SOPC驱动的石英音叉温度传感器测试系统设计与应用

本篇硕士学位论文主要探讨如何利用System-on-a-Chip (SOPC) 技术改进传统的温度传感器测试系统设计，特别是针对石英音叉温度传感器。随着科技的进步，市场对于高性能、低功耗的传感系统需求日益增长，对高精度温度测量的依赖也在增强。传统的模拟式温度传感器如热电阻、热电偶和半导体集成传感器，由于其转换效率低、功耗大、转换过程复杂以及抗电磁干扰能力差，限制了它们在数字信号处理中的应用。 石英晶体温度传感器作为数字式传感器的一种，具有灵敏度高、长期稳定、动态范围宽以及易于与数字系统集成等优点。其频率输出信号无需经过模数转换，可以直接与计算机连接，从而构建出高精度的测量控制系统，成为微传感器研究的重点。 论文作者针对传统测控系统以单片机为核心的局限性，提出采用SOPC技术，将传感器和处理逻辑整合到单个FPGA芯片上，形成可编程的片上系统。这样做的好处在于提高了处理速度，提供了灵活的设计空间，能够根据需要扩展和升级，同时支持软硬件的在线编程，显著提升了系统的可靠性和功耗效率。 首先，论文详细分析了石英音叉温度传感器和SOPC技术的国内外现状和未来发展趋势，深入解析了石英音叉温度传感器的工作原理以及SOPC的核心技术。接着，论文深入讲解了测试系统的软硬件设计过程。硬件设计部分，作者利用Verilog HDL语言设计频率测量模块，并借助SOPC Builder和Quartus II开发工具，将NIOS II处理器和测量模块集成到FPGA中，构建出完整的硬件架构。软件设计则涉及用户应用程序的编写和调试，使用C语言编写程序，并利用NIOS II IDE工具进行测试和运行。 最后，通过实际测试，论文对石英音叉温度传感器的静态和动态特性进行了深入分析，并采用最优化的数学模型（如最小二乘法）进行拟合。使用Matlab等工具，论文模拟出了石英音叉温度传感器的特性曲线，验证了所设计系统的性能和准确性。 这篇论文旨在展示如何通过SOPC技术提升温度传感器测试系统的性能和灵活性，为微传感器领域的高精度测量提供了一种创新且实用的设计方法。