文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.167007
中文引用格式： 徐光宇，熊慶宇，賈睿璽，等. 回波峰值特征聲學測溫及DSP+FPGA測溫系統[J].電子技術應用，2017，43(8)：77-80.
英文引用格式： Xu Guangyu，Xiong Qingyu，Jia Ruixi，et al. ECHO peak features acoustic thermometry and measurement system of DSP+FPGA[J].Application of Electronic Technique，2017，43(8)：77-80.
0 引言
聲學測溫原理早在牛頓時代就已提出，隨著計算機和數字信號處理器的發展得以實現[1]。其方法是基于聲速與介質溫度成比例關系來測量溫度，其中聲波飛渡時間(Time of Flight，ToF)的精確測量是獲得介質溫度的關鍵[2-3]。
目前常用測量方法有閾值法和互相關法[4]。閾值法原理簡單、應用方便，但受到飛渡介質流動、發射接收器件角度等因素影響測量誤差較大。互相關方法能夠在低信噪比條件下提高聲波到達時間的測量精度，但互相關法采用接收波形的總體特征來獲得與發射函數的互相關特征，使用的經驗模型與實際數據有差異，導致測量精度下降，抗干擾差[5]。
針對抗噪聲和實時性要求[6]，本文闡述使用數字信號處理器(Digital Signal Processor，DSP)和可編程門陣列(Field Programmable Gate Array，FPGA)搭建DSP+FPGA聲波飛渡時間測量系統。軟件算法根據系統環境特點設計，提出基于回波峰值多特征統計方法實現溫度變化檢測。經實際嵌入式硬件環境實驗表明，該方法占用系統資源少、測溫迅速，并具有較強的魯棒性和適應性。
1 測溫工作原理與算法
1.1 聲學測溫原理
在氣體介質中，聲波傳播速度c與其組成成分z及溫度T存在單值函數關系[7]。
1.2 飛渡時間測量算法
聲波飛行通常以發射信號結束作為起始時刻Ta，結束時刻Tb需要在波形中確定一個特征點作為結束參照。由于噪聲以及介質流動，接收波形在時域上幅值會發生跳變，通過統計方法將計時參考點散布圓的中心估計出來，其時域上的橫軸位置即為平均計時參考點，以該點作為接收波形時刻Tb測量特征點。
實際中算法思路是硬件系統主要檢測Tn時刻與Tn+1時刻接收波形的時刻差值，換算出在Tn～T(n+1)時間段內溫度變化差值Tx。
算法基本過程如下：
(1)DSP控制驅動發射聲波，FPGA控制ADC連續采集接收聲波信號并存儲；
(2)DSP控制接收信號對噪聲采樣，獲得噪聲上線作為門限電平Vth。
(3)設定噪聲下門限電平Vth，在整個信號存儲空間內搜索大于門限電平Vth的所有峰值點，并存儲所有峰值點數值和其采樣后的存儲單元地址；
(4)搜索找出的峰值點數值，找出最大峰值點，并標記為N0，其值為Nmax，在該點后的峰值點依次標記為N1、N2，該點以前的峰值點標記為N-1、N-2等，記對應地址點D0、D1，最終將所有峰值點均標記序列，如圖1所示。
(5)ADC進行采樣數據的存儲地址，即根據采樣頻率換算為對應獲得采樣的時刻，將每個峰值序列中峰值按照標號逐個對比，獲得多次收發波形時間差均值；
(6)由溫度變化慣性性質，時間差求均過程中濾波去掉跳變誤差，獲得時間段內溫度變化量；
(7)算法結束。
通過重復步驟(3)~(6)，僅對波形存儲空間進行搜索處理即可完成不同時刻溫度變化測量。
2 數字信號處理系統設計
2.1 系統整體結構
由聲學測溫過程的特點，系統設計有如下原則：(1)保證信號采樣高速準確；(2)采樣數據高速存儲并濾波；(3)運算實時性；(4)接口可靠；(5)電源保證系統整體可靠[8-9]。根據需求原則，系統主控采用TI公司TMS320F 2000系列32位浮點DSP作為系統主控，其內置外設脈寬調制(Pulse Width Modulation，PWM)作為聲信號源。系統外圍采用ALTERA公司Cyclone II系列FPGA搭建采樣數據緩存，實現數據流采集、預處理和緩存功能。外置模數轉換AD模塊信號采樣，數據流進入FPGA緩存，由DSP進行算法解算。系統結構圖如圖2所示。
2.2 外圍驅動設計
發射換能器采用直徑16 mm的TCT40-16型號，電壓10 V時產生大于117 dB的聲壓。發射端信號由外設ePWM產生40 kHz方波信號，經過反相器構成多級遞增推挽驅動電路推動探頭發射。
接收信號進行電平調理，將最大幅值-5 V～+5 V的電平信號轉換為1 V～3 V，滿足模數轉換芯片輸入。模數轉換采用外部獨立12位、32 MS/s模數轉換ADC芯片AD9280，轉換電壓量程為2 V，具有475 mW低功耗和69 dB較高信噪比。整個接收電路對模擬信號放大調理并進行模數轉換后進入FPGA。電路原理圖如圖3所示。
外圍電路電源采用LM2596開關降壓穩壓器，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載1.3倍的肖特基二極管。DC/DC變換器MC34063將+5 V變為-5 V輸出，開關電流輸出可達1.5 A，其工作頻率最高可達100 kHz，紋波系數0.1%滿足外設電路電源要求。電路原理圖如圖4所示。
2.3 DSP與FPGA結構
測溫超聲飛行600 mm所需時間最多約2 000 μs，ADC保持32 MHz采樣頻率，最多產生62.5 kB數據。高速數據流進入FPGA，提供高速數據流緩存和邏輯控制，結構如圖5所示。
DSP通過外部擴展接口(External Interface，XINTF) 以外部存儲器的形式訪問FPGA。數據線從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和先進先出緩存(First Input First Output，FIFO)。雙口RAM模塊由兩部分組成，一部分是宏功能產生雙口RAM，另一部分是狀態機讀寫邏輯控制。
DSP在FPGA完成數據接收預處理后進行算法運算。系統上電后，DSP首先進行初始化和外設配置，然后等待信號處理中斷來臨。當DSP接收到讀取信號后，控制FPGA通過XINTF接口將FPGA內部的波形數據讀入DSP的存儲器中，數據讀取完畢后DSP開始算法運算工作，計算好溫度信息后，系統可以通過LCD顯示屏直接顯示結果，或者通過串口將采集結果上傳至上位機。FPGA與DSP結果如圖6所示。
3 實驗驗證及分析
實驗使用LabVIEW搭建測試上位機，信號發生器AFG3252作為測試信號源、泰克示波器DPO7254作為接收信號監控。環境溫度使用XMT614測溫儀進行監控。實驗在密閉空調室內進行，氣體常數z取20.03，室溫21 ℃時理論聲速為343.53 m/s，收發探頭距離400 mm時聲波理論飛渡時間1 164.37 μs。系統啟動后進行標定，通過空調和電加熱裝置控制室溫升降，設計系統和測溫儀記錄數據進行對比。每次實驗進行若干小時完成上千次測溫，實驗溫度變化采集結果如圖7所示。
實驗結果顯示，系統采集溫度與測溫儀溫度曲線變化趨勢一致，其測量飛渡區域內平均溫度與熱電偶點測溫相差±1 ℃，系統能準確跟蹤介質溫度變化。
本文算法與閾值法和互相關法進行對比，實驗在室溫21 ℃對不同收發距離進行測距實驗，檢驗飛渡時間測量算法。實驗對不同距離多次測量均值進行誤差對比，結果如圖8所示。
實驗結果表明，本文算法在嵌入式系統中運行，對比傳統閾值法有較高的準確性，在室溫定溫21 ℃、距離1 000 mm測距距離誤差不大于1%，每次測量耗時穩定在200 ms以下，具有較強實時性。
4 結論
本文以聲學測溫原理為基礎，根據嵌入式系統環境特點設計提出聲波飛渡時間測量算法。算法通過檢測接收聲波信號各峰值位置多次統計對比波形位移獲得時刻差來獲得溫度變化量，從而使算法過程更適應于高速采樣運算的嵌入式系統。測溫系統使用專用嵌入式計算機芯片DSP和PFGA為核心設計而成，其硬件設計可靠有效，程序設計運行流暢，能準確快速跟蹤介質溫度變化。
本文設計系統運行可靠，調試方便，提出的算法有較高的準確性和一致性。下一步將針對不同介質物理特性的改進聲學測溫方法以及聲波飛渡過程干擾等情況進行普適性和穩定性研究。
參考文獻
[1] JACKSON J C，SUMMAN R，DOBIE G I，et al.Time-of-flight measurement techniques for airborne ultrasonic ranging[J].IEEE Transactions on Ultrasonics Ferroelectrics & Frequency Control，2013，60(2)：343-355.
[2] SHEN X，XIONG Q，SHI W，et al.A new algorithm for reconstructing two-dimensional temperature distribution by ultrasonic thermometry[J].Mathematical Problems in Engineering，2015(489)：1-10.
[3] 楊祥良，安連鎖，沈國清，等.單路徑聲學高溫計實時監測鍋爐爐膛煙溫的試驗研究[J].動力工程學報，2009，29(4)：379-383.
[4] 張興紅，張慧，陳錫侯，等.一種精密測量超聲波傳輸時間的方法[J].北京理工大學學報，2011，31(6)：717-721.
[5] 張波，安連鎖，沈國清，等.互相關函數在聲學測溫系統中的誤差分析[J].電力科學與工程，2006(1)：45-47.
[6] 吳付祥，趙政，黃金星，等.非接觸式的超聲波流量檢測技術研究[J].電子技術應用，2014，40(6)：82-84.
[7] 賴國強，石為人，熊慶宇，等.基于回波包絡上升沿擬合的超聲波飛行時間測量方法[J].傳感技術學報，2014(7)：922-927.
[8] 車輛防碰撞.超聲換能器驅動電路及回波接收電路的設計[J].電子技術應用，2004，30(11)：31-34.
[9] 鄭爭兵.基于FPGA的高速采樣緩存系統的設計與實現[J].計算機應用，2012，32(11)：3259-3261.
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 自動化學院，重慶400044；2.重慶大學 軟件學院，重慶400044）