基于回波自調(diào)距離門的FPGA控制器的設(shè)計(jì)*

譚菊琴，陳荷娟

（南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094）

主動(dòng)超聲探測(cè)技術(shù)是現(xiàn)代水中目標(biāo)探測(cè)常用的技術(shù)之一，它根據(jù)目標(biāo)反射的回波信息實(shí)現(xiàn)目標(biāo)定位。為了提高水中近程動(dòng)目標(biāo)探測(cè)性能，常采用多個(gè)主動(dòng)超聲探測(cè)器獨(dú)立地對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)。但是，當(dāng)探測(cè)器間的距離在主動(dòng)超聲探測(cè)的有效探測(cè)范圍內(nèi)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)探測(cè)器相互干擾的問題，從而影響探測(cè)系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)的判斷與測(cè)距。因此，要求水中超聲探測(cè)系統(tǒng)應(yīng)具有區(qū)分相鄰探測(cè)器和目標(biāo)的功能，以及防止探測(cè)器間信號(hào)串?dāng)_的能力。

現(xiàn)階段解決探測(cè)器相互干擾的方法有：多普勒頻偏法、編碼法和基于回波自調(diào)距離門控制法[1-2]。但是，多普勒頻偏法只能確定回波有無，不能確認(rèn)收到的回波是自身發(fā)射信號(hào)經(jīng)目標(biāo)反射的回波還是其他信號(hào)，易引起探測(cè)系統(tǒng)的誤判斷。編碼法雖然可以解決上述問題，但是它的信號(hào)脈寬須大于脈沖展寬，會(huì)增大探測(cè)盲區(qū)。參考文獻(xiàn)[2]提出了基于回波自調(diào)距離門的選通時(shí)機(jī)控制法，解決了多普勒頻偏法不能解決的問題。因此，本文利用硬件描述語言和有限狀態(tài)機(jī)的方法，設(shè)計(jì)了基于回波自調(diào)距離門的FPGA控制器。

1 基于回波自調(diào)距離門控制法

控制方法如圖1所示，圖中 s(t)為發(fā)射信號(hào)；fd為控制器的輸入信號(hào)，它是目標(biāo)回波經(jīng)放大、混頻、濾波后的輸出信號(hào)；C(t)為距離門門控信號(hào)，高電平有效；Tp為發(fā)射信號(hào)的脈寬；Tmax是最大脈沖重復(fù)周期。為降低近距離體積混響和抑制干擾，只允許距離門內(nèi)接收信號(hào)。

方法一，如圖1(a)所示，控制電路在探測(cè)器發(fā)射超聲波時(shí)啟動(dòng)計(jì)時(shí)器。延時(shí) Th(Tp＜Th)后，令 C(t)=1，打開第1 個(gè)距離門，允許接收 fd。 若 Th≤t≤Tmax，fd=0，說明無物體，則在 t=Tmax(即 B1=Bmax)時(shí)，令 C(t)=0，停止接收fd，做出“無目標(biāo)”決策。下一個(gè)探測(cè)周期，C(t)繼續(xù)按上述控制規(guī)律工作。

圖1 基于回波自調(diào)距離門控制法

方法二，如圖1(b)所示。 若在 t=tm1＜Tmax時(shí)，有 fd≠0，說明有物體出現(xiàn)，則在 t=tm1+Tp時(shí)，使 C(t)=0。同時(shí)，發(fā)射第2個(gè)超聲波對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)。接著，在上次fd出現(xiàn)前 Kmax/2時(shí)，再次使 C(t)=1，開啟第 2個(gè)距離門。當(dāng)K1=Kmax時(shí)，fd=0，則認(rèn)為第1次收到的是干擾信號(hào)，做出“無目標(biāo)”決策。下一探測(cè)周期，C(t)按方法一工作。

方法三，如圖1(c)所示。 若 K1＜Kmax時(shí)，有 fd≠0，說明第一個(gè)距離門內(nèi)出現(xiàn)的是目標(biāo)回波，則在t=tm2+Tp時(shí)，令C(t)=0，做出“有目標(biāo)”決策。若要繼續(xù)追蹤目標(biāo)，只需在再次發(fā)射超聲波后的Ti-1-Kmax/2(Ti-1為第i-1次的脈沖重復(fù)周期，i=2，…，N)時(shí)刻，使 C(t)=1，打開第 3個(gè)距離門，跟蹤目標(biāo)。若C(t)=1時(shí)，fd=0，說明跟蹤目標(biāo)失敗，做出“無目標(biāo)”決策，控制 C(t)在下一個(gè)探測(cè)周期按方法一工作；否則，繼續(xù)按跟蹤目標(biāo)的方法控制C(t)。

綜上所述，根據(jù)各距離門的作用，將第1個(gè)距離門稱作“發(fā)現(xiàn)門”，第 2個(gè)距離門稱作“確認(rèn)門”，第 3個(gè)距離門稱作“跟蹤門”。圖1中，Bmax=Tmax-Th，是發(fā)現(xiàn)門最大門寬；Kmax為確認(rèn)門和跟蹤門的最大門寬。其中，發(fā)現(xiàn)門門控信號(hào)CD(t)為：

確認(rèn)門和跟蹤門門控信號(hào)CT(t)表達(dá)式為：

式中，t是距離門的選通控制時(shí)間點(diǎn)（計(jì)時(shí)零點(diǎn)為每次發(fā)射超聲波的起始時(shí)刻）。

因此，圖1(a)中 C1(t)、Ti分別為：

圖1(b)中 C2(t)、Ti分別為：

圖1(c)中 C3(t)、Ti-1和第 i次無回波出現(xiàn)時(shí)對(duì)應(yīng)的Ti分別為：

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 基于回波自調(diào)距離門控制器的FPGA實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，它由接收控制電路、脈沖重復(fù)周期計(jì)時(shí)器TI、判決器、時(shí)序控制電路、寄存器模塊和距離門控電路構(gòu)成。FPGA主要實(shí)現(xiàn)以下功能：對(duì)接收到的回波進(jìn)行判斷，并根據(jù)判斷結(jié)果做出控制決策；對(duì)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，產(chǎn)生系統(tǒng)所需的各種控制信號(hào)。系統(tǒng)初始化時(shí)，將Th、Bmax和Kmax存放至寄存器模塊，而探測(cè)器與目標(biāo)的實(shí)際距離所對(duì)應(yīng)的延遲Ti由時(shí)序控制電路放置到寄存器模塊。

2.2 核心模塊設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法[3]，將系統(tǒng)功能劃分為接收控制電路、判決器、時(shí)序控制電路和距離門控電路4個(gè)模塊。

2.2.1 接收控制電路設(shè)計(jì)

接收控制電路的作用是在Tp時(shí)間內(nèi)檢測(cè)fd中包含的脈沖數(shù)n(2≤n≤6)。工作原理為：當(dāng)fd的第一個(gè)脈沖上升沿到達(dá)時(shí)，啟動(dòng)脈寬定時(shí)器和計(jì)數(shù)器；脈寬定時(shí)器以Tp值為初值減計(jì)數(shù)，當(dāng)減到0時(shí)，輸出cout(低電平期間允許計(jì)數(shù))，觸發(fā)計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，并輸出計(jì)數(shù)值n。

2.2.2 判決控制方法

由控制方法知，判決器的輸出pj可由如下算法描述：

2.2.3 時(shí)序控制電路設(shè)計(jì)

時(shí)序控制電路是整個(gè)系統(tǒng)的核心，主要用于控制各模塊工作時(shí)序。采用獨(dú)熱編碼可減少實(shí)現(xiàn)狀態(tài)機(jī)的組合邏輯數(shù)目，提高系統(tǒng)速度[4]。因此，本文采用獨(dú)熱編碼設(shè)計(jì)了時(shí)序控制系統(tǒng)狀態(tài)機(jī)。圖3是按圖1設(shè)計(jì)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，它有3種狀態(tài)，分別為初始狀態(tài)S0、CD(t)工作狀態(tài)S1和CT(t)工作狀態(tài)S2。當(dāng)RST=0或判決器輸出pj=0時(shí)，控制系統(tǒng)的狀態(tài)均會(huì)回到S0；當(dāng) RST=1時(shí)，控制系統(tǒng)先由 S0到 S1轉(zhuǎn)換；在 S1時(shí)，若有 pj=1，立即由S1到S2轉(zhuǎn)換；在 S2時(shí)，若有pj=1，則一直執(zhí)行S2。

圖3 狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

2.2.4 距離門控電路

圖4是距離門控電路原理圖，它由4個(gè)計(jì)時(shí)器(發(fā)現(xiàn)門延時(shí)開門計(jì)時(shí)器TH及其門寬計(jì)時(shí)器BK，確認(rèn)、跟蹤門延時(shí)開門計(jì)時(shí)器TIK及其門寬計(jì)時(shí)器TK)和2個(gè)門控電路(發(fā)現(xiàn)門及確認(rèn)、跟蹤門門控電路)構(gòu)成。計(jì)時(shí)電路主要對(duì)距離延遲和門寬延遲進(jìn)行計(jì)數(shù)；門控電路主要產(chǎn)生發(fā)現(xiàn)門和確認(rèn)、跟蹤門門控脈沖D_gate及T_gate。C1是啟動(dòng)TH和TIK的觸發(fā)信號(hào)，C2是關(guān)閉BK和TIK的控制信號(hào)，它們由時(shí)序控制電路控制。

圖4 距離門控電路原理圖

(1)當(dāng)C1=010時(shí)，啟動(dòng)TH遞加計(jì)數(shù)，當(dāng)達(dá)到 Th時(shí)，輸出TH1，觸發(fā) BK遞加計(jì)數(shù)，產(chǎn)生D_gate。若C2=1時(shí)，BK停止計(jì)數(shù)，則輸出BK1，經(jīng)反相器使發(fā)現(xiàn)門門控電路復(fù)位，完成發(fā)現(xiàn)門開和關(guān)。同時(shí)令BK1經(jīng)反相器和C2相“與”后分別輸入到THRST端、BKRST端和TIK_zhsh端，使 TH、BK復(fù)位，Ti被置入 TIK。

圖5 時(shí)序仿真

(2)當(dāng) C1=100時(shí)，啟動(dòng) TIK，當(dāng)達(dá)到 Ti-1-Kmax/2時(shí)，輸出TIK1，觸發(fā) TK遞加計(jì)數(shù)，產(chǎn)生 T_gate。當(dāng) C2=1時(shí)，觸發(fā)TK停止計(jì)數(shù)，輸出TK1，經(jīng)反相器使確認(rèn)、跟蹤門門控電路復(fù)位，完成一次確認(rèn)、跟蹤門的開和關(guān)。TK1經(jīng)反相器與 C2相“與”后，再與 TIK_zhsh端、TKRST端相“與”，將 Ti放入 TIK、TK復(fù)位。

3 仿真驗(yàn)證

根據(jù)水下主動(dòng)超聲探測(cè)近距作用要求，選取Th=2.6 ms、Bmax=28.4 ms、Kmax=3 ms。 設(shè)定 t0 為同步脈沖，TP為脈寬計(jì)時(shí)器的使能端。利用ModelSim進(jìn)行時(shí)序仿真，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5(a)是方法一仿真波形，表示的是 2.6 ms≤B1≤28.4 ms、n=0時(shí)對(duì)應(yīng)的D_gate和T_gate波形。從圖中A區(qū)可知，在D_gate、T_gate為 0時(shí)，雖有包含 3個(gè)脈沖的fd輸入，但 n=0，說明在距離門關(guān)閉時(shí)，即使有 fd輸入，也不會(huì)引起控制器誤動(dòng)作。

圖5(b)是方法二仿真波形。反映了 B1=23 ms＜Bmax、pj=1和 Kmax=3 ms、pj=0時(shí)對(duì)應(yīng)的 D_gate和T_gate波形。

圖5(c)是方法三仿真波形，表示目標(biāo)存在但追蹤目標(biāo)失敗所對(duì)應(yīng)的D_gate和T_gate波形。圖中連續(xù)兩次有pj=1，說明目標(biāo)存在，但是在追蹤目標(biāo)的過程中，pj=0，說明追蹤目標(biāo)失敗。

仿真結(jié)果表明，在近距主動(dòng)探測(cè)中，能在設(shè)定的距離延遲時(shí)間內(nèi)完成發(fā)現(xiàn)、確認(rèn)目標(biāo)，迅速做出決策，自動(dòng)調(diào)整距離門的選通時(shí)機(jī)，系統(tǒng)工作頻率可達(dá)到194.4 MHz。

本文設(shè)計(jì)了基于回波自調(diào)距離門的FPGA控制器，它可利用接收到的回波信息自動(dòng)調(diào)整距離門的選通時(shí)機(jī)。仿真表明，該控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)了快速發(fā)現(xiàn)、確認(rèn)目標(biāo)回波信號(hào)的能力，提高了系統(tǒng)抗干擾的能力，其工作頻率可以達(dá)到194.4 MHz。該設(shè)計(jì)為水下目標(biāo)探測(cè)器的定位、跟蹤功能提供了技術(shù)保障，具有很強(qiáng)的工程實(shí)用性。

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