用單片機和EDA協(xié)同設計溫度采集系統(tǒng)

引 言

目前市場中大多數(shù)溫度采集卡的測量范圍、測量方式及測量精度在出廠時就已經(jīng)固定。測量方式單一、測量范圍固定、傳感方式也只能適應一定的場合。因此不能很好的適用一些多測量方式及測量范圍的場合。再者它們的測量程序和查表數(shù)據(jù)庫已經(jīng)固定，對于一些有特殊要求的場合不能適用。本系統(tǒng)采用現(xiàn)場可編程門陣列(FPGAEP1K30QC208-3)對數(shù)據(jù)進行處理，它的程序能夠在線修改，因此有極強的可塑性?？梢赃m時的對其程序及查表數(shù)據(jù)庫進行改進和更新，能使系統(tǒng)的性能得到升級。從而可以使系統(tǒng)滿足不同的場合需要。

1 溫度采集系統(tǒng)硬件設計

由于不同的傳感器有不同的輸出量，但是最終都需要轉換為0～10V的電壓值，從而才能滿足A/D轉換器的轉換要求。因此各個傳感器需要不同的轉換和放大電路。轉換后的電壓量經(jīng)過多路模擬開關選擇送到同一個A/D轉換器進行轉換。再經(jīng)FPGA進行數(shù)據(jù)處理及顯示輸出。整機框圖如圖1所示。

1.1 PN結測溫原理

由于 PN結隨溫度變化產(chǎn)生的是一個電壓信號，溫度每升高1℃，PN結的正向導通壓降下降1 mV。但在0℃時要求輸出電壓為0 V，因此必須將PN結連接成單臂非平衡直流電橋。并且將輸出電壓放大到0～10 V范圍送A/D轉換電路。電路原理圖如圖(2)所示：

1.2 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)生的是一個電阻信號，當溫度升高時電阻值增大。因此必須將熱電阻接成單臂直流電橋，將其阻值變化轉換為電壓變化信號。再將這個電壓信號放大到0～10 V范圍送A/D轉換電路。電路圖略。

1.3 熱電偶測溫原理硬件電路

熱電偶的輸出是一個隨溫度變化的電壓信號，它必須加上冷端補償電路才能正常工作，并且它的輸出也要轉換為0～10 V的范圍送A/D轉換電路。電路圖如圖3所示：

2 溫度采集系統(tǒng)軟件設計

溫度采集系統(tǒng)軟件分為單片機程序設計和FPGA程序設計，單片機程序采用匯編語言編寫，實現(xiàn)對外圍電路的控制。FPGA采用VHDL語言編寫，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的處理及被測溫度的顯示輸出。

2.1 單片機控制

單片機用來控制多路模擬開關及FPGA，并顯示是那種方式測量。P1口接一位數(shù)碼管(表示輸出測量方式代碼，1代表PN結測量方式，2代表熱電偶測量方式，3代表熱電阻測量方式)。P2口接輸出模擬開關控制字、存儲器片選信號及FPGA程序切換控制信號。程序流程圖如圖4所示。

2.2 FPGA數(shù)據(jù)處理

FPGA對數(shù)據(jù)的處理是根據(jù)不同的測量方式進行數(shù)據(jù)處理的。當選擇PN結測量方式時，F(xiàn)PGA根據(jù)PN結的溫度電壓變化函數(shù)，對數(shù)據(jù)進行計算，從而得出對應的溫度值;當選擇熱電偶或熱電阻測量方式時，F(xiàn)PGA是依次查找對應分度表的數(shù)據(jù)與A/D轉換的數(shù)據(jù)進行比較計算，最終得出其溫度值?？梢姛犭娕蓟驘犭娮铚y量方式的數(shù)據(jù)處理是相同的，只是分度表不同而已。

2.2.1 PN結數(shù)據(jù)處理

PN結測量方式，F(xiàn)PGA根據(jù)PN結的溫度電壓變化函數(shù)(溫度每升高1℃，PN結正向導通壓降減小1 mV)，對數(shù)據(jù)進行計算，從而得出對應的溫度值。

2.2.2 熱電偶、熱電阻數(shù)據(jù)處理

熱電偶或熱電阻測量方式，F(xiàn)PGA是依次查找對應分度表的數(shù)據(jù)與A/D轉換的數(shù)據(jù)進行比較計算，最終得出其溫度值。程序流程圖如圖5所示。

3 溫度采集系統(tǒng)安裝調試

安裝調試是一個系統(tǒng)最關鍵也是最容易出現(xiàn)問題的一步，本系統(tǒng)安裝調試中遇到的一些問題及給出最后處理方法如下：(1)熱電偶的工作必須有冷端補償電路才能正常工作，在搭試其冷端補償電路時，它的橋路電阻參數(shù)很難確定。因為不同型號的熱電偶其各橋臂電阻及限流電阻也會不同，在多次調整各個參數(shù)后才確定了其各橋臂參數(shù)。(2)各放大電路在開始時用了一級的電壓放大，出現(xiàn)了抗干擾能力差、放大倍數(shù)不穩(wěn)定等問題。為了提高抗干擾能力，穩(wěn)定電壓放大倍數(shù)。后來采用兩級放大，第一級采用低放大倍數(shù)的差放電路，消除共模干擾。第二級再采用電壓放大就很好的實現(xiàn)無干擾穩(wěn)定放大。(3)軟件調試中出現(xiàn)了顯示清零的現(xiàn)象，最后查出是AD轉換數(shù)據(jù)沒有鎖存住。采用軟件鎖存的辦法使得該問題得到了解決。

4 結語

該溫度采集系統(tǒng)能夠實現(xiàn)PN結(20～100℃)、熱電阻(PT100)(0～800℃)、熱電偶(鎳锘-鎳硅K型)(0～1 000℃)3種方式的溫度測量?？梢詽M足不同測量范圍、不同測量精度及不同場合的需要。本設計采用EDA作為開發(fā)工具，搭配單片機控制。使得整個設計具有較新的設計思想。采用12ADC模數(shù)轉換器，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(EP1K30QC208—3)，它極高的程序執(zhí)行速度使得系統(tǒng)響應更快更精確。