基于FPGA雙溫度傳感器溫度采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李亞梅

（天津百利機(jī)械裝備集團(tuán)有限公司中央研究院，天津 300000 ）

0 引言

工業(yè)和醫(yī)學(xué)應(yīng)用上需要高精度溫度測(cè)量。目前大多數(shù)測(cè)溫電路僅采用單一的溫度傳感器，導(dǎo)致測(cè)溫結(jié)果有一定誤差。熱電偶溫度傳感器和鉑電阻溫度傳感器測(cè)量溫度已經(jīng)廣泛的應(yīng)用到各種溫度的檢測(cè)。熱電偶的檢測(cè)溫度范圍很寬，可以在-270℃至+1750℃寬范圍達(dá)到±0.1℃的精度，而鉑電阻在低溫范圍有很好的線性度。為了充分發(fā)揮熱電偶和鉑電阻測(cè)量不同溫度范圍的能力，讓熱電偶、鉑電阻溫度傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器相結(jié)合，構(gòu)成高性能的溫度測(cè)量系統(tǒng)。

在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA具有性能穩(wěn)定編程配置靈活、開發(fā)周期短、系統(tǒng)簡(jiǎn)單、具有高速集成度、體積小、低功耗、IO端口多、在系統(tǒng)編程等優(yōu)點(diǎn)，滿足系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性和同步性的要求。本文給出一種基于FPGA的雙溫度傳感器溫度采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，此方案可以應(yīng)用于不同的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行溫度信號(hào)的采集。

1 溫度采集系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)內(nèi)容

本系統(tǒng)硬件部分分為數(shù)據(jù)采集電路和電源電路兩個(gè)部分。圖1為硬件原理框圖。

2 系統(tǒng)的采集電路硬件設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目采用兩種方式進(jìn)行溫度信號(hào)采集，可以適用采集不同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度數(shù)據(jù)的需要，在中低溫情況下利用鉑電阻溫度傳感器進(jìn)行溫度信號(hào)采集，在高溫情況下利用熱電偶溫度傳感器進(jìn)行采集，兩種方式可以根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行選擇，同時(shí)熱電偶溫度傳感器連接專用的帶有冷結(jié)溫度補(bǔ)償?shù)膬x表放大器，不需要另外的傳感器進(jìn)行冷結(jié)溫度采集，綜合以上，采用此種電路進(jìn)行測(cè)溫可以提高采集數(shù)據(jù)的效率和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精度。圖2為熱電偶傳感器采集電路；圖3為PT100信號(hào)采集電路。

圖1 系統(tǒng)硬件原理框圖

圖2 熱電偶傳感器數(shù)據(jù)采集電路

圖3 PT100電阻數(shù)據(jù)采集電路

模擬部分包括鉑電阻電橋輸入，熱電偶輸入，四路信號(hào)輸入信號(hào)采集放大電路進(jìn)行信號(hào)的采集和放大。經(jīng)過(guò)處理后的信號(hào)輸入AD進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完畢的數(shù)字信號(hào)進(jìn)入隔離電路進(jìn)行隔離轉(zhuǎn)換，通過(guò)濾波器濾除低頻噪聲和直流漂移，截止頻率為2kHz，然后輸入到FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)信號(hào)的采集后處理。

3 系統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)

電源設(shè)計(jì)主要包括電源轉(zhuǎn)換電路和參考電壓生成電路兩個(gè)部分。電源設(shè)計(jì)主要包括電源轉(zhuǎn)換電路和參考電壓生成電路兩個(gè)部分。數(shù)字電路部分中TPS54334將+12V電源電壓轉(zhuǎn)換成D5V電壓，LV1117-25、TLV1117-33、TLV1117-12分別將+電壓轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換成2.5V、3.3V和1.2V供給FPGA。模擬電路部分中，TPS54334將12V轉(zhuǎn)換成+8V電壓，并將連接TLV1117-5轉(zhuǎn)換成+5V，供給ADR4520與ADR4540生成2.048V和4.096V的考參考電壓。TPS63700將12V電壓轉(zhuǎn)化換成-5V電壓，圖4為電源轉(zhuǎn)換功能框圖。

圖4 電源轉(zhuǎn)換功能框圖

4 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用Altera公司的EP4C6E144 PFGA芯片作為主采集控制器，開發(fā)平臺(tái)是Quartus II，本系統(tǒng)設(shè)置采樣頻率10kHz，即每0.1ms采樣一次，參考電壓為4.096V，分辨率為16位。熱電偶傳感器精度為5mV/℃，所以采集最小精度為0.2℃。系統(tǒng)晶振為27MHz，所以采樣程序的計(jì)數(shù)器設(shè)置為27M/10K=2700，即每計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到2700采樣一次，邏輯控制程序中，當(dāng)計(jì)數(shù)器count大于2650小于2689時(shí)開始采樣。本設(shè)計(jì)的控制程序主要利用狀態(tài)機(jī)的切換控制conv、sck和輸出數(shù)據(jù)使能信號(hào)dataouten的置1、置0，從而控制數(shù)據(jù)采樣的啟停。狀態(tài)機(jī)在h1、h2狀態(tài)時(shí)，為準(zhǔn)備采樣階段，h3時(shí)開始采樣，采樣計(jì)數(shù)器大于2687結(jié)束，算法具體執(zhí)行流程如圖6所示。采集到的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的計(jì)算可以得到實(shí)際溫度。圖6為程序執(zhí)行流程；圖7為FPGA各引腳輸出波形。

圖5 程序執(zhí)行流程

【】【】

圖6 FPGA輸入輸出波形圖

5 結(jié)束語(yǔ)

目前，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的CPU很多，本設(shè)計(jì)采用的FPGA用來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，運(yùn)算速度快，比較適合工業(yè)狀況下的在線數(shù)據(jù)采集及運(yùn)算。在前端溫度采集電路中，本設(shè)計(jì)采用雙溫度傳感器進(jìn)行溫度信號(hào)采集，適應(yīng)不同溫度范圍的情況。本設(shè)計(jì)穩(wěn)定，傳輸速度快，適合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。本設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的功能擴(kuò)展，由于FPGA具有多個(gè)IO口，可以在功能上加入振動(dòng)，電壓等信號(hào)的采集，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控，也可以與其他系統(tǒng)相結(jié)合獲得門開或關(guān)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)的重要數(shù)據(jù)，并可以跟ARM結(jié)合實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信功能，在未來(lái)的發(fā)展中必將贏得更廣闊的發(fā)展空間。

[1]常高嘉,馮全源.基于FPGA的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子器件,2012(5):615-618.

[2]肖積濤,馬幼鳴,周鳴爭(zhēng),周明龍.基于FPGA的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展,2012,22(6).

[3]何文龍,房建東.基于FPGA的數(shù)字溫度傳感器控制方法[J].電子測(cè)量技術(shù),2008,31(11).

[4]張青春,王坤,石波涌,唐唐.基于FPGA的Turbo譯碼器設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)量技術(shù),2008,31(2):113-115.

[5]王忠林,姚福安,李祥峰.基于FPGA的一個(gè)超混沌系統(tǒng)設(shè)計(jì)與電路實(shí)現(xiàn)[J].山東大學(xué)學(xué)報(bào)(理學(xué)版),2008,43(12):93-96.