改进多普勒传感系统
导语：通过将高性能数字信号集成于小封装中，设计师们简化了多普勒传感系统，增强其性能并缩短研发周期。
通过将高性能数字信号集成于小封装中，设计师们简化了多普勒传感系统，增强其性能并缩短研发周期。 多普勒效应传感系统有众多优点。其中一个就是利用计算密集型算法对多个传感器做出响应。这种方法通过在传感系统中结合数字信号（Digital Signal Controller，DSC）来实现附加功能。采用传感导向片上外围设备如模数转换器（ADC）、比较器以及参考电压，DSC减少了组件数量和系统成本。这使设计师能够创造出更多经济型和可靠型的非侵入式系统。与那些采用方法的系统相比，该系统具有更高的精确性。 采用DSC 多普勒效应测量传送波频率的变化，感觉就像观测者相对波源进行运动。为了达到更好的效果，测量系统必须精确地控制声波的频率和振幅。一个DSC可以通过产生不同时期和/或负载循环的脉冲宽度调制（PWM）波形来完成这个任务。此外，测量系统要能够将生成的信号聚焦到一个特定的方向上（众所周知的转向角）。但是，在实际应用中，你可能无法控制传感器的物理旋转。为了达到预期的方向，必须利用一个相控阵（亦可称为波束形成）。 
一个相控阵（图1）由一组传感器组成，在这组传感器中，传送至各传感器信号其相对相位可以改变，从而增强阵列在预定方向上的有效辐射图。通过每隔一段固定或适当的延迟时间乘以每个单独的天线信号，以实现这一目标。这项操作是计算密集型的，需要高效执行乘法，以及在一些先进的运算法则中进行逆矩阵等操作。根据不同应用，你可以利用DSC来规定固定或适当的延迟时间。如此一来，就可以将源自不同传感器的输入信号结合起来，并在无需移动传感器的情况下到达兴趣点。 一个快速精确的ADC——最好是集成型的，以实现系统成本和外形尺寸的最小化——必须将多普勒测量系统（图2）接收的信号转化为能进一步处理的数字信号。ADC的分辨率在保证高保真测量方面是至关重要的。你可以利用快速傅立叶变换来分析信号的频谱，从而估算目标的位置和速度。DSC多普勒效应传感器支持几种类型的IIR和FIR数字滤波器的高效运行，这些滤波器可用于消除噪音或执行一个相控阵和类似的拓扑。 
由于固有的非线性特征，绝大多数传感器系统必须在永久性存储器中存储大量的校准数据和滤波器系数。你可以通过利用一个能够在运行时间内随时调整的DSC片上闪存实现这一设计目标。这种方法有力地强调了对存储空间制约和内存读取速度的关注。 在许多闭环系统中，多普勒传感器是反馈环的一部分，因此可以从DSC控制法则的高效执行中获得利益。事实上，DSC使它可以相对直接地执行控制环运算法则，如PID。根据不同的多普勒效应传感应用，你可以采用片上ADC和多个PWM在应用中运行多个控制环路，以获取快速和精确的传感性能。 测量系统 工业应用你可以利用多普勒效应来进行高精度、高频率的非侵入式流量计量。激光多普勒速度计（LDV）和声音多普勒速度计（ADV）都可以测量流体流动速度。它们首先发射一束光束或声束，然后测量流体微粒所反馈的波长中的多普勒位移。该设备计算实际流程作为流速和压力的函数。 这些先进的流量计将数字多普勒雷达速度-传感技术与脉冲回声-水平传感相结合，远程测量明渠流程。该设备发射一束数字多普勒雷达波束，后者在与初始信号不同的频率处与流体和反射信号相结合。流量计将反射回的信号和传输的频率相比较从而测得流体流动的速度和方向，根据这种计算并通过倍乘该区域附近的平均流体速度，该设备可探测流体水平并计算流程。 汽车应用汽车碰撞探测系统可以提供可视听的警告，并以高达几英寸的精度指示目标距离。在自适应巡航控制过程中，当汽车处于倒车档或者当车辆靠的过近时，系统会向司机发出警告。汽车制造商还可以利用相同的设计原理完成泊车辅助系统-发送声波信号并通过被发送信号的重组探测出障碍物。 该系统利用个由三个或更多传感器组成的阵列完全覆盖车辆附近的区域。当车辆挂倒档时，碰撞探测系统的传感器发送信号。传感器探测车辆后面的物体并将信息传送给DSC，后者通过同步处理来自所有传感器的信号来估计车辆与障碍物之间沿汽车路线的距离和接近速度。DSC持续不断地分析传感数据，并将结果传送到车辆的仪表盘上，在那里提供图像或声音报警。 医学应用设计者们还将多普勒测量技术应用到医学成像领域进行速度测量。但必须谨记，在绝大多数应用中，必须测量待测信号的相移而不是频移（多普勒移动）。脉管问题，如肺管狭窄，可以根据多普勒效应通过测量血液在动脉和静脉中的流速进行诊断。 利用多普勒效应，一幅心回波图就可以精确评估流经心肌组织处任何预设点的血流速度和方向。在这个测量中，束必须与血流尽可能平行。流速测量结果有助于对心脏瓣膜区域及其功能进行评估。 本文结论 高性能DSC，例如来自Microchip Technology公司的dsPIC33FJ12GP系列产品，简化了多普勒传感设备的研发（图3）。这些设备简化集成的结构使信号处理技术能够以一种经济灵活的方式被执行，因此降低了系统成本。此外，空间受限的传感应用也可利用小封装中的DSC而获益，封装大小从6mm×6mm QFN到12mm×12mm TQFP，引脚数从l8个至100个。 
