一种基于SOPC的谐振传感器频率检测设计

王荣祥，张霞

(中国传媒大学 信息工程学院，北京 100024)

一种基于SOPC的谐振传感器频率检测设计

王荣祥，张霞

(中国传媒大学 信息工程学院，北京 100024)

首先对谐振式传感器检测方法做了简单的分析介绍，然后在以现场可编程门阵列FPGA为硬件平台的基础上，提出了一种以NiosII软核处理器，即以SOPC技术为核心的高精度频率检测方案。

谐振式传感器；FPGA；SOPC

1 引言

作为现代信息技术的三大技术基础之一，传感器技术已经成为当今世界各个发达国家竞相发展的高新技术，是进入21世纪以来优先发展的十大顶尖技术之一[1]。目前，传感器已经深入到工业、军事，及消费类领域，成为了与其他学科紧密相连的关键性技术。

谐振式传感器，是一种准数字化的传感器，能够把测量信号间接地转化为数字信号来输出[2]。它利用某种谐振子(振荡器)的固有频率随被测物理量的变化而变化，从而进行信号测量的一类装置。随着微电子和微机械加工技术在传感器制造应用，凭借其重量轻、高精度、快速响应、体积小等特点，微谐振式传感器在国际上得到了广泛的应用，尤其在空间飞行、医疗等对压力测量要求精确的领域，具有广阔的应用前景。

由于大多数谐振式传感器可以通过接口电路将测量信号转化为频率信号输出[5]，而频率作为最基本的物理量之一，相比于其他物理量，具有较高精度的，抗干扰能力更强。因此，实现谐振式传感器谐振频率的精确测量对传感器系统有着非常重要的作用。

2 谐振式传感器检测系统

机电一体化的理论基础[3]是利用电路理论来模拟机械系统的问题，将实际工程的机械系统等效为一个电路来进行计算分析。其优点是：一是可以在机械系统中引入电路分析，控制理论和分析方法等；二是相对于机械系统来说，电路系统模型的建立、更改或综合分析要容易很多，而且还便于仿真研究。

因此，在实际的工程测算中，人们往往将谐振式传感器等效为一个谐振电路来进行激振和输出频率信号的测量。

本检测系统由谐振频率读取、信号整形与放大和频率检测电路三部分组成，系统框图如图1所示。

图1 机械谐振式传感器检测系统框图

机械谐振器等效为一个电容[4]，将扫频信号与电阻和传感器串联。当扫频信号的频率值与机械谐

振器的谐振频率相等时，电阻两端的电压为最大值，此时，电阻两端的电压的频率就是谐振器的谐振频率，将该频率电压作为输出。由于谐振式传感器的输出电压幅值往往低于FPGA输入电压所需的最低幅值，并且基于脉冲计数的测频方法只能接受脉冲频率信号，因此，将电阻两端的输出电压输入到信号整形与放大电路[5]，如图2所示。该电路将正弦电压信号转换为方波信号。方波信号被输入到频率检测电路，该频率检测电路检测该谐振传感器的谐振频率值。

本文针对谐振式红外传感器频率检测系统中的谐振器输出的谐振频率电压信号进行了频率检测的电路设计。首先采用TL082运算放大器对输入的谐振频率进行放大，然后采用一个LM339电压比较强和施密特触发器对其进行整形输出。

图2 整形和放大电路

3 频率检测系统设计整体方案

目前，大多数传感器的测试系统都是以单片机为核心，再辅之高速、专用的计数器芯片来设计实现的[7]。但是单片机存在着一定的局限性，其受本身时钟频率和若干指令运算的限制，无法迅速的完成频率的测量，可利用的资源较少，容易受外界条件的影响，可靠性比较差，功耗高。因此在精度和其他性能方面都难以达到高性能的标准。近年来，随着电子工艺的不断发展，许多传感器的频率测量模块已经开始采用大规模可编程器件CPLD/FPGA来进行设计。但是CPLD/FPGA器件[8]逻辑性强、算法弱，这个就使得引入微处理器显得尤为重要，因此出现了MCU+CPLD/FPGA的组合。在这个组合系统中，CPLD/FPGA主要是负责频率的测量，而MCU(微处理器)的作用则是完成接口、产生时序控制。虽然，这种组合可以满足频率测量性能上的要求，但是其采用外接的接口点相对复杂，除却需要设计CPLD/FPGA程序外，还要编写单片机程序。两者各自的优势没有得到完全发挥，未能尽其所能，在一定程度上造成了资源的浪费。

SOPC是一种集成了硬核或软核、CPU、DSP、存储器、外围I/0的可编程逻辑器件，它的出现将MCU、DSP以及FPGA进行了完美结合，通过软硬件协同设计可实现所需要的各种功能[8]。SOPC是一种特殊的嵌入式系统，它是一个片上系统(SOC)，使用单个芯片来完成对整个系统的主要逻辑功能，但它不是单纯意义上的SOC，它还是一种可编程的系统，设计方式比较灵活，可以对其进行裁剪、扩充以及升级等工作，同时可以实现在软件和硬件在系统上的可编程功能。

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因此，基于SOPC系统的这些特点，本课题提出了采用SOPC来实现传感器频率的测量方案。根据对各种频率测量方法的分析介绍，采用与多周期同步测量法相结合来完成频率的最终测量。

本文的主要思想是充分利用FPGA上各种资源，基于SOPC技术建立一个传感器的频率检测系统。其中，硬件系统主要由FPGA的外围电路、NiosII处理系统以及相对应的外设构成，其整体硬件系统如图3所示。

图3 基于SOPC的传感器频率检测硬件系统框图

在图3中，可以看到，NiosII系统的搭建是整个设计的核心组成部分，它包含了各个外部接口的定

制以及逻辑模块的设计等工作。

3.1 频率检测模块

本设计是针对谐振式红外传感器进行检测的，该谐振式传感器探测的是谐振频率随温度改变而发生的变化。因此在电路中需要加入一个基准频率信号以及一个减法器来对频率的变化进行测量，其原理图与功能仿真图如图4和图5所示。

图6为系统编译报告，从图中可以清楚的看到该频率检测系统FPGA资源占用情况。

由图6可知，选用的是CycloneII EP2C8Q208C8器件，该芯片总共包含8256个LE资源，其中26%在这个工程文件中得到了使用，26%用于实现组合逻辑，1%用于实现时序逻辑。整个频率检测模块占用资源较少，具有很好的可扩展性。

图4 频率检测模块原理图

图5 频率测量模块功能仿真图

图6 系统编译报告

3.2 NiosII处理器系统的建立

在创建SOPC硬件系统前，首先需要建立一个QuartusII工程，为工程指定工作目录、工程名称、顶层设计实体名称、目标器件和EDA工具等。

在QuartusII环境中，启动SOPC Builder硬件开发环境，在弹出的对话框中输入其需要创建的NiosII处理器系统模块名称NiosII，生成的代码类型选择Verilog HDL，如图7所示。

图7 创建SOPC系统

在NiosII处理器系统设计中最关键的部分是CPU和外设部件的添加。NiosII处理器作为系统的核心，其性能的高低直接影响系统的处理能力。根据系统性能的需求，选择不同配置的处理器，并进行相应的配置选择。外设部件的添加包括存储器和一般外设的选择。存储器作为系统中不可或缺的部分，为系统的程序和数据提供了存储空间。在SOPC系统设计中主要包括片上存储器和片外存储器，用户可根据系统需求选择合适的存储空间。对于速度要求比较高、容量比较小的程序和数据可以采用片上存储器，而对于那些容量比较大，对速度没有较高要求的数据可以采用外部存储器，例如SRAM或SDRAM。一般外设部件的添加主要是用来完善系统的整体功能，包括一些接口和定时器的添加等。图8和图9分别为构建完成的NiosII系统模块和定制完成的NIOS II软核CPU。

图8 构建完成的NiosII系统模块

NiosⅡ软核是系统的核心，NiosⅡ IDE是NiosⅡ系列嵌入式处理器的基本软件开发工具，相应的函数丰富，语法简便，采用文件操作的方式访问系统外设，设计人员可以根据系统的硬件结构十分方便地设计系统的软件。NiosII软核中所有的软件开发任务都可以在NiosII IDE软件下完成，其中包括编辑、编译和调试程序。NiosII IDE为广大设计者提供了一个统一的软件开发平台，可以用于所有NiosII处理器系统。仅仅通过一台PC机、一片Altera的FPGA芯片以及一根JTAG下载线，用户就能够向NiosII 处理器系统写入符合自己功能设计需求的程序来和NiosII处理器系统进行通讯。在本设计中，NiosⅡ完成的主要任务有：预置门闸信号的发出，读取频率值并进行LCD显示输出，发出计数器的清零控制信号等。

4 仿真数据分析

频率检测部分采用的是等精度测频法，图4中，CLK_50为标准时钟信号(由SOPC定时器控制)，Fx为被测信号，CLR给两个计数器提供清零信号，Gate为预置闸门信号。根据等精度测频的频率计算公式：

Fx=(216×Nx×Fs)/Ns

(1)

可以得出最终的频率变化量FRE为：

FRE=4500000-(216×Nx×Fs)/Ns

(2)

利用QuartusII软件进行仿真分析计算得到下表1的几组数据。从表1中的数据可以看出，该频率检测系统的平均误差在1Hz以内，符合设计的实际需求。

表1 频率测量实验结果

5 结论

本文基于SOPC，针对谐振式红外传感器的频率检测系统中谐振器输出的谐振频率电压信号，进行了频率检测设计。利用QuartusII软件工作平台进行编译和综合仿真后，在EP2C8Q208C8N为核心的开发板上进行了软硬件调试。实验结果表明，基于SOPC技术嵌入式频率计不仅具有功耗低，体积小，性能优越等特点，而且设计方式灵活，可裁剪，升级方便。因此，在需要应用高速数据处理和良好的控制运行的场合，基于SOPC技术的FPGA NiosII嵌入式系统具有很大的应用价值。

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[4]张霞，张大成.一种非制冷红外图像传感器芯片及其制备方法[发明专利：2008102405948][P].国家知识产权局，2008.

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[6]Jianjun Li，Xihong Ma.The Design of Wide Input Range and High-Precision Frequency Meter Based on FPGA [C].2010 International Conference on E-Product E-Service and E-Entertainment (ICEEE)，Nov 2010：1-4.

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[8]胡丽华.基于SOPC的石英音叉温度传感器测试系统的研究[D].哈尔滨理工大学，2009.

[9]张永瑞，陈生潭，高建宁，陈瑞.电路分析基础[M].北京：电子工业出版社，2013.

[10]徐杰，谢玉鹏，王安华.电子测量技术与应用[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2013.

(责任编辑：王谦)

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

王荣祥(1989-)，男(汉族)，江苏盐城人，中国传媒大学硕士研究生.E-mail：rongxiangwang@163.com

TN131

A

1673-4793(2015)06-0062-05