基于FPGA雙溫度傳感器溫度采集系統(tǒng)的設(shè)計

李亞梅

（天津百利機械裝備集團有限公司中央研究院，天津 300000 ）

0 引言

工業(yè)和醫(yī)學應(yīng)用上需要高精度溫度測量。目前大多數(shù)測溫電路僅采用單一的溫度傳感器，導致測溫結(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量溫度已經(jīng)廣泛的應(yīng)用到各種溫度的檢測。熱電偶的檢測溫度范圍很寬，可以在-270℃至+1750℃寬范圍達到±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，滿足系統(tǒng)對實時性和同步性的要求。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)計方案，此方案可以應(yīng)用于不同的工業(yè)現(xiàn)場進行溫度信號的采集。

1 溫度采集系統(tǒng)主要設(shè)計內(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

本項目采用兩種方式進行溫度信號采集，可以適用采集不同的實驗環(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行溫度信號采集，在高溫情況下利用熱電偶溫度傳感器進行采集，兩種方式可以根據(jù)不同的實驗要求進行選擇，同時熱電偶溫度傳感器連接專用的帶有冷結(jié)溫度補償?shù)膬x表放大器，不需要另外的傳感器進行冷結(jié)溫度采集，綜合以上，采用此種電路進行測溫可以提高采集數(shù)據(jù)的效率和實驗結(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，四路信號輸入信號采集放大電路進行信號的采集和放大。經(jīng)過處理后的信號輸入AD進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完畢的數(shù)字信號進入隔離電路進行隔離轉(zhuǎn)換，通過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進行數(shù)據(jù)信號的采集后處理。

3 系統(tǒng)的電源設(shè)計

電源設(shè)計主要包括電源轉(zhuǎn)換電路和參考電壓生成電路兩個部分。電源設(shè)計主要包括電源轉(zhuǎn)換電路和參考電壓生成電路兩個部分。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

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，所以采樣程序的計數(shù)器設(shè)置為27M/10K=2700，即每計數(shù)器計數(shù)到2700采樣一次，邏輯控制程序中，當計數(shù)器count大于2650小于2689時開始采樣。本設(shè)計的控制程序主要利用狀態(tài)機的切換控制conv、sck和輸出數(shù)據(jù)使能信號dataouten的置1、置0，從而控制數(shù)據(jù)采樣的啟停。狀態(tài)機在h1、h2狀態(tài)時，為準備采樣階段，h3時開始采樣，采樣計數(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)進行進一步的計算可以得到實際溫度。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

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圖6 FPGA輸入輸出波形圖

5 結(jié)束語

目前，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的CPU很多，本設(shè)計采用的FPGA用來進行數(shù)據(jù)采集，運算速度快，比較適合工業(yè)狀況下的在線數(shù)據(jù)采集及運算。在前端溫度采集電路中，本設(shè)計采用雙溫度傳感器進行溫度信號采集，適應(yīng)不同溫度范圍的情況。本設(shè)計穩(wěn)定，傳輸速度快，適合工業(yè)現(xiàn)場在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的遠程傳輸。本設(shè)計經(jīng)過簡單的功能擴展，由于FPGA具有多個IO口，可以在功能上加入振動，電壓等信號的采集，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場的監(jiān)控，也可以與其他系統(tǒng)相結(jié)合獲得門開或關(guān)時現(xiàn)場的重要數(shù)據(jù)，并可以跟ARM結(jié)合實現(xiàn)遠距離通信功能，在未來的發(fā)展中必將贏得更廣闊的發(fā)展空間。

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