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摘 要

目前在超声波测速技术中，通常采用频差法进行测速，以多普勒效应作为研究理论依据，通过对频差的计算从而得到物体运动的速度。超声测速与激光测速相比，性价比更高，在近距离实时测速方面有一定的应用前景。

本文以超声多普勒测速系统设计为课题背景，论述了超声多普勒测速的原理及应用前景。本设计由2个部分组成，一是硬件电路的设计，二是相关程序的设计。硬件部分以STM32和CPLD作为核心。硬件电路是由超声波发射电路、接收电路以及STM32外围电路组成，超声波换能器的发射电路主要设计了连续正弦波产生电路、功率放大电路。由CPLD和AD9754组成的电路产生连续的正弦波信号，该信号经过推挽式功率放大电路之后，让其驱动超声波换能器。超声波接收电路主要由信号接收放大电路、带通滤波电路、混频电路、低通滤波电路和A/D采样电路构成。超声波换能器接收到的回波信号，经接收放大和带通滤波之后，将该回波信号和原始信号进行混频处理，混频得到的两个频率，一路是原始信号的频率之和，另一路则是原始信号的频率之差。根据多普勒频移公式，我们要得到频率之差，所以要再经过一个低通滤波电路，滤除高频信号。最后通过FFT处理和A/D转换，可以得出物体运动速度。软件部分包括DDS子程序、A/D转换子程序、FFT子程序、速度采集程序和TFT液晶显示程序 。简而言之，以STM32单片机为核心设计的数据采集系统，通过传感器将模拟信号转换成电信号后，再经过信号调理、采样、量化、编码等步骤，最后送到控制器进行数据的处理、分析、存储和显示。

关键词：STM32f103芯片； 多普勒效应； 混频； A/D转换； CPLD器件

Ultrasonic Doppler Velocity Measurement System Design

Abstract

Currently in ultrasound velocity measurement technique, commonly using frequency difference methods to study the speed. Doppler effects as the theoretical basis for the calculation of the frequency difference obtained by the speed of moving objects. Compared with laser instruments, there is a theoretical value and close to real-time applications in terms of ultrasound velocity measurement.

Doppler velocity measurement system is our subject background, discussing the principle of Doppler velocity measurement and application prospects. The design consists of three parts, hardware design, preparation of writing related program and display results. I complete the design of STM32F103 peripheral circuits, the sinusoidal signal generated by a fixed frequency CPLD_DDS as a signal source ,connected to the ultrasonic transducer to convert acoustic signals to electrical signals, and then use its power transformer amplification. By designing the band-pass filter circuit, then the original signal and the reflected signal reception processing mixer circuit for mixing them, finally we get two frequencies, the sum of their frequency and subtraction of them. According to Doppler frequency, we should use an allow-pass filter circuit to obtain the difference frequency ,finally the FFT and A / D conversion circuit can calculate the velocity of the object. Software design, we write the signal generator software programs.STM32 micro controller is the core of data acquisition system, the sensor signals are converted into analog electrical signals, and then through the signal conditioning, sampling, quantization, coding and transmission step, and finally to the data controller processing, analysis, storage and display.

Keywords: STM32F103 chip ; Doppler effect ; frequency mix; A/D change; CPLD

目 录

摘　要 I

Abstract II

目 录 III

第一章 绪 论 1

1.1 概述 1

1.2 超声波测速 1

1.3 STM32发展现状 2

1.4 本文主要工作 4

第二章 超声波测速系统硬件电路设计 5

2.1系统总体设计方案 5

2.2 信号源产生电路 6

2.3 功率放大电路 9

2.4 接收放大电路 9

2.5 带通滤波电路 10

2.6 混频电路 11

2.7 低通滤波电路 11

2.8 JTAG电路 12

2.9 A/D转换电路 13

第三章 超声波测速系统软件设计 14

3.1 信号发生器程序框图 14

3.2 CPLD程序设计 14

3.3 初始化程序 16

3.3.1时钟定义 16

3.3.2初始化堆栈 16

3.4 定时中断服务程序 17

3.4.1定时器相关参数设置 17

3.4.2中断控制器配置 18

3.4.3定时器1输5通道入捕获配置 18

3.5 A/D程序 19

3.6显示程序 20

3.6.1LCD引脚配置 20

3.6.2显示字符 21

结语 22

参考文献 23

致谢 24

附录1：主要硬件电路原理图 25

附录2：主要程序 27

第一章 绪 论

1.1 概述

很多速度测量场合都会用到多普勒效应，虽然激光具有强度很高、频率单一、抗干扰能力强等等优良性质，但是以激光作为波源的测速装置普遍较贵，导致在实际的应用中受限。

1842年，奥地利物理学家及数学家克里斯琴·约翰·多普勒（Christian Johann Doppler）首先提出了多普勒效应^[1]。它的主要内容是：随着波源和观测者的相对运动，物体辐射的波长也会发生变化。在运动的波源前面，由于波被压缩，波长会变得较短，而频率则会变得较高 （蓝移）；相反，在运动的波源后面，波长会变得较长，而频率则会变得较低 （红移）。波源的速度越高，它能产生的效应也越大。根据波红移或者蓝移的程度，也就是波的频差，我们就可以计算出运动物体的速度，这就是本文测速的理论依据。

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