波換能器性能指標(biāo)分析26-27
• 2.2.4 超聲波換能器的選型27-28
• 2.3 超聲波測(cè)距原理及基本方法分析28-29
• 2.4 目標(biāo)物體特性判斷原理分析29-30
• 2.5 FPGA開發(fā)環(huán)境研究30-35
• 2.5.1 FPGA簡(jiǎn)介30-31
• 2.5.2 FPGA結(jié)構(gòu)分析31-33
• 2.5.3 FPGA工作原理及設(shè)計(jì)流程分析33-34
• 2.5.4 FPGA的選型34-35
• 2.6 Quartus II集成開發(fā)環(huán)境的分析35
• 2.7 本章小結(jié)35-36
• 第3章 生命探測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)36-52
• 3.1 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)36-37
• 3.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)37-50
• 3.2.1 超聲波發(fā)射與接收電路設(shè)計(jì)37-41
• 3.2.2 回波信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)41-44
• 3.2.3 系統(tǒng)控制電路設(shè)計(jì)44-46
• 3.2.4 溫度補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)46-48
• 3.2.5 音頻輸出電路設(shè)計(jì)48
• 3.2.6 JTAG程序下載電路分析48-49
• 3.2.7 電源電路設(shè)計(jì)49-50
• 3.3 本章小結(jié)50-52
• 第4章 生命探測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)52-58
• 4.1 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)52-53
• 4.2 超聲波激勵(lì)信號(hào)發(fā)生器程序設(shè)計(jì)53
• 4.3 超聲波距離計(jì)算程序設(shè)計(jì)53-54
• 4.4 超聲波物體特性判斷程序設(shè)計(jì)54-55
• 4.5 DS18B20測(cè)溫程序設(shè)計(jì)55-56
• 4.6 音頻輸出程序設(shè)計(jì)56
• 4.7 本章小結(jié)56-58
• 第5章 系統(tǒng)軟件仿真與電路調(diào)試58-68
• 5.1 超聲波激勵(lì)模塊設(shè)計(jì)及仿真58-59
• 5.2 脈沖發(fā)生模塊設(shè)計(jì)及仿真59
• 5.3 信號(hào)采集模塊設(shè)計(jì)及仿真59-60
• 5.4 溫度采集模塊設(shè)計(jì)及仿真60-61
• 5.5 數(shù)碼管顯示模塊設(shè)計(jì)及仿真61-62
• 5.6 硬件電路調(diào)試62-67
• 5.6.1 超聲波發(fā)射電路調(diào)試62-63
• 5.6.2 超聲波接收電路調(diào)試63-66
• 5.6.3 音頻輸出電路調(diào)試66-67
• 5.7 本章小結(jié)67-68
• 結(jié)論68-69
• 致謝69-70
• 參考文獻(xiàn)70-72
• 攻讀學(xué)位期間取得學(xué)術(shù)成果72

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本文編號(hào)：542734