基于FPGA的遠(yuǎn)距離測溫器數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：介紹了遠(yuǎn)距離測溫器的結(jié)構(gòu)組成和工作原理，設(shè)計(jì)了基于FPGA的遠(yuǎn)距離測溫器數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)，使用Altera公司的Cyclonell系列的FPGA實(shí)現(xiàn)了包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通信等控制功能，著重?cái)⑹隽擞布c軟件的實(shí)現(xiàn)方法。該數(shù)控系統(tǒng)具有測量精度高，低功耗等特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)距離測溫；FPGA；數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)；NiosⅡ

0 引言

在一些特殊的科研場所和工業(yè)生產(chǎn)單位，出于各種條件限制，儀表往往不能就近測量物體實(shí)際溫度；而以往所使用的一些傳感器在使用時(shí)受到各種環(huán)境因素的影響，使得傳感器測量得到的溫度不能精確地反映被測物體的溫度。因此，人們需要找尋一種遠(yuǎn)距離測溫器，能夠精確測量物體溫度，并能實(shí)時(shí)監(jiān)控溫度數(shù)據(jù)。

遠(yuǎn)距離測溫器是一種被動(dòng)式的溫度遙感器，可用于遠(yuǎn)距離探測物體的溫度，在科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮了重要作用。由于在使用時(shí)人們對(duì)測溫器的測量范圍、靈敏度要求很高，同時(shí)由于當(dāng)今遙感儀器的設(shè)計(jì)越來越趨于低功耗高密度及小型化，因此，要求測溫器的數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)具有高可靠性、高分辨率、實(shí)時(shí)性、體積小等特點(diǎn)。由于FPGA的功能強(qiáng)大，邏輯速度快，可以用多種接口電平與外界通信，可以方便的更新程序以實(shí)現(xiàn)多種功能，所以本文采用Altera公司的CycloneⅡ系列的FPGA為核心進(jìn)行遠(yuǎn)距離測溫器的數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的多功能和小型化。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
   
遠(yuǎn)距離測溫器的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。由紅外線探測頭、光電轉(zhuǎn)換單元、放大電路、數(shù)據(jù)采集電路和數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)等功能模塊組成。紅外探測頭用于搜集物體發(fā)射出的紅外光線，將有用信號(hào)傳輸至較遠(yuǎn)且適合人操作的地方，最后使用數(shù)據(jù)處理和控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。

數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)接收計(jì)算機(jī)傳輸?shù)闹噶?，控制系統(tǒng)運(yùn)行。系統(tǒng)通電后，紅外接收天線接收的光信號(hào)模擬量經(jīng)過遠(yuǎn)距離傳輸，信號(hào)放大后經(jīng)過A／D模數(shù)轉(zhuǎn)換后再送入數(shù)據(jù)處理和控制系統(tǒng)，由數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)、與計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)通信、工作狀態(tài)控制。數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)在遠(yuǎn)距離測溫器中處于重要的位置。
   
數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)電路由FPGA及其外圍電路、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、電平轉(zhuǎn)換電路、總線接口電路等部分組成，如圖2所示。

FPGA根據(jù)系統(tǒng)本身的時(shí)序和計(jì)算機(jī)送入的控制指令，控制數(shù)據(jù)采集電路完成數(shù)據(jù)的采集。同時(shí)，F(xiàn)PGA內(nèi)部的可配置軟處理核NiosⅡ系統(tǒng)將根據(jù)計(jì)算機(jī)中提供的校準(zhǔn)值來修正由前端模擬電路引起的偏差，并由此生成實(shí)際誤差很小的曲線方程。校準(zhǔn)工作完畢后，整個(gè)系統(tǒng)既可脫離計(jì)算機(jī)方便地用于遠(yuǎn)距離的溫度測量，也可以用于聯(lián)機(jī)對(duì)物體溫度的實(shí)時(shí)檢測，采集到的大量數(shù)據(jù)提供給計(jì)算機(jī)作分析用。
   
數(shù)控系統(tǒng)采用Altera公司的CycloneⅡ系列FPGA中的EP2C8為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)。CycloneⅡ器件采用90 nm、低K值電介質(zhì)工藝，通過使硅片面積最小化，可以在單芯片上支持復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)。眾多可由用戶自行定義的I／O管腳有利于系統(tǒng)進(jìn)行外部擴(kuò)展。其配置PROM采用Altera公司提供的16 MB的EPCS4串行配置PROM，該配置器件具備在系統(tǒng)編程(ISP)能力和多次編程能力，具有包括ISP和FLASH存儲(chǔ)器訪問接口等特性。
    數(shù)據(jù)采集電路采用AD公司的模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7675，該芯片只需要提供+5 V工作電源，典型功耗為15 mW，芯片轉(zhuǎn)換速度為100 KSPS，可選并行或串行采樣數(shù)據(jù)輸出，對(duì)外可選+5 V或+3．3 V接口電平。被測模擬信號(hào)電壓輸入范圍為-2．5～+2．5 V，可以做到最高16位不失碼。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2．1 電源控制電路
   
由于整個(gè)電路系統(tǒng)涉及模擬和數(shù)字部分多種芯片的運(yùn)作，A／D采樣芯片和FPGA芯片均需要兩種以上的電源供電，所以選取合適的電壓轉(zhuǎn)換器非常重要。電源控制電路選用Linear公司的線形電源模塊來提供A／D芯片所需要的+3．3V，+2．5V電壓和FPGA所需要的+3．3V和+1．2V電壓，為了提高信號(hào)質(zhì)量，模擬和數(shù)字部分的+3．3 V電壓分別由不同的電源轉(zhuǎn)換模塊提供。

2．2 數(shù)據(jù)采集電路
   
數(shù)據(jù)采集電路主要由AD7675組成，由于其輸出I／O部分采用+3．3 V供電，故其所有的數(shù)據(jù)輸出管腳和輸入控制信號(hào)不需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，可以直接與FPGA的I／O管腳相連。A／D芯片的轉(zhuǎn)換速率為100KSPS，選擇16 b雙極性補(bǔ)碼輸出，最高位表示符號(hào)位。硬件電路如圖3所示。采集到的數(shù)據(jù)送入FPGA的寄存器，再傳送到計(jì)算機(jī)中，供數(shù)據(jù)分析用。

AD7675的模擬信號(hào)輸入部分選用AD公司的AD8021運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)模擬輸入信號(hào)的單端到差分信號(hào)的轉(zhuǎn)換。電源進(jìn)入電源管腳前應(yīng)就近安裝鉭電容進(jìn)行濾波，以減小電源上的雜波干擾，提高信號(hào)質(zhì)量。AD7675支持并行和串行兩種數(shù)據(jù)輸出方式，本系統(tǒng)選擇并行16 b補(bǔ)碼采樣數(shù)據(jù)輸出，與此相關(guān)的一些控制信號(hào)，如BYTESWAP，OB，SER／PAR需要被置為低電平。而其它RESET和數(shù)據(jù)輸出I／O管腳接入FPGA，由FPGA控制。

2．3 FPGA與計(jì)算機(jī)接口電路

FPGA通過串行通信接口與外接計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)通信。本文選用MAX232實(shí)現(xiàn)LVTTL與EIA的電平轉(zhuǎn)換，可方便的完成FPGA與計(jì)算機(jī)之間的RS 232通信。

2．4 數(shù)字控制單元設(shè)計(jì)
  
該測溫器的軟件設(shè)計(jì)主要分為兩個(gè)部分，一是FPGA的相關(guān)程序設(shè)計(jì)，其主要功能包括：A／D數(shù)據(jù)采集控制、串口數(shù)據(jù)通信控制、LCD的讀寫控制以及PROM的燒錄等；二是計(jì)算機(jī)中的相關(guān)程序，主要功能包括數(shù)值運(yùn)算、標(biāo)定FPGA和將采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以供分析等。在整個(gè)FPGA的設(shè)計(jì)上，由Altera公司開發(fā)的基于SoPC的NiosⅡ處理器及其軟件開發(fā)包SoPC Builder可以方便地將所需要的IP核、存儲(chǔ)器、接口控制器等簡單而又快速的集成到FPGA中去，從而縮短設(shè)計(jì)周期。FPGA內(nèi)部功能模塊如圖4所示。

FPGA的核心控制系統(tǒng)是由1 400～1 800 LE構(gòu)成的，運(yùn)行起來可以到達(dá)86DMIPSD的f型NiosⅡCPU。除了CPU外，數(shù)控系統(tǒng)主要還包括一個(gè)標(biāo)志NiosⅡ系統(tǒng)的系統(tǒng)ID核；一個(gè)提供JTAG串行異步收發(fā)器的IP核，用于在線調(diào)試FPGA的程序；一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)任何標(biāo)準(zhǔn)RS 232標(biāo)準(zhǔn)波特率的UART核，用在控制電路調(diào)試成功后在單機(jī)工作狀態(tài)下與外接計(jì)算機(jī)通信；兩組并行輸入、輸出PIO核，分別對(duì)A／D采樣電路進(jìn)行控制和讀取A／D采樣后得到的數(shù)據(jù)；兩個(gè)LCD控制器IP核；一個(gè)用于運(yùn)行程序的片內(nèi)ROM；一個(gè)提供系統(tǒng)時(shí)鐘的pll；一個(gè)EPCS串行配置器件控制器IP核。如圖5所示。

系統(tǒng)生成的原理圖如圖6所示。

3 系統(tǒng)開發(fā)測試
   
系統(tǒng)構(gòu)建好之后，需要進(jìn)一步的測試才能確保其正常測溫。系統(tǒng)的開發(fā)測試流程如圖7所示。

上電后首先觀測系統(tǒng)的主要硬件是否正常工作，將在NiosⅡIDE中生成的SOF文件下載到FPGA中，完成NiosⅡ系統(tǒng)的下載和初始化。然后將NiosⅡ軟件通過JTAG口下載到目標(biāo)系統(tǒng)中。系統(tǒng)正常工作后，由遠(yuǎn)端計(jì)算機(jī)通過串口對(duì)A／D進(jìn)行初始化，采集數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)接收到A／D采樣數(shù)據(jù)后，就可以對(duì)測溫器進(jìn)行標(biāo)定，通過數(shù)據(jù)處理計(jì)算出用于標(biāo)定各臺(tái)測溫器的校準(zhǔn)方程。
   
標(biāo)定過程如下，將測溫器紅外接收探測頭對(duì)準(zhǔn)熱源，熱源產(chǎn)生準(zhǔn)確的溫度。為了測量準(zhǔn)確，對(duì)于同一個(gè)溫度點(diǎn)，采用多次測量取平均值的方法。由計(jì)算機(jī)通過串口通信記錄下多次A／D采樣的值與對(duì)應(yīng)的溫度值。從低溫開始到較高的溫度，由計(jì)算機(jī)通過串口通信記錄下A／D采樣值。當(dāng)記錄下的數(shù)值達(dá)到可以反映各溫度段變化的情況時(shí)，就可以讓計(jì)算機(jī)采用合適的數(shù)據(jù)擬合方法生成反映該測溫器測量特性的曲線方程。計(jì)算機(jī)將方程系數(shù)傳送給NiosⅡ系統(tǒng)，完成對(duì)整個(gè)測溫器的校準(zhǔn)。
   
最后檢查FPGA中NiosⅡ處理器能否通過LCD控制器與LCD正常通信、LCD能否正常顯示字符；NiosⅡ軟處理器可否與PROM實(shí)現(xiàn)正常的讀寫。調(diào)試成功后為了節(jié)約資源可將JTAG調(diào)試去掉，然后將正確的程序燒錄到EPCS4中。這時(shí)所設(shè)計(jì)的程序即可脫離計(jì)算機(jī)及NiosⅡIDE獨(dú)立運(yùn)行。
   
完成了整個(gè)開發(fā)過程的測溫器即可正常使用，對(duì)標(biāo)定溫度范圍內(nèi)的溫度進(jìn)行測量。脫機(jī)測量時(shí)，由定時(shí)器產(chǎn)生對(duì)A／D采樣時(shí)所需的時(shí)鐘脈沖，NiosⅡ系統(tǒng)的兩組PIO，分別控制A／D的控制信號(hào)和將A／D采樣值讀入NiosⅡ系統(tǒng)。在使用時(shí)，仍然采用多次測量取平均值的方法來得到A／D采樣值，然后根據(jù)擬合方程，即可得到對(duì)應(yīng)的溫度值，然后NiosⅡ系統(tǒng)控制LCD控制器的R／W，RS和DB0～DB7，將對(duì)應(yīng)的溫度值顯示在
LCD上。而當(dāng)需要聯(lián)機(jī)使用時(shí)，NiosⅡ系統(tǒng)通過串口將存儲(chǔ)在內(nèi)部的A／D采樣值和對(duì)應(yīng)的溫度值發(fā)送到計(jì)算機(jī)中，形成文件供分析用。

4 結(jié)語
   
本文設(shè)計(jì)的測溫器的數(shù)控電路以Altera公司的CycloneⅡ系列的FPGA為核心，完成了從總體方案設(shè)計(jì)到系統(tǒng)調(diào)試等一系列過程。整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)共計(jì)占用3 700多個(gè)LE，99 200個(gè)存儲(chǔ)器比特。為整個(gè)測溫器提供了穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，可為更高級(jí)別的功能擴(kuò)展提供一定的參考，具有很廣的應(yīng)用前景。