（控制理论与控制工程专业论文）基于sopc的石英音叉温度传感器测试系统的研究.pdf

哈尔滨理_ 大学工学硕十学位论文 基于s o p c 的石英音叉温度传感器测试系统的研究 摘要 随着科学技术的飞速发展，市场对高性能低功耗传感系统的需求越来越 高，对高精度温度测量的需求也越来越高，精确的温度测量已经成为现代测 控技术中的重要组成部分。 传统的温度传感器( 热电阻、热电偶，半导体集成温度传感器) 皆为模拟 式传感器，输出信号必须通过模数转换，其缺点是转换效率低、功耗大、 换算复杂、抗电磁干扰能力差，不便于进行数字信号处理。而石英晶体温度 传感器是一种输出信号为频率的数字式传感器，具有灵敏度高、长期稳定性 好、动态范围宽、互换性好，易与数字系统兼容等特点。其频率输出信号不 必经过a d 转换器就可以与计算机连接，组成高精度的测量控制系统，因 此已经成为微传感器领域重要的研究对象。 传统的温度传感器测控系统都是以单片机为核心来设计的，其缺点是测 频速度慢，易受外界条件的影响，可靠性差，功耗高。对此，本文引入 s o p c 技术，把s o p c 技术和石英音叉温度传感器结合起来，设计一种高性 能的数字化智能传感系统。在设计中，将系统所需要的功能模块集成到一片 f p g a 芯片上，构建了一个可编程的片上系统。这种设计提高了处理速度， 具有灵活的设计方式，可裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件在线可编程 功能。 首先，论文对石英音叉温度传感器和s o p c 技术的国内外现状和发展趋 势进行分析，并分析了石英音叉温度传感器的工作原理，介绍了s o p c 及其 相关技术。其次，对该测试系统的软硬件设计进行了详细地介绍。硬件设计 包括频率测量模块的设计和整个硬件系统的搭建，通过采用v c r i l o gh d l 语 言来实现频率测量模块的设计，并使用s o p cb u i l d e r 和q u a r t u si i 开发工 具，将n i o si i 处理器和频率测量模块集成到f p g a 芯片上，完成硬件系统 的构建；软件设计包括用户应用程序的编写和调试，采用c 语言编写程序 并使用n i o si ii d e 开发工具来调试和运行整个测试系统。最后，对所设计 的系统进行测试，通过实验所得数据，对石英音叉温度传感器的静动态特性 进行分析，并采用最d x - 乘法进行拟合，使用m a t l a b 仿真出石英音叉温度 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 传感器的特性曲线。 关键词石英音叉温度传感器；s o p c ；f p g a ；n i o si i 软核处理器 i i 哈尔滨理工大学工学硕? l 学位论文 r e s e a r c ho nq u a r t zt u n i n gf o r k t e m p e r a t u r es e n s o r t e s ts y s t e mb a s e do ns o p c a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , t h ed e m a n df o rt h e m a r k e ti sg e t t i n gh i g h e ra n dh i g h e rt ot h eh i g h - p e r f o r m a n c el o w - p o w e rs e n s i n g s y s t e ma n da l s ot ot h eh i g l l p r e c i s i o nt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t s ot h ep r e c i s e t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n th a sa l r e a d yb e c o m ea ni m p o r t a n tc o m p o n e n ti nt h e m o d e r no b s e r v a t i o na n dc o n t r o lt e c h n o l o g ys y s t e m t r a d i t i o n a l t e m p e r a t u r es e n s o r s ( t h e r m a lr e s i s t a n c e , t h e r m o c o u p l e ， s e m i c o n d u c t o ri n t e g r a t e dt e m p e r a t u r es e n s o r s ) a r ea l l a n a l o gs e n s o r s t h e i r o u t p u ts i g n a l sm u s tp a s st h r o u g ha dc o n v e r t e r s ，a n dt h e i rs h o r t c o m i n g sa r el o w c o n v e r s i o n e f f i c i e n c y ,b i gp o w e rl o s s ，c o m p l e xc o n v e r s i o n ， b a da n t i - e l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e n c e a b i l i t y a n di n c o n v e n i e n tf o r d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n g w h i l et h eq u a r t zc r y s t a lt e m p e r a t u r es e n s o ri sad i g i t a ls e n s o rw h o s e o u t p u ts i g n a l i sf r e q u e n c y t h eq u a r t zc r y s t a lt e m p e r a t u r es e n s o rh a st h e c h a r a c t e r i s t i c so fh i g hs e n s i t i v i t y , g o o dl o n g - t e r ms t a b i l i t y , w i d ed y n a m i cr a n g e a n de a s yt oc o m p a t i b l ew i t hd i g i t a ls y s t e m sa n ds oo n a n dt h ef r e q u e n c yo u t p u t s i g n a lc a nc o n n e c tw i t hc o m p u t e r , n o th a v i n gt op a s st h r o u g ha dc o n v e r t e r , a n d c a n c o m p o s eh i g h - p r e c i s i o nm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m s ot h eq u a r t z c r y s t a lt e m p e r a t u r es e n s o rh a sa l r e a d yb e c o m ea ni m p o r t a n ts t u d yo b j e c ti nt h e m i c r o s e n s o rf i e l d t r a d i t i o n a lt e m p e r a t u r es e n s o r sm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l s y s t e m sa r e d e s i g n e du s i n gt h es i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e ra st h ec o r e t h es y s t e m sh a v e m a n ys h o r t c o m i n g st h a tt h ef r e q u e n c ym e a s u r e m e n ts p e e di ss l o w , t h es y s t e m s a r es u s c e p t i b l et oe x t e r n a lc o n d i t i o n s ，t h er e l i a b i l i t yi sb a da n dt h ep o w e rl o s si s h i g h i nt h i sr e g a r d ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e ds o p ct e c h n o l o g y t h e nc o m b i n e di t w i t hq u a r t zt u n i n gf o r kt e m p e r a t u r es e n s o r , a n dd e s i g n e dan e wt y p eo fh i g h p e r f o r m a n c ed i g i t a la n di n t e l l i g e n ts e n s o rs y s t e ma sap u r p o s e i nt h ed e s i g n ，t h e i i i 哈尔滨理工大学工学硕上学位论文 f u n c t i o n a lm o d u l e sw h i c ht h es y s t e mr e q u i r e sa r ea l li n t e g r a t e di n t oa nf p g a c h i p ，a n dt h e nap r o g r a m m a b l es y s t e m o n c h i p h a sb e e nb u i l t t 1 1 i sd e s i g n i m p r o v e st h ep r o c e s ss p e e d ，a n dh a sf l e x i b l ed e s i g nw a yt h a tt h es y s t e mc a nb e r e d u c e d ，e x t e n d e da n du p g r a d e a b l e t h es y s t e mi sa l s oh a so n l i n ep r o g r a m m a b l e f u n c t i o no ft h es o f t w a r ea n dh a r d w a r e f i r s t ，t h ep a p e ra n a l y z e st h ed e v e l o p m e n ta c t u a l i t ya n dt r e n d sa th o m ea n d a b r o a do ft h eq u a r t zt u n i n gf o r kt e m p e r a t u r es e n s o ra n ds o p ct e c h n o l o g y i ta l s o a n a l y z e st h eq u a r t zt u n i n gf o r kt e m p e r a t u r es e n s o r sw o r kp r i n c i p l e i nd e t a i l ， s i m u l t a n e o u s l yi n t r o d u c e ss o p ca n dt h er e l a t e dt e c h n o l o g i e s s e c o n d ，t h ep a p e r i n t r o d u c e st h et e s ts y s t e m ss o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g ni nd e t a i l t h eh a r d w a r e d e s i g ni n c l u d e st h ef r e q u e n c ym e a s u r e m e n tm o d u l e sd e s i g na n d t h ee n t i r e h a r d w a r es y s t e m sb u i l d i tu s e sv e r i l o gh d ll a n g n a g et or e a l i z et h ef r e q u e n c y m e a s u r e m e n tm o d u l ed e s i g n ，a n du s e ss o p cb u i l d e ra n dq u a r t u si id e v e l o p m e n t k i tt oi n t e g r a t en i o si ip r o c e s s o ra n dt h ef r e q u e n c ym e a s u r e m e n tm o d u l ei n t o t h ef p g ac h i p t h u s t h eh a r d w a r es y s t e m sc o n s t r u c t i o ni sc o m p l e t e d t h e s o f t w a r ed e s i g ni n c l u d e st h eu s e ra p p l i c a t i o np r o c e d u r ec o m p i l a t i o na n dt h e d e b u g g i n g u s e scl a n g u a g et op r o g r a ma n db s e sn i o si i i d ed e v e l o p m e n tk i t t od e b u ga n dr u nt h ee n t i r et e s ts y s t e m f i n a l l y , t h ed e s i g n e ds y s t e mi st e s t e d t h r o u g ht h eo b t a i n e de x p e r i m e n td 枫t h ep a p e ra n a l y z e s 也es t a t i ca n dd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so ft h eq u a r t zt u n i n gf o r kt e m p e r a t u r es e l l s o r u s e st h el e a s ts q u a r e s m e t h o dt of i tt h e 也i r dp o l y n o m i a la n du s e st h em a t l a b t os i m u l a t et h e c h a r a c t e r i s t i cc u r v eo ft h eq u a r t zt u n i n gf o r kt e m p e r a t u r es e n s o r k e y w o r d sq u a r t zt u n i n gf o r kt e m p e r a t u r es e n s o r , s o p c ，f p g a ，n i o si i s o f t c o r ep r o c e s s o r 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于s o p c 的石英音叉温度传感 器测试系统的研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间 独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人 已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：镧翮华日期：2 研年争月日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 基于s o p c 的石英音叉温度传感器测试系统的研究系本人在哈尔滨理工大 学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔 滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈 尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论 文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密，口在年解密后适用授权书。 不保密囱。 ( 请在以上相应方框内打4 ) 作者签名：饲翮华日期：2 粥侔手月歹日 导师签名：i 胁冲毕月日 哈尔滨理1 = 大学工学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 温度是一种非常重要的计量参数，工农业、国防事业、科研和日常生活都 离不开对温度的测量。随着科技的飞速发展，对温度的测量要求愈来愈高，不 仅要求准确度高、响应速度快，而且要求低功耗、适宜远传和便于与计算机配 合使用【。 目前使用的p n 结半导体传感器、陶瓷热敏电阻器、铂( 或铜) 电阻器、热 电偶等都是把温度信号转换为电阻、电压或电流信号进行检测。它们皆为模拟 式传感器，输出信号要进行数据处理和数字显示，必须通过模数转换，其缺 点是转换效率低、功耗大、换算复杂、抗电磁干扰能力差，不便于进行数字信 号处理。因此，能将被测量转换成数字信号的数字式传感器要比模拟式传感器 优越，而石英晶体温度传感器正是一种输出信号为频率的数字式传感器 2 1 ，具 有灵敏度高、准确度高、长期稳定性好、动态范围宽、互换性好，因此已经成 为微传感器领域重要的研究对象。 1 2 谐振式石英温度传感器国内外发展概况 目前，美国、日本、俄罗斯和瑞士等国家积极从事该领域的研究，对石英 晶体温度传感器的研究主要集中在谐振式厚度切变石英晶体温度传感器和谐振 式石英音叉温度传感器。其主要技术如下 3 - 习： 1 厚度切变式石英晶体温度传感器世界上第一个提出谐振式石英晶体温 度传感器概念的是美国g o r i n i 和s o r t o r i 。首次研制成功的是s m i t h 和 s p e n c e r ，他们在19 6 3 年试制成功水晶温度计，采用5 m h z 频率3 次泛音工 作。由于采用惯用的高精密晶体加工工艺，q 值高达3 1 0 6 ，其一阶频率一温 度系数为8 0 x 1 0 4 o c ，短期稳定度和长期稳定度皆高达l o 。1 0 ，传感器的技术 指标很高，其温度分辨力高达4 x 1 0 - 6 。c 成为国际最高水平。1 9 6 5 年美国又试 制成功采用该切型水晶温度传感器的台式精密温度计。其响应时间为1 0 s ，温 度分辨率为0 1 “k ，线性度为1 0 m k 。 美国h a m m o n d 的石英晶体温度传感器，在一4 0 - 2 3 0 。c 的范围内线性度 哈尔滨理工大学t 学硕十学位论文 为0 0 5 ，灵敏度为3 6 1 0 6 o c ，线性度好。但是，此切型的石英晶体传感器 生产效率和成品率都不高。俄罗斯的雅洛斯拉夫斯基发明的石英晶体传感器， 二阶温度系数和三阶温度系数不是零，但是很小，非线性仅为o 0 7 。c 。换言 之，稍微牺牲线性度，但是提高了可操作性和产品的一致性。1 9 8 4 年日本东京 工业大学中泽光男教授发明了n l 切型，采用n l 切型的温度传感器是一种超 线性频率温度特性的石英温度传感器。1 9 8 7 年中泽教授又研制出种采用超线 性并且具有应力补偿功能的n l s c 切型，解决了动态温度传感器和高精密水晶 温度传感器的一个关键技术，使得厚度切变式水晶温度传感器更加成熟和完 美。现在日本、俄国、保加利亚等正在生产采用此种切型的温度传感器。 2 谐振式石英晶体音叉温度传感器厚度切变模式石英晶体温度传感器的 主要缺点是：( i ) t 作频率过高，为1 0 2 8 m h z ，所需外围电路成本高并且需要 复杂的杂波辐射抑制措施；( 2 ) 传感器的体积较大，响应速度慢；( 3 ) 动态电阻 为2 0 - 4 0 q ，工作电流大，功耗大；( 4 ) 容易主生迟滞误差等。简言之，厚度切 变式水晶温度传感器的振动模式和工作机制已限制了温度测量范围的扩展、响 应速度的提高和电功耗的降低。 谐振式音叉水晶温度传感器克服了上述缺点。目前国际上公布的传感器主 要有两种：弯曲振动模式的谐振式音叉水晶温度传感器和扭曲振动模式的谐振 式音叉水晶温度传感器【6 j 。 日本植田先生研制的弯曲振动模式的谐振式音叉水晶温度传感器采用 痧= - 4 0 2 3 。切型。它的一阶温度系数为一4 7 6 x l o - 6 。c ，二阶温度系数为 一1 8 7 x 1 0 - 9 。c ，工作频率为4 0 k h z ，工作温度范围为一2 6 9 2 5 0 。c ，外形尺 寸为0 3 m m 8 m m ，测温准确度为0 0 5 。c ，响应时间为0 9 s 。 瑞士的d i n g e r 研制出采用扭曲模式工作的谐振式音叉水晶温度传感器， 它的切割角9 = 9 2 。，一阶温度系数为2 0 1 0 - 6 。c ，二阶温度系数为零。频率 温度特性为直线。工作频率为2 6 2 1 1 4 k h z 、动态电阻为1 5 k f 2 ，动态电容为 0 3 p f ，外形尺寸为0 1 5 m mx5 3 m m ，这是目前国际上外形尺寸最小的一种。 1 3 水晶温度传感器发展方向 水晶温度传感器发展方向主要旮7 ，研： ( 1 ) 材料改性( 利用电清洗法等提高水晶q 值，提高传感器测温极限以及进 一步改善其长期稳定性) 。 ( 2 ) 寻找新的单转角切型。目前发现的优良热敏切型大都是双转角切的，其 2 哈尔滨理工大学工学硕上学位论文 加工工艺复杂，难度大，成品率低，不适宜普通工厂批量生产。 ( 3 ) 逐渐采用化学刻蚀制作水晶传感器，可是目前此法尚不成熟，仅能对z 轴附近切型进行化学刻蚀，很多优良的热敏切型无法利用化学刻蚀法制作。因 此，通常利用刻蚀法制作的水晶温度传感器技术指标不如机械法的高，例如q 值，分辨力、压电活力等，但是刻蚀法加工的物理尺寸较小。因此，水晶微机 械加工技术的突破是水晶传感器发展的关键。采用离子束刻蚀是一种新方法， 它具有化学刻蚀和机械加工法两种工艺的优点，颇有前途。 ( 4 ) 多功能化，单片式水晶温度传感器、压力传感器、单片式温度一流量传 感器国外正在研制。 ( 5 ) 美国和日本正在研制采用复合式( 弯曲和扭曲振动) 的音叉传感器。它具 有两者的优点，灵敏度高、准确度好、线性度佳、体积小、功耗低。 总之，水晶温度传感器的发展前景广阔。国外现已应用在精密温度测量 仪、井下石油温度计、原子反应堆、数字体温度计、海图制作、热线式流量 计、热量仪等，作为精密温度测量或控制用。 1 4s o p c 技术国内外发展现状 s o p c ( s y s t e mo nap r o g r a m m a b l ec h i p ，可编程片上系统) 是美国a l t e r a 公 司于2 0 0 0 年最早提出来的一种灵活、高效的s o c ( s y s t e mo nc h i p ，片上系统) 解决方案。它将处理器、存储器、i o 口等系统设计需要的功能模块集成到一 个p l d ( p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ，可编程逻辑器件) 上，构建成一个可编程 的片上系统。它具有灵活的设计方式，可裁减、可扩充、可升级，并具备软硬 件在线可编程功能 9 1 。 s o p c 是s o c 技术和可编程逻辑技术结合的产物，代表了当今电子设计的 发展方向【1 0 1 。它已不是一种功能单一的单元电路，而是将信号采集，信号处理 及信号输出等功能集成在一起，以成为一个有专门用途的电子系统芯片。 s o p c 越来越受到客户青睐的原因主要有以下几点：一是原来仅在实验室 中才具有的可重新编程功能现在延伸到产品现场部署；二是近年来f p g a ( f i e l d p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ，现场可编程门阵y 0 ) 器件密度大幅提高，密度在1 0 0 0 万门以上的现场可编程逻辑芯片己经面市，芯片规模的扩大和性能的提高为 s o p c 提供了物质基础；三是第四代现场可编程逻辑器件的开发工具己经成 形。如a l t e r a 公司的q u a r t u s ，以及s o p cb u i l d e r 的出现，极大的提高了开 发人员的上作效率；四是i p ( i n t e u e c t u a lp r o p e r t y ，知识产权) 得到重视，越来越 哈尔滨理t 大学工学硕十学位论文 多的设计人员以“设计重用”的方式对现有软件代码加以充分利用，从而提高 他们的设计效率并缩短上市时间：五是由于连接延迟时间的缩短，片上可编程 系统能够提供增强的性能，而且由于封装体积的减小，产品尺寸也随之减小。 六是设计成本和风险直线下降。和a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i c i n t e g r a t e d c i r c u i t ，专用集成电路) 设计费用和成本不断增加的情况相反，随着f p g a 容量 和系统功能的不断增加，s o p c 必将成为灵活和低风险的a s i c 替代方梨1 1 1 。 s o p c 是市场和技术共同推动的结果 1 2 , 1 3 】。目前，a l t e r a 、a r m 、a r c c o r e s 等公司都推出了各种可配置处理器内核。a l t e r a 和x i l i n x 公司将自己生 产的f p g a 与可配置处理器内核结合在一起，推出了s o p c 解决方案，主要有 基于硬核处理器的s o p c 系统和基于软核处理器的s o p c 系统。 从市场角度来看，s o p c 系统现在已经广泛应用于从消费类产品( 如数字蜂 窝手机和数字电视机项盒) 到高端通信l a n w a n 设备的诸多应用中。近年 来，通讯行业的迅猛发展和信息家电的飞速普及，迫使集成电路生产商必须转 换观念，不断发展i c ( i n t e g r a t e dc i r c u i t ，集成电路) 新品种、扩大i c 规模、 增强i c 性能、缩短i c 的上市时间，实现品种的通用性、系列化和标准化，以 利于批量生产，降低成本，提高效益，增强产品的竞争力。 从技术角度来看，自7 0 年代以来，随着半导体和电子设计自动化技术的 不断发展，单芯片集成度不断提高，单个芯片所能提供的晶体管数量已经超过 了大多数电子系统的要求，如何发挥这一近乎无限的晶体管集成度，就成了电 子工程师的一项重大挑战。一般的电子系统都包括有微处理器、存储器、 d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，数字信号处理器) 和各种接口，若能将这些部件集 成到一块芯片当中，获得的性能将比用传统方法设计出来的系统提高很多。有 的观点认为，采用0 3 5 1 嚏ms o p c 技术设计的电路，其性能将相当于o 1 8 肛m 或0 1 5 i x m 的采用通常方法设计的电路，并且完成同样的功能所需的元件数要 少很多。目前，m m 公司发布的一款将逻辑电路和存储器集成在一起的单系统 芯片，集成度为2 4 0 0 万门，其速度相当于p c 处理速度的8 倍，存储容量提高 了2 4 倍，存取速度提高了2 4 倍。 s o p c 技术在我国已经受到前所未有的重视，嵌入式微处理器口核方面有 了长足进展。如北大计算机系的j b c o r e 3 2 、中芯微系统的方舟号、二号、中 科院计算机所的g o d s o n 等等，这些3 2 位微处理器核可以证明我国的i c 设 计人员已具有了设计较高性能的微处理器核的能力。 s o p c 技术的发展方向是趋同世界的。f p g a 正在成功地挑战a s i c 和 a s s p ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i cs t a n d a r dp a r t s ，专用标准部分) ，成为批量生产的替 4 哈尔滨理工大学工学硕上学位论文 代方案，这恰恰说明了两个世界正在慢慢地融合。a s i c 厂商正在他们的器件 中嵌入f p g a 类的可编程性，以缩短设计时间。其它厂商亦在开发半定制器 件，它集成了口核，在金属层上具有有限的可编程性。同时，f p g a 正在嵌入 a s i c 内核用于特定的应用，如d s p 。虽然所有这些方式似乎是等效的，但是 试图在a s i c 上加入可编程性是很有限的。到目前为止，在a s i c 上嵌入可编 程性并不成功，因为目前没有商用产品。半定制或门阵列和f p g a 相比也有一 些严重的缺陷，虽然这些器件的开发周期可能比a s i c 或a s s p 短，但它既无 法及时面市又没有真正可编程器件固有的灵活性，还缺少f p g a 的动态可重配 置性。 1 5s o p c 技术发展方向 一直以来，在开发一个典型的系统时，设计人员仍不得不采用各种昂贵 的、分立的模拟器件配合可编程逻辑器件或者混合信号的a s i c 作为解决方 案。固定的架构以及其他技术缺陷阻碍了将分立器件集成到一块单一的、低成 本的、能够符合各种需求的芯片中。模拟技术是当今应用的关键系统元素，但 越来越多的模拟信号通过转换为数字信号，进而采用数字电路来测量和控制。 在进行数字信号处理时，整个系统对嵌入式处理器的性能要求也随之日益提 高，从8 位逐步向3 2 位过渡。这一切的需求，都迫切需要设计人员能够把所 有的功能设计集中在一个芯片上。而s o p c 是具有所有这些属性的现成部件， 利用它可以方便地选择器件来构成一个系统，而且可以根据系统的需要对处理 器的资源进行裁剪。此外，由于各个器件之间通过总线之间的连接是自动生成 的，这就大大缩短了系统的开发周期，也因此，针对于特定器件核的设计 以及m 核的重用成为s o p c 技术发展的关键。 基于s o p c 的设计技术主要包括以下3 个方面【1 4 1 ： ( 1 ) 基于单片集成系统的软硬件协同设计和验证技术：主要是面向不同目标 系统的软硬件功能划分理论和设计空间搜索技术。 ( 2 ) i p 核生成及复用技术：资源复用是指在集成电路设计过程中，先继 承、共享或购买所需的智力产权内核，然后再利用电子设计自动化( e d a ) i 具 进行设计、综合和验证，从而加速流片设计过程，降低开发风险。 ( 3 ) 模块以及模块界面间的综合分析和验证技术：综合分析和验证是难点， 要为硬件和软件的协同描述、验证及综合提供自动化的集成开发环境。 与传统方法相比，s o p c 的设计方法必须有根本的改变，即从以功能设计 哈尔滨理工大学工学硕上学位论文 为基础的传统流程，转变到以功能组装为基础的全新流程。 总之，s o p c 技术的目标就是试图将尽可能大而完整的电子系统，包括嵌 入式处理器系统、接口系统、硬件协处理器或加速器系统、d s p 系统、数字通 信系统、存储电路以及普通数字系统等，在单一可编程片上系统中实现，使得 所设计的电路系统在规模、可靠性、体积、功耗、功能、性能指标、上市周 期、开发成本、产品维护及其硬件升级等多方面实现最优化，而这也正是 s o p c 技术的发展的根本方向。 1 6 课题研究目的及意义 s o p c 技术作为一种新技术，在国外己经有了广泛的应用，但是在国内使 用n i o si i 处理器的嵌入式设计和开发还是处于起步阶段。开发者大多使用已 经得到市场验证比较稳定的处理器产品，对于n i o si i 应用开发和研究还有大 量工作需要我们去做。 s o p c 技术是一种灵活高效的解决方案，具有灵活的设计方式，可裁减、 可扩充、可升级，并具备软硬件在线可编程功能。s o p c 的出现为本文的设计 带来了契机。因此本文希望通过s o p c 技术搭建一个石英音叉温度传感器测试 系统，完成对石英音叉温度传感器的静态和动态特性的定量分析；并在此基础 上，建立石英音叉温度传感器的数学模型，为以后研究智能高精密温度传感器 奠定基础。 从整体上看，设计实现了一种高性能的基于s o p c 的温度测试系统，在科 学实验中具有一定的实用价值；从设计实现的过程来看，采用基于f p g a 和 n i o si i 的s o p c 的设计方式，是一种全新的设计尝试。通过该测试系统的设 计，进一步熟悉掌握了这个领域的工作原理和系统知识，为今后的研究和工作 提供了稳定、经济而又方便的试验平台。 1 7 主要内容 本论文的主要任务是设计一个基于s o p c 技术的石英音叉温度传感器测试 系统，该测试系统利用可编程逻辑的灵活性和n i o si i 的强大处理能力，实现 了多个模块的集成。具体内容如下： ( 1 ) 介绍了石英音又温度传感器的研究现状，s o p c 技术的现状和发展方 向。 6 哈尔滨理- t 大学工学硕上学位论文 ( 2 ) 介绍了晶体压电效应、晶体谐振器、石英音叉温度传感器的工作原理及 振动模式和温度频率系数，同时对石英音叉温度传感器的直接测频法、测周期 法和等精度测频法进行了分析。 ( 3 ) 对s o p c 这门新型技术进行了详细地介绍，包括n i o si i 嵌入式软核处 理器、a v m o n 总线、s o p c 开发环境及系统设计流程都作了全面的介绍。 ( 4 ) 测试系统的整体设计，包括硬件和软件的设计。根据系统需要，完成定 制外设口核模块的设计，实现n i o si i 系统硬件平台的构建，并进行n i o s 系统集成，最后针对硬件的设计进行用户程序的开发设计。 ( 5 ) 最后，对系统进行测试和验证，分析石英音叉温度传感器的静态和动态 特性，采用最小二乘法进行拟合并使用m a t l a b 仿真，得出石英音叉温度传感 器特性曲线。 7 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第2 章石英音又温度传感器的工作原理 2 1 压电效应 当某些材料受到机械力而发生拉伸或压缩时，相对的两个表面会出现等量 的异号电荷。科学家把这种现象叫做压电效应【1 5 1 。具有压电效应的电介质称为 压电材料。 压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。有些介质在外力作用下，会发 生极化现象，在其相应的两晶面上产生束缚电荷，当外力撤去后，电介质又恢 复为原来不带电状态，这种现象称为正压电效应。当对电介质沿着极化方向施 加外电场时，电介质在其相应的方向上产生机械变形，称为逆压电效应。当对 电介质施加交变电场时，电介质就会不断地压缩和伸长，象弹簧一样产生振 动，在其相应界面上出现交变的电荷，电能和机械能之间相互转换。利用正压 电效应可以制成机械能的敏感器( 检测器) ；利用逆压电效应可以制成电激励的 制动器( 执行器) 。可见压电材料具有双向功能的材料，在微传感器、微执行器 和微机电器件中得到广泛的应用。 迄今已经出现的压电材料分为三种类型：一是压电晶体( 单晶) ，它包括压 电石英晶体和其他压电单晶；二是压电陶瓷( 多晶半导瓷) ；三是新型压电材 料，其中有压电半导体和有机高分子压电材料两种。在传感器技术中，目前国 内普遍应用的是石英晶体和压电陶瓷。 2 2 石英晶体谐振器 石英晶体是最常用的压电晶体之一，具有优良的压电性能。石英晶体是单 晶结构，外形呈六角棱柱体，两端呈六角棱锥形体。石英晶体的各个方向的特 性是不同的，z 轴因光沿该轴通过石英晶体时无折射，而且沿该轴方向上没有 压电效应，故称为光轴或中性轴；x 轴经过六棱柱棱线垂直于光轴z ，压电效 应最强，故称为电轴；y 轴垂直于光轴z 和电轴疋在电场的作用下沿该轴方 向的机械变形最明显，故称为机械轴。石英谐振器中的各种晶片，就是按与各 轴不同角度，切割成正方形、长方形、圆形、或棒型的薄片。 图2 1 是利用石英晶体的压电效应制作的一个石英音叉谐振器。当晶片两 8 哈尔滨理t 大学工学硕士学位论文 面上加高频交变电压时，晶片就随高频电压周期性的机械振动，同时两表面产 生周期性的正负电荷。从外电路来看，相当于有一交流电通过晶片，与外电路 进行能量交换。一定尺寸的晶片，对于一定的振动方式，有一个机械谐振频 率。当外加高频电压的频率等于晶片的固有机械谐振频率时，机械振动最强， 压电效应最显著，流过晶片的高频电流也最大，这种现象称为压电谐振。因此 把利用石英晶片压电谐振现象制成的电路元件，称为石英谐振器i l 们。 胶壹 配套导线 图2 - 1 石英音叉谐振器 f i g 2 - 1q u a mt u n i n gf o r kr e s o n a t o r 石英晶体作为压电材料，主要用于制造压电振子和换能器。前者利用材料 本身的谐振特性，基于电一机和机一电转换原理进行工作，要求有较高的机械 品质因数；后者主要用于将一种形式的能量转换为另外一种形式的能量，要求 换能效率高。 2 3 石英音叉温度传感器 石英晶体传感器以石英晶体的压电谐振电路为核心，使被测物理量直接作 用于石英晶体元件，引起谐振频率变化，将被测物理量的变化直接转换成为频 率的变化，因此石英晶体传感器的输出信号是频率。 石英音叉温度传感器就是利用石英晶体传感器的谐振频率与被测温度一一 对应关系制作的，因此石英音叉温度传感器是一种输出信号为频率的数字化传 感器，具有如下特点 1 7 a $ l ： ( 1 ) 准确度高( 可达1 0 _ o 1 0 - 1 2 ) ，时间漂移小，其误差远小于铂电阻温度 计。俄罗斯m a y 0 8 教授指出：“现在广泛应用的铂电阻温度计的非线性较大， 在0 1 0 0 。c 范围内达到o 5 5 。c ，而石英温度计在该范围内却不超过 0 0 7 。c 。 ( 2 ) 分辨力佳，可达1 0 3 1 0 _ 6 。c ，其灵敏度大大高于绝大多数温度传感 器和温度计，其中包括铂电阻温度计。 9 哈尔滨理- t 大学工学硕士学位论文 ( 3 ) 长期稳定性极好。“1 年内可达0 0 0 1 0 0 1 。c ，在1 2 年内也可达 0 0 0 2 0 0 2 。c 。 ( 4 ) 输出是频率信号，没有铂电阻传感器的接线电阻误差，可以远传。 ( 5 ) 石英传感器的谐振q 值( 品质因数) 高达2 1 0 6 ，其谐振频率和热敏特性 完全由石英传感器决定，此外其外围电路又是数字电路，因此无温漂，仪表周 围环境温度的变化几乎对准确度无影响。 ( 6 ) 晶体的各向异性决定了传感器可通过切割方位角的调整改善其频率温 度特性。 ( 7 ) 传感器振荡频率受电源影响较小，因此利用普遍稳压电源就可以获得精 密的、高稳定特性。 图2 2 为谐振式石英音叉温度传感器工作原理图，图中m 是传感器的核心 部分，称为振子，工作时振动在谐振状态；谐振频率受被测量温度t 的调制； e 为激励谐振子发生谐振的激励器；d 为振动信号检测器；a 为放大调频电 路，它与激励器和检测器密不可分，用于调节信号的幅值和相位，并将信号正 反馈给激励器，维持谐振子在满量程内等幅振动，同时将放大信号传到检测输 出装置，显示出与被测量对应的电信号。 谐振式石英音叉温度传感器的工作原理可以归纳如下：被测量温度t 调制 谐振子的谐振频率，谐振子的谐振动由激励器驱动，检测器获得信号输出，谐 振子的谐振动由放大调频电路维持，而放大调频电路又由被测量温度t 所控 制，它们一起构成一个正反馈闭环自激励振动系统。 图2 - 2 谐振式石英音叉温度传感器原理 f i g 2 2p r i n c i p l eo fq u a r t zt u n i n gf o r kt e m p e r a t u r e 1 1 8 0 1 欲保持闭环自激振动只产生在谐振子固有频率上，谐振子还必须具有很高 的机械品质因数q ，其硼如下的算式标q = 2 7 c 蒜黼。它反 映出谐振中因克服阻尼而耗散能量的多少。显然，尽量降低谐振结构的阻尼， l o 哈尔滨理工大学工学硕十学位论文 便能大大提高谐振子q 的值。高q 值有许多优点【1 9 】： ( 1 ) 可以降低维持谐振子振动的能源； ( 2 ) 可以降低因能量损耗伴随而生的测量误差； ( 3 ) 可以获得极窄的能频带，滤掉不希望有的振动频率，使谐振子在满程内 稳定振动而不漂移； ( 4 ) 可以无须考虑由放大器提供稳定的相位移，易于设计维持谐振子振动的 放大器； ( 5 ) 可以设计和制作出高精度、高灵敏度及高稳定性的谐振传感器【2 0 】。 2 4 石英音叉温度传感器谐振模式及频率温度系数 2 4 1 振动模式的选择 石英音叉温度传感器通常工作在弯曲振动和扭曲振动模式下，其谐振器振 动频率通常是k h z ，而厚度切变振动模式的谐振器，其谐振频率通常是m h z 。 采用厚度切变振动模式的谐振器的体积和成本较高，而采用弯曲振动和扭曲振 动模式的谐振器通常能够获得良好性能品质，同时其体积和成本相对厚度切变 模式来说都小得多，因此谐振器的振动模式选用弯曲振动或扭曲振动模式【2 1 1 。 1 扭曲振动模式采用扭曲振动波模式的谐振式石英音叉温度传感器如图 2 3 所示，早期在频率控制领域内，主要采用扭曲振动波模式的谐振器作为时 基的应用，h e r m a n 发现石英音叉沿着x 轴径向排列，在长度方向上旋转，在 室温的条