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二．项目拟定初步方案介绍

1.项目开发整体方案框图介绍

图1 超声波发射与接收电路

图2 瓶体材质分类与瓶厚检测部分

1.1 超声波发射与接收电路，如图1所示：

• 发射电路

发射电路产生能激发超声波超声波传感器的高压（300伏以上）尖峰脉冲信号。脉冲发生器的输入信号由FPGA产生。本方案采用的是非谐振式发射电路，如图3所示：

> 图3 发射电路

非谐振式发射电路的工作原理是：当闸流管（或可控硅）导通时，电容C放电，产生一短脉冲，激励探头中的压电陶瓷镜片使其发射超声脉冲。在设计中，需要考虑脉冲信号的厚度，即一次连续发射脉冲的数量，对测量仪的精度有着重要影响。厚度越大，发射功率越大，发射波的拖尾信号越大，相应的测量盲区越大。反之测量盲区越小。但是发射功率小时，回波信号不明显，同样影响检测结果。

• 接收电路

超声波探头接收到的回波信号幅值非常小，背景噪声较为严重时，可能出现号的幅度几乎与噪声的幅度相当，甚至淹没在噪声中的情形。如果不采取有效的信号提取技术去抑制干扰的影响，测量就无法进行。要保证测量的成功，就必须合适的手段来增强信号和消除噪声的影响。该接收电路由放大电路（三级），检波电路，比较电路等组成，如图4所示：

图4 接收放大电路

在单探头测后时，发射接收探头集成在一起，很高的发射电压直接加到接收电路的输入端，为了保证运放的正常工作，并且，较高电压使镜片产生穿透力更强的超声信号。在运放前端加两个二极管D1,D2组成钳位电路，使传感器激发时的瞬变信号经过D1，D2的组成的钳位电路被限制在±0.7V,是输入到预案算放大器的高压信号得到钳位，对于微小信号，因为a点电位与b点电位间差值很小，开关二极管被截止微信号直接输入到运算放大器中，使运算放大器的输入被限幅，起到保护运放的作用。

1.2 瓶体材质分类与瓶厚检测部分，如图2所示：

• 信号去噪功能块，它主要用于收发信号的去噪处理。主要包括两个64阶低通滤波器模块，其实现我们采用改进的DA算法。
• 谱分析功能块，它主要用于完成对于接收探头信号的傅里叶谱分析。主要包括FFT模块，其实现方式我们调用FFT IP Core。
• 延时测定功能块，它主要利用信号的自相关去测定收发信号的延时情况。引用自相关算法较利用MCU提取延时信息相比，具有提取延时准确的特点。主要包括卷积模块，门限比较模块。
• 衰减测定功能块，它主要测定了收发信号的幅度衰减状况。主要包括幅度提取模块，定时信息控制模块，除法器模块。
• 瓶体分类功能块，它的应用目的是通过离线式学习，建立一种可以分辨三种瓶体材质（陶瓷，玻璃，塑料）的分类系统。主要包括人工神经网络模块，判决电路模块。
• 瓶体厚度计算功能块，它需要红外温度传感器的温度值和瓶体材质分类的结果作为先验条件，然后利用厚度计算的相关公式计算出瓶体的厚度。主要包括厚度计算模块。
• 系统主控功能块，它完成整个系统对于外设的时序控制工作。主要包括2个A/D控制，红外温度传感器控制，LCD控制，超声波主控逻辑控制。

关键词： 超声波 瓶体厚度检测 FPGA 人工神经网络算法