基于FPGA的熱電偶溫度巡檢儀設(shè)計(jì)

內(nèi)蒙古科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭 014010

一、引言

在工業(yè)領(lǐng)域極端惡劣的工作環(huán)境下，溫度的測(cè)量常伴有巨大的撞擊力或高溫氣體的高速流動(dòng)，其共同特點(diǎn)是溫度高且瞬態(tài)變化。工業(yè)生產(chǎn)中要求對(duì)溫度的測(cè)量能夠面向多目標(biāo)且及時(shí)、精確，因此對(duì)于溫度巡檢儀性能的提升方法亟待研究。目前市面上常見的溫度巡檢儀通常以單片機(jī)為核心，有著一定的局限性，例如在面對(duì)多路同時(shí)測(cè)溫時(shí)需要接入多路A/D轉(zhuǎn)換器，單片機(jī)要進(jìn)行仔細(xì)的資源分配與總線隔離，且運(yùn)行速度很低。

FPGA有著豐富的I/O資源并能夠?qū)⑼獠繒r(shí)鐘倍頻?；贔PGA的熱電偶溫度巡檢儀相比于傳統(tǒng)的溫度巡檢儀，具有運(yùn)行速度更快、精度更高、能夠處理更復(fù)雜功能、方便進(jìn)行二次開發(fā)等優(yōu)勢(shì)。

本文基于FPGA設(shè)計(jì)了一種熱電偶溫度巡檢儀，采用K型熱電偶作為測(cè)溫傳感器，用高集成芯片MAX6675實(shí)現(xiàn)冷端溫度補(bǔ)償、放大和數(shù)模轉(zhuǎn)換，通過FPGA對(duì)前端電路進(jìn)行控制，經(jīng)譯碼之后送LED進(jìn)行顯示，能夠?qū)崿F(xiàn)8路溫度的測(cè)量，測(cè)溫范圍可達(dá)0～1000℃，在實(shí)驗(yàn)中每個(gè)測(cè)試點(diǎn)的測(cè)量溫度與實(shí)際溫度誤差均小于10℃，整個(gè)巡檢儀在測(cè)溫范圍內(nèi)的測(cè)溫誤差小于1%。同時(shí)FPGA有著豐富的I/O資源并能夠?qū)⑼獠繒r(shí)鐘倍頻，在之后的研究中有著很大的二次開發(fā)空間，在未來的高溫作業(yè)中不僅可以做到更快更準(zhǔn)，還可以更加的智能。

二、總體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)主要包括FPGA芯片、K型熱電偶溫度傳感器、集成片MAX6675、鍵盤電路及顯示輸出。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

熱電偶輸出信號(hào)直接通過集成芯片MAX6675處理，再經(jīng)FPGA芯片后在LED上顯示，在顯示電路之前加入了鍵盤，使得用戶可以手動(dòng)查看所需通道的測(cè)量數(shù)據(jù)，便于記錄。

此設(shè)計(jì)是對(duì)八路溫度進(jìn)行巡回檢測(cè)，主要運(yùn)用了MAX6675集成芯片的強(qiáng)大功能，K型熱電偶所測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)CD4051多通道選擇后，采用專用集成芯片MAX6675對(duì)K熱電偶進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償及線性化處理，通過FPGA芯片對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，經(jīng)譯碼之后送LED進(jìn)行顯示[1]。

三、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1、多路選擇開關(guān)

CD4051是單8通道數(shù)字控制模擬電子開關(guān)，有A、B和C三個(gè)二進(jìn)制控制輸入端及INH共4個(gè)輸入，具有低導(dǎo)通阻抗和很低的截止漏電流。當(dāng)INH輸入端=“1”時(shí)，所有的通道截止。只有當(dāng)INH=0，三位二進(jìn)制信號(hào)可以通過在8信道的信道選擇，連接輸入輸出。其中VEE可以接負(fù)電壓，也可以接地。其硬件電路如圖2所示。

2、集成芯片MAX6675

MAX6675采用8引腳SO貼片封裝，主要引腳包括：

MAX6675的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由熱電偶模擬信號(hào)放大電路、冷端溫度補(bǔ)償電路、A/D轉(zhuǎn)換電路及數(shù)字控制電路等組成[2]。

根據(jù)熱電偶的原理，其產(chǎn)生的熱電勢(shì)滿足下列關(guān)系：

式中：t—熱端溫度；t0—冷端溫度；

0—0℃。

MAX6675采用標(biāo)準(zhǔn)的SPI串行外設(shè)總線與MCU接口，且MAX6675只能作為從設(shè)備[3]。MAX6675從SPI串行接口輸出數(shù)據(jù)的過程如下：MCU使變低并提供時(shí)鐘信號(hào)給SCK，由SO讀取測(cè)量結(jié)果。變低將停止任何轉(zhuǎn)換過程，變高將啟動(dòng)一個(gè)新的轉(zhuǎn)換過程。一個(gè)完整串行接口讀操作需16個(gè)時(shí)鐘周期，在時(shí)鐘的下降沿讀16個(gè)輸出位，第1位和第15位是一偽標(biāo)志位，并總為0[4]；第14位到第3位為以MSB到LSB順序排列的轉(zhuǎn)換溫度值；第2位平時(shí)為低，當(dāng)熱電偶輸入開放時(shí)為高。

3、顯示電路

此方案采用共陽(yáng)極接法的七段LED數(shù)碼管顯示。七段數(shù)碼管一般由8個(gè)發(fā)光二極管組成，其中由7個(gè)細(xì)長(zhǎng)的發(fā)光二極管組成數(shù)字顯示，另外一個(gè)圓形的發(fā)光二極管顯示小數(shù)點(diǎn)[5]。

七段數(shù)碼管每段的驅(qū)動(dòng)電流和其他單個(gè)LED發(fā)光二極管一樣，一般為5～10mA；由于發(fā)光材料不同，其正向電壓通常為為1.8～2.5V不等。當(dāng)發(fā)光二極管導(dǎo)通時(shí)，相應(yīng)的一個(gè)點(diǎn)或一個(gè)筆畫發(fā)光。其硬件電路如圖4所示。

4、FPGA選型

FPGA選型主要基于以下幾點(diǎn)：

(1)軟件開發(fā)環(huán)境：包含QuartusII軟件、SOPC片上集成系統(tǒng)、NIOSII處理器。

(2)儲(chǔ)量的大?。阂欢康膬?nèi)存資源（包括RAM、ROM、FLASH、SDRAM等）、PLL 資源、邏輯塊資源和 I/O 接口資源等，以減少片外資源的擴(kuò)展、降低硬件開發(fā)難度。

(3)第三方開發(fā)工具： Modelsim仿真工具，VHDL 與VerilogHDL仿真器[6]。

(4)使用廣泛，且包含大量的相關(guān)FPGA資料。

因?yàn)锳ltera 公司的產(chǎn)品在亞太地區(qū)使用多一些，與它相關(guān)方面的學(xué)習(xí)資料和教程相對(duì)來說比較多，基于上述幾點(diǎn)，我們所采用的FPGA芯片為CycloneⅡ系列型號(hào)為EP2C5Q208C8N。Cyclone II能夠在更低的成本下制造出更大容量的器件。這種新的器件比第一代Cyclone產(chǎn)品具有兩倍多的I/O引腳，且對(duì)可編程邏輯，存儲(chǔ)塊和其它特性進(jìn)行了最優(yōu)的組合，具有許多新的增強(qiáng)特性[7]。板上提供了大容量的SDRAM和Flash ROM等存儲(chǔ)單元，有2個(gè)高性能PLL與142個(gè)用戶自定義I/O口可以充分滿足設(shè)計(jì)需求，標(biāo)準(zhǔn)的2.54mm間距的擴(kuò)展插座供用戶方便使用，電源管理模塊只需要外接5VDC電源即可。

四、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1、通道選擇模塊

通道選擇部分是一個(gè)二進(jìn)制模8的計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘是MAX6675數(shù)字信號(hào)的鎖存信號(hào)，每次鎖存數(shù)據(jù)后，計(jì)數(shù)器就會(huì)一次進(jìn)行加一操作，CD4051選擇下一個(gè)通道的溫度信號(hào)進(jìn)行采集。在QuartusⅡ中用VHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)圖形如圖5所示。

2、延時(shí)模塊設(shè)計(jì)

在狀態(tài)機(jī)的采樣控制部分中加入了輸出數(shù)據(jù)的編碼，因?yàn)橐h(huán)采集8路模擬信號(hào)，而輸出為一路輸出，這樣就需要對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行標(biāo)志，方法就是把12位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為16位數(shù)據(jù)，第1位是0，第2位到第4位是標(biāo)志位，標(biāo)志是哪一通道數(shù)字信號(hào)，串行輸出的時(shí)候可以讓接受方知道是第幾通道的數(shù)據(jù)。此外，由于數(shù)字信號(hào)數(shù)據(jù)鎖存信號(hào)是比信道選擇信號(hào)更早的一個(gè)周期，增加了延遲模塊，使得每個(gè)信道可以被鎖定，并且可以存儲(chǔ)采樣數(shù)據(jù)[8]。通過程序來實(shí)現(xiàn)對(duì)通道選擇信號(hào)的延時(shí)。VHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)圖形如圖6所示。

3、MAX6675控制模塊

在QuartusⅡ9.0環(huán)境下用VHDL程序?qū)崿F(xiàn)MAX6675控制模塊。對(duì)外部集成芯片MAX6675的控制由以下模塊來實(shí)現(xiàn)。SCK表示串行時(shí)鐘輸入；當(dāng)為低電平時(shí)，啟動(dòng)串行輸入接口；SO為串行數(shù)據(jù)輸出，如圖7所示。

4、串并轉(zhuǎn)換模塊

集成模塊MAX6675輸出數(shù)據(jù)為串行數(shù)據(jù)，為了使其通過數(shù)碼管顯示需要制作一個(gè)內(nèi)部12位串并轉(zhuǎn)換模塊，將其輸出的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)。

在QuartusⅡ9.0環(huán) 境 下 由VerilogHDL程序?qū)崿F(xiàn)串并轉(zhuǎn)換模塊。如圖8所示。

（1）該設(shè)計(jì)讀取如下的輸入符號(hào)：

data_in：串行輸入數(shù)據(jù)；

rst_n：復(fù)位信號(hào)。當(dāng)它為高電平時(shí)，則轉(zhuǎn)換復(fù)位。所有輸出置零，并且準(zhǔn)備讀取下一個(gè)串行數(shù)據(jù)；

clk：時(shí)鐘信號(hào)。在clk的正邊沿，讀入輸入信號(hào)值data_in，轉(zhuǎn)換輸出也只在clk的正邊沿有效。

（2）該設(shè)計(jì)產(chǎn)生如下的輸出：

data_out：串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后的12位輸出值；

dout_en：輸出位。在clk的正邊沿時(shí)，該信號(hào)為‘1’，表示data_out被讀?。?/p>

5、七段譯碼顯示模塊

在數(shù)字系統(tǒng)中，常常將譯碼輸出顯示為十進(jìn)制數(shù)字或其他符號(hào)。因此，能直接驅(qū)動(dòng)數(shù)字顯示器，或者能與顯示器配合起來使用。七段數(shù)碼管有共陰極和共陽(yáng)極接地兩種接法[9]。共陰極地需要解碼器輸出一個(gè)高電平來驅(qū)動(dòng)數(shù)字管，而公共陽(yáng)極地需要解碼器輸出低驅(qū)動(dòng)數(shù)字管發(fā)光。

本設(shè)計(jì)中采用的是共陽(yáng)極接法，用到的數(shù)碼管共有5個(gè)，第一個(gè)用38譯碼器將CD4051選通的通道號(hào)進(jìn)行譯碼顯示，后面四個(gè)對(duì)所測(cè)溫度讀數(shù)顯示，可以直觀的看到測(cè)量的通道號(hào)及其對(duì)應(yīng)的溫度。

其模塊如圖9所示，定義Y為8位的輸出，及設(shè)置的ls138有8個(gè)輸出端口，定義A為3位的輸入，由高位到低位分別為A2端口，A1端口，A0端口。

七段譯碼器的外部接口如圖10所示，cnt為四比特的BCD碼輸入，led為輸出，寬度為七位，即要送到LED管顯示用的七段碼，即a、b、c、d、e、f、g。

五、仿真及結(jié)果分析

1、通道選擇模塊仿真

通過CNT[0]到CNT[2]來選擇相應(yīng)的通道，CD4051的輸出就是最后要進(jìn)行ADC采樣的溫度信號(hào)。例如：若CNT[0]CNT[1]CNT[2]=“000”，則選擇第一通道溫度信號(hào)進(jìn)行A/D采樣，隨后每隔25ms，CNT[0]CNT[1]CNT[2]的值就會(huì)加一，ADC便會(huì)選擇下一通道進(jìn)行采樣，當(dāng)CNT[0]CNT[1]CNT[2]=“111”對(duì)第八通道采樣完畢后，則會(huì)恢復(fù)至“000”，重新開始對(duì)第一通道進(jìn)行采樣，以此循環(huán)。這個(gè)部分實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)是對(duì)數(shù)字鎖存信號(hào)記數(shù)，計(jì)數(shù)器的輸出作為CD4051的通道選擇地址，通道選擇模塊的仿真圖如圖11所示。

2、通道顯示模塊仿真

第一個(gè)數(shù)碼管用來顯示所測(cè)溫度的通道號(hào)，設(shè)計(jì)要求顯示數(shù)值與CD4051所選通通道一致，例如：當(dāng)CD4051選通4號(hào)通道時(shí)，溫度巡檢儀會(huì)對(duì)4號(hào)通道溫度進(jìn)行測(cè)量顯示，此時(shí)數(shù)碼管顯示輸出4。設(shè)置時(shí)鐘信號(hào)為100ns，及每隔100ns會(huì)從1通道變?yōu)?通道，依此類推，直到8通道后重新顯示為1通道，無限循環(huán)，可以實(shí)現(xiàn)巡檢儀通道號(hào)的顯示功能。仿真結(jié)果如圖12所示。

六、結(jié)論

多通道采樣系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，為一些特殊領(lǐng)域的實(shí)時(shí)測(cè)控提供了新的思路與方法。研究中將其運(yùn)用到測(cè)溫領(lǐng)域制作了基于FPGA的熱電偶溫度巡檢儀，整體系統(tǒng)在調(diào)試中性能穩(wěn)定，能夠循環(huán)顯示8路溫度，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。將FPGA與集成度較高的MAX6675芯片結(jié)合使用并通過LED及時(shí)顯示，不僅使溫度巡檢儀運(yùn)行速度更快、穩(wěn)定性更好、精度更高，而且節(jié)省了開發(fā)所需空間、減少了資源消耗，在高要求的工業(yè)場(chǎng)合中具有很大的參考和利用價(jià)值。