基于FPGA的多路極低溫數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)設(shè)計*

梁西銀, 倪波波, 顏昌林, 劉 昊, 郭 貝, 馬麗萍

(1.西北師范大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730070;2.蘭州真空設(shè)備有限責(zé)任公司華宇分公司,甘肅 蘭州 730000)

0 引 言

極低溫環(huán)境的創(chuàng)建、溫度的實(shí)時監(jiān)測以及溫度控制是空間環(huán)模設(shè)備的重要技術(shù)之一[1]。因此溫度數(shù)據(jù)在空間環(huán)境模擬設(shè)備中的數(shù)據(jù)監(jiān)測和設(shè)備控制方面都是很重要的參數(shù)[2]。其中，設(shè)備內(nèi)部高低溫的多點(diǎn)空間分布測量與實(shí)驗(yàn)部件的關(guān)鍵部位溫度的精密測量是影響空間模擬設(shè)備性能的重要因素[3]。低溫泵是得到高真空的關(guān)鍵設(shè)備，其內(nèi)部極低溫的測量與控制也是該設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)。

為了實(shí)時、精確采集低溫泵和空間環(huán)境模擬設(shè)備的低溫以及極低溫段的溫度數(shù)據(jù)，本文設(shè)計了一種以現(xiàn)場可編程門陣列(field programmable gate array,FPGA)為核心處理單元、以銠鐵熱電阻傳感器為采集元件的極低溫溫度測量系統(tǒng)。該測量系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)并行驅(qū)動24路溫度傳感器進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)采集、處理和傳輸?shù)裙δ堋?/p>

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

如圖1所示，由于FPGA芯片擁有更多的內(nèi)部RAM和ROM單元，具備更快的處理速度、豐富的引腳資源和較強(qiáng)的并行處理能力[4],所以,選擇Altera公司EP3C25Q240型FPGA芯片為核心數(shù)據(jù)處理芯片。該芯片通過4個SPI—Master接口(MSPI0～MSPI3)驅(qū)動4個獨(dú)立的前向通道的ADC芯片，并將采集的數(shù)據(jù)通過1個SPI—Slave接口(SSPI)提交至負(fù)責(zé)多個板卡數(shù)據(jù)匯總及任務(wù)調(diào)度的MPU，最終由上位計算機(jī)和軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲和實(shí)時呈現(xiàn)。每一個前向通道由各自的銠鐵傳感器、ADC芯片、SPI信號隔離電路等單元構(gòu)成，完成電阻信號的采集與模/數(shù)轉(zhuǎn)換任務(wù)。每個ADC芯片具有6個熱電阻傳感器信號采集通道，所以,該電路系統(tǒng)整體上可以接入24路熱電阻傳感器。FPGA芯片外接的串行接口存儲器(E2PROM)，主要用于存放分度表、ADC芯片配置參數(shù)等，實(shí)現(xiàn)了配置參數(shù)掉電不丟失。

熱電阻傳感器采用銠鐵熱電阻(型號RF50—SQ)。該傳感器具有精度高、響應(yīng)速度快、工作穩(wěn)定性好、測量溫區(qū)范圍大以及熱電效應(yīng)比較線性等優(yōu)點(diǎn)。ADC芯片采用了ADI公司的AD7124—8芯片。該芯片為適合高精度測量的低功耗、低噪聲RTD專用模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，內(nèi)置一個低噪聲24位Σ-Δ型模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。

由于工業(yè)現(xiàn)場情況十分復(fù)雜，各個節(jié)點(diǎn)之間存在很高的共模電壓，容易造成SPI接口通信異常，嚴(yán)重時甚至?xí)龤酒琜5]。同時為降低數(shù)字電路對模擬電路的噪聲干擾，提高測量精度，采用了隔離芯片ADuM5411實(shí)現(xiàn)了FPGA 與ADC芯片之間的信號隔離、電源隔離和地隔離，同時也給ADC芯片的基準(zhǔn)電源(VREF)供電。

除圖1虛線框內(nèi)的主要電路結(jié)構(gòu)之外，MPU單元模塊主要負(fù)責(zé)多個板卡數(shù)據(jù)匯總及任務(wù)調(diào)度，還可以通過SPIX(X=1,2,3)另接其它3個測量板卡。MPU板卡與上位機(jī)之間采用以太網(wǎng)通信方式。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 FPGA電路設(shè)計與工作流程

2.1 FPGA內(nèi)部電路設(shè)計

FPGA內(nèi)部的邏輯電路框圖如圖2所示。

圖2 FPGA內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)框圖

芯片外部接口主要有4個驅(qū)動ADC的SPI—Master接口、1個與MPU通信的SPI—Slave接口、1個與E2PROM芯片通信的I2C接口構(gòu)成。來自SPI—Slave的上位機(jī)指令經(jīng)過指令譯碼器的譯碼，控制狀態(tài)機(jī)在3種工作狀態(tài)之間切換，實(shí)現(xiàn)ADC數(shù)據(jù)采集、ADC初始化和ADC參數(shù)設(shè)置3種最基本的任務(wù)調(diào)度。ADC參數(shù)設(shè)置狀態(tài)下主要通過向參數(shù)RAM 塊寫入來自MPU的ADC芯片參數(shù)與分度表數(shù)值；ADC初始化狀態(tài)下主要完成參數(shù)寫入ADC芯片寄存器，以及固化到E2PROM芯片。數(shù)據(jù)處理中的電路結(jié)構(gòu)和具體數(shù)據(jù)流程由圖3展開描述。

單路ADC數(shù)據(jù)處理通道電路如圖3所示。SPI接口驅(qū)動電路SPI—Master0將ADC芯片的數(shù)據(jù)存入FIFO后，按順序完成下述處理流程：噪聲濾波處理，電壓到電阻值的轉(zhuǎn)換處理，傳感器引線開路、短路、數(shù)據(jù)異常診斷處理，查詢分度表獲得溫度值的查表、插值算法處理，附加通道編號等信息的加幀處理。最后，將數(shù)據(jù)寫入溫度數(shù)據(jù)緩存區(qū)T-RAM中，供MPU通過SPI總線讀取。由單路數(shù)據(jù)處理通道電路重復(fù)構(gòu)成的4路數(shù)據(jù)處理通道具有并行、獨(dú)立的特征，以并行方法提高了數(shù)據(jù)處理速度。

圖3 單個ADC數(shù)據(jù)處理通道電路框圖

2.2 芯片電路系統(tǒng)工作流程

該系統(tǒng)工作流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)工作流程

FPGA芯片上電完成后首先監(jiān)測S0,S1 信號狀態(tài)，若為“11”則說明 MPU尚未完成初始化或尚未就緒。等待MPU初始化完成后，依據(jù)信號狀態(tài)值(“00”,“01”,“10”)選擇性加載 E2PROM 中特定地址的參數(shù)集合K[n1]和K[n2]。K[n1]是有關(guān)修正系數(shù)與分度表的參數(shù)集合；K[n2]是有關(guān) ADC 初始化的參數(shù)集合。在 ADC 轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)輸出的狀態(tài)中，來自后向 SPI 接口(SSPI)若收到 MPU 的命令，則依據(jù)命令內(nèi)容分別執(zhí)行 1，2，X等不同任務(wù)。任務(wù) 1 為參數(shù)設(shè)置，將收到的設(shè)置參數(shù)寫入E2PROM 默認(rèn)地址中，然后重新加載參數(shù)集合 K[n1]和K[n2],并使之成為下次上電后的缺省參數(shù)。任務(wù)2為重設(shè) ADC模式，可臨時修改 ADC 的工作模式參數(shù)，并重新初始化 ADC。但是臨時修改的參數(shù)不會成為下次開機(jī)后的缺省模式。任務(wù)X是不再詳述的其它處理過程，包括自檢、端口診斷、校準(zhǔn)等處理過程。如果沒有收到來自MPU的SPI命令(null)，則繼續(xù)執(zhí)行ADC采集和數(shù)據(jù)輸出。

3 銠鐵分度表數(shù)值預(yù)處理

3.1 分度表數(shù)據(jù)預(yù)處理基本方法

各種標(biāo)準(zhǔn)熱電阻分度表和非標(biāo)熱電阻的出廠分度表從結(jié)構(gòu)上來看均是一個以電阻值為元素的一維數(shù)組，通常每兩個元素之間溫度間隔為0.1 K，如表1所示。經(jīng)ADC測得傳感器電阻數(shù)值后，若要采用電阻數(shù)值比較的方法定位到接近的數(shù)組元素，算法的時間開銷將龐大到無法估計。由電阻值轉(zhuǎn)換成實(shí)際溫度的運(yùn)算過程中會遇到很多浮點(diǎn)數(shù)的處理，使得算法比較繁雜[6]。綜合上述兩方面原因，如果直接使用原始分度表查表，會極大地增加FPGA電路的設(shè)計難度，不適合FPGA芯片的電路設(shè)計。因此，分度表的數(shù)據(jù)預(yù)處理對于本系統(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)化非常關(guān)鍵。對預(yù)處理后的分度表用來查表和插值得到實(shí)際溫度值。

1.3.2 觀察組 研究組患有陰道炎的老年糖尿病患者在給予雌激素軟膏的基礎(chǔ)上，給予保婦康栓（批準(zhǔn)文號：國藥準(zhǔn)字 Z46020058，規(guī)格：1.74 g×14 粒）進(jìn)行治療，給藥方式為陰道內(nèi)給藥。給藥劑量為1粒/次。給藥操作為清洗外陰部，向陰道深部塞入栓劑。給藥療程為4周。

表1 銠鐵熱電阻出廠分度表(RF50-SQ)

本系統(tǒng)主要采用分度表的轉(zhuǎn)置處理方法，將上述原始分度表(命名為數(shù)組R)的電阻元素轉(zhuǎn)換成溫度元素(命名為數(shù)組T)，使得轉(zhuǎn)置后的一維數(shù)組中元素為溫度，元素序號為電阻。這樣通過數(shù)組序號訪問元素、實(shí)現(xiàn)插值將會變的高效、快速。對出廠分度表的轉(zhuǎn)置處理是一個基于分度表插值算法的數(shù)據(jù)反推處理過程。 如圖5所示，R數(shù)組中以0.1 Ω為間隔，在曲線拐點(diǎn)附近(6.0～7.0 Ω)以0.05 Ω為間隔，即在拐點(diǎn)附近區(qū)間增加插值點(diǎn)來減小查表誤差。圖中循環(huán)算法實(shí)現(xiàn)了將電阻值元素通過插值算法求出對應(yīng)阻值的溫度值，最后得到新的轉(zhuǎn)置分度表T。

3.2 分度表預(yù)處理過程中的數(shù)據(jù)插值算法

根據(jù)圖5可知，在出廠原始分度表預(yù)處理過程中有一個通過插值方法來求得測量范圍內(nèi)以0.1 Ω為間隔(拐點(diǎn)附近以0.05 Ω為間隔)的電阻值對應(yīng)的具體溫度數(shù)據(jù)的環(huán)節(jié)。但是根據(jù)原始分度表阻值/溫度數(shù)據(jù)曲線看出，該類型銠鐵傳感器的分度表在整個量程范圍內(nèi)并不是呈線性關(guān)系。在極低溫區(qū)即阻值區(qū)間(2.4,8.0)Ω的阻值/溫度數(shù)據(jù)曲線呈較大的非線性關(guān)系，在阻值區(qū)間(8.0,60.0)Ω的阻值/溫度數(shù)據(jù)曲線呈較好的線性關(guān)系。 因此，使用適合的插值方法得到的插值數(shù)據(jù)才具有足夠高的精度作為處理后的用來后續(xù)查表使用的分度。

圖5 分度表預(yù)處理步驟流程

分段線性插值就是將插值點(diǎn)用折線連接起來逼近原始函數(shù)[7],使用分段線性插值對銠鐵預(yù)處理完的分度表進(jìn)行插值得到的數(shù)據(jù)誤差如圖6所示。可以看出線性插值法在非線性區(qū)間(2.4，8.0)Ω的誤差太大。

使用Lagrange多項(xiàng)式插值法,其數(shù)據(jù)誤差曲線如圖6所示，在整個區(qū)間范圍內(nèi)都能將誤差限制在±0.01 K以內(nèi)。所以，在原始分度表預(yù)處理過程中采用 Lagrange多項(xiàng)式插值法，能夠滿足數(shù)據(jù)插值精度要求。

3.3 分度表預(yù)處理后的結(jié)構(gòu)

原始分度表通過預(yù)處理后得到表2所示的結(jié)構(gòu)，在區(qū)間(6.0，7.0)Ω以0.05 Ω為間隔對應(yīng)的電阻的溫度值為元素，其他區(qū)間以0.1 Ω為間隔對應(yīng)的電阻的溫度值為元素，最后組成新的一維數(shù)組。為了減少數(shù)據(jù)處理中小數(shù)運(yùn)算量，最后給所有溫度值擴(kuò)大100倍，電阻以mΩ為單位。預(yù)處理后的分度表是從最低溫時的阻值2 400 mΩ開始，單位是(K/100)。預(yù)處理后的分度表通過上位機(jī)軟件可以下載到FPGA的外部E2PROM中，供FPGA查表使用。

表2 預(yù)處理后的分度表

4 系統(tǒng)測試與數(shù)據(jù)分析

對比實(shí)驗(yàn)采用美國福祿克公司的便攜式過程校準(zhǔn)儀(Fluke725EX)逐個測量標(biāo)準(zhǔn)溫度點(diǎn)值(對應(yīng)銠鐵熱電阻分度表范圍內(nèi)的電阻值)，然后用本系統(tǒng)測量該電阻器獲得測量溫度值。將所測量數(shù)據(jù)繪制成如圖7(a)所示的曲線圖，從曲線中可以得出兩曲線重合性較好，相對誤差如圖7(b)所示。

圖7 電阻模擬溫度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

現(xiàn)場測試時將一個四線制銠鐵熱電阻傳感器(RF50—SQ)安裝于真空環(huán)模設(shè)備的載荷平臺上，同時并行安裝了環(huán)模系統(tǒng)自帶的低溫傳感器。測量系統(tǒng)位于熱防護(hù)結(jié)構(gòu)后的法蘭筒內(nèi)，暴露于真空環(huán)境(適用于真空的電路設(shè)計)。測量數(shù)據(jù)通過網(wǎng)線穿艙(采用專用真空插座)上傳到計算機(jī)數(shù)據(jù)庫。獲取的數(shù)據(jù)如圖8所示，另一條曲線是真空環(huán)模系統(tǒng)自帶的溫度儀表所獲取的對比數(shù)據(jù)。可見兩條曲線基本接近但也有不小的偏差。在無法確認(rèn)對比儀表的準(zhǔn)確度之前，這個現(xiàn)場測試的對比曲線能從一定程度上驗(yàn)證該測量系統(tǒng)的基本性能。

圖8 本系統(tǒng)與空間環(huán)模設(shè)備自帶溫度儀表測量數(shù)據(jù)對比

5 結(jié) 論

基于FPGA的極低溫數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)，通過現(xiàn)場測試與對比試驗(yàn)，驗(yàn)證了該系統(tǒng)較好滿足了空間模擬環(huán)境設(shè)備中的低溫實(shí)時測量的需求。電路系統(tǒng)中所采用的SPI隔離、高分辨率 ADC芯片，以及分度表數(shù)據(jù)預(yù)處理和插值算法等具體措施都較好地保證了測量精度和硬件可靠性，反映了設(shè)計方案的優(yōu)勢。在后續(xù)工作中，將會尋找極低溫的恒溫設(shè)備和行業(yè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)溫度校準(zhǔn)儀器，進(jìn)一步優(yōu)化、校準(zhǔn)液氦溫區(qū)的測量精度。