基于CPLD的多路溫度采集系統(tǒng)電路及設(shè)計(jì)方案

摘要 應(yīng)用溫度采集芯片MAX6675，將其與K型熱電偶結(jié)合，利用CPLD對(duì)其進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)一個(gè)多路溫度采集系統(tǒng)。文中介紹了系統(tǒng)的硬件電路結(jié)構(gòu)，并根據(jù)芯片的內(nèi)部時(shí)序介紹了CPLD內(nèi)部邏輯電路的設(shè)計(jì)。通過兩種溫度環(huán)境下的系統(tǒng)測(cè)試，給出了溫度數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)圖，證明了MAX6675及設(shè)計(jì)的多路溫度采集系統(tǒng)的良好性能。

K型熱電偶是當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)實(shí)驗(yàn)較為常用的一種溫度傳感器，它可以直接測(cè)量各種生產(chǎn)中0～1 300℃范圍內(nèi)的液體蒸汽，氣體介質(zhì)和固體表面溫度。由于它的測(cè)量范圍及其較高的性價(jià)比，使得K型熱電偶應(yīng)用廣泛。然而K型熱電偶存在非線性、冷補(bǔ)償?shù)葐栴}，特別是在處理補(bǔ)償問題時(shí)，需要付出較高的代價(jià)且難以有較好的成效。所以本文介紹的MAX6675溫度采集芯片，彌補(bǔ)了K型熱電偶上述缺陷。將MAX6675和K型熱電偶結(jié)合并用于工業(yè)生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)，能為工程帶來諸多便利且減少繁瑣的附加電路。本文給出了基于CPLD的多路溫度采集系統(tǒng)電路、內(nèi)部邏輯設(shè)計(jì)模塊、誤差分析和實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)報(bào)告，以及MAX6675多路溫度采集系統(tǒng)的應(yīng)用過程和性能報(bào)告。

1 MAX6675介紹

MAX6675是美國(guó)Maxim公司生產(chǎn)的帶有冷端補(bǔ)償、線性校正、熱電偶斷線檢測(cè)的串行K型熱電偶模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它的溫度分辨能力為0.25 ℃;冷端補(bǔ)償范圍為-20～+80℃;工作電壓為3.0～5.5 V。

根據(jù)熱電偶測(cè)溫原理，熱電偶的輸出熱電勢(shì)不僅與測(cè)量端的溫度有關(guān)，而且與冷端的溫度有關(guān)。在以往的應(yīng)用中，有多種冷端補(bǔ)償方法，如冷端冰點(diǎn)法或電橋補(bǔ)償法等，但調(diào)試較復(fù)雜。另外，由于熱電偶的非線性，以往是采用微處理器表格法或線性電路等方法，來減小熱電偶本身非線性帶來的測(cè)量誤差，但這些增加了程序編制及調(diào)試電路的難度。而MAX6675對(duì)其內(nèi)部元器件的參數(shù)進(jìn)行了激光修正，從而對(duì)熱電偶的非線性進(jìn)行了內(nèi)部修正。同時(shí)，MAX6675內(nèi)部集成的冷端補(bǔ)償電路、非線性校正電路、斷線檢測(cè)電路都給K型熱電偶的使用帶來了便利。 MAX6675的特點(diǎn)有：(1)內(nèi)部集成有冷端補(bǔ)償電路;(2)帶有簡(jiǎn)單的3位串行接口;(3)可將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成12位數(shù)字量，溫度分辨率達(dá)0.25℃;(4)內(nèi)含熱電偶斷線檢測(cè)電路。其內(nèi)部原理圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)構(gòu)架

系統(tǒng)框架如圖2所示，該系統(tǒng)以CPLD為核心，由多路K型熱電偶和MAX6675將外界溫度模擬信號(hào)采集并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并將數(shù)據(jù)傳入CPLD進(jìn)行相應(yīng)的處理，然后通過通信模塊將數(shù)據(jù)傳送給計(jì)算機(jī)，最后用計(jì)算機(jī)做數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及處理。系統(tǒng)中的通信模塊可以根據(jù)工程或?qū)嶒?yàn)環(huán)境的不同使用不同通信方法，如串口通信、PCI傳輸卡等。由于工程應(yīng)用的原因，本文使用PCI傳輸卡作為數(shù)據(jù)傳輸方式。

3 CPLD內(nèi)部邏輯

如圖2所示，K型熱電偶將采集的模擬信號(hào)傳送給MAX6675，再由它轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)傳入CPLD，CPLD根據(jù)MAX6675芯片的時(shí)序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到需要的信號(hào)，最后由傳輸模塊傳到計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示和統(tǒng)計(jì)、處理。所以本文的重點(diǎn)工作便在CPLD內(nèi)部邏輯的設(shè)計(jì)。在進(jìn)行內(nèi)部邏輯設(shè)計(jì)之前，須了解MAX6675的工作時(shí)序與原理：當(dāng)CS引腳由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，MAX6675停止任何信號(hào)的轉(zhuǎn)換，并在時(shí)鐘SCK的作用下向外輸出已轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù);當(dāng)CS引腳從低電平變到高電平時(shí)，MAX6675將進(jìn)行下一輪數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。一個(gè)完整的數(shù)據(jù)讀取需要16個(gè)時(shí)鐘周期，數(shù)據(jù)的讀取在SCK的下降沿進(jìn)行。MAX6675的工作時(shí)序圖如圖3所示。

如圖3所示，根據(jù)芯片手冊(cè)tcss是CS下降到SCK上升的時(shí)間，規(guī)定其最小值為100 ns，tCH+tCL為SCK的一個(gè)時(shí)鐘周期，規(guī)定最小周期為200 ns，tDV為CS下降沿到數(shù)據(jù)輸出的時(shí)間，規(guī)定最大不超過100 ns。tDO為SCK下降到輸出有效數(shù)據(jù)的時(shí)間，tTR為CS上升沿到數(shù)據(jù)停止輸出地時(shí)間，規(guī)定最大值均為100 ns。根據(jù)這些手冊(cè)上的這些時(shí)間規(guī)定，在設(shè)計(jì)CPLD內(nèi)部邏輯電路時(shí)便嚴(yán)格按照要求，將SCK時(shí)鐘周期設(shè)為1 000 ns即1 MHz，tcss設(shè)為1 000 ns，tDVtTR都設(shè)為100ns。圖中還可以看出SO是16位的輸出數(shù)據(jù)，其中只有D14～D3位為溫度數(shù)據(jù)，D15位為無用位，D2位為熱電偶斷線測(cè)試位，D1位為MAX6675標(biāo)識(shí)符，D0位為三態(tài)，所以從16位數(shù)據(jù)中取出D14～D3這12位數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和處理?；谝陨戏治?，設(shè)計(jì)了如圖4所示的內(nèi)部邏輯模塊。

CPLD內(nèi)部邏輯如圖4所示，為了將12位有效數(shù)據(jù)提取出來，先要將串行的SO輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成并行的，利于有效數(shù)據(jù)的提取。圖中的CLK是指總時(shí)鐘，用一個(gè)40 MHz的晶振，通過分頻為芯片提供時(shí)鐘。根據(jù)芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)和上述分析，給SCK信號(hào)1 MHz頻率。以芯片時(shí)序要求，給RST信號(hào)2.5 Hz時(shí)鐘，即0.4 s完成一次數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸。圖中數(shù)據(jù)寄存模塊的功能是為了寄存各路并行輸入信號(hào)，便于后期上傳。采集控制模塊的主要作用是便于通過給系統(tǒng)的總時(shí)鐘分頻，為MAX6675芯片提供時(shí)鐘信號(hào)SCK和RST。而傳輸控制模塊是為了調(diào)試時(shí)利于信號(hào)的檢測(cè)。此模塊的作用是為輸出信號(hào)添加幀頭，利于后期對(duì)輸出信號(hào)的確認(rèn);以及為傳輸模塊提供合理的同步時(shí)鐘，使得每一個(gè)數(shù)據(jù)的傳輸能夠和相應(yīng)時(shí)鐘對(duì)應(yīng)。

4 后期測(cè)試

按照上述原理進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)和CPLD內(nèi)部邏輯設(shè)計(jì)，完成了一個(gè)可以多路同時(shí)進(jìn)行溫度采集系統(tǒng)。通過常溫下對(duì)該溫度采集系統(tǒng)進(jìn)行的多次采集試驗(yàn)，隨機(jī)抽取了其中一路溫度采集統(tǒng)計(jì)圖作為試驗(yàn)結(jié)果，如圖5所示。

圖5是一次常溫下經(jīng)過約20 min共3 500幀的采樣結(jié)果，從圖中首先觀察到最高溫度和最低溫度分別達(dá)到24.25℃和22℃，相減得到溫度波動(dòng)為2.5℃。芯片手冊(cè)中，芯片的溫度測(cè)量每一個(gè)數(shù)據(jù)位為0.25℃，而測(cè)量的顯示精度為8個(gè)數(shù)據(jù)位，所以該芯片的測(cè)量誤差為8×0.25= 2℃。同時(shí)再考慮到整個(gè)系統(tǒng)的誤差，包括電源噪聲、電路噪聲，誤差能達(dá)到2～2.5℃。綜上所述，根據(jù)圖5所示溫度曲線的2.5℃的波動(dòng)，這個(gè)結(jié)果完全符合芯片手冊(cè)要求。

另外，還利用瞬時(shí)高溫對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖6所示，給出其中6路同時(shí)采集的數(shù)據(jù)，6種線型代表6路溫度采集。曲線圖中離瞬時(shí)高溫產(chǎn)生范圍較近的，如通道63、通道64，在產(chǎn)生高溫的前500幀時(shí)間里變化較為明顯，達(dá)到了100℃以上，而離瞬時(shí)高溫產(chǎn)生范圍較遠(yuǎn)的，如通道61和通道62，在產(chǎn)生高溫的前500幀時(shí)間里，則溫度變化較舒緩，該圖將瞬時(shí)高溫打擊下的高低溫區(qū)域明顯區(qū)分開，充分證明了NAX6675以及文中多路溫度采集系統(tǒng)的良好性能。

5 結(jié)束語

通過NAX6675芯片應(yīng)用和實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了MAX6675多路溫度采集系統(tǒng)的良好性能和較高的性價(jià)比。另外，利用CPLD或者FPGA實(shí)現(xiàn)多路溫度采集擁有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、體積小、操作簡(jiǎn)潔方便，干擾因素少，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)工程應(yīng)用具有一定的實(shí)用價(jià)值。