基于FPGA的高精度超声波温度计设计

当前，许多温度传感器只能应用于传统的测量场合，而不能应用于高科技领域。因此，各国专家都在有针对性地竞争开发各种新型温度传感器以及特殊实用的温度测量技术[1]。其中，超声波温度计作为当今新型温度传感器的一种，已经成为新的有前景的测温方法,并已经应用于发电厂、垃圾焚烧炉、水泥回转窑等工业过程的温度测量和控制以及一些医疗领域中[2-4]。

1 超声波温度计设计方案

超声波温度计是以介质本身作为敏感元件，当进行温度测量时，通过测量超声波在被测介质中的传播速度，即可间接测得被测介质温度。如图1所示，其实现流程如下：

(1)FPGA通过控制信号发生器产生数字正弦波信号，经D/A转换及滤波、放大之后，驱动超声波换能器E1发出超声波信号。
(2)FPGA通过控制A/D转换器对换能器E2接收到的回波信号进行高速采样和存储。
(3)将采集数据送到FPGA片上的NIOS II处理器进行分析处理，利用细分算法得到超声波信号的纳秒级传播时间
(4)根据温度与波速的关系模型计算出当前温度值，并实时显示于LCD上。

2 FPGA数字逻辑设计

超声波温度计的设计核心主要体现在FPGA的设计上，根据设计需求，主要包括控制电路的数字逻辑设计和NIOS_II算法处理设计。如图2所示的是FPGA信号控制电路与被其控制的相关模块组合后综合生成的RTL视图。其实现的功能有：在开始信号触发后，在每个周期中，首先控制信号发生器产生正弦波，并同时开始自动采集并存储回波数据；采集结束后输出硬件测得的传播时间，将采集数据交给NIOS_II处理器进一步细分处理；在一个周期结束时，初始化各模块，然后再次启动各模块工作。为验证该部分程序的正确性，在ModleSim下进行了仿真，验证了设计的正确性，如图3所示。


3 NIOS_II算法处理

在FPGA完成数据采集后，软核NiosII处理器开始对采集到的数据进行有效的分析并处理，其目的是通过采集数据对FPGA测得的传播时间进行进一步的细分，实现纳秒级传播时间的测量，然后通过时间与温度的关系得到对应的温度数值，并将结果显示到LCD上或通过RS232输出到PC机上。

如图4所示，超声波传播时间由T1和T2两部分组成，其中，T1的测量通过FPGA数字逻辑计时和回波信号的采集频率精确计算得到，对于时间终点T2的测量设计采用了软件细分插补算法，从而使整个传播时间测量分辨率达到纳秒级。设A/D的采样频率为FA/D，采样周期为TA/D；从第一个采样点到采样点P之间的采样数为N，对应的采样值为V1，对应的时刻为T1；采样点P+1对应的采样值为V2，则超声波的传输时间TZD为：

其传播时间的分辨率主要取决与T2的细分插补算法，因此测量传播时间的分辨率R为：


4 实现结果分析

设计测量的精度取决于传播时间的测量，为此进行了传播时间的实际测量实验，如图5所示。从图5(a)可以看到，传播时间测量的平稳性，在连续测量过程中，只有少数数据随机地产生了±1 ns的误差；如图5(b)所示，对测得的数据进行了10次均值滤波，去除了测量过程中的部分误差，使传播时间的测量达到了0.2 ns ，进一步验证了设计的高精度测量。由此，超声波传播时间的高精度测量便可实现。因为经分析要达到0.001 ℃的温度分辨率测量，需要超声波传输时间测量小于1.5 ns。而设计的超声波传播时间的测量重复性误差小于1 ns，因此,所设计的超声波温度计能够解决超声波测温技术在实际应用中的关键问题[5]，并可以实现分辨率小于0.001 ℃的精密温度测量。