CN108646046A - 一种基于线阵光纤空间滤波和fpga及mcu的测速系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于线阵光纤空间滤波和FPGA及MCU的测速系统，包括依次相连的成像滤波模块、光电转换模块、信号放大模块、低通滤波模块、A/D转换模块、数据采集及存储模块、数据处理模块和显示模块；成像滤波模块将被测物体的反射光信号调制成周期变化的光信号；光电转换模块将光信号转为电信号；信号放大模块对电信号进行放大；低通滤波模块滤除电信号中的高频信号；A/D转换模块进行模数转换；数据采集及存储模块对数字信号进行采集、存储；数据处理模块提取数字信号的频率特征，并求取被测运动物体的速度；显示模块显示测速结果。本发明系统的分辨率高、测速精度高、结构简单且成本低，具有很好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于激光测速领域，特别是一种基于线阵光纤空间滤波和FPGA及MCU的测速系统。
背景技术
速度的测量在诸多领域如测控、安防和遥感等都具有极为重要的意义，测量的对象包括固态、气态和液态物体，测量的环境也各有不同。传统的测速方法有机械式或者雷达式，但随着光学技术和光电子技术的发展，采用光学方法进行速度测量逐渐得到应用，目前有激光多普勒测速法、图像识别测速法和空间滤波测速法。光学测速法由于其非接触、分辨率高和抗干扰能力强的优点，得到越来越多的应用。
空间滤波原理自从被提出以后就被应用于测速领域，出现了多种采用不同空间滤波器的测速装置。空间滤波测速的基本原理是采用透镜将物体成像到具有周期性的透光元件端面，这个透光元件作为空间滤波器对运动物体的光信号进行滤波，采用光电转换器件将滤波后的光信号转换成电信号，数字化后使用计算机处理，最后得到被测对象的速度值。空间滤波法具有光学和机械结构简单稳定等优点，受到了研究人员越来越多的重视。
FPGA(现场可编程门阵列)被发明以来以其并行处理的优点就被应用数字信号处理，随着FPGA设计水平和运算能力的提升，同时集成了多种软核，这种应用也变得越来越广。将FPGA和MCU结合起来处理信号可以充分发挥二者的优点，将FPGA用于需要大量快速运算的场景，MCU用于顺序逻辑和简单运算，二者通过总线相连，可以完成信号的快速处理。
传统的基于空间滤波原理的测速系统多使用光栅进行滤波，光能量损失较多，导致光电转换器件产生的信号强度低，因此测速系统信噪比低，分辨率不高，且使用只有顺序处理能力的计算机处理信号，速度较慢，测速效率低。因此研究一种获取信号强度高、分辨率高的测速系统具有重要的意义。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种基于线阵光纤空间滤波和FPGA及MCU的测速系统。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于线阵光纤空间滤波和FPGA及MCU的测速系统，包括依次相连的成像滤波模块、光电转换模块、信号放大模块、低通滤波模块、A/D转换模块、数据采集及存储模块、数据处理模块和显示模块；
所述成像滤波模块，用于将被测运动物体的反射光信号调制成周期变化的光信号；
所述光电转换模块，用于将成像滤波模块调制后的光信号转换为电信号；
所述信号放大模块，用于将光电转换模块输出的电信号进行放大直至达到A/D转换模块所需的电压；
所述低通滤波模块，用于滤除信号放大模块放大之后的电信号中的高频信号；
所述A/D转换模块，用于将模拟信号转换为数字信号；
所述数据采集及存储模块，用于对A/D转换模块转换后的数字信号进行采集、存储，并用于匹配A/D转换模块与数据处理模块的处理速度；
所述数据处理模块，用于提取数据采集及存储模块中数字信号的频率特征，并根据频率特征求取被测运动物体的速度；
所述显示模块，用于显示测速结果。
本发明与现有技术相比，其显著优点：1)本发明使用线阵光纤作为空间滤波器，获得的信号强度高；2)本发明通过结合FPGA和MCU，能够完成信号的快速处理，提高了测速的效率；3)本发明的系统分辨率高、测速精度高、成本低。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明基于线阵光纤空间滤波和FPGA及MCU的测速系统组成示意图。
图2为本发明A/D转换模块工作示意图。
图3为本发明数据采集及存储模块工作示意图。
图4为本发明数据处理模块工作示意图。
图5为本发明显示模块工作示意图。
具体实施方式
结合图1，本发明一种基于线阵光纤空间滤波和FPGA及MCU的测速系统，包括依次相连的成像滤波模块、光电转换模块、信号放大模块、低通滤波模块、A/D转换模块、数据采集及存储模块、数据处理模块和显示模块。
成像滤波模块，用于将被测运动物体的反射光信号调制成周期变化的光信号。
光电转换模块，用于将成像滤波模块调制后的光信号转换为电信号。
信号放大模块，用于将光电转换模块输出的电信号进行放大直至达到A/D转换模块所需的电压。
低通滤波模块，用于滤除信号放大模块放大之后的电信号中的高频信号。
A/D转换模块，用于将模拟信号转换为数字信号。
数据采集及存储模块，用于对A/D转换模块转换后的数字信号进行采集、存储，并用于匹配A/D转换模块与数据处理模块的处理速度。
数据处理模块，用于提取数据采集及存储模块中数字信号的频率特征，并根据频率特征求取被测运动物体的速度。
显示模块，用于显示测速结果。
进一步地，成像滤波模块包括透镜、线阵光纤。
进一步地，成像滤波模块，用于将被测运动物体的反射光信号调制成周期变化的光信号具体为：透镜将被测运动物体的反射光成像至线阵光纤的端面，线阵光纤对反射光信号进行空间滤波，将反射光信号调制成周期变化的光信号。
进一步地，光电转换模块具体采用的是PIN光电二极管。
进一步地，信号放大模块具体采用的是两级运算放大器。
进一步地，低通滤波模块具体采用的是二阶有源低通滤波器。
进一步地，A/D转换模块具体采用的是10位A/D转换芯片。
进一步地，数据采集及存储模块、数据处理模块均采用FPGA。
进一步地，数据处理模块，用于提取数据采集及存储模块中数字信号的频率特征具体为：FPGA内置的IP核对数据采集及存储模块中数字信号进行快速傅里叶变换，进而提取数字信号的频率特征。
进一步地，显示模块包括MCU和LCD，其中MCU用于完成可视化转换并将测速结果显示于LCD上。
结合图2，A/D转换模块的工作过程为：FPGA产生A/D转换芯片的控制信号，包括时钟信号和片选信号。在A/D转换芯片完成一次模数转换后，FPGA读取模数转换后的信号。
结合图3，数据采集及存储模块的工作过程为：首先在FPGA中生成一个FIFO核，外部控制代码主要产生FIFO的写控制信号和读控制信号。在完成一次模数转换后，写信号有效，将一组数据存入FIFO。当完成1024次模数转换后，读信号有效，FIFO输出之前存入的数据。
结合图4，数据处理模块的工作过程为：在FPGA中生成一个FFT核，外部控制代码主要产生数据读入控制信号和FFT开始信号。当前一级FIFO存满时，输入控制信号在第一组数据输入时产生高电平，同时接收FIFO输出的数据。数据接收完成后，输入控制信号在最后一组数据产生高电平。数据接收完成后，FFT开始信号为高电平，开始对数据进行快速傅里叶变换。经过1024个时钟周期后完成快速傅里叶变换，得到频率值，之后根据计算得到速度值v0，其中f0为上述获得的频率值中的主频，p为单根光纤的直径，M为透镜的放大倍数。
结合图5，显示模块的工作过程为：当FFT完成一次速度计算后，将速度值传送给MCU，MCU控制LCD显示屏将求得的速度值v0显示。
实施例
结合图1，本发明一种基于线阵光纤空间滤波和FPGA及MCU的测速系统，包括依次相连的成像滤波模块、光电转换模块、信号放大模块、低通滤波模块、A/D转换模块、数据采集及存储模块、数据处理模块和显示模块。实施例所测的运动物体为电机带动的传送带，其运动速度为0.8m/s；透镜焦距为15cm；光纤直径为125um；信号放大模块放大倍数为3E8；A/D转换芯片为TLC1549，其采样速率为38KHz；FPGA的型号为Altera公司的EP4CE6E22C8；MCU的型号为STC89C52，显示屏为LCD12864。测速过程包括以下内容：
(1)成像滤波模块将电机带动的传送带成像到线阵光纤的一个端面，同时将运动的电机带动的传送带的反射光信号调制成周期变化的光强信号，由线阵光纤的另一个端面出射。
(2)光电转换模块接收线阵光纤出射的光信号，并将光信号转换成电信号。
(3)信号放大模块对电信号进行两级放大，将光电转换模块产生的微弱电信号放大到适合TLC1549芯片的电压。TLC1549芯片的工作电压范围是0～3.3V，经过放大后的电信号电压在3V左右，符合要求。
(4)A/D转换模块中10位的TLC1549芯片，将模拟信号转换成10位数字信号。
(5)数据采集及存储模块在A/D转换模块完成一次A/D转换后将10位数字信号存储到FPGA中的FIFO里，共存储1024组数据。
(6)数据处理模块在FIFO存满后启动，FIFO向此模块传输存储的1024组数据，传输完成后，过1024个时钟周期后，完成一次快速傅里叶变换(FFT)，得到此次信号的频率特征，提取出主频率后计算得到速度值。
(7)在数据处理模块计算得到速度值后，与MCU通信，将速度值传输给MCU，MCU控制LCD显示屏显示所测得的速度。
根据上述过程对电机带动的传送带进行三次测速实验，测得的速度分别为0.79m/s，0.79m/s，0.81/s，与实际的速度0.8m/s相比，三次测量的误差均为1.25％。
结合上述实施例可知，本发明基于线阵光纤空间滤波和FPGA及MCU的测速系统使用线阵光纤作为空间滤波器，使得获得的信号强度高，进而促使分辨率高、测速精度高，除此之外，整个系统结构简单、成本低，具有广阔的应用前景。
Claims (10)
1.一种基于线阵光纤空间滤波和FPGA及MCU的测速系统，其特征在于，包括依次相连的成像滤波模块、光电转换模块、信号放大模块、低通滤波模块、A/D转换模块、数据采集及存储模块、数据处理模块和显示模块；
所述成像滤波模块，用于将被测运动物体的反射光信号调制成周期变化的光信号；
所述光电转换模块，用于将成像滤波模块调制后的光信号转换为电信号；
所述信号放大模块，用于将光电转换模块输出的电信号进行放大直至达到A/D转换模块所需的电压；
所述低通滤波模块，用于滤除信号放大模块放大之后的电信号中的高频信号；
所述A/D转换模块，用于将模拟信号转换为数字信号；
所述数据采集及存储模块，用于对A/D转换模块转换后的数字信号进行采集、存储，并用于匹配A/D转换模块与数据处理模块的处理速度；
所述数据处理模块，用于提取数据采集及存储模块中数字信号的频率特征，并根据频率特征求取被测运动物体的速度；
所述显示模块，用于显示测速结果。
2.根据权利要求1所述的基于线阵光纤空间滤波和FPGA及MCU的测速系统，其特征在于，所述成像滤波模块包括透镜、线阵光纤。
3.根据权利要求2所述的基于线阵光纤空间滤波和FPGA及MCU的测速系统，其特征在于，所述成像滤波模块，用于将被测运动物体的反射光信号调制成周期变化的光信号具体为：透镜将被测运动物体的反射光成像至线阵光纤的端面，线阵光纤对反射光信号进行空间滤波，将反射光信号调制成周期变化的光信号。
4.根据权利要求1所述的基于线阵光纤空间滤波和FPGA及MCU的测速系统，其特征在于，所述光电转换模块具体采用的是PIN光电二极管。
5.根据权利要求1所述的基于线阵光纤空间滤波和FPGA及MCU的测速系统，其特征在于，所述信号放大模块具体采用的是两级运算放大器。
6.根据权利要求1所述的基于线阵光纤空间滤波和FPGA及MCU的测速系统，其特征在于，所述低通滤波模块具体采用的是二阶有源低通滤波器。
7.根据权利要求1所述的基于线阵光纤空间滤波和FPGA及MCU的测速系统，其特征在于，所述A/D转换模块具体采用的是10位A/D转换芯片。
8.根据权利要求1所述的基于线阵光纤空间滤波和FPGA及MCU的测速系统，其特征在于，所述数据采集及存储模块、数据处理模块均采用FPGA。
9.根据权利要求8所述的基于线阵光纤空间滤波和FPGA及MCU的测速系统，其特征在于，所述数据处理模块，用于提取数据采集及存储模块中数字信号的频率特征具体为：FPGA内置的IP核对数据采集及存储模块中数字信号进行快速傅里叶变换，进而提取数字信号的频率特征。
10.根据权利要求1所述的基于线阵光纤空间滤波和FPGA及MCU的测速系统，其特征在于，所述显示模块包括MCU和LCD，其中MCU用于完成可视化转换并将测速结果显示于LCD上。
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