用單片機和EDA協同設計溫度采集系統

本系統采用現場可編程門陣列(FPGAEP1K30QC208-3)對數據進行處理,它的程序能夠在線修改,因此有極強的可塑性。可以適時的對其程序及查表數據庫進行改進和更新,能使系統的性能得到升級。從而可以使系統滿足不同的場合需要。

目前市場中大多數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據庫已經固定,對于一些有特殊要求的場合不能適用。?

　　1 溫度采集系統硬件設計

　　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FPGA進行數據處理及顯示輸出。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 溫度采集系統軟件設計

　　溫度采集系統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,實現對外圍電路的控制。FPGA采用VHDL語言編寫,實現對數據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數據處理

　　FPGA對數據的處理是根據不同的測量方式進行數據處理的。當選擇PN結測量方式時,FPGA根據PN結的溫度電壓變化函數,對數據進行計算,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,FPGA是依次查找對應分度表的數據與A/D轉換的數據進行比較計算,最終得出其溫度值。可見熱電偶或熱電阻測量方式的數據處理是相同的,只是分度表不同而已。

　　2.2.1 PN結數據處理

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

　　2.2.2 熱電偶、熱電阻數據處理

　　熱電偶或熱電阻測量方式,FPGA是依次查找對應分度表的數據與A/D轉換的數據進行比較計算,最終得出其溫度值。程序流程圖如圖5所示。

　　3 溫度采集系統安裝調試

　　安裝調試是一個系統最關鍵也是最容易出現問題的一步,本系統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后才確定了其各橋臂參數。

(2)各放大電路在開始時用了一級的電壓放大,出現了抗干擾能力差、放大倍數不穩定等問題。為了提高抗干擾能力,穩定電壓放大倍數。后來采用兩級放大,第一級采用低放大倍數的差放電路,消除共模干擾。第二級再采用電壓放大就很好的實現無干擾穩定放大。

(3)軟件調試中出現了顯示清零的現象,最后查出是AD轉換數據沒有鎖存住。采用軟件鎖存的辦法使得該問題得到了解決。

　　4 結語

　　該溫度采集系統能夠實現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。可以滿足不同測量范圍、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模數轉換器,使得測量精度得到了極大的提高。數據處理采用現場可編程門陣列FPGA(EP1K30QC208—3),它極高的程序執行速度使得系統響應更快更精確。