一種基于SOPC的諧振傳感器頻率檢測設計

王榮祥，張霞

(中國傳媒大學 信息工程學院，北京 100024)

一種基于SOPC的諧振傳感器頻率檢測設計

王榮祥，張霞

(中國傳媒大學 信息工程學院，北京 100024)

首先對諧振式傳感器檢測方法做了簡單的分析介紹，然后在以現場可編程門陣列FPGA為硬件平臺的基礎上，提出了一種以NiosII軟核處理器，即以SOPC技術為核心的高精度頻率檢測方案。

諧振式傳感器；FPGA；SOPC

1 引言

作為現代信息技術的三大技術基礎之一，傳感器技術已經成為當今世界各個發達國家競相發展的高新技術，是進入21世紀以來優先發展的十大頂尖技術之一[1]。目前，傳感器已經深入到工業、軍事，及消費類領域，成為了與其他學科緊密相連的關鍵性技術。

諧振式傳感器，是一種準數字化的傳感器，能夠把測量信號間接地轉化為數字信號來輸出[2]。它利用某種諧振子(振蕩器)的固有頻率隨被測物理量的變化而變化，從而進行信號測量的一類裝置。隨著微電子和微機械加工技術在傳感器制造應用，憑借其重量輕、高精度、快速響應、體積小等特點，微諧振式傳感器在國際上得到了廣泛的應用，尤其在空間飛行、醫療等對壓力測量要求精確的領域，具有廣闊的應用前景。

由于大多數諧振式傳感器可以通過接口電路將測量信號轉化為頻率信號輸出[5]，而頻率作為最基本的物理量之一，相比于其他物理量，具有較高精度的，抗干擾能力更強。因此，實現諧振式傳感器諧振頻率的精確測量對傳感器系統有著非常重要的作用。

2 諧振式傳感器檢測系統

機電一體化的理論基礎[3]是利用電路理論來模擬機械系統的問題，將實際工程的機械系統等效為一個電路來進行計算分析。其優點是：一是可以在機械系統中引入電路分析，控制理論和分析方法等；二是相對于機械系統來說，電路系統模型的建立、更改或綜合分析要容易很多，而且還便于仿真研究。

因此，在實際的工程測算中，人們往往將諧振式傳感器等效為一個諧振電路來進行激振和輸出頻率信號的測量。

本檢測系統由諧振頻率讀取、信號整形與放大和頻率檢測電路三部分組成，系統框圖如圖1所示。

圖1 機械諧振式傳感器檢測系統框圖

機械諧振器等效為一個電容[4]，將掃頻信號與電阻和傳感器串聯。當掃頻信號的頻率值與機械諧

振器的諧振頻率相等時，電阻兩端的電壓為最大值，此時，電阻兩端的電壓的頻率就是諧振器的諧振頻率，將該頻率電壓作為輸出。由于諧振式傳感器的輸出電壓幅值往往低于FPGA輸入電壓所需的最低幅值，并且基于脈沖計數的測頻方法只能接受脈沖頻率信號，因此，將電阻兩端的輸出電壓輸入到信號整形與放大電路[5]，如圖2所示。該電路將正弦電壓信號轉換為方波信號。方波信號被輸入到頻率檢測電路，該頻率檢測電路檢測該諧振傳感器的諧振頻率值。

本文針對諧振式紅外傳感器頻率檢測系統中的諧振器輸出的諧振頻率電壓信號進行了頻率檢測的電路設計。首先采用TL082運算放大器對輸入的諧振頻率進行放大，然后采用一個LM339電壓比較強和施密特觸發器對其進行整形輸出。

圖2 整形和放大電路

3 頻率檢測系統設計整體方案

目前，大多數傳感器的測試系統都是以單片機為核心，再輔之高速、專用的計數器芯片來設計實現的[7]。但是單片機存在著一定的局限性，其受本身時鐘頻率和若干指令運算的限制，無法迅速的完成頻率的測量，可利用的資源較少，容易受外界條件的影響，可靠性比較差，功耗高。因此在精度和其他性能方面都難以達到高性能的標準。近年來，隨著電子工藝的不斷發展，許多傳感器的頻率測量模塊已經開始采用大規模可編程器件CPLD/FPGA來進行設計。但是CPLD/FPGA器件[8]邏輯性強、算法弱，這個就使得引入微處理器顯得尤為重要，因此出現了MCU+CPLD/FPGA的組合。在這個組合系統中，CPLD/FPGA主要是負責頻率的測量，而MCU(微處理器)的作用則是完成接口、產生時序控制。雖然，這種組合可以滿足頻率測量性能上的要求，但是其采用外接的接口點相對復雜，除卻需要設計CPLD/FPGA程序外，還要編寫單片機程序。兩者各自的優勢沒有得到完全發揮，未能盡其所能，在一定程度上造成了資源的浪費。

SOPC是一種集成了硬核或軟核、CPU、DSP、存儲器、外圍I/0的可編程邏輯器件，它的出現將MCU、DSP以及FPGA進行了完美結合，通過軟硬件協同設計可實現所需要的各種功能[8]。SOPC是一種特殊的嵌入式系統，它是一個片上系統(SOC)，使用單個芯片來完成對整個系統的主要邏輯功能，但它不是單純意義上的SOC，它還是一種可編程的系統，設計方式比較靈活，可以對其進行裁剪、擴充以及升級等工作，同時可以實現在軟件和硬件在系統上的可編程功能。

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因此，基于SOPC系統的這些特點，本課題提出了采用SOPC來實現傳感器頻率的測量方案。根據對各種頻率測量方法的分析介紹，采用與多周期同步測量法相結合來完成頻率的最終測量。

本文的主要思想是充分利用FPGA上各種資源，基于SOPC技術建立一個傳感器的頻率檢測系統。其中，硬件系統主要由FPGA的外圍電路、NiosII處理系統以及相對應的外設構成，其整體硬件系統如圖3所示。

圖3 基于SOPC的傳感器頻率檢測硬件系統框圖

在圖3中，可以看到，NiosII系統的搭建是整個設計的核心組成部分，它包含了各個外部接口的定

制以及邏輯模塊的設計等工作。

3.1 頻率檢測模塊

本設計是針對諧振式紅外傳感器進行檢測的，該諧振式傳感器探測的是諧振頻率隨溫度改變而發生的變化。因此在電路中需要加入一個基準頻率信號以及一個減法器來對頻率的變化進行測量，其原理圖與功能仿真圖如圖4和圖5所示。

圖6為系統編譯報告，從圖中可以清楚的看到該頻率檢測系統FPGA資源占用情況。

由圖6可知，選用的是CycloneII EP2C8Q208C8器件，該芯片總共包含8256個LE資源，其中26%在這個工程文件中得到了使用，26%用于實現組合邏輯，1%用于實現時序邏輯。整個頻率檢測模塊占用資源較少，具有很好的可擴展性。

圖4 頻率檢測模塊原理圖

圖5 頻率測量模塊功能仿真圖

圖6 系統編譯報告

3.2 NiosII處理器系統的建立

在創建SOPC硬件系統前，首先需要建立一個QuartusII工程，為工程指定工作目錄、工程名稱、頂層設計實體名稱、目標器件和EDA工具等。

在QuartusII環境中，啟動SOPC Builder硬件開發環境，在彈出的對話框中輸入其需要創建的NiosII處理器系統模塊名稱NiosII，生成的代碼類型選擇Verilog HDL，如圖7所示。

圖7 創建SOPC系統

在NiosII處理器系統設計中最關鍵的部分是CPU和外設部件的添加。NiosII處理器作為系統的核心，其性能的高低直接影響系統的處理能力。根據系統性能的需求，選擇不同配置的處理器，并進行相應的配置選擇。外設部件的添加包括存儲器和一般外設的選擇。存儲器作為系統中不可或缺的部分，為系統的程序和數據提供了存儲空間。在SOPC系統設計中主要包括片上存儲器和片外存儲器，用戶可根據系統需求選擇合適的存儲空間。對于速度要求比較高、容量比較小的程序和數據可以采用片上存儲器，而對于那些容量比較大，對速度沒有較高要求的數據可以采用外部存儲器，例如SRAM或SDRAM。一般外設部件的添加主要是用來完善系統的整體功能，包括一些接口和定時器的添加等。圖8和圖9分別為構建完成的NiosII系統模塊和定制完成的NIOS II軟核CPU。

圖8 構建完成的NiosII系統模塊

NiosⅡ軟核是系統的核心，NiosⅡ IDE是NiosⅡ系列嵌入式處理器的基本軟件開發工具，相應的函數豐富，語法簡便，采用文件操作的方式訪問系統外設，設計人員可以根據系統的硬件結構十分方便地設計系統的軟件。NiosII軟核中所有的軟件開發任務都可以在NiosII IDE軟件下完成，其中包括編輯、編譯和調試程序。NiosII IDE為廣大設計者提供了一個統一的軟件開發平臺，可以用于所有NiosII處理器系統。僅僅通過一臺PC機、一片Altera的FPGA芯片以及一根JTAG下載線，用戶就能夠向NiosII 處理器系統寫入符合自己功能設計需求的程序來和NiosII處理器系統進行通訊。在本設計中，NiosⅡ完成的主要任務有：預置門閘信號的發出，讀取頻率值并進行LCD顯示輸出，發出計數器的清零控制信號等。

4 仿真數據分析

頻率檢測部分采用的是等精度測頻法，圖4中，CLK_50為標準時鐘信號(由SOPC定時器控制)，Fx為被測信號，CLR給兩個計數器提供清零信號，Gate為預置閘門信號。根據等精度測頻的頻率計算公式：

Fx=(216×Nx×Fs)/Ns

(1)

可以得出最終的頻率變化量FRE為：

FRE=4500000-(216×Nx×Fs)/Ns

(2)

利用QuartusII軟件進行仿真分析計算得到下表1的幾組數據。從表1中的數據可以看出，該頻率檢測系統的平均誤差在1Hz以內，符合設計的實際需求。

表1 頻率測量實驗結果

5 結論

本文基于SOPC，針對諧振式紅外傳感器的頻率檢測系統中諧振器輸出的諧振頻率電壓信號，進行了頻率檢測設計。利用QuartusII軟件工作平臺進行編譯和綜合仿真后，在EP2C8Q208C8N為核心的開發板上進行了軟硬件調試。實驗結果表明，基于SOPC技術嵌入式頻率計不僅具有功耗低，體積小，性能優越等特點，而且設計方式靈活，可裁剪，升級方便。因此，在需要應用高速數據處理和良好的控制運行的場合，基于SOPC技術的FPGA NiosII嵌入式系統具有很大的應用價值。

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(責任編輯：王謙)

A Design for Resonant Sensor Frequency Detection Based on SOPC

WANG Rong-xiang，ZHANG Xia

(School of Information Engineering，Communication University of China，Beijing 100024，China)

Based on the measurement method for resonant sensor is analyzed，a high precision frequency detection approach based on Nios II processor，i.e.SOPC technology on FPGA(Field Programmable gate array) is proposed in the paper.

resonant sensor；FPGA；SOPC

2015-05-27

王榮祥(1989-)，男(漢族)，江蘇鹽城人，中國傳媒大學碩士研究生.E-mail：rongxiangwang@163.com

TN131

A

1673-4793(2015)06-0062-05