小議FPGA的窗口FOURIER變換在超聲波傳播時間檢測上的應用

1、基于fpga的窗口fourier變換在超聲波傳播時間檢測上的應用 引言 超聲波傳感器目前已經(jīng)廣泛應用于距離，風速，流量的測量等眾多工業(yè)領域中。其中最主要的應用原理就是超聲波傳播時間的測量，即超聲波從發(fā)射端發(fā)射開始，經(jīng)過傳播媒質后到達接收端的時間。常用的測量方法為脈沖轉換后計數(shù)法1 2 ，此方法成本較低，且易于實現(xiàn)，但是測量精度不高。還有其他一些方法是通過ad采集原始波形后進行hilbert變換來提取超聲波包絡，進而設置閾值求出飛行時間，但此方法對噪聲的抑制能力并不理想。本文提出一種利用全數(shù)字信號處理的窗口fourier變換（wft）來計算超聲波傳播時間，可以有效克服噪聲影響并提高精度。 1 超

2、聲波理論介紹 超聲波通過超聲波換能器發(fā)送后，在流體介質中傳播。在經(jīng)過一段傳播時間后，到達接收端，并將振動信號轉化為電壓信號。在超聲波傳播過程中，信號會被一定程度衰減，并且在接收電路中還會引入噪聲，這些都會對測量精度造成影響。 我們假設s（t）是發(fā)送信號，那么經(jīng)過一段傳播時間td后的接收到的信號為： r（t）=s（t-td）+n（t） 其中為衰減系數(shù)，n（t）是零均值噪聲。我們使用頻率和相位的方法來表示為 r（t）=a（t）cos（2fr t+r）+ n（t） 其中fr和r分別為諧振頻率和相位偏轉角，而a（t）表示信號的包絡。 a（t）=a0tmexp（-t/u） 參數(shù)u由探頭特性決定，而m的范

3、圍為區(qū)間（1，3）1。 因此，必須準確檢測到接收波形的起始位置，才可以正確計算出超聲波的傳播時間。 2 窗口傅立葉變換介紹 要準確計算聲波起始位置，則需要提取信號包絡。而常用的包絡提取方法是hilbert變換1，這種方法對噪聲的抑制能力并不理想。因為超聲波接收信號的頻率只在探頭諧振頻率附近很窄的頻帶內，所以我們只需要對這一窄帶內的信號進行分析。而對某一頻率信號分析最理想的方法就是fourier變換。傳統(tǒng)的fourier變換是將全部時域信號映射到頻域內，再對感興趣的頻率做分析，這樣時域內任何局部的變化都會引起整個頻域內全局的改變。因此傳統(tǒng)的fourier變換只能觀察到某個頻率信號的特征，而不能了

4、解這個頻率是由哪段時間信號做出的貢獻。 要想知道信號的局部頻率成分，那么首先要將給定的信號與一個窗函數(shù)相乘，截取出期望的部論文聯(lián)盟www.lwlm.com整理分，然后再對截取部分進行fourier變換，這種時頻兼顧的分析方法稱為窗口fourier變換，即wft4。 3 傳播時間的計算方法 在超聲波發(fā)射的同時，系統(tǒng)的計數(shù)器開始計數(shù)。當計數(shù)器計數(shù)一定時間后，系統(tǒng)啟動ad開始記錄接收波形。下圖為實際接收到的超聲波信號f（t）。信號在40khz的較窄頻帶內，并且中含有一定能量噪聲。ad采樣頻率為10mhz，則每個周期可以采集250個點。為了減小計算量，我們選擇矩形窗函數(shù)，在每隔25個采樣點加窗做一次f

5、ourier變換，則在一個聲波周期內可以計算得到10個fourier變換的復數(shù)值結果。將這些復數(shù)值分別求模值和求相位角后就可以得到超聲波信號的包絡曲線和相位角，如圖1所示。 從圖1中可以看出，超聲波接收信號的包絡曲線只表現(xiàn)出40khz窄帶信號的幅值特征，而其他頻帶的噪聲都被有效衰減掉了。這樣我們在幅度包絡曲線上設定一個門限值，使其小于超聲波接收到信號的第一個周期的包絡幅值，做為聲波信號閾值。當包絡值大于此閾值時，說明超聲波信號已經(jīng)接收到，從超聲波發(fā)射點到閾值以前的時間就是超聲波傳播的閾值時間tth，再通過查找此閾值位置所對應的相位就可以計算出信號起始點到閾值位置聲波所傳播的時間tpd。于是，超

6、聲波真正的傳播時間應為tfly=tth-tpd。 4 實現(xiàn)方式 在此方法中，以單片機mcu為主控制芯片，由它發(fā)送指令來控制fpga完成超聲波信號發(fā)送，計時器記時，ad采集，fourier計算等任務。fpga芯片采用xilinx公司的spatan3e芯片。該芯片最高頻率240mhz，具有20個硬件乘法器，可以同時進行10路以上的fourier變換計算。當所有的fourier變換算完后，fpga將計算后的結果保留于sram中，再通信給mcu單片機進行包絡幅值和相位角的計算，以及飛行時間的計算。系統(tǒng)的硬件邏輯框圖如下所示： 在此平臺上，既可以發(fā)揮fpga的同步控制能力和并行運算的速度優(yōu)勢，又可以利用

7、mcu的強大外圍設備功能，因此可以做到速度與功能的兼顧。 5 結論 使用wft計算超聲波的包絡值與傳統(tǒng)的hilbert變換的方法比較，可以有效降低噪聲干擾，確定超聲波起始波形的位置。再利用相位對計時時間進行修正，就可以準確計算出超聲傳播的時間。但wft的運算量較大，因此采用fpga的并行計算方式可以大大降低計算時間。此方案可以廣泛應用于以超聲波傳播時間為測量基礎的超聲波測距，超聲波風速，流量計中。我的大學愛情觀目錄：1、 大學概念2、 分析愛情健康觀3、 愛情觀要三思4、 大學需要對愛情要認識和理解5、 總結1、什么是大學愛情：大學是一個相對寬松，時間自由，自己支配的環(huán)境，也正因為這樣，培植愛

8、情之花最肥沃的土地。大學生戀愛一直是大學校園的熱門話題，戀愛和學業(yè)也就自然成為了大學生在校期間面對的兩個主要問題。戀愛關系處理得好、正確，健康，可以成為學習和事業(yè)的催化劑，使人學習努力、成績上升；戀愛關系處理的不當，不健康，可能分散精力、浪費時間、情緒波動、成績下降。因此，大學生的戀愛觀必須樹立在健康之上，并且樹立正確的戀愛觀是十分有必要的。因此我從下面幾方面談談自己的對大學愛情觀。2、什么是健康的愛情：1) 尊重對方，不顯示對愛情的占有欲，不把愛情放第一位，不癡情過分；2) 理解對方，互相關心，互相支持，互相鼓勵，并以對方的幸福為自己的滿足; 3) 是彼此獨立的前提下結合；3、什么是不健康的

9、愛情：1)盲目的約會，忽視了學業(yè);2)過于癡情，一味地要求對方表露愛的情懷，這種愛情常有病態(tài)的夸張;3)缺乏體貼憐愛之心，只表現(xiàn)自己強烈的占有欲;4)偏重于外表的追求;4、大學生處理兩人的在愛情觀需要三思：1. 不影響學習：大學戀愛可以說是一種必要的經(jīng)歷，學習是大學的基本和主要任務，這兩者之間有錯綜復雜的關系，有的學生因為愛情，過分的忽視了學習，把感情放在第一位；學習的時候就認真的去學，不要去想愛情中的事，談戀愛的時候用心去談，也可以交流下學習，互相鼓勵，共同進步。2. 有足夠的精力：大學生活，說忙也會很忙，但說輕松也是相對會輕松的！大學生戀愛必須合理安排自身的精力，忙于學習的同時不能因為感情

10、的事情分心，不能在學習期間，放棄學習而去談感情，把握合理的精力，分配好學習和感情。3、 有合理的時間；大學時間可以分為學習和生活時間，合理把握好學習時間和生活時間的“度”很重要；學習的時候，不能分配學習時間去安排兩人的在一起的事情，應該以學習為第一；生活時間，兩人可以相互談談戀愛，用心去談，也可以交流下學習，互相鼓勵，共同進步。5、大學生對愛情需要認識與理解，主要涉及到以下幾個方面：（1） 明確學生的主要任務“放棄時間的人，時間也會放棄他?！贝髮W時代是吸納知識、增長才干的時期。作為當代大學生，要認識到現(xiàn)在的任務是學習學習做人、學習知識、學習為人民服務的本領。在校大學生要集中精力，投入到學習和社

11、會實踐中，而不是因把過多的精力、時間用于談情說愛浪費寶貴的青春年華。因此，明確自己的目標，規(guī)劃自己的學習道路，合理分配好學習和戀愛的地位。（2） 樹林正確的戀愛觀提倡志同道合、有默契、相互喜歡的愛情：在戀人的選擇上最重要的條件應該是志同道合，思想品德、事業(yè)理想和生活情趣等大體一致。擺正愛情與學習、事業(yè)的關系：大學生應該把學習、事業(yè)放在首位，擺正愛情與學習、事業(yè)的關系，不能把寶貴的大學時間，鍛煉自身的時間都用于談情說有愛而放松了學習。 相互理解、相互信任，是一份責任和奉獻。愛情是奉獻而不時索取，是擁有而不是占有。身邊的人與事時刻為我們敲響警鐘，不再讓悲劇重演。生命只有一次，不會重來，大學生一定要

12、樹立正確的愛情觀。（3） 發(fā)展健康的戀愛行為 在當今大學校園，情侶成雙入對已司空見慣。抑制大學生戀愛是不實際的，大學生一定要發(fā)展健康的戀愛行為。與戀人多談談學習與工作，把戀愛行為限制在社會規(guī)范內，不致越軌，要使愛情沿著健康的道路發(fā)展。正如馬克思所說：“在我看來，真正的愛情是表現(xiàn)在戀人對他的偶像采取含蓄、謙恭甚至羞澀的態(tài)度，而絕不是表現(xiàn)在隨意流露熱情和過早的親昵?！保?） 愛情不是一件跟風的事兒。很多大學生的愛情實際上是跟風的結果，是看到別人有了愛情，看到別人幸福的樣子（注意，只是看上去很美），產生了羊群心理，也就花了大把的時間和精力去尋找愛情（5） 距離才是保持愛情之花常開不敗的法寶。愛情到底

13、需要花多少時間，這是一個很大的問題。有的大學生愛情失敗，不是因為男女雙方在一起的時間太少，而是因為他們在一起的時間太多。相反，很多大學生戀愛成功，不是因為男女雙方在一起的時間太少，而是因為他們準確地把握了在一起的時間的多少程度。（6） 愛情不是自我封閉的二人世界。很多人過分的活在兩人世界，對身邊的同學，身邊好友漸漸的失去聯(lián)系，失去了對話，生活中只有彼此兩人；班級活動也不參加，社外活動也不參加，每天除了對方還是對方，這樣不利于大學生健康發(fā)展，不僅影響學習，影響了自身交際和合作能力?？偨Y：男女之間面對戀愛，首先要擺正好自己的心態(tài)，樹立自尊、自愛、自強、自重應有的品格，千萬不要盲目地追求愛，也不宜過

14、急追求愛，要分清自己的條件是否成熟。要樹立正確的戀愛觀，明確大學的目的，以學習為第一；規(guī)劃好大學計劃，在不影響學習的條件下，要對戀愛認真，專一，相互鼓勵，相互學習，共同進步；認真對待戀愛觀，做健康的戀愛；總之，我們大學生要樹立正確的戀愛觀念，讓大學的愛情成為青春記憶里最美的風景，而不是終身的遺憾！ 我的大學愛情觀目錄：6、 大學概念7、 分析愛情健康觀8、 愛情觀要三思9、 大學需要對愛情要認識和理解10、 總結1、什么是大學愛情：大學是一個相對寬松，時間自由，自己支配的環(huán)境，也正因為這樣，培植愛情之花最肥沃的土地。大學生戀愛一直是大學校園的熱門話題，戀愛和學業(yè)也就自然成為了大學生在校期間面對

15、的兩個主要問題。戀愛關系處理得好、正確，健康，可以成為學習和事業(yè)的催化劑，使人學習努力、成績上升；戀愛關系處理的不當，不健康，可能分散精力、浪費時間、情緒波動、成績下降。因此，大學生的戀愛觀必須樹立在健康之上，并且樹立正確的戀愛觀是十分有必要的。因此我從下面幾方面談談自己的對大學愛情觀。2、什么是健康的愛情：4) 尊重對方，不顯示對愛情的占有欲，不把愛情放第一位，不癡情過分；5) 理解對方，互相關心，互相支持，互相鼓勵，并以對方的幸福為自己的滿足; 6) 是彼此獨立的前提下結合；3、什么是不健康的愛情：1)盲目的約會，忽視了學業(yè);2)過于癡情，一味地要求對方表露愛的情懷，這種愛情常有病態(tài)的夸張

16、;3)缺乏體貼憐愛之心，只表現(xiàn)自己強烈的占有欲;4)偏重于外表的追求;4、大學生處理兩人的在愛情觀需要三思：3. 不影響學習：大學戀愛可以說是一種必要的經(jīng)歷，學習是大學的基本和主要任務，這兩者之間有錯綜復雜的關系，有的學生因為愛情，過分的忽視了學習，把感情放在第一位；學習的時候就認真的去學，不要去想愛情中的事，談戀愛的時候用心去談，也可以交流下學習，互相鼓勵，共同進步。4. 有足夠的精力：大學生活，說忙也會很忙，但說輕松也是相對會輕松的！大學生戀愛必須合理安排自身的精力，忙于學習的同時不能因為感情的事情分心，不能在學習期間，放棄學習而去談感情，把握合理的精力，分配好學習和感情。4、 有合理的時

17、間；大學時間可以分為學習和生活時間，合理把握好學習時間和生活時間的“度”很重要；學習的時候，不能分配學習時間去安排兩人的在一起的事情，應該以學習為第一；生活時間，兩人可以相互談談戀愛，用心去談，也可以交流下學習，互相鼓勵，共同進步。5、大學生對愛情需要認識與理解，主要涉及到以下幾個方面：（7） 明確學生的主要任務“放棄時間的人，時間也會放棄他?！贝髮W時代是吸納知識、增長才干的時期。作為當代大學生，要認識到現(xiàn)在的任務是學習學習做人、學習知識、學習為人民服務的本領。在校大學生要集中精力，投入到學習和社會實踐中，而不是因把過多的精力、時間用于談情說愛浪費寶貴的青春年華。因此，明確自己的目標，規(guī)劃自己

18、的學習道路，合理分配好學習和戀愛的地位。（8） 樹林正確的戀愛觀提倡志同道合、有默契、相互喜歡的愛情：在戀人的選擇上最重要的條件應該是志同道合，思想品德、事業(yè)理想和生活情趣等大體一致。擺正愛情與學習、事業(yè)的關系：大學生應該把學習、事業(yè)放在首位，擺正愛情與學習、事業(yè)的關系，不能把寶貴的大學時間，鍛煉自身的時間都用于談情說有愛而放松了學習。 相互理解、相互信任，是一份責任和奉獻。愛情是奉獻而不時索取，是擁有而不是占有。身邊的人與事時刻為我們敲響警鐘，不再讓悲劇重演。生命只有一次，不會重來，大學生一定要樹立正確的愛情觀。（9） 發(fā)展健康的戀愛行為 在當今大學校園，情侶成雙入對已司空見慣。抑制大學生戀愛是不實際的，大學生一定要發(fā)展健康的戀愛行為。與戀人多談談學習與工作，把戀愛行為限制在社會規(guī)范內，不致越軌，要使愛情沿著健康的道路發(fā)展。正如馬克思所說：“在我看來，真正的愛情是表現(xiàn)在戀人