CN105572418B - 基于fpga的声学多普勒流速剖面仪信号处理方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种基于FPGA的声学多普勒流速剖面仪信号处理方法，包括以下步骤：步骤一，系统初始化；步骤二，发射脉冲信号，结束后采集波束输出信号，将数字信号存入DDR2存储器；步骤三，从DDR2存储器中读取波束数字信号数据，做正交基带调制处理、复降采样滤波处理，将结果存入DDR2存储器中；步骤四，从DDR2存储器中读取复降采样滤波之后的数据进行复相关运算；步骤五，低速AD电路采集温度、压力等信号，计算出当前水体中的声速，然后读取复相关处理后的数据计算流速和回波能量；步骤六，将结果数据储存在TF卡中，并发送给上位机处理、显示。以及提供一种基于FPGA的声学多普勒流速剖面仪信号处理系统。本发明结构简单、功耗低、成本低、体积小、实时性良好。

Description

基于FPGA的声学多普勒流速剖面仪信号处理方法及系统

技术领域

本发明涉及一种声学测流的信号处理方法和系统，属于声学测流领域和高速数字信号处理领域，尤其涉及一种基于FPGA的声学多普勒流速剖面仪信号处理方法及系统。

背景技术

随着经济社会的发展和新的水问题出现，需要进一步创新水文资源理论和方法，服务于水资源的安全、高效与可持续利用。水流流速测量是水文测验最主要的项目之一，快速、准确地开展水流流速测验，已经成为水资源保护、开发和利用以及防汛抗旱的基本要求。传统的水流测流技术无法适应现代水文监测的需求，需要自动化技术促进水文监测自动化的发展。

声学多普勒流速剖面仪(Acoustic Doppler Current Profiler,简称ADCP)是一种新型的声呐测流技术，近十年来得到迅速发展并得到广泛的应用。ADCP假定水体中泥沙、微生物等散射体与水体流速相同，且水体中每一层的流速是相同的。其配有一个或者多个声波换能器，先向水体发射一定频率的声波信号，然后接受被水体中散射体反射回来的声波。当水中散射体远离换能器运动时，换能器接收到的回波信号频率比发射信号频率低，反之则高。这种回波频率与发射频率之间的差值，称为多普勒频偏。ADCP通过分析回波信号的多普勒频偏，计算出水体的流速。其优点主要是采用遥测的方式，对水体流场不产生扰动，能够更加真实、准确地反映出流场的分布情况，而且节约了大量的人力和物力。

近年来，随着嵌入式微处理器系统的发展，很多高速数字信号处理系统都是以DSP数字信号处理器或者ARM处理器作为主处理器，但是由于这些微处理器都是以顺序指令执行，且自身的接收传输接口带宽比较小，很难满足多路高速模拟采集系统的并行性、实时性和高带宽的要求。单纯的FPGA硬件逻辑架构方案是能够很好地满足系统实时性的要求，但不适合较为复杂的运算，比如复杂的判断结构和顺序流程控制等，系统后期如再需扩展功能或者升级修改算法，就可能会给设计者带来非常重的任务量，不利于系统的维护与二次开发。现在很多FPGA厂商将一些常用的嵌入式处理器硬核MicroBlaze、PowerPC、ARM等嵌入到FPGA芯片中。采用硬件与软件协同的方式进行系统构建，这是一种高效、快捷、灵活的解决方案，同时具有硬件结构电路处理数据的高速、低延迟和实时性等优点以及处理器实现软件多样性、易升级维护等特点。

发明内容

为了克服现有ADCP信号处理系统的结构复杂、功耗高、成本较高、体积大、实时性较差的不足，本发明提供了一种结构简单、功耗低、成本低、体积小、实时性良好的基于FPGA的声学多普勒流速剖面仪信号处理方法及系统。

为了解决上述技术问题采用的技术方案为：

一种基于FPGA的声学多普勒流速剖面仪信号处理方法，包括以下步骤：

步骤一，系统初始化，上位机设置参数并给出启动信号，系统启动后等待定时器中断，定时时间到进入正式工作流程；

步骤二，FPGA给出一定长度的数字脉冲信号，等到信号发射完 毕后开启DA控制前端增益，高速AD电路采集4路波束输出信号，将数字信号传入FPGA内部，数字信号缓存入DDR2存储器；

步骤三，从DDR2存储器中读取波束数字信号数据，做正交基带调制处理，变为复数形式，再做复降采样滤波处理，将得到的复数结果存入DDR2存储器中；

步骤四，从DDR2存储器中读取复降采样滤波之后的数据，计算每一层数据对应的起始点以及层厚对应的点数，对每一层数据做复相关运算；

步骤五，低速AD电路采集纵摇、横摇、温度、压力信号，计算出装置的姿态以及当前环境的温度和压力值，进而计算出当前水体中的声速，然后读取复相关处理后的数据计算每一层的流速和回波能量；

步骤六，将参数、纵横摇、温度、压力以及每一层的流速和回波能量储存在TF卡中，并通过RS422或RS232发送给上位机显示。

一种基于FPGA的声学多普勒剖面仪信号处理系统，所述系统包括数字脉冲信号发射模块、DA输出模块、高速AD采集模块、DDR2存储模块、正交调制模块、滤波降采样模块、复相关计算模块、低速AD采集模块、TF卡控制模块、网口控制模块以及RS422\RS232通讯模块；

所述数字脉冲信号发射模块用于输出两路反向编码脉冲信号，供外部电源板使用来驱动声波换能器；

所述DA输出模块用于输出两路电压信号，供外部模拟电路板使用来调节输入信号的增益；

所述高速AD采集模块用于采集波束输出信号；

所述DDR2控制模块用于存储数字信号数据和计算的中间值；

所述正交调制模块用于将时域数字信号转换为复数形式；

所述滤波降采样模块用于信号滤波降采样处理；

所述复相关计算模块用于每一层数据复相关运算处理；

所述低速AD采集模块用于采集纵摇、横摇、温度、压力值；

所述TF卡控制模块用于存储参数、纵横摇、温度、压力以及每一层的流速和回波能量等结果数据；

所述网口控制模块用于将信号数据通过网线上传至上位机；

所述RS422\RS232通讯模块用于系统跟上位机进行通讯。

进一步，所述高速AD采集模块和低速AD采集模块各为4路，所述DA控制模块为2路。

再进一步，所述DDR2存储模块包括AD原始数据缓存区、滤波数据缓存区、复相关计算结果缓存区。

所述滤波降采样模块包括：低通滤波单元，用于信号256阶低通滤波处理；降采样单元，将滤波之后的信号数据进行8降1降采样。

所述复相关计算模块包括：浮点复数相乘单元，用于浮点复数相乘计算；浮点复数累加单元，用于浮点复数累加计算。

本发明的有益效果：本发明能够发射数字脉冲信号，然后实时采集声呐回波信号，快速、精确的计算出水流坡剖面的速度和回波能量，并将结果数据和参数存储在TF卡，同时通过串口将数据传输到上位机进行显示，满足ADCP流速计算实时性、精确性的要求。

附图说明

图1是一种基于FPGA的声学多普勒流速剖面仪信号处理系统结构示意图。

图2是一种基于FPGA的声学多普勒流速剖面仪信号处理方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的技术实现更加明了，下面结合具体示意图，进一 步阐述本发明。

参照图1和图2，一种基于FPGA的声学多普勒流速剖面仪信号处理方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一，系统初始化，上位机设置参数并给出启动信号，系统启动后等待定时器中断，定时时间到进入正式工作流程；

步骤二，FPGA给出一定长度的数字脉冲信号，等到信号发射完毕后开启DA控制前端增益，高速AD电路采集4路波束输出信号，将数字信号传入FPGA内部，数字信号缓存入DDR2存储器；

步骤三，从DDR2存储器中读取波束数字信号数据，做正交基带调制处理，变为复数形式，再做复降采样滤波处理，将得到的复数结果存入DDR2存储器中；

步骤四，从DDR2存储器中读取复降采样滤波之后的数据，计算每一层数据对应的起始点以及层厚对应的点数，对每一层数据做复相关运算；

步骤五，低速AD电路采集纵摇、横摇、温度、压力信号，计算出装置的姿态以及当前环境的温度和压力值，进而计算出当前水体中的声速，然后读取复相关处理后的数据计算每一层的流速和回波能量；

步骤六，将参数、纵横摇、温度、压力以及每一层的流速和回波能量储存在TF卡中，并通过RS422或RS232发送给上位机显示。

一种基于FPGA的声学多普勒剖面仪信号处理系统，所述系统包括数字脉冲信号发射模块、DA输出模块、高速AD采集模块、DDR2存储模块、正交调制模块、滤波降采样模块、复相关计算模块、低速AD采集模块、TF卡控制模块、网口控制模块以及RS422\RS232通讯模块，其中，

所述数字脉冲信号发射模块用于输出两路反向编码脉冲信号，供 外部电源板使用来驱动声波换能器；所述DA输出模块用于输出两路电压信号，供外部模拟电路板使用来调节输入信号的增益；所述高速AD采集模块用于采集波束输出信号；所述DDR2控制模块用于存储数字信号数据和计算的中间值；所述正交调制模块用于将时域数字信号转换为复数形式；所述滤波降采样模块用于信号滤波降采样处理；所述复相关计算模块用于每一层数据复相关运算处理；所述低速AD采集模块用于采集纵摇、横摇、温度、压力值；所述TF卡控制模块用于存储参数、纵横摇、温度、压力以及每一层的流速和回波能量等结果数据；所述网口控制模块用于将信号数据通过网线上传至上位机；所述RS422\RS232通讯模块用于系统跟上位机进行通讯。

所述数字脉冲信号发射模块，与所述DA输出模块相连接；

所述DA输出模块，与所述数字脉冲信号发射模块和高速AD采集模块相连接；

所述高速AD采集模块，与所述DA输出模块、DDR2存储模块和正交调制模块相连接；

所述DDR2存储控制模块，与所述高速AD采集模块、正交调制模块、滤波降采样模块、复相关计算模块相连接；

所述正交调制模块，与所述高速AD采集模块、DDR2控制模块、滤波降采样模块相连接；

所述滤波降采样模块，与所述正交调制模块、DDR2控制模块、复相关计算模块相连接；

所述复相关计算模块，与所述DDR2控制模块、滤波降采样模块相连接；

所述低速AD采集模块，与所述复相关计算模块、速度能量计算模块相连接；

所述速度能量计算模块，与所述低速AD采集模块、TF卡控制模 块相连接；

所述TF卡控制模块，与所述速度能量计算模块、网口控制模块、RS422\RS232通讯模块相连接；

所述网口控制模块，与所述TF卡控制模块相连接；

所述RS422\RS232通讯模块，与所述TF卡控制模块相连接。

进一步，所述高速AD采集模块和低速AD采集模块各为4路，所述DA控制模块为2路。

再进一步，所述DDR2存储模块包括AD原始数据缓存区、滤波数据缓存区、复相关计算结果缓存区。

所述滤波降采样模块包括：低通滤波单元，用于信号256阶低通滤波处理；降采样单元，将滤波之后的信号数据进行8降1降采样。

所述复相关计算模块包括：浮点复数相乘单元，用于浮点复数相乘计算；浮点复数累加单元，用于浮点复数累加计算。

图1是本发明的一种基于FPGA的声学多普勒流速剖面仪信号处理系统的结构示意图。一种基于FPGA的声学多普勒流速剖面仪信号处理系统，包括数字脉冲信号发射模块、DA输出模块、高速AD采集模块、DDR2存储模块、正交调制模块、滤波降采样模块、复相关计算模块、低速AD采集模块、TF卡控制模块、网口控制模块以及RS422\RS232通讯模块。数字脉冲信号发射模块，与DA输出模块相连接；DA输出模块，与数字脉冲信号发射模块和高速AD采集模块相连接；高速AD采集模块，与DA输出模块、DDR2存储模块和正交调制模块相连接；DDR2存储控制模块，与高速AD采集模块、正交调制模块、滤波降采样模块、复相关计算模块相连接；正交调制模块，与高速AD采集模块、DDR2控制模块、滤波降采样模块相连接；滤波降采样模块，与正交调制模块、DDR2控制模块、复相关计算模块相连接；复相关计算模块，与DDR2控制模块、滤波降采样模块相 连接；低速AD采集模块，与复相关计算模块、速度能量计算模块相连接；速度能量计算模块，与低速AD采集模块、TF卡控制模块相连接；TF卡控制模块，与速度能量计算模块、网口控制模块、RS422\RS232通讯模块相连接；网口控制模块，与TF卡控制模块相连接；RS422\RS232通讯模块，与TF卡控制模块相连接；数字脉冲信号发射模块用于输出两路反向编码脉冲信号，供外部电源板使用来驱动声波换能器；DA输出模块用于输出两路电压信号，供外部模拟电路板使用来调节输入信号的增益；高速AD采集模块用于采集波束输出信号；DDR2控制模块用于存储数字信号数据和计算的中间值；正交调制模块用于将时域数字信号转换为复数形式；滤波降采样模块用于信号滤波降采样处理；复相关计算模块用于每一层数据复相关运算处理；低速AD采集模块用于采集纵摇、横摇、温度、压力值；TF卡控制模块用于存储参数、纵横摇、温度、压力以及每一层的流速和回波能量等结果数据；网口控制模块用于将信号数据通过网线上传至上位机；RS422\RS232通讯模块用于系统跟上位机进行通讯。

优选的，所述高速AD采集模块和低速AD采集模块各为4路，所述DA控制模块为2路；

图2是本发明的一种基于FPGA的声学多普勒流速剖面仪信号处理方法流程图，包括如下步骤：

步骤一，系统初始化，上位机设置参数并给出启动信号。系统启动后等待定时器中断，定时时间到进入正式工作流程；

本实施例中，上位机设置的参数包括时间、层厚、层数、工作周期、每一集合工作次数。

步骤二，FPGA给出一定长度的数字脉冲信号，等到信号发射完毕后开启DA控制前端增益，高速AD电路采集4路波束输出信号，将数字信号传入FPGA内部，数字信号缓存入DDR2存储器；

本实施例中，脉冲信号长度根据设置的层厚计算得到。高速AD采集的4路波束输出信号前两路为测流信号，后两路一路测高，一路备用。DA可输出两路电压，分别控制前两路波束输出信号和后两路波束输出信号的增益。

步骤三，从DDR2存储器中读取波束数字信号数据，做正交基带调制处理，变为复数形式，再做复降采样滤波处理，将得到的复数结果存入DDR2存储器中；

首先复降采样滤波模块包括低通滤波单元和降采样单元；

进一步地，低通滤波单元将信号进行256阶低通滤波处理；

进一步地，降采样单元将滤波之后的信号数据进行8降1降采样。

步骤四，从DDR2存储器中读取复降采样滤波之后的数据，计算每一层数据对应的起始点以及层厚对应的点数，对每一层数据做复相关运算；

复相关计算模块包括浮点复数相乘单元和浮点复数累加单元。浮点复数相乘单元用于浮点复数相乘计算；浮点复数累加单元用于浮点复数累加计算。

本实施例中，复相关计算运算量大，采用硬件模块计算，处理时间短，满足系统快速计算的要求。

步骤五，低速AD电路采集纵摇、横摇、温度、压力信号，计算出装置的姿态以及当前环境的温度和压力值，进而计算出当前水体中的声速，然后读取复相关处理后的数据计算每一层的流速和回波能量；

本实施例中，因为不同环境水中声速是不一样的，所以低速AD模块通过4路低速AD电路采集得到系统的纵摇、横摇、温度、压力信号，进而计算实际的声速。

步骤六，将参数、纵横摇、温度、压力以及每一层的流速和回波能量储存在TF卡中，并通过RS422或RS232发送给上位机显示。

上述实施方式为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的修改、替代、组合、裁剪，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于FPGA的声学多普勒流速剖面仪信号处理方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤一，系统初始化，上位机设置参数并给出启动信号，系统启动后等待定时器中断，定时时间到进入正式工作流程；

步骤二，FPGA给出一定长度的数字脉冲信号，等到信号发射完毕后开启DA输出模块控制前端增益，高速AD电路采集4路波束输出信号，将数字信号传入FPGA内部，数字信号缓存入DDR2存储器；

步骤三，从DDR2存储器中读取波束数字信号数据，做正交基带调制处理，变为复数形式，再做复降采样滤波处理，将得到的复数结果存入DDR2存储器中；

步骤四，从DDR2存储器中读取复降采样滤波之后的数据，计算每一层数据对应的起始点以及层厚对应的点数，对每一层数据做复相关运算；

步骤五，低速AD电路采集纵摇、横摇、温度、压力信号，计算出声学多普勒流速剖面仪的姿态以及当前环境的温度和压力值，进而计算出当前水体中的声速，然后读取复相关处理后的数据计算每一层的流速和回波能量；

步骤六，将参数、纵摇、横摇、温度、压力以及每一层的流速和回波能量储存在TF卡中，并通过RS422/ RS232通讯模块发送给上位机显示。

2.一种用于实现如权利要求1所述的基于FPGA的声学多普勒流速剖面仪信号处理方法的系统，其特征在于：所述系统包括数字脉冲信号发射模块、DA输出模块、高速AD电路、DDR2存储器、正交调制模块、滤波降采样模块、复相关计算模块、低速AD电路、TF卡控制模块、网口控制模块以及RS422/ RS232通讯模块；其中，

所述数字脉冲信号发射模块用于输出两路反向编码脉冲信号，供外部电源板使用来驱动声波换能器；

所述DA输出模块用于输出两路电压信号，供外部模拟电路板使用来调节输入信号的增益；

所述高速AD电路用于采集波束输出信号；

所述DDR2存储器用于存储数字信号数据和计算的中间值；

所述正交调制模块用于将时域数字信号转换为复数形式；

所述滤波降采样模块用于信号滤波降采样处理；

所述复相关计算模块用于每一层数据复相关运算处理；

所述低速AD电路用于采集纵摇、横摇、温度、压力值；

所述TF卡控制模块用于存储参数、纵摇、横摇、温度、压力以及每一层的流速和回波能量等结果数据；

所述网口控制模块用于将信号数据通过网线上传至上位机；

所述RS422/ RS232通讯模块用于系统跟上位机进行通讯。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述高速AD电路和低速AD电路各为4路；所述DA输出模块为2路。

4.根据权利要求2或3所述的系统，其特征在于，所述DDR2存储器包括AD原始数据缓存区域、滤波数据缓存区域和复相关计算结果缓存区域。

5.根据权利要求2或3所述的系统，其特征在于，所述滤波降采样模块包括：低通滤波单元，用于信号256阶低通滤波处理；降采样单元，将滤波之后的信号数据进行8降1降采样。

6.根据权利要求2或3所述的系统，其特征在于，所述复相关计算模块包括：浮点复数相乘单元，用于浮点复数相乘计算；浮点复数累加单元，用于浮点复数累加计算。