小議FPGA的窗口FOURIER變換在超聲波傳播時(shí)間檢測(cè)上的應(yīng)用

1、基于fpga的窗口fourier變換在超聲波傳播時(shí)間檢測(cè)上的應(yīng)用 引言 超聲波傳感器目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于距離，風(fēng)速，流量的測(cè)量等眾多工業(yè)領(lǐng)域中。其中最主要的應(yīng)用原理就是超聲波傳播時(shí)間的測(cè)量，即超聲波從發(fā)射端發(fā)射開(kāi)始，經(jīng)過(guò)傳播媒質(zhì)后到達(dá)接收端的時(shí)間。常用的測(cè)量方法為脈沖轉(zhuǎn)換后計(jì)數(shù)法1 2 ，此方法成本較低，且易于實(shí)現(xiàn)，但是測(cè)量精度不高。還有其他一些方法是通過(guò)ad采集原始波形后進(jìn)行hilbert變換來(lái)提取超聲波包絡(luò)，進(jìn)而設(shè)置閾值求出飛行時(shí)間，但此方法對(duì)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(hào)處理的窗口fourier變換（wft）來(lái)計(jì)算超聲波傳播時(shí)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(guò)超聲波換能器發(fā)送后，在流體介質(zhì)中傳播。在經(jīng)過(guò)一段傳播時(shí)間后，到達(dá)接收端，并將振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。在超聲波傳播過(guò)程中，信號(hào)會(huì)被一定程度衰減，并且在接收電路中還會(huì)引入噪聲，這些都會(huì)對(duì)測(cè)量精度造成影響。 我們假設(shè)s（t）是發(fā)送信號(hào)，那么經(jīng)過(guò)一段傳播時(shí)間td后的接收到的信號(hào)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(lái)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(zhuǎn)角，而a（t）表示信號(hào)的包絡(luò)。 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(zhǔn)確檢測(cè)到接收波形的起始位置，才可以正確計(jì)算出超聲波的傳播時(shí)間。 2 窗口傅立葉變換介紹 要準(zhǔn)確計(jì)算聲波起始位置，則需要提取信號(hào)包絡(luò)。而常用的包絡(luò)提取方法是hilbert變換1，這種方法對(duì)噪聲的抑制能力并不理想。因?yàn)槌暡ń邮招盘?hào)的頻率只在探頭諧振頻率附近很窄的頻帶內(nèi)，所以我們只需要對(duì)這一窄帶內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行分析。而對(duì)某一頻率信號(hào)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(shí)域信號(hào)映射到頻域內(nèi)，再對(duì)感興趣的頻率做分析，這樣時(shí)域內(nèi)任何局部的變化都會(huì)引起整個(gè)頻域內(nèi)全局的改變。因此傳統(tǒng)的fourier變換只能觀察到某個(gè)頻率信號(hào)的特征，而不能了

4、解這個(gè)頻率是由哪段時(shí)間信號(hào)做出的貢獻(xiàn)。 要想知道信號(hào)的局部頻率成分，那么首先要將給定的信號(hào)與一個(gè)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(duì)截取部分進(jìn)行fourier變換，這種時(shí)頻兼顧的分析方法稱為窗口fourier變換，即wft4。 3 傳播時(shí)間的計(jì)算方法 在超聲波發(fā)射的同時(shí)，系統(tǒng)的計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)。當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)一定時(shí)間后，系統(tǒng)啟動(dòng)ad開(kāi)始記錄接收波形。下圖為實(shí)際接收到的超聲波信號(hào)f（t）。信號(hào)在40khz的較窄頻帶內(nèi)，并且中含有一定能量噪聲。ad采樣頻率為10mhz，則每個(gè)周期可以采集250個(gè)點(diǎn)。為了減小計(jì)算量，我們選擇矩形窗函數(shù)，在每隔25個(gè)采樣點(diǎn)加窗做一次f

5、ourier變換，則在一個(gè)聲波周期內(nèi)可以計(jì)算得到10個(gè)fourier變換的復(fù)數(shù)值結(jié)果。將這些復(fù)數(shù)值分別求模值和求相位角后就可以得到超聲波信號(hào)的包絡(luò)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(hào)的包絡(luò)曲線只表現(xiàn)出40khz窄帶信號(hào)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?cè)诜劝j(luò)曲線上設(shè)定一個(gè)門限值，使其小于超聲波接收到信號(hào)的第一個(gè)周期的包絡(luò)幅值，做為聲波信號(hào)閾值。當(dāng)包絡(luò)值大于此閾值時(shí)，說(shuō)明超聲波信號(hào)已經(jīng)接收到，從超聲波發(fā)射點(diǎn)到閾值以前的時(shí)間就是超聲波傳播的閾值時(shí)間tth，再通過(guò)查找此閾值位置所對(duì)應(yīng)的相位就可以計(jì)算出信號(hào)起始點(diǎn)到閾值位置聲波所傳播的時(shí)間tpd。于是，超

6、聲波真正的傳播時(shí)間應(yīng)為tfly=tth-tpd。 4 實(shí)現(xiàn)方式 在此方法中，以單片機(jī)mcu為主控制芯片，由它發(fā)送指令來(lái)控制fpga完成超聲波信號(hào)發(fā)送，計(jì)時(shí)器記時(shí)，ad采集，fourier計(jì)算等任務(wù)。fpga芯片采用xilinx公司的spatan3e芯片。該芯片最高頻率240mhz，具有20個(gè)硬件乘法器，可以同時(shí)進(jìn)行10路以上的fourier變換計(jì)算。當(dāng)所有的fourier變換算完后，fpga將計(jì)算后的結(jié)果保留于sram中，再通信給mcu單片機(jī)進(jìn)行包絡(luò)幅值和相位角的計(jì)算，以及飛行時(shí)間的計(jì)算。系統(tǒng)的硬件邏輯框圖如下所示： 在此平臺(tái)上，既可以發(fā)揮fpga的同步控制能力和并行運(yùn)算的速度優(yōu)勢(shì)，又可以利用

7、mcu的強(qiáng)大外圍設(shè)備功能，因此可以做到速度與功能的兼顧。 5 結(jié)論 使用wft計(jì)算超聲波的包絡(luò)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(duì)計(jì)時(shí)時(shí)間進(jìn)行修正，就可以準(zhǔn)確計(jì)算出超聲傳播的時(shí)間。但wft的運(yùn)算量較大，因此采用fpga的并行計(jì)算方式可以大大降低計(jì)算時(shí)間。此方案可以廣泛應(yīng)用于以超聲波傳播時(shí)間為測(cè)量基礎(chǔ)的超聲波測(cè)距，超聲波風(fēng)速，流量計(jì)中。我的大學(xué)愛(ài)情觀目錄：1、 大學(xué)概念2、 分析愛(ài)情健康觀3、 愛(ài)情觀要三思4、 大學(xué)需要對(duì)愛(ài)情要認(rèn)識(shí)和理解5、 總結(jié)1、什么是大學(xué)愛(ài)情：大學(xué)是一個(gè)相對(duì)寬松，時(shí)間自由，自己支配的環(huán)境，也正因?yàn)檫@樣，培植愛(ài)

8、情之花最肥沃的土地。大學(xué)生戀愛(ài)一直是大學(xué)校園的熱門話題，戀愛(ài)和學(xué)業(yè)也就自然成為了大學(xué)生在校期間面對(duì)的兩個(gè)主要問(wèn)題。戀愛(ài)關(guān)系處理得好、正確，健康，可以成為學(xué)習(xí)和事業(yè)的催化劑，使人學(xué)習(xí)努力、成績(jī)上升；戀愛(ài)關(guān)系處理的不當(dāng)，不健康，可能分散精力、浪費(fèi)時(shí)間、情緒波動(dòng)、成績(jī)下降。因此，大學(xué)生的戀愛(ài)觀必須樹(shù)立在健康之上，并且樹(shù)立正確的戀愛(ài)觀是十分有必要的。因此我從下面幾方面談?wù)勛约旱膶?duì)大學(xué)愛(ài)情觀。2、什么是健康的愛(ài)情：1) 尊重對(duì)方，不顯示對(duì)愛(ài)情的占有欲，不把愛(ài)情放第一位，不癡情過(guò)分；2) 理解對(duì)方，互相關(guān)心，互相支持，互相鼓勵(lì)，并以對(duì)方的幸福為自己的滿足; 3) 是彼此獨(dú)立的前提下結(jié)合；3、什么是不健康的

9、愛(ài)情：1)盲目的約會(huì)，忽視了學(xué)業(yè);2)過(guò)于癡情，一味地要求對(duì)方表露愛(ài)的情懷，這種愛(ài)情常有病態(tài)的夸張;3)缺乏體貼憐愛(ài)之心，只表現(xiàn)自己強(qiáng)烈的占有欲;4)偏重于外表的追求;4、大學(xué)生處理兩人的在愛(ài)情觀需要三思：1. 不影響學(xué)習(xí)：大學(xué)戀愛(ài)可以說(shuō)是一種必要的經(jīng)歷，學(xué)習(xí)是大學(xué)的基本和主要任務(wù)，這兩者之間有錯(cuò)綜復(fù)雜的關(guān)系，有的學(xué)生因?yàn)閻?ài)情，過(guò)分的忽視了學(xué)習(xí)，把感情放在第一位；學(xué)習(xí)的時(shí)候就認(rèn)真的去學(xué)，不要去想愛(ài)情中的事，談戀愛(ài)的時(shí)候用心去談，也可以交流下學(xué)習(xí)，互相鼓勵(lì)，共同進(jìn)步。2. 有足夠的精力：大學(xué)生活，說(shuō)忙也會(huì)很忙，但說(shuō)輕松也是相對(duì)會(huì)輕松的！大學(xué)生戀愛(ài)必須合理安排自身的精力，忙于學(xué)習(xí)的同時(shí)不能因?yàn)楦星?/p>

10、的事情分心，不能在學(xué)習(xí)期間，放棄學(xué)習(xí)而去談感情，把握合理的精力，分配好學(xué)習(xí)和感情。3、 有合理的時(shí)間；大學(xué)時(shí)間可以分為學(xué)習(xí)和生活時(shí)間，合理把握好學(xué)習(xí)時(shí)間和生活時(shí)間的“度”很重要；學(xué)習(xí)的時(shí)候，不能分配學(xué)習(xí)時(shí)間去安排兩人的在一起的事情，應(yīng)該以學(xué)習(xí)為第一；生活時(shí)間，兩人可以相互談?wù)剳賽?ài)，用心去談，也可以交流下學(xué)習(xí)，互相鼓勵(lì)，共同進(jìn)步。5、大學(xué)生對(duì)愛(ài)情需要認(rèn)識(shí)與理解，主要涉及到以下幾個(gè)方面：（1） 明確學(xué)生的主要任務(wù)“放棄時(shí)間的人，時(shí)間也會(huì)放棄他?！贝髮W(xué)時(shí)代是吸納知識(shí)、增長(zhǎng)才干的時(shí)期。作為當(dāng)代大學(xué)生，要認(rèn)識(shí)到現(xiàn)在的任務(wù)是學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)做人、學(xué)習(xí)知識(shí)、學(xué)習(xí)為人民服務(wù)的本領(lǐng)。在校大學(xué)生要集中精力，投入到學(xué)習(xí)和社

11、會(huì)實(shí)踐中，而不是因把過(guò)多的精力、時(shí)間用于談情說(shuō)愛(ài)浪費(fèi)寶貴的青春年華。因此，明確自己的目標(biāo)，規(guī)劃自己的學(xué)習(xí)道路，合理分配好學(xué)習(xí)和戀愛(ài)的地位。（2） 樹(shù)林正確的戀愛(ài)觀提倡志同道合、有默契、相互喜歡的愛(ài)情：在戀人的選擇上最重要的條件應(yīng)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(ài)情與學(xué)習(xí)、事業(yè)的關(guān)系：大學(xué)生應(yīng)該把學(xué)習(xí)、事業(yè)放在首位，擺正愛(ài)情與學(xué)習(xí)、事業(yè)的關(guān)系，不能把寶貴的大學(xué)時(shí)間，鍛煉自身的時(shí)間都用于談情說(shuō)有愛(ài)而放松了學(xué)習(xí)。 相互理解、相互信任，是一份責(zé)任和奉獻(xiàn)。愛(ài)情是奉獻(xiàn)而不時(shí)索取，是擁有而不是占有。身邊的人與事時(shí)刻為我們敲響警鐘，不再讓悲劇重演。生命只有一次，不會(huì)重來(lái)，大學(xué)生一定要

12、樹(shù)立正確的愛(ài)情觀。（3） 發(fā)展健康的戀愛(ài)行為 在當(dāng)今大學(xué)校園，情侶成雙入對(duì)已司空見(jiàn)慣。抑制大學(xué)生戀愛(ài)是不實(shí)際的，大學(xué)生一定要發(fā)展健康的戀愛(ài)行為。與戀人多談?wù)剬W(xué)習(xí)與工作，把戀愛(ài)行為限制在社會(huì)規(guī)范內(nèi)，不致越軌，要使愛(ài)情沿著健康的道路發(fā)展。正如馬克思所說(shuō)：“在我看來(lái)，真正的愛(ài)情是表現(xiàn)在戀人對(duì)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(guò)早的親昵?！保?） 愛(ài)情不是一件跟風(fēng)的事兒。很多大學(xué)生的愛(ài)情實(shí)際上是跟風(fēng)的結(jié)果，是看到別人有了愛(ài)情，看到別人幸福的樣子（注意，只是看上去很美），產(chǎn)生了羊群心理，也就花了大把的時(shí)間和精力去尋找愛(ài)情（5） 距離才是保持愛(ài)情之花常開(kāi)不敗的法寶。愛(ài)情到底

13、需要花多少時(shí)間，這是一個(gè)很大的問(wèn)題。有的大學(xué)生愛(ài)情失敗，不是因?yàn)槟信p方在一起的時(shí)間太少，而是因?yàn)樗麄冊(cè)谝黄鸬臅r(shí)間太多。相反，很多大學(xué)生戀愛(ài)成功，不是因?yàn)槟信p方在一起的時(shí)間太少，而是因?yàn)樗麄儨?zhǔn)確地把握了在一起的時(shí)間的多少程度。（6） 愛(ài)情不是自我封閉的二人世界。很多人過(guò)分的活在兩人世界，對(duì)身邊的同學(xué)，身邊好友漸漸的失去聯(lián)系，失去了對(duì)話，生活中只有彼此兩人；班級(jí)活動(dòng)也不參加，社外活動(dòng)也不參加，每天除了對(duì)方還是對(duì)方，這樣不利于大學(xué)生健康發(fā)展，不僅影響學(xué)習(xí)，影響了自身交際和合作能力?？偨Y(jié)：男女之間面對(duì)戀愛(ài)，首先要擺正好自己的心態(tài)，樹(shù)立自尊、自愛(ài)、自強(qiáng)、自重應(yīng)有的品格，千萬(wàn)不要盲目地追求愛(ài)，也不宜過(guò)

14、急追求愛(ài)，要分清自己的條件是否成熟。要樹(shù)立正確的戀愛(ài)觀，明確大學(xué)的目的，以學(xué)習(xí)為第一；規(guī)劃好大學(xué)計(jì)劃，在不影響學(xué)習(xí)的條件下，要對(duì)戀愛(ài)認(rèn)真，專一，相互鼓勵(lì)，相互學(xué)習(xí)，共同進(jìn)步；認(rèn)真對(duì)待戀愛(ài)觀，做健康的戀愛(ài)；總之，我們大學(xué)生要樹(shù)立正確的戀愛(ài)觀念，讓大學(xué)的愛(ài)情成為青春記憶里最美的風(fēng)景，而不是終身的遺憾！ 我的大學(xué)愛(ài)情觀目錄：6、 大學(xué)概念7、 分析愛(ài)情健康觀8、 愛(ài)情觀要三思9、 大學(xué)需要對(duì)愛(ài)情要認(rèn)識(shí)和理解10、 總結(jié)1、什么是大學(xué)愛(ài)情：大學(xué)是一個(gè)相對(duì)寬松，時(shí)間自由，自己支配的環(huán)境，也正因?yàn)檫@樣，培植愛(ài)情之花最肥沃的土地。大學(xué)生戀愛(ài)一直是大學(xué)校園的熱門話題，戀愛(ài)和學(xué)業(yè)也就自然成為了大學(xué)生在校期間面對(duì)

15、的兩個(gè)主要問(wèn)題。戀愛(ài)關(guān)系處理得好、正確，健康，可以成為學(xué)習(xí)和事業(yè)的催化劑，使人學(xué)習(xí)努力、成績(jī)上升；戀愛(ài)關(guān)系處理的不當(dāng)，不健康，可能分散精力、浪費(fèi)時(shí)間、情緒波動(dòng)、成績(jī)下降。因此，大學(xué)生的戀愛(ài)觀必須樹(shù)立在健康之上，并且樹(shù)立正確的戀愛(ài)觀是十分有必要的。因此我從下面幾方面談?wù)勛约旱膶?duì)大學(xué)愛(ài)情觀。2、什么是健康的愛(ài)情：4) 尊重對(duì)方，不顯示對(duì)愛(ài)情的占有欲，不把愛(ài)情放第一位，不癡情過(guò)分；5) 理解對(duì)方，互相關(guān)心，互相支持，互相鼓勵(lì)，并以對(duì)方的幸福為自己的滿足; 6) 是彼此獨(dú)立的前提下結(jié)合；3、什么是不健康的愛(ài)情：1)盲目的約會(huì)，忽視了學(xué)業(yè);2)過(guò)于癡情，一味地要求對(duì)方表露愛(ài)的情懷，這種愛(ài)情常有病態(tài)的夸張

16、;3)缺乏體貼憐愛(ài)之心，只表現(xiàn)自己強(qiáng)烈的占有欲;4)偏重于外表的追求;4、大學(xué)生處理兩人的在愛(ài)情觀需要三思：3. 不影響學(xué)習(xí)：大學(xué)戀愛(ài)可以說(shuō)是一種必要的經(jīng)歷，學(xué)習(xí)是大學(xué)的基本和主要任務(wù)，這兩者之間有錯(cuò)綜復(fù)雜的關(guān)系，有的學(xué)生因?yàn)閻?ài)情，過(guò)分的忽視了學(xué)習(xí)，把感情放在第一位；學(xué)習(xí)的時(shí)候就認(rèn)真的去學(xué)，不要去想愛(ài)情中的事，談戀愛(ài)的時(shí)候用心去談，也可以交流下學(xué)習(xí)，互相鼓勵(lì)，共同進(jìn)步。4. 有足夠的精力：大學(xué)生活，說(shuō)忙也會(huì)很忙，但說(shuō)輕松也是相對(duì)會(huì)輕松的！大學(xué)生戀愛(ài)必須合理安排自身的精力，忙于學(xué)習(xí)的同時(shí)不能因?yàn)楦星榈氖虑榉中模荒茉趯W(xué)習(xí)期間，放棄學(xué)習(xí)而去談感情，把握合理的精力，分配好學(xué)習(xí)和感情。4、 有合理的時(shí)

17、間；大學(xué)時(shí)間可以分為學(xué)習(xí)和生活時(shí)間，合理把握好學(xué)習(xí)時(shí)間和生活時(shí)間的“度”很重要；學(xué)習(xí)的時(shí)候，不能分配學(xué)習(xí)時(shí)間去安排兩人的在一起的事情，應(yīng)該以學(xué)習(xí)為第一；生活時(shí)間，兩人可以相互談?wù)剳賽?ài)，用心去談，也可以交流下學(xué)習(xí)，互相鼓勵(lì)，共同進(jìn)步。5、大學(xué)生對(duì)愛(ài)情需要認(rèn)識(shí)與理解，主要涉及到以下幾個(gè)方面：（7） 明確學(xué)生的主要任務(wù)“放棄時(shí)間的人，時(shí)間也會(huì)放棄他?！贝髮W(xué)時(shí)代是吸納知識(shí)、增長(zhǎng)才干的時(shí)期。作為當(dāng)代大學(xué)生，要認(rèn)識(shí)到現(xiàn)在的任務(wù)是學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)做人、學(xué)習(xí)知識(shí)、學(xué)習(xí)為人民服務(wù)的本領(lǐng)。在校大學(xué)生要集中精力，投入到學(xué)習(xí)和社會(huì)實(shí)踐中，而不是因把過(guò)多的精力、時(shí)間用于談情說(shuō)愛(ài)浪費(fèi)寶貴的青春年華。因此，明確自己的目標(biāo)，規(guī)劃自己

18、的學(xué)習(xí)道路，合理分配好學(xué)習(xí)和戀愛(ài)的地位。（8） 樹(shù)林正確的戀愛(ài)觀提倡志同道合、有默契、相互喜歡的愛(ài)情：在戀人的選擇上最重要的條件應(yīng)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(ài)情與學(xué)習(xí)、事業(yè)的關(guān)系：大學(xué)生應(yīng)該把學(xué)習(xí)、事業(yè)放在首位，擺正愛(ài)情與學(xué)習(xí)、事業(yè)的關(guān)系，不能把寶貴的大學(xué)時(shí)間，鍛煉自身的時(shí)間都用于談情說(shuō)有愛(ài)而放松了學(xué)習(xí)。 相互理解、相互信任，是一份責(zé)任和奉獻(xiàn)。愛(ài)情是奉獻(xiàn)而不時(shí)索取，是擁有而不是占有。身邊的人與事時(shí)刻為我們敲響警鐘，不再讓悲劇重演。生命只有一次，不會(huì)重來(lái)，大學(xué)生一定要樹(shù)立正確的愛(ài)情觀。（9） 發(fā)展健康的戀愛(ài)行為 在當(dāng)今大學(xué)校園，情侶成雙入對(duì)已司空見(jiàn)慣。抑制大學(xué)生戀愛(ài)是不實(shí)際的，大學(xué)生一定要發(fā)展健康的戀愛(ài)行為。與戀人多談?wù)剬W(xué)習(xí)與工作，把戀愛(ài)行為限制在社會(huì)規(guī)范內(nèi)，不致越軌，要使愛(ài)情沿著健康的道路發(fā)展。正如馬克思所說(shuō)：“在我看來(lái)，真正的愛(ài)情是表現(xiàn)在戀人