[发明专利]基于FPGA+SOPC的石英振梁谐振式传感器测试系统

说明书

基于FPGA+SOPC的石英振梁谐振式传感器测试系统，石英振梁谐振式传感器输出的双路待测方波信号经过方波整形模块，得到待测标准方波信号输入FPGA单元中的等精度频率测量模块，完成基准信号和待测信号的上升沿计数；同时，温度传感器的输出通过IIC总线接口与测温模块实时通讯，再通过SOPC将基于Verilog HDL的测频测温电路封装成自定义IP核，进而建立SOPC模块，通过NIOSII控制器实现频率值和温度值的浮点解算、LCD显示和串口传输等功能，本发明简化了硬件电路，降低功耗、体积和成本，实现了双路频率信号的同步、高精度、连续、快速采集和温度值的实时监测，还具备集成化程度高、易扩展的特点。

技术领域

本发明涉及石英振梁谐振式传感器的测试技术领域，特别涉及基于FPGA+SOPC的石英振梁谐振式传感器测试系统。

背景技术

石英振梁谐振式传感器是一种基于压电石英晶体振梁谐振器谐振频率与内部轴向应力之间的力频特性的高精度传感器，主要有加速度计、压力传感器、温湿度传感器等实际应用，其主要优点是易实现批量化生产、易于激励和检测、高品质因数、高精度、数字方波输出。其输出40kHz左右的方波是一种准数字信号，因此，在石英振梁谐振式传感器的测试试验中，提出了对方波频率信号实现高精度、连续、快速测量的需求。此外，由于石英振梁谐振器对温度的灵敏度较高，大部分石英振梁谐振式传感器都采用差动结构布置以排除温度等共轭误差因素干扰，同时，需要在传感器的测试系统中集成温度监测模块，以建立传感器输出的温度模型，从而提高传感器输出的精度和稳定性，因此，这又对测试系统提出了频率双路同步采集和易于扩展的集成性要求。

目前实验室中对谐振式传感器进行测试的仪器主要包括示波器、台式万用表、频率计数器等。示波器虽然能够显示待测信号波形，但是其测频原理是通过显示面板区域内信号的周期来获得频率值，这就决定了示波器测频精度很差，低于10^-2数量级；同样，万用表的测频精度也只能达到10^-4数量级，同样不能满足石英振梁谐振式传感器的精度需求；而频率计数器是专用的频率测量仪器，其根据门控信号时间内数字信号上升沿的个数进行频率测量，测频精度很高，相对误差一般小于10^-7，但是上述三种仪器都不能实现双路同步测量和数据记录，测另一路时都需要手动切换，故都无法满足差动式石英振梁谐振式传感器的测试要求。

上述的测试设备价格都很高，体积质量大、便携性差，有很多冗余功能。而在石英振梁谐振式传感器的专用测试系统开发上，传统设计大多采用单片机、CPLD、FPGA和FPGA+MCU等方案构建小型、简洁、单纯的频率测试系统，但是仍无法避免单片机时钟频率低，CPLD和FPGA浮点运算能力差且普遍不能嵌入温度实时监测模块，以及FPGA+MCU方案电路设计相对复杂，不利于降低功耗、体积和开发成本等问题。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供基于FPGA+SOPC的石英振梁谐振式传感器测试系统，不仅能实现石英振梁谐振式传感器两路频率输出的同步、高精度、连续、快速采集，而且集成了环境温度的监测功能，具有体积小、低成本、低功耗、扩展能力强的特点。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：