【学术论文】回波峰值特征声学测温及DSP+FPGA测温系统
摘要：
针对声学测温高精度、实时性和抗干扰的性能要求，提出一种基于回波峰值特征统计方法测量声波飞渡介质温度的算法，设计系统采用以高速ADC模数转换芯片为外设，FPGA可编程逻辑芯片缓存高速采样数据，DSP数字信号处理器为运算核心的处理系统，对声波飞行时间ToF进行快速精确实时测量。实验结果表明，系统能准确跟踪接触式测温仪为参照的介质温度变化。与阈值法和互相关法对比，该算法适应嵌入式系统，运算速度快，抗干扰性强。
中文引用格式： 徐光宇，熊庆宇，贾睿玺，等. 回波峰值特征声学测温及DSP+FPGA测温系统[J].电子技术应用，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
声学测温原理早在牛顿时代就已提出，随着计算机和数字信号处理器的发展得以实现[1]。其方法是基于声速与介质温度成比例关系来测量温度，其中声波飞渡时间(Time of Flight，ToF)的精确测量是获得介质温度的关键[2-3]。
目前常用测量方法有阈值法和互相关法[4]。阈值法原理简单、应用方便，但受到飞渡介质流动、发射接收器件角度等因素影响测量误差较大。互相关方法能够在低信噪比条件下提高声波到达时间的测量精度，但互相关法采用接收波形的总体特征来获得与发射函数的互相关特征，使用的经验模型与实际数据有差异，导致测量精度下降，抗干扰差[5]。
针对抗噪声和实时性要求[6]，本文阐述使用数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)和可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)搭建DSP+FPGA声波飞渡时间测量系统。软件算法根据系统环境特点设计，提出基于回波峰值多特征统计方法实现温度变化检测。经实际嵌入式硬件环境实验表明，该方法占用系统资源少、测温迅速，并具有较强的鲁棒性和适应性。
1 测温工作原理与算法
1.1 声学测温原理
在气体介质中，声波传播速度c与其组成成分z及温度T存在单值函数关系[7]。
1.2 飞渡时间测量算法
声波飞行通常以发射信号结束作为起始时刻Ta，结束时刻Tb需要在波形中确定一个特征点作为结束参照。由于噪声以及介质流动，接收波形在时域上幅值会发生跳变，通过统计方法将计时参考点散布圆的中心估计出来，其时域上的横轴位置即为平均计时参考点，以该点作为接收波形时刻Tb测量特征点。
实际中算法思路是硬件系统主要检测Tn时刻与Tn+1时刻接收波形的时刻差值，换算出在Tn～T(n+1)时间段内温度变化差值Tx。
算法基本过程如下：
(1)DSP控制驱动发射声波，FPGA控制ADC连续采集接收声波信号并存储；
(2)DSP控制接收信号对噪声采样，获得噪声上线作为门限电平Vth。
(3)设定噪声下门限电平Vth，在整个信号存储空间内搜索大于门限电平Vth的所有峰值点，并存储所有峰值点数值和其采样后的存储单元地址；
(4)搜索找出的峰值点数值，找出最大峰值点，并标记为N0，其值为Nmax，在该点后的峰值点依次标记为N1、N2，该点以前的峰值点标记为N-1、N-2等，记对应地址点D0、D1，最终将所有峰值点均标记序列，如图1所示。
(5)ADC进行采样数据的存储地址，即根据采样频率换算为对应获得采样的时刻，将每个峰值序列中峰值按照标号逐个对比，获得多次收发波形时间差均值；
(6)由温度变化惯性性质，时间差求均过程中滤波去掉跳变误差，获得时间段内温度变化量；
(7)算法结束。
通过重复步骤(3)~(6)，仅对波形存储空间进行搜索处理即可完成不同时刻温度变化测量。
2 数字信号处理系统设计
2.1 系统整体结构
由声学测温过程的特点，系统设计有如下原则：(1)保证信号采样高速准确；(2)采样数据高速存储并滤波；(3)运算实时性；(4)接口可靠；(5)电源保证系统整体可靠[8-9]。根据需求原则，系统主控采用TI公司TMS320F 2000系列32位浮点DSP作为系统主控，其内置外设脉宽调制(Pulse Width Modulation，PWM)作为声信号源。系统外围采用ALTERA公司Cyclone II系列FPGA搭建采样数据缓存，实现数据流采集、预处理和缓存功能。外置模数转换AD模块信号采样，数据流进入FPGA缓存，由DSP进行算法解算。系统结构图如图2所示。
2.2 外围驱动设计
发射换能器采用直径16 mm的TCT40-16型号，电压10 V时产生大于117 dB的声压。发射端信号由外设ePWM产生40 kHz方波信号，经过反相器构成多级递增推挽驱动电路推动探头发射。
接收信号进行电平调理，将最大幅值-5 V～+5 V的电平信号转换为1 V～3 V，满足模数转换芯片输入。模数转换采用外部独立12位、32 MS/s模数转换ADC芯片AD9280，转换电压量程为2 V，具有475 mW低功耗和69 dB较高信噪比。整个接收电路对模拟信号放大调理并进行模数转换后进入FPGA。电路原理图如图3所示。
外围电路电源采用LM2596开关降压稳压器，芯片将12 V输入降至5 V；输入电容选用大于输入电压1.5倍耐压值的470 μF电解电容，输出电容选择220 μF电解电容，吸纳二极管采用大于最大负载1.3倍的肖特基二极管。DC/DC变换器MC34063将+5 V变为-5 V输出，开关电流输出可达1.5 A，其工作频率最高可达100 kHz，纹波系数0.1%满足外设电路电源要求。电路原理图如图4所示。
2.3 DSP与FPGA结构
测温超声飞行600 mm所需时间最多约2 000 μs，ADC保持32 MHz采样频率，最多产生62.5 kB数据。高速数据流进入FPGA，提供高速数据流缓存和逻辑控制，结构如图5所示。
DSP通过外部扩展接口(External Interface，XINTF) 以外部存储器的形式访问FPGA。数据线从D0～D7，逻辑粘合地址线从A8～A13。通过引脚XZCS0andCS1来片选FPGA(XINTF ZONE1)。
在FPGA上编写双口RAM和先进先出缓存(First Input First Output，FIFO)。双口RAM模块由两部分组成，一部分是宏功能产生双口RAM，另一部分是状态机读写逻辑控制。
DSP在FPGA完成数据接收预处理后进行算法运算。系统上电后，DSP首先进行初始化和外设配置，然后等待信号处理中断来临。当DSP接收到读取信号后，控制FPGA通过XINTF接口将FPGA内部的波形数据读入DSP的存储器中，数据读取完毕后DSP开始算法运算工作，计算好温度信息后，系统可以通过LCD显示屏直接显示结果，或者通过串口将采集结果上传至上位机。FPGA与DSP结果如图6所示。
3 实验验证及分析
实验使用LabVIEW搭建测试上位机，信号发生器AFG3252作为测试信号源、泰克示波器DPO7254作为接收信号监控。环境温度使用XMT614测温仪进行监控。实验在密闭空调室内进行，气体常数z取20.03，室温21 ℃时理论声速为343.53 m/s，收发探头距离400 mm时声波理论飞渡时间1 164.37 μs。系统启动后进行标定，通过空调和电加热装置控制室温升降，设计系统和测温仪记录数据进行对比。每次实验进行若干小时完成上千次测温，实验温度变化采集结果如图7所示。
实验结果显示，系统采集温度与测温仪温度曲线变化趋势一致，其测量飞渡区域内平均温度与热电偶点测温相差±1 ℃，系统能准确跟踪介质温度变化。
本文算法与阈值法和互相关法进行对比，实验在室温21 ℃对不同收发距离进行测距实验，检验飞渡时间测量算法。实验对不同距离多次测量均值进行误差对比，结果如图8所示。
实验结果表明，本文算法在嵌入式系统中运行，对比传统阈值法有较高的准确性，在室温定温21 ℃、距离1 000 mm测距距离误差不大于1%，每次测量耗时稳定在200 ms以下，具有较强实时性。
4 结论
本文以声学测温原理为基础，根据嵌入式系统环境特点设计提出声波飞渡时间测量算法。算法通过检测接收声波信号各峰值位置多次统计对比波形位移获得时刻差来获得温度变化量，从而使算法过程更适应于高速采样运算的嵌入式系统。测温系统使用专用嵌入式计算机芯片DSP和PFGA为核心设计而成，其硬件设计可靠有效，程序设计运行流畅，能准确快速跟踪介质温度变化。
本文设计系统运行可靠，调试方便，提出的算法有较高的准确性和一致性。下一步将针对不同介质物理特性的改进声学测温方法以及声波飞渡过程干扰等情况进行普适性和稳定性研究。
参考文献
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作者信息：
徐光宇1，熊庆宇1，2，贾睿玺1，张 瑞1
（1.重庆大学 自动化学院，重庆400044；2.重庆大学 软件学院，重庆400044）