多方式溫度測量系統(tǒng)

摘 要：論述了一種多方式溫度測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該溫度測量系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)PN結(jié)、熱電阻(PT100)、熱電偶(鎳鉻-鎳硅K型)三種方式的溫度測量。可以滿足不同測量范圍、不同測量精度及不同場合的需要。采用EDA與單片機(jī)協(xié)同設(shè)計(jì)，并且采用12位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，結(jié)果表明，不但測量精度得到了極大的提高，而且極高的程序執(zhí)行速度使得系統(tǒng)響應(yīng)更快更精確。使得單片機(jī)與FPGA的通信成為可能，整個(gè)設(shè)計(jì)理念得到提升。

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關(guān)鍵詞：EDA; 單片機(jī); 12位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器; 多方式溫度測量; 協(xié)同設(shè)計(jì)

中圖分類號：TN98-34

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1004-373X(2012)01-0208-03

Multi-mode temperature measurement system

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YANG Yong， ZHANG Qing-ling

(College of Aviation Technology， Xi’an 710077， China)

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Abstract：

A multi-way temperature measurement system was designed. The temperature measurement system can achieve PN junction， RTD (PT100) and thermocouple (NiCr - Ni K-type silicon) temperature measurement， so as to meet different measurement range， different measurement accuracy and different needs of different occasions. Using EDA and chip co-design and adopting 12-bit A/D converter， the measurement accuracy has been greatly improved， and high speed program execution allows the system to respond faster and more accurate. The communication between microcontroller and FPGA has been achieved， and the design concept has been improved.

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Keywords： EDA; SCM; 12-bit A/D converter; multi-method temperature measurement; collaborative design

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收稿日期：2011-07-25

0 引 言

目前市場中大多數(shù)溫度測量工具的測量范圍、測量方式及測量精度在出廠時(shí)就已經(jīng)固定。它們的測量方式單一、測量范圍固定、傳感方式也只能適應(yīng)一定的場合。因此不能很好地適用一些多測量方式及測量范圍的場合。還有數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)存儲已經(jīng)固化，遇到一些有特殊要求的場合就不能適用。本文采用現(xiàn)場可編程門陣列FPGA對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，VHDL程序能夠在線修改，該多方式溫度測量系統(tǒng)具有極強(qiáng)的可塑性，可以適時(shí)地對其程序及查表數(shù)據(jù)庫進(jìn)行改進(jìn)和更新，使系統(tǒng)的性能得到升級，可以使系統(tǒng)滿足不同場合的需求。

1 多方式溫度測量系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

多方式溫度測量系統(tǒng)采用PN結(jié)(IN4007)、熱電阻(PT100)、熱電偶(鎳锘-鎳硅K型)三種方式的溫度傳感器進(jìn)行溫度測量，PN結(jié)(IN4007)接到單臂直流電橋(非平衡)上，電橋的輸出接到放大器上(放大100倍)，再通過多路模擬開關(guān)接到12位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器；熱電阻(PT100)以三線制方式接到直流電橋上，電橋的輸出接到放大器上(放大70倍)，再通過多路模擬開關(guān)接到12位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器；熱電偶(鎳鉻-鎳硅K型)接到冷端補(bǔ)償器(自制電橋的四個(gè)橋臂都為1 Ω電阻，其中三個(gè)橋臂繞錳銅絲，一個(gè)繞銅絲)上，其輸出接到放大器(放大200倍)上，再通過多路模擬開關(guān)接到12位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。這樣三種傳感器的輸出最終轉(zhuǎn)換為0~10 V的電壓量，滿足了12位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換要求。轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)送給FPGA，再經(jīng)FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及顯示輸出。多方式溫度測量系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

1.1 PT100熱電阻測溫原理硬件電路

由于PT100熱電阻隨溫度變化產(chǎn)生的是一個(gè)電阻信號，當(dāng)溫度升高時(shí)電阻值增大。因此必須將熱電阻接成單臂直流電橋，將其阻值變化轉(zhuǎn)換為電壓變化信號。再將這個(gè)電壓信號放大到0~10 V范圍送A/D轉(zhuǎn)換電路。電路圖如圖2所示。

1.2 12位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC1674

該多方式溫度測量系統(tǒng)為了滿足測量精度的要求，采用了12位A/D轉(zhuǎn)換器，單極性輸入方式。從而可以使溫度精確到小數(shù)點(diǎn)后第2位。電路原理圖如圖3所示。

1.3 單片機(jī)控制電路(AT89C51)

為了減輕FPGA的程序負(fù)擔(dān)，其外圍控制電路用單片機(jī)給予控制。單片機(jī)控制著多路模擬開關(guān)(CD4051)和分度表存儲器(2716)以及FPGA，從而使得FPGA控制不同方式測量數(shù)據(jù)的處理及溫度顯示輸出。電路原理圖如圖4所示。

1.4 FPGA可編程門陣列

該多方式溫度測量系統(tǒng)采用FPGA可編程門陣列對經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，經(jīng)內(nèi)部查表比較或計(jì)算得出溫度數(shù)據(jù)，然后譯碼輸出溫度值。電路原理圖如圖5所示。

2 多方式溫度測量系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

多方式溫度測量系統(tǒng)軟件分為單片機(jī)程序設(shè)計(jì)和FPGA程序設(shè)計(jì)單片機(jī)程序采用匯編語言編寫，實(shí)現(xiàn)對外圍電路的控制；FPGA采用VHDL語言編寫，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的處理及溫度顯示輸出。

圖4 單片機(jī)控制電路原理圖

圖5 FPGA可編程門陣列電路原理圖

2.1 單片機(jī)控制

單片機(jī)控制源程序如下：

2.2 FPGA數(shù)據(jù)處理

熱電偶或熱電阻測量方式中FPGA依次查找對應(yīng)分度表的數(shù)據(jù)與A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較計(jì)算，最終得出其溫度值。程序流程圖略。PN結(jié)測量方式中FPGA根據(jù)PN結(jié)的溫度電壓變化函數(shù)(溫度每升高1 ℃，PN結(jié)正向?qū)▔航禍p小1 mV)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，從而得出對應(yīng)的溫度值；程序流程圖如圖6所示。

圖6 PN結(jié)測量方式數(shù)據(jù)處理流程圖

3 結(jié) 語

從系統(tǒng)設(shè)計(jì)到調(diào)試，測量系統(tǒng)對信號與電路穩(wěn)定性有很高的要求。開始由于忽略了穩(wěn)定性使得系統(tǒng)輸出顯示很不穩(wěn)定。最后將測量轉(zhuǎn)換電路與系統(tǒng)處理電路

分開，才使得問題得以改善。該溫度測量系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)

PN結(jié)、熱電阻(PT100)、熱電偶(鎳锘-鎳硅K型)三種方式的溫度測量。可以滿足不同測量范圍、不同測量精度及不同場合的需要。本設(shè)計(jì)采用EDA作為開發(fā)工

具，搭配單片機(jī)控制，使得單片機(jī)與EDA的配合成為可能，系統(tǒng)中使用單片機(jī)簡單一些的就用單片機(jī)實(shí)施，而用EDA簡單一些的就用EDA實(shí)施，例如：鍵盤操作用單片機(jī)比EDA簡單得多，使得整個(gè)設(shè)計(jì)具有較新的設(shè)計(jì)思想。采用12位ADC模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，使得測量精度得到了極大的提高。數(shù)據(jù)處理采用現(xiàn)場可編程門陣列FPGA，它極高的程序執(zhí)行速度使得系統(tǒng)響應(yīng)更快更精確。本文可用于對精度和速度要求較高的多方式溫度的測量。

參 考 文 獻(xiàn)

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作者簡介：

楊 勇 男，1962年出生，陜西西安人，碩士，教授。主要從事電氣自動化的教學(xué)與研究工作。