《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于FPGA的高精度超声波温度计设计
来源：电子技术应用2011年第8期
蔡 伟，刘淑香，向凤云，张兴红，张天恒
（重庆理工大学机械检测技术与装备教育部工程研究中心，重庆400054）
摘要： 以超声波在介质中的传播速度随温度变化而变化的特点为设计原理，以FPGA为控制核心，设计了高精度超声波温度计。在FPGA上同时实现了高速信号控制模块、高频信号发生器模块、信号自动采集控制模块以及NIOS II软核处理器模块，解决了设计的关键性技术问题，并通过处理器实现了特殊的软件细分插补算法来对采集的数据进行分析处理。通过理论分析和实验，验证了该方法能够达到纳秒级超声波传播时间的测量，从而使设计能够实现分辨率优于0.001 ℃的温度测量。
中圖分類號(hào)： TP216
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
文章編號(hào)： 0258-7998(2011)08-0010-03
Design of novel precision ultrasonic thermometer based on FPGA
Cai Wei，Liu Shuxiang，Xiang Fengyun，Zhang Xinghong，Zhang Tianhen
Engineering research center of Mechanical Testing Technology and Equipment, Ministry of Education, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054，China
Abstract： The ultrasonic thermometer is designed by utilizing the characteristic that the velocity of the ultrasonic varies with the temperature through the medium. It solved the key problem that a high speed controller, the high frequency signal generator, automatic signal acquisition and the NIOS II are realized on FPGA as the SOPC. The special subdivision algorithm is used for processing the data of acquisition and brings the measure of the ultrasonic wave transmitting time to nanosecond level, which is proved by theory and experiment in the paper. In this way, the design can bring about the novel precision temperature measurement, whose resolution may be better than 0.001 centigrade.
Key words : ultrasonic thermometer；FPGA；SOPC；subdivision algorithm


    當(dāng)前，許多溫度傳感器只能應(yīng)用于傳統(tǒng)的測(cè)量場(chǎng)合，而不能應(yīng)用于高科技領(lǐng)域。因此，各國(guó)專家都在有針對(duì)性地競(jìng)爭(zhēng)開(kāi)發(fā)各種新型溫度傳感器以及特殊實(shí)用的溫度測(cè)量技術(shù)[1]。其中，超聲波溫度計(jì)作為當(dāng)今新型溫度傳感器的一種，已經(jīng)成為新的有前景的測(cè)溫方法,并已經(jīng)應(yīng)用于發(fā)電廠、垃圾焚燒爐、水泥回轉(zhuǎn)窯等工業(yè)過(guò)程的溫度測(cè)量和控制以及一些醫(yī)療領(lǐng)域中[2-4]。
1 超聲波溫度計(jì)設(shè)計(jì)方案
    超聲波溫度計(jì)是以介質(zhì)本身作為敏感元件，當(dāng)進(jìn)行溫度測(cè)量時(shí)，通過(guò)測(cè)量超聲波在被測(cè)介質(zhì)中的傳播速度，即可間接測(cè)得被測(cè)介質(zhì)溫度。如圖1所示，其實(shí)現(xiàn)流程如下：
    (1)FPGA通過(guò)控制信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生數(shù)字正弦波信號(hào)，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換及濾波、放大之后，驅(qū)動(dòng)超聲波換能器E1發(fā)出超聲波信號(hào)。
    (2)FPGA通過(guò)控制A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)換能器E2接收到的回波信號(hào)進(jìn)行高速采樣和存儲(chǔ)。
    (3)將采集數(shù)據(jù)送到FPGA片上的NIOS II處理器進(jìn)行分析處理，利用細(xì)分算法得到超聲波信號(hào)的納秒級(jí)傳播時(shí)間
    (4)根據(jù)溫度與波速的關(guān)系模型計(jì)算出當(dāng)前溫度值，并實(shí)時(shí)顯示于LCD上。

 

 

2 FPGA數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)
    超聲波溫度計(jì)的設(shè)計(jì)核心主要體現(xiàn)在FPGA的設(shè)計(jì)上，根據(jù)設(shè)計(jì)需求，主要包括控制電路的數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)和NIOS_II算法處理設(shè)計(jì)。如圖2所示的是FPGA信號(hào)控制電路與被其控制的相關(guān)模塊組合后綜合生成的RTL視圖。其實(shí)現(xiàn)的功能有：在開(kāi)始信號(hào)觸發(fā)后，在每個(gè)周期中，首先控制信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生正弦波，并同時(shí)開(kāi)始自動(dòng)采集并存儲(chǔ)回波數(shù)據(jù)；采集結(jié)束后輸出硬件測(cè)得的傳播時(shí)間，將采集數(shù)據(jù)交給NIOS_II處理器進(jìn)一步細(xì)分處理；在一個(gè)周期結(jié)束時(shí)，初始化各模塊，然后再次啟動(dòng)各模塊工作。為驗(yàn)證該部分程序的正確性，在ModleSim下進(jìn)行了仿真，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性，如圖3所示。


3 NIOS_II算法處理
    在FPGA完成數(shù)據(jù)采集后，軟核NiosII處理器開(kāi)始對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的分析并處理，其目的是通過(guò)采集數(shù)據(jù)對(duì)FPGA測(cè)得的傳播時(shí)間進(jìn)行進(jìn)一步的細(xì)分，實(shí)現(xiàn)納秒級(jí)傳播時(shí)間的測(cè)量，然后通過(guò)時(shí)間與溫度的關(guān)系得到對(duì)應(yīng)的溫度數(shù)值，并將結(jié)果顯示到LCD上或通過(guò)RS232輸出到PC機(jī)上。
    如圖4所示，超聲波傳播時(shí)間由T1和T2兩部分組成，其中，T1的測(cè)量通過(guò)FPGA數(shù)字邏輯計(jì)時(shí)和回波信號(hào)的采集頻率精確計(jì)算得到，對(duì)于時(shí)間終點(diǎn)T2的測(cè)量設(shè)計(jì)采用了軟件細(xì)分插補(bǔ)算法，從而使整個(gè)傳播時(shí)間測(cè)量分辨率達(dá)到納秒級(jí)。設(shè)A/D的采樣頻率為FA/D，采樣周期為TA/D；從第一個(gè)采樣點(diǎn)到采樣點(diǎn)P之間的采樣數(shù)為N，對(duì)應(yīng)的采樣值為V1，對(duì)應(yīng)的時(shí)刻為T1；采樣點(diǎn)P+1對(duì)應(yīng)的采樣值為V2，則超聲波的傳輸時(shí)間TZD為：

    其傳播時(shí)間的分辨率主要取決與T2的細(xì)分插補(bǔ)算法，因此測(cè)量傳播時(shí)間的分辨率R為：


4 實(shí)現(xiàn)結(jié)果分析
    設(shè)計(jì)測(cè)量的精度取決于傳播時(shí)間的測(cè)量，為此進(jìn)行了傳播時(shí)間的實(shí)際測(cè)量實(shí)驗(yàn)，如圖5所示。從圖5(a)可以看到，傳播時(shí)間測(cè)量的平穩(wěn)性，在連續(xù)測(cè)量過(guò)程中，只有少數(shù)數(shù)據(jù)隨機(jī)地產(chǎn)生了±1 ns的誤差；如圖5(b)所示，對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行了10次均值濾波，去除了測(cè)量過(guò)程中的部分誤差，使傳播時(shí)間的測(cè)量達(dá)到了0.2 ns ，進(jìn)一步驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的高精度測(cè)量。由此，超聲波傳播時(shí)間的高精度測(cè)量便可實(shí)現(xiàn)。因?yàn)榻?jīng)分析要達(dá)到0.001 ℃的溫度分辨率測(cè)量，需要超聲波傳輸時(shí)間測(cè)量小于1.5 ns。而設(shè)計(jì)的超聲波傳播時(shí)間的測(cè)量重復(fù)性誤差小于1 ns，因此,所設(shè)計(jì)的超聲波溫度計(jì)能夠解決超聲波測(cè)溫技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的關(guān)鍵問(wèn)題[5]，并可以實(shí)現(xiàn)分辨率小于0.001 ℃的精密溫度測(cè)量。

參考文獻(xiàn)
[1] 上海儀器儀表行業(yè)協(xié)會(huì).新型溫度傳感器的研究與發(fā)展，中國(guó)環(huán)保設(shè)備展覽網(wǎng).http://www.hbzhan.com/news/detail/15526.html，2010-11-04.
[2] 田豐，工福利，許莉，等.基于超聲波傳感器的工業(yè)爐內(nèi)溫度分布測(cè)量[J].傳感器技術(shù)，2003，22(2)：32-34.
[3] PUTTMER A，HAUPTMANN P，HENNING B.Ultrasonic  density sensor for liquid.IEEE Transaction.Ultrason.Ferroelect，2000，47(1)：85-92.
[4] 于坤，伊立強(qiáng).超聲測(cè)溫技術(shù)及應(yīng)用[J].機(jī)械與電子，2010(13)：503.
[5] 孫崇正.超聲波測(cè)溫技術(shù)進(jìn)展[J].宇航計(jì)測(cè)技術(shù)，1995,15(2).

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