基于cpld的超声探测器发射控制电路设计.docx
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基于cpld的超声探测器发射控制电路设计
1绪论
1.1背景及意义
水下超声波探测器最早在军事上得到运用，水下超声探测是利用超声波探测水中目标，主要运用在鱼雷，水下炸弹、深弹等领域，若能够自动搜索、定位、并跟踪目标,为引信发火控制系统提供更多信息,则将对提高水中武器弹药或战斗部的毁伤能力起很大作用。
近些年各个国家的海军纷纷调整战略核心,将近海作为各自的重要领地,不断加重武器在浅海作战性能的要求,随着高技术的迅速发展,促使潜艇等在机动性、防护性等方面得到迅猛发展,因此对深弹探测目标的可靠性、有效射程、及爆炸威力等方面提出了更高的要求。
其中,对目标的可靠探测更是离不开深弹引信的发展,而目前我国现役深弹引信功能单一,只有触发、电子延期两种作用方式,反潜能力有限。
因此，导弹水下目标的超声波检测器，用于现代引信技术提高作业效率，深水炸弹，巩固我国沿海防御的意义是非常重要的。
在水中超声探测中，根据仿生学，探测信号一般由常频（CW）信号和调频（FM）信号组成。
CW信号是用来发现目标，FM信号用于目标定位的精细结构，目标识别。
水下深弹能够准确的识别、以及打击目标，首先要解决的问题是怎样识别目标，为此，安装在弹头上的水下探测器能够产生常频信号（CW），当有目标回波信号时，立即自动切换发射调频信号（FM），系统进入目标跟踪、攻击阶段。
实现这项信号转换功能的还需要控制电路的参与，与此同时，目前在信号转换技术上，大部分的厂商采取专用集成电路，显然这种芯片的开发成本相比其它的方法成本较高，另外自主研发的芯片在性能上与专用芯片的相差甚远，为此本文将采用先进的复杂可编程逻辑器件CPLD，高性能、低成本来实现此功能。
ComplexPLD的缩写可以写成CPLD。
它是一个相比于PLD器件更加强大的逻辑编辑器件。
它的组成是经过很多的逻辑方块想结合构成。
对于组成它的这些方块其实就相当于单个的PLD。
可以通过根据每一独立的逻辑方块中和其他的独立方块的关系来相结合为完整的逻辑电路。
所以复杂可编程逻辑器件具有很强的时序控制能力和逻辑组合能力,利用根据它的这些特点应用于超声探测发射控制电路设计的研究,不仅仅可以完成提高整个系统的集成度的任务。
也可以达到其他的优点，比如提高了精确度和可靠性还可以削减制作的费用。
1.2相关的技术研究
平常说的调制技术是的方法是将基带信号转变为传输信号。
而所谓的调制就是通过使用基带信号来智能调整控制载波的相关参数。
让这些该参数根据基带信号的顺序进行对应的调整。
正弦信号作为载波调制的连续波（CW），连续不断的波的简称，但这并不意味着信号的连续发射，但指的是频率和振幅。
对于FM的频率以及AM的振辐相对与时间变化而变化的方法不一样。
调制信号是超宽带信号的一种主要实现形式，不同的调制方式导致信号的产生方式各不同，也是最早、应用最广泛的脉冲压缩信号，它的突出优点是匹配滤波器对回波信号的多普勒不敏感，及时回波信号有较大的多普勒频移，原来的匹配滤波器仍能够起到脉冲压缩的作用，简化了信号处理系统。
核心是CPLD的这样的计数检波器件，可以辨别出信号的频率。
使用这样的器件就可以满足检波还有滤波这样的两个方面效果。
相比与以前的二极管包络检波器它的功能更加优越，弥补了以前的不足；由于CPLD包括了在线编程功能这个优势，所以能够通过改变VHDL程序来对CPLD再次配置，让计数检波判别电路包含有些柔性以及可升级性能，能够适时的改变检波输出。
计数检波器是在控制电路中的CPLD的基础上实现的，即和部分控制电路集成在一块芯片上，减少了元器件的数量，提高了电路的可靠性和抗干扰能力。
1.3本文的主要研究内容
本文主要研究超声波的发射控制电路和计数检波判别电路，对于CW信号的发射电路采用AT89C52单片机芯片控制晶振芯片产生，然后通过带通滤波电路，经过超声波发射头发射出去，搜索目标，当信号触碰到目标物体时产生回波信号，回波信号通过超声波接收头接收信号，再通过接收机阻抗匹配，将信号输入到两级放器进行放大，将放大后的信号再经过带通滤波电路、增益控制电路、整形电路等一系列电路后，以CPLD（EPM7128SLC84-15）芯片的输入为依据，根据超声波检测系统的总体要求，进行基于CPLD的计数检测判决电路的设计，用于判别多普勒频偏信号并产生控制信号，控制是否继续发射探测信号。
2超声探测发射控制电路总体方案
水下超声探测是通过接收所发射的超声信号的回波信号来判断目标的有无，及目标的方位、距离和移动目标的速度等。
由仿生学原理，根据目标的有无需发射不同的信号，即CW波或FM波，所以在电路上需要对回波信号进行判断，并根据判断的结果控制发射何种信号。
2.1发射控制电路结构
本课题主要是把设计好的关于CW信号发射的程序写在AT89C52单片机中以及关于是否发射FM信号的VHDL程序写在CPLD芯片中，并通过LED灯的状态（亮或不亮）来显示是否成功实现对FM信号的控制功能，并且设计用一个稳压电路来驱动的方案，并进行论证。
本次课题的设计内容主要分为以下三个部分：
第一部分：
发射控制电路的硬件设计。
包括设计方案的思路构想与选择，电路设计的可行性，元器件的选择等问题，本课题的硬件电路分为两大块，一是单片机芯片控制的常频（CW）信号发射电路，其中包括单片机芯片电路和带通滤波电路；二是以CPLD芯片控制的计数检波判别电路，其中包括接收机阻抗匹配电路、两级放大电路、带通滤波电路、增益控制电路、整形电路和CPLD芯片电路，还有几个小电路，如电压转换电路和LED指示灯电路。
第二部分：
发射控制电路的软件设计。
本次课题CW信号发射部分程序是利用C语言进行编写的，在AT89C52芯片特性的基础上进行编写的，而在计数检波判别电路中，是利用VHDL语言进行FM信号控制的程序编写，主要构思是模块化和自上而下，这样能够提高程序的准确性，能够方便的检查错误，而且可以经过后续查阅相关的书籍和资料，添加或删除一些程序，使其达到了本次毕业设计的技术要求，然后才能更好的进行下一步的调试工作了。
第三部分：
实验验证。
实验验证相对复杂，特别是针对一些最为关键性的子模块电路，例如基于AT89C52单片机芯片特性的控制CW信号发射电路，单片机芯片电路和带通滤波电路，接收机阻抗匹配电路、两级放大电路、滤波电路、增益控制电路与整形电路、CPLD芯片电路等，调试的过程中主要分为硬件调试，软件调试和实物调试，硬件的调试主要检查设已经设计好的电路是否存在问题，软件的调试主要是针对程序是否有不足或是否能达到相关的技术要求和应该要实现的功能，然后进行实物的调试。
在调试过程中有三点调试步骤需要牢记，它们的实现程度决定了本次课题设计的成败，第一，检查接通电源时元器件能否正常运行，第二，能否实现课题的要求，第三，思考本课题能否更进一步的完善
2.2发射控制电路方案
发射控制电路由CW信号发射电路和计数检波判别电路组成。
2.2.1CW信号发射电路方案
方案一：
传统的方法，即模拟方法，模拟方法又分为有源法和无源法，有源法一般被称为直接合成法,通过给电压控制压控振荡器（VCO）施加按一定规律变化的锯齿电压来产生发射信号,其原理如图2.1所示。
此方法相对简单,但是稳定性不高,相位噪声较高,产生的信号频率存在温度漂移。
同步信号
图2.1有源法原理框图
无源法利用窄脉冲激励产生特定信号,因为其具有特定延时特性的网络，原理如下。
就是对于随意的全部单独信号都能够通过单独的样式差不多的、而且包含零相位频谱的信号来生成。
这样的信号通常都要经过包含可以配合的相频特性全通网络来生成。
这种方法的关键是要设计一个群延时网络,而此网络要与所要求的相频特性一致，无源法原理框图如图2.2所示。
发射信号输出
图2.2无源法原理框图
方案二：
采用单片机芯片AT89C52与滤波电路结合的方法产生CW信号，利用单片机产生方波，经过滤波电路使其变成一个正弦波，将正弦波信号调制成课题所要求的脉宽的CW脉冲信号，之后经过隔离级电路，能够减少后级对CW脉冲信号产生电路的影响。
CW脉冲信号产生电路图2.3显示。
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图2.3CW信号产生电路框图
虽然模拟法己经发展的相对成熟,可是在实际应用中还存在很多问题和不足,比如模拟法采用很多非线性器件,电路结构非常复杂,产生成信号中存在较多杂波分量,频谱纯度低,而且在抗干扰性能方面也存在固有的缺陷。
另外,产生信号频率分辨率低、精度低、信号形式单一,产生复杂信号困难。
所以在产生CW信号的方案中，我选择了方案二，因为本课题主要的研究对象是计数检波电路的设计，没有对CW信号有参数的要求，所以在产生CW信号的电路中去掉了模拟开关和隔离级两部分。
2.2.2计数检波电路方案
方案一：
利用包络检波，常用的方法是传统二极管包络检波，其电路工作电路采用的核心元件是二极管。
通过使用二极管以及电阻和电容还有电感这样的元件进行必要的连接就可以从调制信号当中解调出需要的低频信号。
包络检波的原理图如图2.4可以看出。
低通滤波
图2.4包络检波的原理框图
方案二：
CPLD是近几年来应用很广泛的元件,它具有广泛优点，比如能够精确的判断信号的延时多少，并且能够全硬件状态下进行需要的工作。
而且不需要担心使用的时候再上电之前需要进行复位操作的问题。
还有许多其他的优点，比如说它的运行速度特别的快而且它的可靠性能也很高。
通过使用这样的原件就可以高质量高速度的实现系统的集成。
在水中声探测仪中心控制电路的基础上,通过简单的改变VHDL程序,这样就不需要再变动或者是增添别的硬件电路，就可以完成计数检波器的功能。
如图2.5所示是基于CPLD地计数检波器的原理图。
Putin
图2.5基于CPLD的计数检波器原理框图
由于多普勒信号内部包括地脉冲数量相对来说比较少，所以对于检波器的功能需要也相对比较高，首先他要包括很大的抗干扰的能力而且它的检波线性能一定要优越，含有相对较少的死区，对于惰性失真的要求也很高，必须控制在很小的范围之内。
虽然在信号处理电路中采取了诸如限幅、滤波措施，但是仍然难以避免来自检波器的输入端的输入干扰信号。
传统的二极管包络检波电路不能达到以上要求，所以我选择方案二即利用CPLD芯片来设计和实现新型计数检波器。
2.3发射控制电路方案确定
根据上述方案的分析，确定发射控制电路的设计方案由CW信号发射部分和基于CPLD的计数检波控制部分组成。
2.3.1CW信号发射部分
AT89C52单片机：
它是低电压、高性能互补金属氧化物半导体8位单片机，属于AT89C51芯片的增强型，AT89C52单片机凭借着其强大的功能，应用于在各种控制领域中得到广泛的应用。
具有以下几个特性：
（1）片内含8KB的Flash程序存储器，可擦写1000次；
（2）片内内含256字节的RAM数据存储器；
（3）具有32根可编程的输入输出口线；
（4）具有3个可编程定时器；
（5）串行口是具有一个全双工的可编程串行通信口；
（6）具有一个数据指针DPTR；
（7）低功耗工作模式、空闲模式和掉电模式；
（8）有一个可编程的3级程序锁定位；
（9）最高工作频率为24MHz。
带通滤波器简介：
是指能通过某一频率范围内的频率分量、并将其他范围的频率分量衰减到极低水平的滤波器，和带阻滤波器不同。
有许多方法来实现带通滤波功能，可以使用该芯片的电路实现，但比较复杂，可以使用一个低通滤波器和高通滤波器的组合产生，也可以用简单的元器件的组合来实现滤波的功能，比如用电阻-电感-电容组合而成的电路就可以实现带通滤波器的功能。
在本设计中，就是采用了这种方法。
C语言是高级语言，具有可移植性，能够结构化进行编写程序，只是在芯片上C语言进行稍微的修改就可以了，而且相比汇编语言，其语言程序比较容易读懂。
C语言编写程序具有结构清晰、移植性好、容易修改和调试等优点。
因此采用C语言编写。
采用单片机芯片AT89C52与滤波电路结合的方法，利用单片机产生方波，经过滤波电路，并通过模拟开关电路，把它变为一个正弦波，将正弦波调制成符合课题所需要的脉宽的CW脉冲信号，之后经过隔离级电路，能够削减后面电路对连续脉冲信号产生的影响，将信号通过超声波发射头发射出去。
2.3.2基于CPLD的计数检波控制部分
EPM7128SLC84-15芯片简介：
它以第二代矩阵结构为基础，是采用互补金属氧化物半导体工艺并基于高性能电可擦可编程只读存储器结构的CPLD芯片，完全符合由联合测试行为组织规定的边界扫描标准。
该芯片支持多种不同的电压口，引脚之间的逻辑时延最短可为5纳秒，最高计数频率可达到174.4MHz，而且可以运用多种编程方式进行编写，并且可以利用软件QuartusⅡ方便地来仿真、综合和下载。
其具有以下几个特性：
（1）具有84个管脚，其中5根为ISP下载，方便系统的编程。
（2）具有6000个门，为其中包含2500个典型可用门；
（3）有8个逻辑阵列块，有128个宏单元；
（4）每一个宏单元都有独立的可编程电源控制；
（5）有60个可用的I/O端口，可以单独配置为输入，输出和双向模式；
（6）有2个全局时钟及、一个全局使能端、一个全局清除端。
当定时时间（小于1ms），定时器停止计时，输出控制信号到计数器和决定装置，当停止计数的同时，决定触发装置读取计数值。
设统计到的脉冲个数为M，则输入信号的频率为M×1kHz，当M值在2~6范围内时，判决器将输出信号电平拉高，输入到控制电路，同时，控制电路输出一个复位信号将计数探测器复位，使计数值、计时器清零，输出信号变为低电平，开始进行下一轮的检波与计数；当M值不在2~6范围内，使输入信号不是有效的回波信号，计算值，定时器复位，重新开始检波与计数。
在水中声探测仪中心控制电路的基础上,通过简单的改变VHDL程序,不用改变和添加其他硬件电路，就能够实现计数检波器的功能。
依据逻辑控制功能的需要，一般情况下采用逻辑原理图法和VHDL语言编程法来设计输入，逻辑图的方法是输入法的设计，图形直观，可以直接调用许多现成的组件库，而且用户还可以添加一个新的元数据库根据自己的需要。
如果设计的系统比较复杂，可采用层次化设计，使用起来也十分方便。
VHDL语言编程法具有独特的功能，可以对系统硬件的功能进行多层次的描述，另外它含有丰富的库函数和仿真语句，可随时对设计进行仿真模拟，可以在验证设计之前，就能检查出设计能不能实现预期的功能。
VHDL语言程序具有硬件特征的语句，除此之外，它所具有的语言形式、描述风格与句法和一般的计算机高级语言相似，以下实其所具有的几个特性：
（1）功能强大，设计方式多样；
（2）具有强大的硬件描述能力；
（3）具有很强的移植能力；
（4）设计描述与器件无关；
（5）程序易于共享和复用。
由于VHDL语言是一种标准硬件描述语言，是用来描述、模拟、综合、优化和布线的，因此设计开发人员之间可以方便地进行交流，使硬件电路设计的工作量大大减少并提高了效率，开发的速度变快了。
CPLD可编程逻辑控制系统的流程如图2.6所示。
器件编程
图2.6CPLD设计可编程逻辑控制系统的流程
图2.7超声波时序图
如图2.7所示，超声波时序图表明，只要提供一个10us以上脉冲触发信号，模块内部就会发出8个40KHz周期电平，接收头检测回波，由于CPLD一直在发送模块触发信号，因此超声波发射头一直在发超声波。
由于接收头比较灵敏，当收到回波信号，输出回响信号即为高电平，没有收到回波信号，输出回响信号即为低电平。
3超声探测发射控制电路设计
课题要求研制的利用CPLD编程实现对常频信号（CW）和调频信号（FM）两种信号的切换进行控制的功能，硬件上就必须有相应的信号发射部分和回波信号接收部分，以及判别控制部分，所以硬件电路可分为两大电路：
CW信号发射电路和基于CPLD的计数检波控制电路。
3.1CW信号发射电路
其发射电路主要由振荡电路，AT89C52单片机芯片和带通滤波电路三部分构成。
3.1.1振荡电路及AT89C52芯片
单片机芯片内部有一个反相放大器，用于构成振荡器，引脚XTAL1和引脚XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。
平时的学习生活中有两种常用的时钟电路设计，分别，内部时钟和外部时钟模式。
本设计中我用的是内部时钟方式，在两个引脚上加接晶体或陶瓷的振动器就形成了内部震荡方式，同时因为AT89C52单片机内部有个高增益反相放大器，要在外面加接上晶振后就组成了振荡器，从而产生震荡时钟脉冲，直接进入内部时钟的电路。
振荡电路是由1个12MHz晶体和2个33pF陶瓷电容器，振荡电路和单片机AT89C52芯片连接如图3.1显示。
图3.1振荡电路和AT89C52芯片的连接图
3.1.2带通滤波电路
利用单片机芯片和振荡电路的组合电路产生方波，再经过带通滤波器使其变为正弦波，带通滤波电路图如3.2所示。
图3.2带通滤波电路
3.2回波信号判别和发射信号控制
由电源电压信号控制，启动发射信号发生器，同时发射连续波（常频）信号，该系统是在搜寻目标。
如果在一个探测周期内发现有目标回波信号，立刻主动切换控制发射调频信号，系统进入第二阶段，即目标跟踪或攻击阶段，如果没有发现回波信号，则继续发射CW信号搜索目标。
确定回波信号可分为两个阶段：
第一，“初步判断”，多普勒频移信号的检测回波的存在，起到“发现”物体作用；第二、“精确判断”，如果若第一阶段表明有频偏信号，然后根据指定的控制器可以被检测到的频率偏移信号确认目标，以“识别”的目标。
回波控制信号判别流程图如图3.3所示。
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图3.3回波控制信号判别流程图
3.3回波信号处理电路
在对目标回波信号检测前，就必须先要对回波信号进行相应的处理，包括放大、滤波整形等。
如经过接收机阻抗匹配电路、两级放大电路、带通滤波电路、增益控制电路、整形电路之后，将形成的方波信号输入到CPLD芯片电路中进行计数和判别。
3.3.1阻抗匹配与放大电路
具有高输出阻抗的压电换能器，换能器阵列接收回波，必须通过阻抗变换，输出信号可以有效地获得传感器阵列。
采用运算放大器OP37实现的阻抗变换电路如图3.3.1所示，其实就是电压跟随器即放大倍数为1，它的输入阻抗和OP37的输入电阻大致相同，因为此电路的输入阻抗非常大，而且输出阻抗相对较小，大概为60欧姆，满足阻抗匹配要求。
阻抗匹配与放大电路如图3.4所示。
图3.4阻抗匹配与放大电路
3.3.2帯通滤波电路
有用信号与其它信号可以根据各自不同的频率特性而区分开来,设计满足一定频率要求的滤波器对信号进行处理,能够滤除有用信号频段外的其它成分。
回波接收电路的主要功能就是提取信号，即提取频谱纯净的多普勒频偏信号,所以接收电路的关键就是能够设计出符合要求的滤波电路。
带通滤波电路如图3.5所示。
图3.5带通滤波电路
3.3.3增益控制与整形电路
为了能够使后续电路处理信号的准确性得到提高，设计出了如图3.6所示电路。
计数检波电路是由CPLD实现的，要求输入信号的幅值高电平为3.3V、低电平为0V。
经过前面一系列电路的处理，整形电路的输入信号是宽度为大约为1ms，频率范围为2000Hz~5800Hz、峰峰值约为10V的脉冲串，为了能够与计数检波电路的电平相匹配，通过由三极管Q3组成的整形电路，使信号的幅值变成高电平和低电平，分别为3.3V和0V。
图3.6增益控制与整形电路
3.4计数检波电路
在水下超声探测仪中心控制电路的基础上,通过简单的改变VHDL程序,不用改变和添加其他硬件电路，就能够实现计数检波器的功能。
3.4.1电压转换电路
由于CPLD芯片EPM7128SLC84-15要求是3.3V的电压，所以经过如图3.7电压转换电路之后，将5V电压转换为3.3V，为芯片提供电源电压。
图3.7电源电压转换电路
3.4.2EPM7128SLC84-15工作电路
经过以上一系列的电路的作用之后，得到了较为纯净的多普勒频偏信号，此信号将通过芯片EPM7128SLC84-15的12管脚进入到芯片中，进行计数和判别，并输出控制信号，是否发射FM信号。
芯片电路如图3.8所示。
图3.8芯片电路
4发射控制电路软件设计
利用软件编写程序，由各个模块化的子程序，以CPLDEPM7128SLC84-15芯片为控制核心组成整个系统，在各个模块中的编写程序要优化结构，语言要简洁，易于查处问题，实现实物功能目标，按照设计程序的系统化和构造化的基本原则，确保所设计的程序具有可行性和可读性。
4.1发射和接收流程图
首先要画出程序流程图，根据流程图写出相应的程序，这样做有利于明确软件编写部分的逻辑，发射部分的流程图如图4.1所示。
是
图4.1发射部分流程图
接收部分的流程图如图4.2所示。
是
图4.2接收部分流程图
5超声探测发射控制电路实验及分析
系统的调试是最为关键的环节了，通过系统的调试能够查出许多问题，例如硬件上的调试来检测电路问题，软件上的调试是验证程序的对错问题，实物的调试是看看能否到达要设计功能和要求。
5.1发射控制电路
根据第三章设计的发射电路原理图如图5.1所示，做出电路板，由于本设计用的是CPLD芯片，其管脚非常的多而且排列的很密，所以不能用万能板焊接，必须制作出PCB电路板进行焊接，实物主要由超声波发射头，超声波接收头，LED灯以及AT89C52芯片和CPLDEPM7128SLC84-15芯片和各种元器件组成。
按照开始设计好的电路原理图，将元器件焊接起来，各个管脚要相互对应，焊接时要多加注意，焊接时是从电源模块到EPM7128SLC84-15芯片，由于CPLD的管脚很多，而且很小，所以在焊接时千万要注意，依次焊接AT89C52单片机和EPM7128SLC84-15芯片相关工作电路如图5.2所示，全部焊接完成之后先不要急着通电，而是先用万用表检查线路，正不正确，看看有无虚焊或漏焊的问题，并核查元器件的型号、规格是不是符合要求。
特别要注意正负电源，短路和开路，电源的存在，并重点检查地址总线，数据总线，用于短路信号线或其他之间的控制总线。
通电后，要用万用表仔细测量各个引脚的电位，检查电位是否正常，尤其对芯片的插座上的各点电位谨慎对待，一旦电位过高，一不小心将会把仿真器烧毁。
图5.1发射电路原理图
图5.2控制发射信号电路
5.2实验方法
本设计涉及到单片机芯片和CPLD芯片，所以先对CW信号发射的程序以及CPLD芯片控制信号的程序进行编写。
然后利用QuartusⅡ系统对芯片的程序仿真，经过反复调试，确定最终的程序。
将完整的程序通过下载器写入到芯片中，然后把芯片插入到电路板上的芯片槽里，将实物平整的放在实验桌上，保证超声波发射头和接收头周围没有遮挡物，为了避免不必要的干扰，此实验有两个方面的验证，分为静态测试和动态测试。
接通电源，将手静止放在超声波发射头前端，看LED灯的状态；将手放在超声波发射头前端慢慢地来回移动，同样的，观察LED的状态。
5.3实验结果及分析
根据以上的操作方法进行验证，接通电源，将手静止放在超声波发射头前端，看LED灯是否亮，灯亮表明有FM控制信号发出,灯不亮则表明没有FM控制信号发出。
将手放在超声波发射头前端慢慢地来回移动，同时，观察LED的状态，灯亮表明有FM控制信号发出，灯不亮则表明没有FM控制信号发出。
经过实验验证，计数探测器可以区分信号的频率，它的检测和过滤扮演的双重角色；使元器件的数目大大减少，使信号抗干扰的能力得到极大的改善，电路的可靠性也相应的改善，避免与传统检波电路出现相同的缺陷。
最后进行的实验，验证了
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