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基于SOPC的石英音叉温度传感器测试系统的研究

作　者: 胡丽华
导　师: 徐军
学　校: 哈尔滨理工大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 石英音叉温度传感器 SOPC FPGA NIOS II软核处理器
分类号: TP212
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 116次
引　用: 2次
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内容摘要

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SOPC技术,把SOPC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FPGA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SOPC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SOPC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Verilog HDL语言来实现频率测量模块的设计,并使用SOPC Builder和Quartus II开发工具,将NIOS II处理器和频率测量模块集成到FPGA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NIOS II IDE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,并采用最小二乘法进行拟合,使用Matlab仿真出石英音叉温度传感器的特性曲线。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-12
第1章绪论  12-19
  1.1 引言  12
  1.2 谐振式石英温度传感器国内外发展概况  12-13
  1.3 水晶温度传感器发展方向  13-14
  1.4 SOPC 技术国内外发展现状  14-16
  1.5 SOPC 技术发展方向  16-17
  1.6 课题研究目的及意义  17
  1.7 主要内容  17-19
第2章石英音叉温度传感器的工作原理  19-29
  2.1 压电效应  19
  2.2 石英晶体谐振器  19-20
  2.3 石英音叉温度传感器  20-22
  2.4 石英音叉温度传感器谐振模式及频率温度系数  22-25
    2.4.1 振动模式的选择  22-24
    2.4.2 频率温度系数  24-25
  2.5 石英音叉温度传感器振荡电路的实现  25
  2.6 石英音叉温度传感器测频原理  25-28
    2.6.1 直接测频法  26
    2.6.2 测周期法  26-27
    2.6.3 等精度测频法  27-28
  2.7 本章小结  28-29
第3章 SOPC 及其相关技术  29-41
  3.1 SOC 技术  29-30
  3.2 SOPC 技术简介  30-32
  3.3 NIOS II 嵌入式软核简介  32-35
    3.3.1 NIOS II 嵌入式软核的应用现状及特点  32-33
    3.3.2 NIOS II 嵌入式软核的内部结构  33-34
    3.3.3 Avalon 总线  34-35
  3.4 SOPC 开发环境  35-39
    3.4.1 硬件开发环境  36-38
    3.4.2 软件开发环境  38-39
  3.5 SOPC 系统设计流程  39-40
  3.6 本章小结  40-41
第4章基于SOPC 的系统软硬件设计  41-65
  4.1 系统设计的整体方案  41-42
  4.2 SOPC 系统的硬件设计  42-59
    4.2.1 频率测量模块的设计  42-47
    4.2.2 频率测量模块的实现及仿真  47-49
    4.2.3 频率测量模块的定制  49-56
    4.2.4 SOPC 系统的构建  56-59
  4.3 软件体系  59-64
    4.3.1 硬件抽象层(HAL)系统库  59-61
    4.3.2 NIOS II IDE 工程结构  61
    4.3.3 System.h 系统描述文件  61-62
    4.3.4 用户程序开发  62-64
  4.4 本章小结  64-65
第5章石英音叉温度传感器特性测试  65-72
  5.1 测试系统的搭建  65-66
  5.2 石英音叉温度传感器特性分析  66-71
    5.2.1 石英音叉温度传感器数据拟合方法  68
    5.2.2 石英音叉温度传感器静态特性分析  68-70
    5.2.3 石英音叉温度传感器动态特性分析  70-71
  5.3 本章小结  71-72
结论  72-73
参考文献  73-76
攻读硕士学位期间所发表的学术论文  76-77
致谢  77

基于SOPC的石英音叉温度传感器测试系统的研究

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