２０１４年第３３卷第２期 传感器与微系统（Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ａｎｄ Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ） １０１ 基于ＳＯＰＣ的高精度超声波温度计设计 张天恒，张兴红，陈锡侯，郑方燕 （重庆理工大学机械检测技术与装备教育部工程研究中心， 时栅传感及先进检测技术重庆市重点实验室，重庆４０００５４） 摘要：根据在介质中超声波的传播速度随温度变化而变化的特点为设计原理，以基于Ｎｉｏｓ ＩＩ处理器软 核的可编程系统级芯片（ＳＯＰＣ）为控制核心，设计了高精度超声波温度计。在ＳＯＰＣ上同时实现了高频信 号发生器模块、高速信号电路控制模块、信号自动采集控制模块以及Ｎｉｏｓ ＩＩ软核处理器模块，缩小了体 积，并降低了成本。传播时间的精确测量采用软件细分插补算法，经过理论分析和实验验证，该方法能够 达到ｎｓ级超声波传播时间的测量，使设计的超声波温度计能够实现分辨率优于０．００１℃的温度测量。 关键词：超声波温度计；可编程系统级芯片；Ｎｉｏｓ ＩＩ；细分插补算法 中图分类号：ＴＰ２１６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００－９７８７（２０１４）Ｏ２－－０１０１－－０４ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｈｉｇｈ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｗａｖｅ ｔｈｅｒｍｏｍｅｔｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＳＯＰＣ ＺＨＡＮＧ Ｔｉａｎ—ｈｅｎｇ，ＺＨＡＮＧ Ｘｉｎｇ—ｈｏｎｇ，ＣＨＥＮ Ｘｉ－ｈｏｕ，ＺＨＥＮＧ Ｆａｎｇ－ｙａｎ （Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｔｅｓｔｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，Ｍｉｎｉｓｔｙ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ， Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｔｉｍｅ－Ｇｒａｔｉｎｇ Ｓｅｎｓｉｎｇ ａｎｄ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｔｅｓｔｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０００５４．Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｈｉｇｈ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｗａｖｅ ｔｈｅｒｍｏｍｅｔｅｒ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂｙ ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｔｈａｔ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｏｆ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｗａｖｅ ｖａｒｉｅｓ ｗｉｔｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｉｎ ｍｅｄｉｕｍ，ａｎｄ ｕｓｅ ＳＯＰＣ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｎｉｏｓ ＩＩ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ ｓｏｆｔ ｃｏｒｅ ａｓ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｏｒｅ，ｄｅｓｉｇｎ ｈｉｇｈ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｗａｖｅ ｔｈｅｒｍｏｍｅｔｅｒ．Ｓｉｚｅ ａｎｄ ｃｏｓｔ ａｒｅ ｒｅｄｕｃｅｄ，ｈｉ ｇｈ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｉｇｎａｌ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｍｏｄｕｌｅ，ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｓｉｇｎａｌ ｃｉｒｃｕｉｔ ｃｏｎｔｒｏｌｌ ｍｏｄｕｌｅ，ｓｉｎｇａｌ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌｌ ｍｏｄｕｌｅ ａｎｄ ｔｈｅ Ｎｉｏｓ ＩＩ ｓｏｆｔ ｃｏｒｅ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ ｍｏｄｕｌｅ ａｒｅ ａｌｌ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ＳＯＰＣ．Ｓｏｆｔｗａｒｅ ｓｕｂｄｉｖｉｓｉｏｎ ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｉＳ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ａｃｃｕｒａｔｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇ ｔｉｍｅ ｔｈａｔ ｉｔ ｉｓ ｐｒｏｖｅｄ ｂｙ ｔｈｅｏｒｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｃａｎ ｒｅａｌｉｚｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｗａｖｅ ｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇ ｔｉｍｅ ｔｏ ｎｓ ｌｅｖｅｌ，ｗｈｉｃｈ ｍａｋｅ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｗａｖｅ ｔｈｅｒｍｏｍｅｔｅｒ ｃａｎ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ．ｗｈｏｓｅ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｐｒｉｏｒ ｔｏ ０．００１℃． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｗａｖｅ ｔｈｅｒｍｏｍｅｔｅｒ；ＳＯＰＣ；Ｎｉｏｓ ＩＩ；ｓｕｂｄｉｖｉｓｉｏｎ ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ０引 言 随着超声波温度传感器的发展，人们开始探索把这种新型 温度是表征物体冷热程度的物理量。在工农业生产和 的超声波测温技术应用于工业生产、科学研究中温度精确 日常生活中，对温度的测量和控制始终占据着重要地位。 测量和在线控制的需要。 温度传感器应用范围之广、使用数量之大，也高居各类传感 本文设计了一种高精度超声波温度计，实验结果表明： 器之首 。传统的温度传感器有热电偶、热电阻、热敏电 该温度计的分辨率优于０．００１ ｏｃ。 阻及半导体温度传感器等，它们的技术虽然成熟，但是只能 １工作原理与结构设计 应用在传统的测量场合，不能应用于许多高科技领域。因 １．１超声波在介质中的传播特性 此，各国专家都在有针对性地竞争开发各种新型智能温度 超声波温度计是以介质本身作为敏感元件，由于超声 传感器和特殊实用测量技术。超声波温度计作为当今新型 波在介质中的传播速度随温度变化而变化，通过测量超声 温度传感器的一种，将与信息技术、新材料技术结合起来， 波在被测介质中的传播速度，即可间接测得被测介质温度。 将出现更多的智能化、高灵敏度的超声波温度传感器 。 超声波在理想的气体中的传播可以认为是绝热过程， 收稿日期：２０１３－０５－２２ ｛基金项目：重庆市自然科学基金资助项目（ＣＳＴＣ２０１２ＪＪＡ７０００４） １０２ 其传播速度 为 ．４］ ＝传感器与微系统 过串口通信将测量数据传输到上位机。 第３３卷 √詈：√ ． ， （ （２） １．３ ＳＯＰＣ的设计 ＳＯＰＣ的设计是超声波温度计的核心部分，它主要包括 了激励信号的产生控制、超声波回波信号的高速采集以及 信号的分析与处理３个部分。其设计框图如图２所示。 又由速度与传播时间的关系， ＝ｄ／ｔ，可得下式 Ｑ＝ 式中 为气体常数；ｒ＝ｃ。／Ｃ 为定压比热和定容比热之 比例系数；Ｍ为分子质量；ｄ为超声波传播距离；￡为超声波 传播时间；ｐ为气体分子密度；ｐ为气体压强；Ｑ为绝对温 度。对于空气来说影响声速的最主要敏感因素是温度，且 两者之间有如下关系 ２ ， Ｑ ４—０ ２６８４—２７３・１５・一（３） ．由上式不难看出：只要测出气体中声波的传播速度Ｖ， 便可求得温度Ｑ，这就是超声波测温时，当测温介质为空气 时的测温原理。 图２超声波温度计的ＳＯＰＣ结构图 Ｆｉｇ ２ ＳＯＰＣ ｓｔｕｃｔｕｒｅ ｒｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｗａｖｅ ｔｈｅｒｍｏｍｅｔｅｒ １．２超声波温度计设计方案 设计超声波温度计如图１所示，主要包括３个部分：可 编程系统级芯片（ｓｙｓｔｅｍ ｏｎ ａ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｃｈｉｐ，ＳＯＰＣ）控 其中，数据采集控制部分包含有计数计时器、信号发生 电路和存储采集数据用的片上ＲＡＭ等，用来控制实现换 能器的工作与停止，控制高频激励信号的产生与数据信号 的高速采集。如图２虚线所示，ＳＯＰＣ处理部分采用了 ＳＯＰＣ上的软核处理器（Ｎｉｏｓ核）来实现，主要构成包括软 核处理器（Ｎｉｏｓ核）、计数时钟、ＰＩＯ控制器、数据采集控制 制与处理模块、超声波温度传感器模块、辅助电路模块。 ＳＯＰＣ控制与处理模块用来实现信号的激励、采集与放大； 超声波温度传感器由２个超声波换能器与被封闭的介质构 成；辅助电路模块用于对信号的滤波与放大、人机交互电 路。其中，ＳＯＰＣ的功能实现是其核心部分，控制信号处理 和外部电路的工作。 ， 部分相互作用的接口、外部存储器ＳＤＲＡＭ、ＦＬＡＳＨ控制 器、ＬＣＤ、ＲＳ－２３２串行通道接口 。用ＳＯＰＣ配合数字采集 控制部分实现了高效高速的数据分析与处理，并且可实现 人机交互功能，操作键盘将温度数据或采集数据通过串口 输出到上位机或ＬＣＤ上显示出来。 ２设计方法 超声波温度计的实现方法主要体现在ＳＯＰＣ的设计 上，ＳＯＰＣ的设计主要包括硬件逻辑的设计、Ｎｉｏｓ ＩＩ软处理 器与软件处理设计。硬件逻辑设计是用ＶＨＤＬ语言完成的 信号产生与采集。 ２．１ 高频信号发生器 图１超声波温度计结构图 Ｆｉｇ １ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｗａｖｅ ｔｈｅｒｍｏｍｅｔｅｒ 采用直接数字频率合成器（ｄｉｒｅｃｔ ｄｉｇｉｔａｌ￣ｅｑｕｅｎｃｙ ｓｙｎ— ｔｈｅｓｉｓ，ＤＤＳ）技术进行设计，是为了提高超声波正弦波信号 在ＳＯＰＣ的控制下，超声波测温的实现流程为：首先， ＳＯＰＣ通过信号发生器模块产生数字正弦波信号，经Ｄ／Ａ 模块转换为模拟信号，再经功率放大电路驱动超声波换能 器Ｅｌ发出超声波信号；其次，ＳＯＰＣ通过信号采集器模块 控制Ａ／Ｄ模块对换能器Ｅ２接收到的超声波信号进行高速 采样和存储；最后，采集结束后，采集的数据将发送给ＳＯＰＣ 片上的Ｎｉｏｓ ＩＩ处理器，由处理器对采集的数据进行分析与 的质量和超声换能器产生高频超声波信号的质量。在高速 存储器中放入正弦函数一相位数据表格，利用高速存储器 作为查找表，通过高速Ｄ／Ａ转换器产生正弦波激励换能器 工作。采用高速Ｄ／Ａ转换芯片，在１００ ＭＨｚ时钟频率，输 出频率为１ ＭＨｚ的正弦波信号。 最后，使用ＤＤＳ原理对ｓｉｎ—ｒｏｍ存储器进行控制。这 里主要应用了ＤＤＳ技术中的频率控制字、相位累加器和正 弦查找表。设计使用２２位相位累加器，在１００ ＭＨｚ的频率 下，输出１ ＭＨｚ波形的频率控制字为十进制的常数４０９４３。 处理得到超声波信号的传播时间，再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，同时通 第２期 张天恒，等：基于ＳＯＰＣ的高精度超声波温度计设计 １０３ ２．２高速信号控制电路 根据设计需求，超声波温度计的激励与采集的高速信 号控制电路实现的功能为：在开始信号触发后，每５０ｍｓ为 一个周期；在每个周期中，首先控制信号发生器产生正弦 波，并同时启动自动采集器对Ａ／Ｄ转换器送来的数据进行 判断，是回波信号时开始采集；采集结束后输出硬件测得的 传播时间；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。 ２．３ Ｎｉｏｓ ＩＩ软核处理器的架构 Ｎｉｏｓ ＩＩ微处理器软核是３２位哈佛结构的ＲＩＳＣ处理 器 ，Ｎｉｏｓ ＩＩ以软件方式提供给用户，专为ＳＯＰＣ系统设计 和优化，是面向用户、可以灵活定制。它采用Ａｖ￣ｏｎ总线 结构通信接口，带有增强的内存、调试和软件功能。设计利 用ＳＯＰＣ Ｂｕｉｌｄｅｒ软件定制了合适的ＣＰＵ和相关外设。 Ｎｉｏｓ ＩＩ系统构建后，生成Ｎｉｏｓ ＩＩ系统，便可使创建的Ｎｉｏｓ ＩＩ 系统成为超声波温度计系统设计的一部分，与此同时可将 之前的数字逻辑（包括信号发生器、采集器、控制器和锁相 环）打包为单个的控制系统模块ＣＴＲＬ，将其在原理图中与 构建的Ｎｉｏｓ ＩＩ处理器完成逻辑连接，Ｎｉｏｓ ＩＩ模块为在 ＳＯＰＣ Ｂｕｉｌｄｅｒ系统中定制ＳＯＰＣ系统，如图３所示。 州Ｊ ｎＭ》 辩Ｓ Ｌｆｂ垫 ． Ｈ ｍ Ｌｃ Ｊ。 州，ｍ Ｉ柚 ｔｔｍ ． ． ¨ ＊ ．’ 脚 ¨ 嘲”∞ 肼》》ｔ脚 肇 ， 、 ¨ ．拇．．１ ●＿ ；Ｊ。Ｊ电 州 埘 ＾■ｊｏ 州 电 ●。■岬珥 ｌｅ柚 抽 ．曲 ０班 ＾，Ｕ●Ｊ ｈＪ 曲 州 Ｊｔｐ”■Ｊ■ Ｉ ．ｍ ＿ Ｈ●ｔ ’ｑ ｌ｜■ ．＇ｌ ｐ＿ ｑ ｎ ¨ ＿ ｊ￣，ｌｌｍ ｌ’ｍｊ－ ． ●．＇ｎ∞＊ ｎ ”． ．螂 ＿ ｎＪ Ｊｒ 埘 ． ■ ， ｔ ■ ＵＭＪ ．，－州Ｉ ｑ Ｊ ＂¨ ｊ Ｊ ■Ｊ ｊ● 图３ ＳＯＰＣ系统组件原理图 Ｆｉｇ ３ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ＳＯＰＣ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ３ Ｎｉｏｓ ＩＩ数据分析与处理 超声波温度计的硬件部分构建好，进行Ｎｉｏｓ ＩＩ处理器 的软件设计，软件设计将针对该Ｎｉｏｓ ＩＩ系统进行编程完成 对采集数据的分析与处理 ，其核心部分是超声波传播时 间的精确测量算法。 ３．１ 传播时间的精确测量算法 超声波传播时间的测量精度直接影响着温度测量精 度，因此，传播时间的精确测量算法是超声波温度计系统软 件设计的核心部分，采用了软件细分插补算法。对于超声 波传播时问的精确测量即是测量超声波换能器从发射到接 收所用的时间。由于信号的发生采用的基于ＤＤＳ原理的 正弦波信号发生器，ＤＤＳ的相位累加器为２２ ｂｉｔｓ，对于 １ ＭＨｚ的超声波信号，信号的时刻的分辨率高达２３．８４ ｐｓ， 因此，时间的起点可以明确确定。但是，回波信号采用的 ４０ ＭＨｚ的Ａ／Ｄ转换器进行的波形采集，采集数据间存在相 对比较大的时间间隔，对采集点的测量不能达到高精度测 量。因此，设计需要对其波形进行细分，实现高精度的传播 时间的测量。 ３．２软件细分插补算法 由上所述传播时间的精确性测量取决于传播时间终点 的精确确定，这里，采用了软件细分插补算法来实现，可使 测量的传播时间分辨率达到ｎｓ级别。如图４所示，设Ａ／Ｄ 的采样频率为 。，相邻２个采样点之间的时间即采样周 期为ＴＡ／ ；从第一个采样点到采样点Ｐ之间的采样数为Ⅳ， 采样点Ｐ对应的采样值为 ，采样点Ｐ所对应的时刻为 Ｔ１；采样点Ｐ 对应的采样值为 ；采样点Ｐ所对应的时刻 为 ，采样点Ｐ与过零点 之间的时间为 ，过零点Ｐ０ 对应的时刻为 。，超声波的传输时间为 。，则过零点所 对应的时刻得以计算出来，从而超声波传输时间终点所对 应的时刻为 １ １ Ｄ＝Ｔ１＋ ＝Ⅳ 一十 ＿ ×ｒ，Ａ／Ｄ× ． （４） （ｚｌ驯，Ｏ） 图４特征波过零点示意图 Ｆｉｇ ４ Ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｗａｖｅ ｐａｓｓｉｎｇｚｅｒｏ 其传播时间的分辨率根据误差原理主要取决于 的 细分插补算法，因此，测量传播时间的分辨率Ｒ为 １・（５） 根据设计参数，采用的Ａ／Ｄ转换器分辨率 为 ｌ２位，超声波信号频率 为１ ＭＨｚ，则 ２ ２＂￣Ｄｆ ２ × ×２ × 。１０ ０．１２２×１０一Ｓ＝０．１２２ｎｓ． （６） ４实验结果与分析 在本设计中由于传播距离固定，因此，测量的精度便取 决于传播时间的测量。在恒温条件下对超声波的传播时间 的测量进行了重复性验证。实验的部分描点图如图５所 示，假设其均值为真值，由图中可知测量的最大误差在 ±１ ｎｓ之内，虽然没能达到理论分辨率的０．１２２ ａｓ，但其测量 结果仍然为ｎｓ级传播时间的测量，且重复性好，测量稳定。 为对上述实验中的误差进行分析处理，在室温设置 ２５℃时，连续测量３ ｈ，测得了数据１１ ７２０个，其中，４００个 １０４ 传感器与微系统 第３３卷 点 厘 厘 窖 耀 址 曹 鞋 迎 采集样本个数 （ａ】超声波传播时间的连续测量 图５超声波传播时间的稳定性实验 Ｆｉｇ ５ Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｏｆ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｗａｖｅ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｉｍｅ ｔ＼（ａ）ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｗａｖｅ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｔｉｍｅ 昌 数据样本如图６所示的。图６（ａ）印证了超声波传播时间 测量的稳定性；图６（ｂ）为数据处理过程中仅对传播时间进 厘 窖 鞭 行了１０次均值滤波，便有效地去除了测量过程中的部分粗 大误差，使传播时间的测量的分辨率小于０．２ ｎｓ。这反映出 设计能够检测到实际温度的微小变化，体现了测量的高精 度测量 。 采集样本个数 （ｂ）传播时间经过均值滤波后效果 （ｂ）ｅｆｅｃｔ ｏｆｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｔｉｍｅ ａｆｔｅｒ ｍｅａｎ ｉｆｌｔｅｒｉｎｇ 在此基础上只需要用前面所述的超声波传播时间与介 质温度的数学关系模型，便可进行高分辨率的温度测量。 例如：在２０℃时超声波在空气中的速度是３４４ｍ／ｓ，２１℃时 超声波的速度是３４４．６ｍ／ｓ，如果换能器Ｅ１和Ｅ２之间的距 ５ ５ ５ ５ ５ ５ ５ ５ ５ ５ ５ ５ ５ ５ 图６超声波传播时间的连续测量与均值滤波 Ｆｉｇ ６ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｍｅａｎ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ ｏｆ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｗａｖｅ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｔｉｍｅ ２ ２ ２ ２ ２ ２ ２ ２ ２ ２ ２ ２ ２ ２ ２ ２ ２ ２ ２ ２ ２ ２ ２ ２ ２ ２ ２ ２ 时间达到了理想ｎｓ级水平，能够实现分辨率优于０．００１℃ 离是０．３ ｍ，则在２Ｏ℃时超声波的传输时间是８．７２０ ９× １０一ｓ，在２ｌ℃时超声波的传输时间是８．７０５ ７×１０～ｓ，在 ２ｌ℃时和２０℃时超声波的传输时间差为１．５２ ｘ１０～ｓ。在 ４ ４ ４ ４ ４ ４ ３ ５ ００ ４ ３ Ｏ ０ ２ ｌ ０ ０ ９ ９ ４ ４ ４ ４ ４ ４ ３ ５ ＯＯ ４ ３ Ｏ Ｏ ２ ０ Ｏ １ Ｏ ９ 的高分辨率温度测量。 参考文献： ［１］ 沙占友，王晓君，马洪涛，等．智能化集成温度传感器原理与 应用［－Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００２． 这样的情况下，如果要使测量达到０．００１℃的测量分辨率， 则要求超声波传输时间测量的分辨率要小于１．５ ｎｓ才能实 现。而设计的超声波传播时间的测量重复性误差小于ｌ ｎｓ， 因此，所设计的超率小于０．００１℃的精密温度测量。 ５结束语 ［２］孙崇正．超声波测温技术进展［Ｊ］．宇航计测技术，１９９５， １５（２）：３４－４２． 『３］ Ｆｔａｎｉｏ Ｌ．Ｍａｓａｙａｓｕ Ｓａｋａｉ．Ｆｕｎｄａｍｅｎｔｌａ ｓｔｕｄｉｅｓ ｏｆ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｍｅａ． ｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｅ￣ｏｎ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｉｎ ｌａｒｇｅ ｂｏｉ— ｌｅｒｓ［Ｊ］．Ｔｒａｎｓ Ｊａｐａｎ Ｓｏｃ Ｍｅｃｈ Ｅｎｇｉｎ，１９８５，５３：１６１０－－１６１４． 设计超声波温度计是基于超声波传播速度在介质中随 ［４］ 张兴红，张慧，王先全，等．超声波流量计高分辨率ＡＺＤ转 温度变化而变化的特点为原理，通过测量超声波在固定距 离下的传播时间间接测量介质温度。以ＳＯＰＣ为核心，对 换电路设计与实现［Ｊ］．仪表技术与传感器，２０１０，２５：１８－－２１． ［５］赵辉，张利．基于ＦＰＧＡ的湿度检测系统的实现［Ｊ］．科 信号进行控制并在Ｎｉｏｓ ＩＩ中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，并可以实现分辨率小 于０ ００１ ｏＣ的时间的测量重复性误差小于１ ｎｓ，并可以实现 技信息，２０１３（３）：６３－６４． ［６］ 蔡伟，刘淑香，张兴红，等．基于ＦＰＧＡ的超声波温度计设 计［Ｊ］．电子技术应用，２０１１，３７：９９－－１０１． ［７］ 彭奇，习友宝．基于ＦＰＧＡ和改进ＣＯＲＤＩＣ算法的ＮＣＯ设 分辨使用了细分插值算法来对信号进行处理，能够精确地 对信号进行激励与采集，从而实现了有效回波信号的自动 采集，大幅度提高了超声波测量温度的范围。同时在Ｎｉｏｓ ＩＩ 计与实现［Ｊ］．微型机与应用，２０１３，３２：６０－－６２． 作者简介： 张天恒（１９７３一），男，甘肃武威人，硕士，工程师，研究领域为 计算机辅助测试。 ≯ ≯ ≯ ≯ ≯ ； ＼０ 中实现了对传播时间的进一步细分，使测量的超声波传播 、 ｊ ０ ｔ； 、 ｔ：》ｔ ｔ ≯ ｔ：； （上接第１００页） ［６］Ｐｔｕｃｈａ Ｒａｙｍｏｎｄ，Ｒｈｏｄａ Ｄａｖｉｄ，Ｍｉｔｔｅｌｓｔａｅｄｔ Ｂｒｉａｎ．Ａｕｔｏ ｚｏｏｍ 系统的设计与实现［Ｊ］．激光与红外，２００９，３９（７）：７３９— ７４１． ｃｒｏｐ ｆｒｏｍ ｆａｃｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｆａｃｉａｌ ｆｅａｔｕｒｅｓ［Ｊ］．Ｐｒｏｃ ｏｆ ＳＰＩＥ， ２０１３，８６５（７）：８６５７０６—１＿＿８６５７０６－９． ［９］刘和平，王维俊，江渝，等．ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０ｘ ＤＳＰ Ｃ语言开发 应用［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版社，２００３． ［１０］郜洪云，熊涛，杨长城．中波红外连续变焦光学系统［Ｊ］．光 ［７］ Ｗａｎｇ Ｚｈｅｎｇ，Ｒｅｎ Ｊｉｎｃｈａｎｇ，Ｗａｎｇ Ｙｕｂｉｎ，ｅｔ ａ１．Ｒｅｌｉａｂｌｅ ｃａｍｅｒａ ｍｏｔｉｏｎ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｆｒｏｍ ｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄ ＭＰＥＧ ｖｉｄｅｏｓ ｕｓｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ 学・精密工程，２００７，１５（７）：１０３８－１０４３． ｌｅａｒｎｉｎｇ ａｐｐｒｏａｃｈ［Ｊ］．Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１３，５２（５）： ０５７４０１一ｌ－－０５７４０１—７． 作者简介： 尹宏建（１９８８一），男，吉林省长春人，硕士研究生，研究方向为 光学镜头调光调焦控制。 ［８］ 陈斌，季云飞，杨帆．基于ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２的测距机电路
