CN105352627A - 一种温度检测系统及其检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种温度检测系统及其检测方法，一种温度检测系统，包括有相位时钟发生器，所述相位时钟发生器连接有TDC时间数字转换器和时钟相位处理器，所述TDC时间数字转换器连接有处理器，所述处理器顺次连接有编码器、延时器、激励信号处理器，所述激励信号处理器无线连接有振荡传感器，所述振荡传感器无线连接有感应信号处理器，所述感应信号处理器分别与TDC时间数字转换器和时钟相位处理器连接，所述时钟相位处理器与TDC时间数字转换器连接，本发明具有激励信号频率灵活性、谐振频率查找速度快、谐振频率检测精度、结构及成本都有明显优势。
Description
[技术领域]
本发明涉及一种温度检测系统及其检测方法。
[背景技术]
在工业、医疗、军事和生活等许多地方，温度都是一个重要的测量参数。温度测量使用的传感器种类繁多，根据其是否需要电源供给可分为有源温度传感器和无源温度传感器，根据其是否需要线缆连接可分为有线温度传感器和无线温度传感器。有源温度传感器及有线温度传感器需要传感器与信号传输系统之间具有物理连接，使得其在如旋转部件、无损监测、化学腐蚀、密封环境等特殊高温场合中难以满足要求，而无源无线温度传感器具有其独特的优势，可以合理避开且能很好地解决这些问题，所以目前无源无线温度传感器得到了广泛的研究和应用。无源无线温度传感器基于LC谐振原理，采用温度敏感并且变化规律的材料制作传感器，当温度发生变化时，传感器的电容随之变化，形成温度和电容之间的对应关系。
无源无线温度传感器的测量包括频率激励和频率检测两个步骤。频率激励信号产生方法包括基于VCO的扫频信号发生器、单片集成函数信号发生器、直接数字式频率合成器、环形振荡器等。基于VCO的扫频信号发生器受热稳定性及电源电压稳定性影响较大，较难保证精度；单片集成函数信号发生器和直接数字式频率合成器通常采用专用芯片实现，成本高；环形振荡器线路简单起振容易，但是在设计完成后频率固定不可调。
无源无线温度传感器的频率测量需实现ps级的时间测量。时间数字转换器可实现ps级时间到数字的转换，时间数字转换器可采用专用TDC芯片如ACAM的TDC-GP22、TI的TDC7200，也可采用FPGA设计实现。采用专用集成芯片测量精度高，应用灵活多变，但其成本较高，难以应用于成本控制严格的场合；和专用TDC芯片相比，采用FPGA设计的TDC同样可达到一定的测量精度且测量范围灵活多变，此外还具有低成本的优点。FPGA设计的TDC通常采用延迟线，延迟线分辨率取决于延迟线基本延迟单元的精确度，各延迟单元的延迟时间随供电电压和温度而变化，此外每个电路的一致性较难保证，其随机误差随参与测量的单元数量增加。
[发明内容]
本发明克服了上述技术的不足，提供了一种激励信号频率灵活性、谐振频率查找速度、谐振频率检测精度、结构及成本都有明显优势的无源无线温度检测系统及其检测方法。
为实现上述目的，本发明采用了下列技术方案：
一种温度检测系统，包括有相位时钟发生器1，所述相位时钟发生器1连接有TDC时间数字转换器2和时钟相位处理器3，所述TDC时间数字转换器2连接有处理器4，所述处理器4顺次连接有编码器5、延时器6、激励信号处理器7，所述激励信号处理器7无线连接有振荡传感器8，所述振荡传感器8无线连接有感应信号处理器9，所述感应信号处理器9分别与TDC时间数字转换器2和时钟相位处理器3连接，所述时钟相位处理器3与TDC时间数字转换器2连接。
所述延时器6包括有多个设有延时单元选择器的延时单元61、与非门62，所述前一级延时单元61延时输出端与后一级延时单元61输入端连接，所述与非门62输入端与末级延时单元61输出端连接，所述与非门62输出端与首级延时单元61输入端连接。
所述TDC时间数字转换器2包括有TDC粗侧计数器21和TDC细测计数器22，所述TDC细测计数器22包括有差分延迟线结构和与之连接的编码逻辑器。
所述振荡传感器8为阻尼振荡传感器。
一种温度检测方法，其步骤如下：
a、设定相位时钟发生器1产生若干个频率相同、相位不同的时钟信号作为时钟相位处理的输入信号，分别为clk0、clk1，其中clk0为0°相移，频率为1/T0，clk1为180°相移，频率为1/T0，且clk0为粗计数时基信号，clk1为细计数信号，设定检测通过感应信号处理器9接收到的一个感应信号的振荡时间为Tx，Tx＝n×T0+T1+T2-T3-T4，其中T0为时基信号周期，T1为第一感应信号上升沿到clk1第一个上升沿时钟信号之间的时间，T2为clk1第一个上升沿与clk0第一个上升沿之间的时间，T3为第一个感应信号上升沿到clk1上升沿之间的时间，T4为clk1上升沿与n+1clk0上升沿之间的时间；
b、处理器4向编码器5发送启动数据，编码器5通过延时器6输出一个特定频率的初始激励信号；
c、激励信号通过激励信号处理器7辐射到振荡传感器8中，并维持一定时间后停止激励；
d、延时一定时间后，时钟相位处理器3检测感应信号处理器9是否接收到振荡传感器8的感应信号；
e、当时钟相位处理器3检测感应信号处理器9接收到感应信号，即检测到第一个感应信号的上升沿时，TDC细测计数器22开始检测T1，将第一个感应信号上升沿后的第一个clk1上升沿送入TDC细测计数器22中作为细测起始部分的结束信号，得出T1数值，同时检测感应信号第一个上升沿后clk0的第一个上升沿信号，启动以clk0为粗计数时基信号的TDC粗侧计数器21开始检测T0，并且时钟相位处理器3检测是否到达第二感应信号上升沿，否则按频率步进制修正激励信号，返回步骤b；
f、当时钟相位处理器3检测到第二个感应信号的上升沿后，再检测到clk0的上升沿时，TDC粗侧计数器21停止计数，得出nT0，同时当时钟相位处理器3检测到第二个感应信号的上升沿时，TDC细测计数器22开始检测T3，将第二个感应信号上升沿后的首个clk1上升沿送入TDC细测计数器22中作为细测起始部分的结束信号，得出T3数值，否则返回步骤f；
g、处理器4通过公式计算得到T2和T4，其中，式中c代表时钟相移90°倍数，σ代表等分象限的角度值，k代表起始信号上升沿到来时是否与时钟相位处理单元输出的上升沿同步，同步则k＝0，否则k＝1，T0代表时基信号周期，得到频率f＝1/Tx＝1/nT0+T1+T2-T3-T4；
h、处理器4通过计算出当前电容值，由电容-温度转换关系计算出当前被测温度，同时修正编码器输入使激励信号以当前检测到的频率产生激励信号，加快下次检测速度。
本发明的有益效果是：
1、本发明的结构简单易于实现，成本低廉，采用编码控制的时钟发生器可以灵活的改变激励信号频率，可根据需要进行频率范围的修订。
2、本发明的温度检测灵活性好：本发明采用编码器和延时单元阵列构成的时钟发生器，通过给予编码器不同的数据实现不同频率的激励信号产生，在未检测到信号时通过频率步进设定值对激励信号频率修正，当检测到信号时采用该检测信号频率作为激励信号频率，结合频率步进进行频率微调，提高后续检测速度，采用该结构的时钟发生器移植和修改方便，可实现具体应用场合下的频率范围的信号产生。
3、本发明的温度测量精度高：TDC分辨率取决于延迟线基本延迟单元的精确度，各延迟单元的延迟时间随供电电压和温度而变化，此外每个电路的一致性较难保证，导致其随机误差随参与测量的单元数量增加。本发明通过相移时钟将细测部分的时间计数缩短至原有差分延迟线结构的二分之一，使差分延迟线内部元件数量减少至原来的二分之一，减少了延迟线测量部分的单元数量，同时采用频率延时测量法测量一定数量的时钟信号，减小单周期信号的测量误差，提高了频率测量精度，即提高了温度的测量精度。
[附图说明]
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明延时器结构示意图；
图3为本发明时间测量原理图。
[具体实施方式]
下面结合附图与本发明的实施方式作进一步详细的描述：
如图1所示，一种温度检测系统，包括有相位时钟发生器1，所述相位时钟发生器1连接有TDC时间数字转换器2和时钟相位处理器3，所述TDC时间数字转换器2连接有处理器4，所述处理器4顺次连接有编码器5、延时器6、激励信号处理器7，所述激励信号处理器7无线连接有振荡传感器8，所述振荡传感器8无线连接有感应信号处理器9，所述感应信号处理器9分别与TDC时间数字转换器2和时钟相位处理器3连接，所述时钟相位处理器3与TDC时间数字转换器2连接。
所述延时器6包括有多个设有延时单元选择器的延时单元61、与非门62，所述前一级延时单元61延时输出端与后一级延时单元61输入端连接，所述与非门62输入端与末级延时单元61输出端连接，所述与非门62输出端与首级延时单元61输入端连接，非门用于正反馈，维持信号振荡，延时单元61主要包括不同延时时间的与门和选择器构成，通过编码器5的输出信号选择不同与门作为本级延时单元的输出，通过不同的延时单元内部与门的选通输出实现信号频率修正。
所述TDC时间数字转换器2包括有TDC粗侧计数器21和TDC细测计数器22，所述TDC细测计数器22包括有差分延迟线结构和与之连接的编码逻辑器。
所述振荡传感器8为阻尼振荡传感器。
如图2所示，信号为自右向左接收，一种无源无线温度检测方法，其步骤如下：
a、设定相位时钟发生器1产生若干个频率相同、相位不同的时钟信号作为时钟相位处理的输入信号，分别为clk0、clk1，其中clk0为0°相移，频率为1/T0，clk1为180°相移，频率为1/T0，且clk0为粗计数时基信号，clk1为细计数信号，设定检测通过感应信号处理器9接收到的一个感应信号的振荡时间为Tx，Tx＝n×T0+T1+T2-T3-T4，其中T0为时基信号周期，T1为第一感应信号上升沿到clk1第一个上升沿时钟信号之间的时间，T2为clk1第一个上升沿与clk0第一个上升沿之间的时间，T3为第一个感应信号上升沿到clk1上升沿之间的时间，T4为clk1上升沿与n+1clk0上升沿之间的时间；
b、处理器4向编码器5发送启动数据，编码器5通过延时器6输出一个特定频率的初始激励信号；
c、激励信号通过激励信号处理器7辐射到振荡传感器8中，并维持一定时间后停止激励；
d、延时一定时间后，时钟相位处理器3检测感应信号处理器9是否接收到振荡传感器8的感应信号；
e、当时钟相位处理器3检测感应信号处理器9接收到感应信号，即检测到第一个感应信号的上升沿时，TDC细测计数器22开始检测T1，将第一个感应信号上升沿后的首个clk1上升沿送入TDC细测计数器22中作为细测起始部分的结束信号，得出T1数值，同时检测感应信号首个上升沿后clk0的第一个上升沿信号，启动以clk0为粗计数时基信号的TDC粗侧计数器21开始检测T0，并且时钟相位处理器3检测是否到达第二感应信号上升沿，否则按频率步进制修正激励信号，返回步骤b；
f、当时钟相位处理器3检测到第二个感应信号的上升沿后，再检测到clk0的上升沿时，TDC粗侧计数器21停止计数，得出nT0，同时当时钟相位处理器3检测到第二个感应信号的上升沿时，TDC细测计数器22开始检测T3，将第二个感应信号上升沿后的首个clk1上升沿送入TDC细测计数器22中作为细测起始部分的结束信号，得出T3数值，否则返回步骤f；
g、处理器4通过公式计算得到T2和T4，其中，式中c代表时钟相移90°倍数，σ代表等分象限的角度值，k代表起始信号上升沿到来时是否与时钟相位处理单元输出的上升沿同步，同步则k＝0，否则k＝1，T0代表时基信号周期，得到频率f＝1/Tx＝1/nT0+T1+T2-T3-T4；
h、处理器4通过计算出当前电容值，由电容-温度转换关系计算出当前被测温度，同时修正编码器输入使激励信号以当前检测到的频率产生激励信号，加快下次检测速度。
本发明采用频率步进和检测频率修正激励信号，提高了检测速度及检测的灵活性，改进的TDC减少了参与测量的单元数量，并随相移信号数量成倍减少，同时结合频率延时检测，减小测量误差，实现了温度测量精确度高等优点。
Claims (5)
1.一种温度检测系统，其特征在于：包括有相位时钟发生器(1)，所述相位时钟发生器(1)连接有TDC时间数字转换器(2)和时钟相位处理器(3)，所述TDC时间数字转换器(2)连接有处理器(4)，所述处理器(4)顺次连接有编码器(5)、延时器(6)、激励信号处理器(7)，所述激励信号处理器(7)无线连接有振荡传感器(8)，所述振荡传感器(8)无线连接有感应信号处理器(9)，所述感应信号处理器(9)分别与TDC时间数字转换器(2)和时钟相位处理器(3)连接，所述时钟相位处理器(3)与TDC时间数字转换器(2)连接。
2.根据权利要求1所述的一种温度检测系统，其特征在于：所述延时器(6)包括有多个设有延时单元选择器的延时单元(61)、与非门(62)，所述前一级延时单元(61)延时输出端与后一级延时单元(61)输入端连接，所述与非门(62)输入端与末级延时单元(61)输出端连接，所述与非门(62)输出端与首级延时单元(61)输入端连接。
3.根据权利要求1所述的一种温度检测系统，其特征在于：所述TDC时间数字转换器(2)包括有TDC粗侧计数器(21)和TDC细测计数器(22)，所述TDC细测计数器(22)包括有差分延迟线结构和与之连接的编码逻辑器。
4.根据权利要求1所述的一种温度检测系统，其特征在于：所述振荡传感器(8)为阻尼振荡传感器。
5.一种温度检测方法，其步骤如下：
a、设定相位时钟发生器(1)产生若干个频率相同、相位不同的时钟信号作为时钟相位处理的输入信号，分别为clk0、clk1，其中clk0为0°相移，频率为1/T0，clk1为180°相移，频率为1/T0，且clk0为粗计数时基信号，clk1为细计数信号，设定检测通过感应信号处理器(9)接收到的一个感应信号的振荡时间为Tx，Tx＝n×T0+T1+T2-T3-T4，其中T0为时基信号周期，T1为第一感应信号上升沿到clk1第一个上升沿时钟信号之间的时间，T2为clk1第一个上升沿与clk0第一个上升沿之间的时间，T3为第一个感应信号上升沿到clk1上升沿之间的时间，T4为clk1上升沿与(n+1)clk0上升沿之间的时间；
b、处理器(4)向编码器(5)发送启动数据，编码器(5)通过延时器(6)输出一个特定频率的初始激励信号；
c、激励信号通过激励信号处理器(7)辐射到振荡传感器(8)中，并维持一定时间后停止激励；
d、延时一定时间后，时钟相位处理器(3)检测感应信号处理器(9)是否接收到振荡传感器(8)的感应信号；
e、当时钟相位处理器(3)检测感应信号处理器(9)接收到感应信号，即检测到第一个感应信号的上升沿时，TDC细测计数器(22)开始检测T1，将第一个感应信号上升沿后的第一个clk1上升沿送入TDC细测计数器(22)中作为细测起始部分的结束信号，得出T1数值，同时检测感应信号第一个上升沿后clk0的第一个上升沿信号，启动以clk0为粗计数时基信号的TDC粗侧计数器(21)开始检测T0，并且时钟相位处理器(3)检测是否到达第二感应信号上升沿，否则按频率步进制修正激励信号，返回步骤b；
f、当时钟相位处理器(3)检测到第二个感应信号的上升沿后，再检测到clk0的上升沿时，TDC粗侧计数器(21)停止计数，得出nT0，同时当时钟相位处理器(3)检测到第二个感应信号的上升沿时，TDC细测计数器(22)开始检测T3，将第二个感应信号上升沿后的首个clk1上升沿送入TDC细测计数器(22)中作为细测起始部分的结束信号，得出T3数值，否则返回步骤f；
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |