基于FPGA的無人飛行器溫度巡檢裝置的設計

2013-12-31 00:00:00魏欣李立早劉召利

電子世界 2013年20期

【摘要】針對無人飛行器高空飛行時機翼前緣等關鍵部位出現的結冰問題，本文設計了一種基于FPGA的無人飛行器溫度巡檢裝置，利用FPGA并結合鉑電阻傳感器PT100實現對無人機各部分尤其是機翼前緣等關鍵部位的溫度巡檢，開發了基于VHDL語言的軟件系統，當出現結冰現象時采用加熱方式主動融冰。無人飛行器溫度巡檢裝置檢測速度快，精度高，控溫準確，有效解決了無人飛行器高空飛行時的結冰問題。

【關鍵詞】FPGA；無人飛行器；溫度巡檢

1.引言

目前無人飛行器主要飛行于大氣對流層和平流層低層區間。該區間大氣溫度變化復雜，大氣環境的溫度過低或過高都將直接影響無人飛行器控制系統的正常工作。由于無人飛行器機身需要檢測溫度的部位較多，監測目標比較分散，使用單一結構的溫度傳感器或結冰探測儀表難以實時、全面地掌握整個機身表而溫度狀況，因此，本設計結合已有的民用多路測溫技術，提出一種基于FPGA的適用于無人飛行器機身各部位溫度檢測和功能事務管理的多路溫度巡檢系統。該系統可在無人飛行器飛行過程中，根據需要循環監測各部位的溫度狀況，以便能夠及早測出機身可能出現的結冰低溫并向系統發出報警信號使飛機及時飛離結冰區域或開啟除冰設計，從而達到保障飛行安全的目的。

2.設計方案

無人飛行器溫度巡檢裝置的結構框圖如圖1所示。

本設計采用FPGA作為核心芯片，電源電路供電后，信號調理電路通過鉑電阻傳感器PT100將采集的電壓信號通過放大器放大后送給A/D采樣電路，A/D采樣電路通過采樣把模擬信號轉換為數字信號后送給FPGA進行處理，處理數據后FPGA自動把處理結果送出，通過液晶顯示并且與鍵盤電路設定的值進行比對，如果超出設定值范圍，FPGA送出信號，使得蜂鳴器電路報警，繼電器電路響應，啟動加熱裝置，圖1給出了系統的整體框圖。

圖1 系統硬件框圖

3.硬件電路設計及實現

按照系統的功能要求，裝置的硬件電路依據其功能劃分為信號調理模塊、A/D采樣模塊、FPGA最小系統模塊等部分。

3.1 信號調理模塊

系統采用惠斯通電橋接入鉑電阻傳感器PT100信號，如圖2所示。

圖2 信號調理模塊電路

圖2中INA、INB之差與PT100阻值變化呈線性關系，通過將INA、INB變化值采樣再對應鉑電阻傳感器P100刻度表即可換算得到實測溫度。考慮到鉑電阻傳感器PT100探頭產生的信號非常微弱，很容易受到噪聲干擾，所以放大電路選擇單運放構成的儀表放大器。儀表放大器擁有差分式結構，對共模噪聲有很強的抑制作用，同時擁有較高的輸入阻抗和較小的輸出阻抗，非常適合對微弱信號的放大。圖2中R3，R4，R5，R6，R7，R8均采用低溫漂的精密電阻，R2為多圈精密可調電阻。通過電路可以計算出：

（1）

由式（1）可看出，通過增減R8的阻值即可改變增益，得到理想的放大倍數。

3.2 A/D采樣模塊

系統選用AD7476作為采樣芯片。該芯片是12位低功耗逐次逼近型ADC，采用單電源工作，電源電壓為2.35V至5.25V，最高吞吐速率可達1MSPS，完全滿足本系統的采樣精度和速度的要求。該芯片內置一個低噪聲、寬帶寬采樣保持放大器，可處理6MHz以上的輸入頻率。AD轉換過程和數據采集過程通過CS和串行時鐘SCLK進行控制，從而為器件與FPGA接口創造了條件。輸入信號在CS的下降沿進行采樣，而轉換同時在此處啟動，轉換速率取決于SCLK的時鐘頻率。圖3為AD7476的典型接線電路。

圖3 AD7476典型接線電路

4.軟件設計

溫度巡檢裝置的軟件以VHDL語言為基礎，采樣模塊化的設計思路編程，分為液晶顯示模塊、AD采樣模塊、鍵盤輸入模塊、報警模塊和PWM控制模塊模塊。圖4給出了各模塊之間的關系圖。

圖4 各模塊關系框圖

系統首先通過AD采樣模塊對溫度進行采樣，將采樣的數據送入溫度檢測模塊進行處理。溫度檢測模塊的任務是計算將采樣來的溫度值與系統的預設值之間的差值，利用差值的大小來控制PWM模塊輸出脈沖寬度不同的脈沖波，通過脈沖波開控制繼電器的通斷，從而達到溫度的恒定控制。

5.實測結果

5.1 系統的定標

首先用高精度電阻箱代替鉑電阻傳感器Pt100對測量系統進行定標。根據式1所示的鉑電阻傳感器Pt100電阻和輸出電壓之間的關系，通過改變電阻箱的取值來設定相對應的測試溫度點標稱值，經過測量系統、A/D采樣的計算，得到測量溫度顯示值。根據初測數據對測量電路、補償電壓進行校準后，完成對系統的定標工作。

5.2 系統實測

將鉑電阻傳感器Pt100接入測量系統，并置入高精度恒溫箱中（溫控精度0.01℃）進行整個溫度測量系統定標測量。測量時要注意恒溫箱的密封，以提高環境溫度穩定性；恒溫

箱溫度穩定后，每隔1min對同一溫度點進行20次測量。測量溫度值數據及處理結果如表2所示。由表1中數據可見，測量系統的最大誤差為0.009℃，說明Pt100鉑電阻傳感器的定標誤差較小，精度也較高，能滿足高精度溫度測量系統的測量要求，但溫度高端誤差較大，可能與恒溫箱溫度控制精度有關，有待于進一步定標。

表1 系統實測數據

實際溫度（度）測量溫度（度）誤差值

10.0009.9990-0.001

20.00020.0000.00

30.00030.0030.003

40.00040.0020.002

50.00049.997-0.003

60.00059.991-0.009

6.結論

本文設計了基于FPGA的無人飛行器溫度巡檢裝置的軟硬件設計，該裝置利用FPGA快速性、可并行性、延時固定性等特點，能夠快速，準確的檢測無人機的各部件溫度。通過實驗驗證，系統的最大誤差不超過0.01度，完全滿足無人飛行器對溫度采集的要求。

參考文獻

[1]方益喜.基于PT1000的高精度溫度測量系統[J].電子設計工程，2010（10）：80-82.