0 引言

    聲學(xué)測(cè)溫原理早在牛頓時(shí)代就已提出,，隨著計(jì)算機(jī)和數(shù)字信號(hào)處理器的發(fā)展得以實(shí)現(xiàn)^[1],。其方法是基于聲速與介質(zhì)溫度成比例關(guān)系來測(cè)量溫度，其中聲波飛渡時(shí)間(Time of Flight,，ToF)的精確測(cè)量是獲得介質(zhì)溫度的關(guān)鍵^[2-3],。

    目前常用測(cè)量方法有閾值法和互相關(guān)法^[4]。閾值法原理簡(jiǎn)單,、應(yīng)用方便,，但受到飛渡介質(zhì)流動(dòng)、發(fā)射接收器件角度等因素影響測(cè)量誤差較大,?；ハ嚓P(guān)方法能夠在低信噪比條件下提高聲波到達(dá)時(shí)間的測(cè)量精度，但互相關(guān)法采用接收波形的總體特征來獲得與發(fā)射函數(shù)的互相關(guān)特征,，使用的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c實(shí)際數(shù)據(jù)有差異,，導(dǎo)致測(cè)量精度下降，抗干擾差^[5],。

    針對(duì)抗噪聲和實(shí)時(shí)性要求^[6],，本文闡述使用數(shù)字信號(hào)處理器(Digital Signal Processor,，DSP)和可編程門陣列(Field Programmable Gate Array，FPGA)搭建DSP+FPGA聲波飛渡時(shí)間測(cè)量系統(tǒng),。軟件算法根據(jù)系統(tǒng)環(huán)境特點(diǎn)設(shè)計(jì)，提出基于回波峰值多特征統(tǒng)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)溫度變化檢測(cè),。經(jīng)實(shí)際嵌入式硬件環(huán)境實(shí)驗(yàn)表明,，該方法占用系統(tǒng)資源少、測(cè)溫迅速,，并具有較強(qiáng)的魯棒性和適應(yīng)性,。

1 測(cè)溫工作原理與算法

1.1 聲學(xué)測(cè)溫原理

    在氣體介質(zhì)中，聲波傳播速度c與其組成成分z及溫度T存在單值函數(shù)關(guān)系^[7],。

1.2 飛渡時(shí)間測(cè)量算法

    聲波飛行通常以發(fā)射信號(hào)結(jié)束作為起始時(shí)刻Ta,，結(jié)束時(shí)刻Tb需要在波形中確定一個(gè)特征點(diǎn)作為結(jié)束參照。由于噪聲以及介質(zhì)流動(dòng),，接收波形在時(shí)域上幅值會(huì)發(fā)生跳變,，通過統(tǒng)計(jì)方法將計(jì)時(shí)參考點(diǎn)散布圓的中心估計(jì)出來，其時(shí)域上的橫軸位置即為平均計(jì)時(shí)參考點(diǎn),，以該點(diǎn)作為接收波形時(shí)刻Tb測(cè)量特征點(diǎn),。

    實(shí)際中算法思路是硬件系統(tǒng)主要檢測(cè)Tn時(shí)刻與Tn+1時(shí)刻接收波形的時(shí)刻差值，換算出在Tn～T(n+1)時(shí)間段內(nèi)溫度變化差值T_x,。

    算法基本過程如下：

    (1)DSP控制驅(qū)動(dòng)發(fā)射聲波,，F(xiàn)PGA控制ADC連續(xù)采集接收聲波信號(hào)并存儲(chǔ)；

    (2)DSP控制接收信號(hào)對(duì)噪聲采樣,，獲得噪聲上線作為門限電平Vth,。

    (3)設(shè)定噪聲下門限電平Vth，在整個(gè)信號(hào)存儲(chǔ)空間內(nèi)搜索大于門限電平Vth的所有峰值點(diǎn),，并存儲(chǔ)所有峰值點(diǎn)數(shù)值和其采樣后的存儲(chǔ)單元地址,；

    (4)搜索找出的峰值點(diǎn)數(shù)值，找出最大峰值點(diǎn),，并標(biāo)記為N0,，其值為Nmax，在該點(diǎn)后的峰值點(diǎn)依次標(biāo)記為N1,、N2,，該點(diǎn)以前的峰值點(diǎn)標(biāo)記為N-1、N-2等,，記對(duì)應(yīng)地址點(diǎn)D0,、D1，最終將所有峰值點(diǎn)均標(biāo)記序列,，如圖1所示,。

    (5)ADC進(jìn)行采樣數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)地址,，即根據(jù)采樣頻率換算為對(duì)應(yīng)獲得采樣的時(shí)刻，將每個(gè)峰值序列中峰值按照標(biāo)號(hào)逐個(gè)對(duì)比,，獲得多次收發(fā)波形時(shí)間差均值,；

    (6)由溫度變化慣性性質(zhì)，時(shí)間差求均過程中濾波去掉跳變誤差,，獲得時(shí)間段內(nèi)溫度變化量,；

    (7)算法結(jié)束。

    通過重復(fù)步驟(3)~(6),，僅對(duì)波形存儲(chǔ)空間進(jìn)行搜索處理即可完成不同時(shí)刻溫度變化測(cè)量,。

2 數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

    由聲學(xué)測(cè)溫過程的特點(diǎn)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)有如下原則：(1)保證信號(hào)采樣高速準(zhǔn)確,；(2)采樣數(shù)據(jù)高速存儲(chǔ)并濾波,；(3)運(yùn)算實(shí)時(shí)性；(4)接口可靠,；(5)電源保證系統(tǒng)整體可靠^[8-9],。根據(jù)需求原則，系統(tǒng)主控采用TI公司TMS320F 2000系列32位浮點(diǎn)DSP作為系統(tǒng)主控,，其內(nèi)置外設(shè)脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation,，PWM)作為聲信號(hào)源。系統(tǒng)外圍采用ALTERA公司Cyclone II系列FPGA搭建采樣數(shù)據(jù)緩存,，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流采集,、預(yù)處理和緩存功能。外置模數(shù)轉(zhuǎn)換AD模塊信號(hào)采樣,，數(shù)據(jù)流進(jìn)入FPGA緩存,，由DSP進(jìn)行算法解算。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示,。

2.2 外圍驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

    發(fā)射換能器采用直徑16 mm的TCT40-16型號(hào),，電壓10 V時(shí)產(chǎn)生大于117 dB的聲壓。發(fā)射端信號(hào)由外設(shè)ePWM產(chǎn)生40 kHz方波信號(hào),，經(jīng)過反相器構(gòu)成多級(jí)遞增推挽驅(qū)動(dòng)電路推動(dòng)探頭發(fā)射,。

    接收信號(hào)進(jìn)行電平調(diào)理，將最大幅值-5 V～+5 V的電平信號(hào)轉(zhuǎn)換為1 V～3 V,，滿足模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片輸入,。模數(shù)轉(zhuǎn)換采用外部獨(dú)立12位、32 MS/s模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC芯片AD9280,，轉(zhuǎn)換電壓量程為2 V,，具有475 mW低功耗和69 dB較高信噪比。整個(gè)接收電路對(duì)模擬信號(hào)放大調(diào)理并進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后進(jìn)入FPGA,。電路原理圖如圖3所示,。

    外圍電路電源采用LM2596開關(guān)降壓穩(wěn)壓器,，芯片將12 V輸入降至5 V；輸入電容選用大于輸入電壓1.5倍耐壓值的470 μF電解電容,，輸出電容選擇220 μF電解電容,，吸納二極管采用大于最大負(fù)載1.3倍的肖特基二極管。DC/DC變換器MC34063將+5 V變?yōu)?5 V輸出,，開關(guān)電流輸出可達(dá)1.5 A,，其工作頻率最高可達(dá)100 kHz，紋波系數(shù)0.1%滿足外設(shè)電路電源要求,。電路原理圖如圖4所示。

2.3 DSP與FPGA結(jié)構(gòu)

    測(cè)溫超聲飛行600 mm所需時(shí)間最多約2 000 μs,，ADC保持32 MHz采樣頻率,，最多產(chǎn)生62.5 kB數(shù)據(jù)。高速數(shù)據(jù)流進(jìn)入FPGA,，提供高速數(shù)據(jù)流緩存和邏輯控制,，結(jié)構(gòu)如圖5所示。

    DSP通過外部擴(kuò)展接口(External Interface,，XINTF) 以外部存儲(chǔ)器的形式訪問FPGA,。數(shù)據(jù)線從D0～D7，邏輯粘合地址線從A8～A13,。通過引腳XZCS0andCS1來片選FPGA(XINTF ZONE1),。

    在FPGA上編寫雙口RAM和先進(jìn)先出緩存(First Input First Output，F(xiàn)IFO),。雙口RAM模塊由兩部分組成,，一部分是宏功能產(chǎn)生雙口RAM，另一部分是狀態(tài)機(jī)讀寫邏輯控制,。

    DSP在FPGA完成數(shù)據(jù)接收預(yù)處理后進(jìn)行算法運(yùn)算,。系統(tǒng)上電后，DSP首先進(jìn)行初始化和外設(shè)配置,，然后等待信號(hào)處理中斷來臨,。當(dāng)DSP接收到讀取信號(hào)后，控制FPGA通過XINTF接口將FPGA內(nèi)部的波形數(shù)據(jù)讀入DSP的存儲(chǔ)器中,，數(shù)據(jù)讀取完畢后DSP開始算法運(yùn)算工作,，計(jì)算好溫度信息后，系統(tǒng)可以通過LCD顯示屏直接顯示結(jié)果,，或者通過串口將采集結(jié)果上傳至上位機(jī),。FPGA與DSP結(jié)果如圖6所示。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及分析

    實(shí)驗(yàn)使用LabVIEW搭建測(cè)試上位機(jī),，信號(hào)發(fā)生器AFG3252作為測(cè)試信號(hào)源,、泰克示波器DPO7254作為接收信號(hào)監(jiān)控,。環(huán)境溫度使用XMT614測(cè)溫儀進(jìn)行監(jiān)控。實(shí)驗(yàn)在密閉空調(diào)室內(nèi)進(jìn)行,，氣體常數(shù)z取20.03,，室溫21 ℃時(shí)理論聲速為343.53 m/s，收發(fā)探頭距離400 mm時(shí)聲波理論飛渡時(shí)間1 164.37 μs,。系統(tǒng)啟動(dòng)后進(jìn)行標(biāo)定,，通過空調(diào)和電加熱裝置控制室溫升降，設(shè)計(jì)系統(tǒng)和測(cè)溫儀記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,。每次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行若干小時(shí)完成上千次測(cè)溫,，實(shí)驗(yàn)溫度變化采集結(jié)果如圖7所示。

    實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,，系統(tǒng)采集溫度與測(cè)溫儀溫度曲線變化趨勢(shì)一致,，其測(cè)量飛渡區(qū)域內(nèi)平均溫度與熱電偶點(diǎn)測(cè)溫相差±1 ℃，系統(tǒng)能準(zhǔn)確跟蹤介質(zhì)溫度變化,。

    本文算法與閾值法和互相關(guān)法進(jìn)行對(duì)比,，實(shí)驗(yàn)在室溫21 ℃對(duì)不同收發(fā)距離進(jìn)行測(cè)距實(shí)驗(yàn)，檢驗(yàn)飛渡時(shí)間測(cè)量算法,。實(shí)驗(yàn)對(duì)不同距離多次測(cè)量均值進(jìn)行誤差對(duì)比,，結(jié)果如圖8所示。

    實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,，本文算法在嵌入式系統(tǒng)中運(yùn)行,，對(duì)比傳統(tǒng)閾值法有較高的準(zhǔn)確性，在室溫定溫21 ℃,、距離1 000 mm測(cè)距距離誤差不大于1%,，每次測(cè)量耗時(shí)穩(wěn)定在200 ms以下，具有較強(qiáng)實(shí)時(shí)性,。

4 結(jié)論

    本文以聲學(xué)測(cè)溫原理為基礎(chǔ),，根據(jù)嵌入式系統(tǒng)環(huán)境特點(diǎn)設(shè)計(jì)提出聲波飛渡時(shí)間測(cè)量算法。算法通過檢測(cè)接收聲波信號(hào)各峰值位置多次統(tǒng)計(jì)對(duì)比波形位移獲得時(shí)刻差來獲得溫度變化量,，從而使算法過程更適應(yīng)于高速采樣運(yùn)算的嵌入式系統(tǒng),。測(cè)溫系統(tǒng)使用專用嵌入式計(jì)算機(jī)芯片DSP和PFGA為核心設(shè)計(jì)而成，其硬件設(shè)計(jì)可靠有效,，程序設(shè)計(jì)運(yùn)行流暢,，能準(zhǔn)確快速跟蹤介質(zhì)溫度變化。

    本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)運(yùn)行可靠,，調(diào)試方便,，提出的算法有較高的準(zhǔn)確性和一致性。下一步將針對(duì)不同介質(zhì)物理特性的改進(jìn)聲學(xué)測(cè)溫方法以及聲波飛渡過程干擾等情況進(jìn)行普適性和穩(wěn)定性研究,。

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作者信息：

徐光宇1,，熊慶宇1，2,，賈睿璽1,，張  瑞1

（1.重慶大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院,，重慶400044；2.重慶大學(xué) 軟件學(xué)院,，重慶400044）