《電子技術(shù)應用》
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基于FPGA的高精度超聲波溫度計設計
來源：電子技術(shù)應用2011年第8期
蔡 偉，劉淑香，向鳳云，張興紅，張?zhí)旌?/div>
（重慶理工大學機械檢測技術(shù)與裝備教育部工程研究中心，重慶400054）
摘要： 以超聲波在介質(zhì)中的傳播速度隨溫度變化而變化的特點為設計原理，以FPGA為控制核心，設計了高精度超聲波溫度計。在FPGA上同時實現(xiàn)了高速信號控制模塊、高頻信號發(fā)生器模塊、信號自動采集控制模塊以及NIOS II軟核處理器模塊，解決了設計的關鍵性技術(shù)問題，并通過處理器實現(xiàn)了特殊的軟件細分插補算法來對采集的數(shù)據(jù)進行分析處理。通過理論分析和實驗，驗證了該方法能夠達到納秒級超聲波傳播時間的測量，從而使設計能夠?qū)崿F(xiàn)分辨率優(yōu)于0.001 ℃的溫度測量。
中圖分類號： TP216
文獻標識碼： A
文章編號： 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


    當前，許多溫度傳感器只能應用于傳統(tǒng)的測量場合，而不能應用于高科技領域。因此，各國專家都在有針對性地競爭開發(fā)各種新型溫度傳感器以及特殊實用的溫度測量技術(shù)[1]。其中，超聲波溫度計作為當今新型溫度傳感器的一種，已經(jīng)成為新的有前景的測溫方法,并已經(jīng)應用于發(fā)電廠、垃圾焚燒爐、水泥回轉(zhuǎn)窯等工業(yè)過程的溫度測量和控制以及一些醫(yī)療領域中[2-4]。
1 超聲波溫度計設計方案
    超聲波溫度計是以介質(zhì)本身作為敏感元件，當進行溫度測量時，通過測量超聲波在被測介質(zhì)中的傳播速度，即可間接測得被測介質(zhì)溫度。如圖1所示，其實現(xiàn)流程如下：
    (1)FPGA通過控制信號發(fā)生器產(chǎn)生數(shù)字正弦波信號，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換及濾波、放大之后，驅(qū)動超聲波換能器E1發(fā)出超聲波信號。
    (2)FPGA通過控制A/D轉(zhuǎn)換器對換能器E2接收到的回波信號進行高速采樣和存儲。
    (3)將采集數(shù)據(jù)送到FPGA片上的NIOS II處理器進行分析處理，利用細分算法得到超聲波信號的納秒級傳播時間
    (4)根據(jù)溫度與波速的關系模型計算出當前溫度值，并實時顯示于LCD上。

 

 

2 FPGA數(shù)字邏輯設計
    超聲波溫度計的設計核心主要體現(xiàn)在FPGA的設計上，根據(jù)設計需求，主要包括控制電路的數(shù)字邏輯設計和NIOS_II算法處理設計。如圖2所示的是FPGA信號控制電路與被其控制的相關模塊組合后綜合生成的RTL視圖。其實現(xiàn)的功能有：在開始信號觸發(fā)后，在每個周期中，首先控制信號發(fā)生器產(chǎn)生正弦波，并同時開始自動采集并存儲回波數(shù)據(jù)；采集結(jié)束后輸出硬件測得的傳播時間，將采集數(shù)據(jù)交給NIOS_II處理器進一步細分處理；在一個周期結(jié)束時，初始化各模塊，然后再次啟動各模塊工作。為驗證該部分程序的正確性，在ModleSim下進行了仿真，驗證了設計的正確性，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處理器開始對采集到的數(shù)據(jù)進行有效的分析并處理，其目的是通過采集數(shù)據(jù)對FPGA測得的傳播時間進行進一步的細分，實現(xiàn)納秒級傳播時間的測量，然后通過時間與溫度的關系得到對應的溫度數(shù)值，并將結(jié)果顯示到LCD上或通過RS232輸出到PC機上。
    如圖4所示，超聲波傳播時間由T1和T2兩部分組成，其中，T1的測量通過FPGA數(shù)字邏輯計時和回波信號的采集頻率精確計算得到，對于時間終點T2的測量設計采用了軟件細分插補算法，從而使整個傳播時間測量分辨率達到納秒級。設A/D的采樣頻率為FA/D，采樣周期為TA/D；從第一個采樣點到采樣點P之間的采樣數(shù)為N，對應的采樣值為V1，對應的時刻為T1；采樣點P+1對應的采樣值為V2，則超聲波的傳輸時間TZD為：

    其傳播時間的分辨率主要取決與T2的細分插補算法，因此測量傳播時間的分辨率R為：


4 實現(xiàn)結(jié)果分析
    設計測量的精度取決于傳播時間的測量，為此進行了傳播時間的實際測量實驗，如圖5所示。從圖5(a)可以看到，傳播時間測量的平穩(wěn)性，在連續(xù)測量過程中，只有少數(shù)數(shù)據(jù)隨機地產(chǎn)生了±1 ns的誤差；如圖5(b)所示，對測得的數(shù)據(jù)進行了10次均值濾波，去除了測量過程中的部分誤差，使傳播時間的測量達到了0.2 ns ，進一步驗證了設計的高精度測量。由此，超聲波傳播時間的高精度測量便可實現(xiàn)。因為經(jīng)分析要達到0.001 ℃的溫度分辨率測量，需要超聲波傳輸時間測量小于1.5 ns。而設計的超聲波傳播時間的測量重復性誤差小于1 ns，因此,所設計的超聲波溫度計能夠解決超聲波測溫技術(shù)在實際應用中的關鍵問題[5]，并可以實現(xiàn)分辨率小于0.001 ℃的精密溫度測量。

參考文獻
[1] 上海儀器儀表行業(yè)協(xié)會.新型溫度傳感器的研究與發(fā)展，中國環(huán)保設備展覽網(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.超聲測溫技術(shù)及應用[J].機械與電子，2010(13)：503.
[5] 孫崇正.超聲波測溫技術(shù)進展[J].宇航計測技術(shù)，1995,15(2).

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