基于CPLD的低功耗爆炸場溫度測試系統(tǒng)

張晶，裴東興，張少杰

（中北大學 信息與通信工程學院，山西 太原 030051）

隨著科技的發(fā)展和現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的需要，溫度的測量和控制越來越受到人們的關(guān)注，對溫度的準確采集及合理調(diào)控，將會對溫度要求較高的工作環(huán)境起到至關(guān)重要的作用[1]。尤其是在炸藥爆破等惡劣環(huán)境條件下對爆炸場溫度的分布規(guī)律的研究有助于為炸藥和相關(guān)彈藥的威力考核及分析提供依據(jù)。文中利用CPLD作為主控芯片，使用鎢錸熱電偶溫度傳感器并配以高效低功耗的測試電路對爆炸場溫度進行動態(tài)測試。

1 系統(tǒng)設計方案

1.1 動態(tài)存儲測試

所謂存儲測試技術(shù)，是指在對被測對象無影響或影響在允許范圍的條件下，在被測體內(nèi)置入微型存儲測試儀器，現(xiàn)場實時完成信息快速采集與存儲，事后回收記錄儀，由計算機處理和再現(xiàn)被測信息的一種動態(tài)測試技術(shù)[2]。

1.2 測試系統(tǒng)總體設計

本次設計的溫度測試系統(tǒng)，主要是利用CPLD來實現(xiàn)。溫度傳感器將外界溫度信號轉(zhuǎn)換為微弱的電壓信號，通過模擬電路部分將輸入信號進行放大和濾波，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)化電路把模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后經(jīng)過FIFO存入存儲器，計算機通過接口電路對數(shù)據(jù)進行讀取。溫度測試系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。其中，A/D轉(zhuǎn)換器、FIFO、存儲器和電源管理模塊都是由CPLD控制。

圖1 溫度測試系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Principle of temperature test system

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 主控芯片CPLD的選擇

在本次設計中使用Xilinx公司生產(chǎn)的XCR3128作為溫度測試系統(tǒng)的主控CPLD芯片。XCR3128有100個引腳，其中有76個I/O引腳，4個信號接口，4個全局時鐘，7個VCC，8個 GND，1個 PORT_EN；共包含 128個宏單元，VCC為3.6 V，電流限制為200 mA。XCR3128封裝小，功耗低，充分滿足了實際需要。

在本次設計中，控制部分主要由CPLD控制電路時序和工作模式的產(chǎn)生[3]。控制功能圖如圖2所示，主要功能有：

1）電源管理及控制模塊：該模塊主要實現(xiàn)測試系統(tǒng)的電源管理及全局時鐘控制，從而達到降低功耗和控制各信號初態(tài)的目的。

2）時鐘分頻模塊：該模塊主要實現(xiàn)對從晶體振蕩器輸出到CPLD的時鐘進行分頻，從而得到A/D轉(zhuǎn)換器、存儲器和FIFO需要的時序。

3）編程觸發(fā)比較模塊：該模塊主要實現(xiàn)觸發(fā)溫度數(shù)字電平的編程，通過移位寄存器實現(xiàn)；數(shù)字比較部分是把A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果和所編溫度數(shù)字電平值比較判斷觸發(fā)與否。

4）FIFO及存儲器地址模塊：該模塊主要實現(xiàn)生成FIFO和存儲器需要的地址，F(xiàn)IFO和存儲器的數(shù)據(jù)讀寫。

5）A/D時序產(chǎn)生模塊：該模塊主要實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換器的CONVST/和讀信號的時序生成。

6）讀數(shù)模塊：該模塊主要實現(xiàn)讀數(shù)接口的邏輯連接控制，接收計算機發(fā)送的脈沖信號，以完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康摹?/p>

圖2 溫度測試系統(tǒng)CPLD控制功能圖Fig.2 CPLD control function of temperature test system

2.2 溫度傳感器

在爆炸場等高溫、高壓、高沖擊的惡劣環(huán)境下采集瞬時溫度的動態(tài)變化對溫度傳感器要求很高，因此選用了美國NANMAC公司的E12鎢錸侵蝕熱電偶。該熱電偶瞬態(tài)溫度響應時間僅為幾百微妙，溫度范圍高達2 315℃，耐壓程度高達69 MPa，完全能夠滿足爆炸場溫度測試的需要。

熱電偶是利用導體或半導體材料的熱電效應將溫度的變化轉(zhuǎn)換為電動勢的變化，熱電偶回路中產(chǎn)生的電動勢差為：

NA、NB為材料 A、B 的電子密度；σA、σB為導體 A、B 的湯姆遜系數(shù)，κ為波爾茲曼常數(shù)。

由于導體湯姆遜效應引起的電動勢差相比較小，常可忽略，因此當熱電偶的兩種材料的特性為已知時，一端溫度固定，則待測溫度T是電動勢的單值函數(shù)[4]。為了使E12鎢錸熱電偶冷端溫度固定在0℃，本次設計采用了補償電橋法補償冷端的溫度變化。

2.3 電源管理模塊

由于溫度測試系統(tǒng)經(jīng)常需要在惡劣的環(huán)境中工作，所需的能量都是靠一次性的高溫電池來供給，電量有限。而溫度測試系統(tǒng)往往要求測試過程很長，為了減小在測量過程中由于電量不足而使電路不能正常工作的可能性，就必須考慮測試系統(tǒng)低功耗的要求。因此設計了先進的電源管理模塊，即電路在需要工作時給其供電，在不需要工作時斷電，減小電路無效操作時功耗的比例。

為了減少不必要的損耗，采用了多路電源供電管理模式，分別為：VCC、VDD、VEE。VCC和CPLD相連接，存儲模塊部分、AD轉(zhuǎn)換部分由VDD供電，運算放大器、晶振由VEE控制。

本系統(tǒng)中選用雙通道電源開關(guān)芯片MAX894作為電源管理芯片，其供電范圍為2.7～5.5 V，關(guān)斷時消耗電流僅為0.1 μA，兩通道全部打開是消耗電流約為17 μA。在本次設計中MAX894芯片輸入電源VCC=3.6 V，通過ONA/控制產(chǎn)生VDD=3.6 V，通過 ONB/控制產(chǎn)生 VEE=3.6 V。 ONA/、ONB/低電平有效，由CPLD內(nèi)部控制。如圖3所示。

圖3 溫度測試系統(tǒng)電源管理模塊Fig.3 Power management module of temperature test system

電源管理模塊在CPLD內(nèi)部的控制部分如圖4所示，ONON和OFF是電路模塊的開關(guān)，TC/是CPLD外接晶振的使能端，高電平有效。當電路上電后，ONON變?yōu)楦唠娖剑琌NA變?yōu)楦唠娖?，ONAN變?yōu)榈碗娖剑娫垂芾砟K的VDD輸出有效，AD轉(zhuǎn)換部分和存儲模塊部分開始工作。由于晶振此時處于工作狀態(tài)，所以TC為低電平，ONBN也是低電平，電源管理部分的VEE輸出有效。當存儲器的存儲空間存滿后，晶振停止工作，TC變?yōu)楦唠娖?，ONBN也變?yōu)楦唠娖?，所以VEE輸出無效，運算放大器部分關(guān)閉。此時電路處于微功耗狀態(tài)，存儲器處于待讀數(shù)狀態(tài)。當存儲器中的數(shù)據(jù)被讀出后，電路可以關(guān)閉。此時除了CPLD，所有器件均被關(guān)閉。

圖4 電源控制模塊邏輯控制圖Fig.4 Logic control of power control module

3 軟件設計

溫度測試系統(tǒng)的工作流程規(guī)劃為5個部分[5－6]：接通電源的初始狀態(tài)、上電后的循環(huán)采樣狀態(tài)、觸發(fā)后的采樣存儲狀態(tài)、采集完后的待讀數(shù)狀態(tài)、數(shù)據(jù)讀出及數(shù)據(jù)處理狀態(tài)。溫度測試系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖Fig.5 System state transition diagram

圖6為測試系統(tǒng)的仿真時序圖，通過多次軟件仿真，得出正確的仿真結(jié)果，表明了本次設計的溫度測試系統(tǒng)在理論上能夠滿足測試要求。

圖6 系統(tǒng)時序仿真圖Fig.6 System timing simulation

圖7為實際溫度測試結(jié)果圖，通過VB軟件處理得到。在此次實驗中溫度測試系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)曲線與所給環(huán)境溫度的動態(tài)變化基本一致，表明本次設計的基于CPLD的溫度測試系統(tǒng)能夠可靠準確地采集數(shù)據(jù)信號。

4 結(jié) 論

本次設計的溫度測試系統(tǒng)，采用集成度高、可靠性強、功耗較低的CPLD作為主控單元，運用耐高溫高壓、響應時間快的熱電偶作為溫度傳感器，匹配先進的電源管理模塊實現(xiàn)了測試系統(tǒng)的低功耗，并結(jié)合動態(tài)存儲測試技術(shù)，能夠應用于環(huán)境條件比較差的惡劣環(huán)境中，在可靠可信、微功耗的基礎上能得到較好的實驗數(shù)據(jù)。

圖7 實測數(shù)據(jù)圖Fig.7 Actual test data

[1]王大鋼.瞬態(tài)超高溫測試技術(shù)研究 [D].太原：中北大學，2009.

[2]祖靜，張志杰，裴東興，等.新概念動態(tài)測試[J].測試技術(shù)學報，2004，18（6）：1-4.ZU Jing， ZHANG Zhi-jie， PEI Dong-xing，et al.New concept dynamic test[J].Journal of Test and Measurement Tcehnology，2004，18（6）：1-4.

[3]段吉梅，黃智偉.基于CPLD/FPGA的數(shù)字通信系統(tǒng)建模與設計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.

[4]孟立凡，藍金輝.傳感器原理與應用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[5]張文棟.存儲測試系統(tǒng)的設計理論及其應用 [M].北京：高等教育出版社，2002.

[6]仲倩.爆炸源毀傷效應測評方法研究[D].南京：南京理工大學，2007.