基于FPGA的高精度超聲波溫度計設(shè)計

當前，許多溫度傳感器只能應(yīng)用于傳統(tǒng)的測量場合，而不能應(yīng)用于高科技領(lǐng)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(yīng)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(lǐng)域中[2-4]。

1 超聲波溫度計設(shè)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(guān)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(shè)計

超聲波溫度計的設(shè)計核心主要體現(xiàn)在FPGA的設(shè)計上，根據(jù)設(shè)計需求，主要包括控制電路的數(shù)字邏輯設(shè)計和NIOS_II算法處理設(shè)計。如圖2所示的是FPGA信號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(shè)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(guān)系得到對應(yīng)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(shè)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(shè)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(yīng)的采樣值為V1，對應(yīng)的時刻為T1；采樣點P+1對應(yīng)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)計的超聲波溫度計能夠解決超聲波測溫技術(shù)在實際應(yīng)用中的關(guān)鍵問題[5]，并可以實現(xiàn)分辨率小于0.001 ℃的精密溫度測量。