基于FPGA的高精度超聲波溫度計設計

蔡 偉，劉淑香，向鳳云，張興紅，張天恒

（重慶理工大學機械檢測技術與裝備教育部工程研究中心，重慶400054）

當前，許多溫度傳感器只能應用于傳統的測量場合，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各種新型溫度傳感器以及特殊實用的溫度測量技術[1]。其中，超聲波溫度計作為當今新型溫度傳感器的一種，已經成為新的有前景的測溫方法,并已經應用于發電廠、垃圾焚燒爐、水泥回轉窯等工業過程的溫度測量和控制以及一些醫療領域中[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中的傳播速度，即可間接測得被測介質溫度。如圖1所示，其實現流程如下：

(1)FPGA通過控制信號發生器產生數字正弦波信號，經D/A轉換及濾波、放大之后，驅動超聲波換能器E1發出超聲波信號。

圖1 超聲波溫度計結構示意圖

(2)FPGA通過控制A/D轉換器對換能器E2接收到的回波信號進行高速采樣和存儲。

(3)將采集數據送到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數字邏輯設計

超聲波溫度計的設計核心主要體現在FPGA的設計上，根據設計需求，主要包括控制電路的數字邏輯設計和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。其實現的功能有：在開始信號觸發后，在每個周期中，首先控制信號發生器產生正弦波，并同時開始自動采集并存儲回波數據；采集結束后輸出硬件測得的傳播時間，將采集數據交給NIOS_II處理器進一步細分處理；在一個周期結束時，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完成數據采集后，軟核NiosII處理器開始對采集到的數據進行有效的分析并處理，其目的是通過采集數據對FPGA測得的傳播時間進行進一步的細分，實現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值，并將結果顯示到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：

圖4 特征波過零點示意圖

根據設計參數，采用的A/D轉換器分辨率RA/D為12 bit，超聲波信號頻率 fu為 1 MHz，則傳播時間的測量分辨率理論上可達到0.122 ns：

4 實現結果分析

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性，在連續測量過程中，只有少數數據隨機地產生了±1 ns的誤差；如圖5(b)所示，對測得的數據進行了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。因為經分析要達到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在實際應用中的關鍵問題[5]，并可以實現分辨率小于0.001℃的精密溫度測量。

圖5 超聲波傳播時間的連續測量與均值濾波

[1]上海儀器儀表行業協會.新型溫度傳感器的研究與發展，中國環保設備展覽網.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爐內溫度分布測量[J].傳感器技術，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.超聲測溫技術及應用[J].機械與電子，2010(13)：503.

[5]孫崇正.超聲波測溫技術進展[J].宇航計測技術，1995,15(2).