用单片机和EDA协同设计温度采集系统

2007-10-12 11:04:47来源: 电子测量技术

0 引 言

目前市场中大多数温度采集卡的测量范围、测量方式及测量精度在出厂时就已经固定。测量方式单一、测量范围固定、传感方式也只能适应一定的场合。因此不能很好的适用一些多测量方式及测量范围的场合。再者它们的测量程序和查表数据库已经固定,对于一些有特殊要求的场合不能适用。本系统采用现场可编程门阵列(FPGAEP1K30QC208-3)对数据进行处理,它的程序能够在线修改,因此有极强的可塑性。可以适时的对其程序及查表数据库进行改进和更新,能使系统的性能得到升级。从而可以使系统满足不同的场合需要。

1 温度采集系统硬件设计

由于不同的传感器有不同的输出量,但是最终都需要转换为0~10V的电压值,从而才能满足A/D转换器的转换要求。因此各个传感器需要不同的转换和放大电路。转换后的电压量经过多路模拟开关选择送到同一个A/D转换器进行转换。再经FPGA进行数据处理及显示输出。整机框图如图1所示。

1.1 PN结测温原理

由于PN结随温度变化产生的是一个电压信号,温度每升高1℃,PN结的正向导通压降下降1 mV。但在0℃时要求输出电压为0 V,因此必须将PN结连接成单臂非平衡直流电桥。并且将输出电压放大到0~10 V范围送A/D转换电路。电路原理图如图(2)所示:

1.2 PT100热电阻测温原理硬件电路

由于PT100热电阻随温度变化产生的是一个电阻信号,当温度升高时电阻值增大。因此必须将热电阻接成单臂直流电桥,将其阻值变化转换为电压变化信号。再将这个电压信号放大到0~10 V范围送A/D转换电路。电路图略。

1.3 热电偶测温原理硬件电路

热电偶的输出是一个随温度变化的电压信号,它必须加上冷端补偿电路才能正常工作,并且它的输出也要转换为0~10 V的范围送A/D转换电路。电路图如图3所示:

2 温度采集系统软件设计

温度采集系统软件分为单片机程序设计和FPGA程序设计,单片机程序采用汇编语言编写,实现对外围电路的控制。FPGA采用VHDL语言编写,实现对数据的处理及被测温度的显示输出。

2.1 单片机控制

单片机用来控制多路模拟开关及FPGA,并显示是那种方式测量。P1口接一位数码管(表示输出测量方式代码,1代表PN结测量方式,2代表热电偶测量方式,3代表热电阻测量方式)。P2口接输出模拟开关控制字、存储器片选信号及FPGA程序切换控制信号。程序流程图如图4所示。

2.2 FPGA数据处理

FPGA对数据的处理是根据不同的测量方式进行数据处理的。当选择PN结测量方式时,FPGA根据PN结的温度电压变化函数,对数据进行计算,从而得出对应的温度值;当选择热电偶或热电阻测量方式时,FPGA是依次查找对应分度表的数据与A/D转换的数据进行比较计算,最终得出其温度值。可见热电偶或热电阻测量方式的数据处理是相同的,只是分度表不同而已。

2.2.1 PN结数据处理

PN结测量方式,FPGA根据PN结的温度电压变化函数(温度每升高1℃,PN结正向导通压降减小1 mV),对数据进行计算,从而得出对应的温度值。

2.2.2 热电偶、热电阻数据处理

热电偶或热电阻测量方式,FPGA是依次查找对应分度表的数据与A/D转换的数据进行比较计算,最终得出其温度值。程序流程图如图5所示。

3 温度采集系统安装调试

安装调试是一个系统最关键也是最容易出现问题的一步,本系统安装调试中遇到的一些问题及给出最后处理方法如下:(1)热电偶的工作必须有冷端补偿电路才能正常工作,在搭试其冷端补偿电路时,它的桥路电阻参数很难确定。因为不同型号的热电偶其各桥臂电阻及限流电阻也会不同,在多次调整各个参数后才确定了其各桥臂参数。(2)各放大电路在开始时用了一级的电压放大,出现了抗干扰能力差、放大倍数不稳定等问题。为了提高抗干扰能力,稳定电压放大倍数。后来采用两级放大,第一级采用低放大倍数的差放电路,消除共模干扰。第二级再采用电压放大就很好的实现无干扰稳定放大。(3)软件调试中出现了显示清零的现象,最后查出是AD转换数据没有锁存住。采用软件锁存的办法使得该问题得到了解决。

4 结语

该温度采集系统能够实现PN结(20~100℃)、热电阻(PT100)(0~800℃)、热电偶(镍锘-镍硅K型)(0~1 000℃)3种方式的温度测量。可以满足不同测量范围、不同测量精度及不同场合的需要。本设计采用EDA作为开发工具,搭配单片机控制。使得整个设计具有较新的设计思想。采用12ADC模数转换器,使得测量精度得到了极大的提高。数据处理采用现场可编程门阵列FPGA(EP1K30QC208—3),它极高的程序执行速度使得系统响应更快更精确。

关键字:传感  信号  电耦  补偿

编辑:赵思潇 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/FPGA/qrs/200710/1791.html
本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。
论坛活动 E手掌握
微信扫一扫加关注
论坛活动 E手掌握
芯片资讯 锐利解读
微信扫一扫加关注
芯片资讯 锐利解读
推荐阅读
全部
传感
信号
电耦
补偿

小广播

独家专题更多

富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
馆内包含了 纵览FRAM、独立FRAM存储器专区、FRAM内置LSI专区三大部分内容。 
走,跟Molex一起去看《中国电子消费品趋势》!
走,跟Molex一起去看《中国电子消费品趋势》!
 
带你走进LED王国——Microchip LED应用专题
带你走进LED王国——Microchip LED应用专题
 

夏宇闻老师专栏

你问我答FPGA设计

北京航空航天大学教授,国内最早从事复杂数字逻辑和嵌入式系统设计的专家。

电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2016 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved