多方式溫度測量系統(tǒng)

摘要：論述了一種多方式溫度測量系統(tǒng)的設(shè)計，該溫度測量系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)PN結(jié)、熱電阻(PT100)、熱電偶(鎳鉻-鎳硅K型)三種方式的溫度測量。可以滿足不同測量范圍、不同測量精度及不同場合的需要。采用EDA與單片機協(xié)同設(shè)計，并且采用12位模／數(shù)轉(zhuǎn)換器，結(jié)果表明，不但測量精度得到了極大的提高，而且極高的程序執(zhí)行速度使得系統(tǒng)響應(yīng)更快更精確。使得單片機與FPGA的通信成為可能，整個設(shè)計理念得到提升。
關(guān)鍵詞：EDA；單片機；12位模／數(shù)轉(zhuǎn)換器；多方式溫度測量；協(xié)同設(shè)計

0 引言
    目前市場中大多數(shù)溫度測量工具的測量范圍、測量方式及測量精度在出廠時就已經(jīng)固定。它們的測量方式單一、測量范圍固定、傳感方式也只能適應(yīng)一定的場合。因此不能很好地適用一些多測量方式及測量范圍的場合。還有數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)存儲已經(jīng)固化，遇到一些有特殊要求的場合就不能適用。本文采用現(xiàn)場可編程門陣列FPGA對數(shù)據(jù)進行處理，VHDL程序能夠在線修改，該多方式溫度測量系統(tǒng)具有極強的可塑性，可以適時地對其程序及查表數(shù)據(jù)庫進行改進和更新，使系統(tǒng)的性能得到升級，可以使系統(tǒng)滿足不同場合的需求。

1 多方式溫度測量系統(tǒng)硬件設(shè)計
    多方式溫度測量系統(tǒng)采用PN結(jié)(IN4007)、熱電阻(PT100)、熱電偶(鎳鉻-鎳硅K型)三種方式的溫度傳感器進行溫度測量，PN結(jié)(IN4007)接到單臂直流電橋(非平衡)上，電橋的輸出接到放大器上(放大100倍)，再通過多路模擬開關(guān)接到12位模／數(shù)轉(zhuǎn)換器；熱電阻(PT100)以三線制方式接到直流電橋上，電橋的輸出接到放大器上(放大70倍)，再通過多路模擬開關(guān)接到12位模／數(shù)轉(zhuǎn)換器；熱電偶(鎳鉻-鎳硅K型)接到冷端補償器(自制電橋的四個橋臂都為1 Ω電阻，其中三個橋臂繞錳銅絲，一個繞銅絲)上，其輸出接到放大器(放大200倍)上，再通過多路模擬開關(guān)接到12位模／數(shù)轉(zhuǎn)換器。這樣三種傳感器的輸出最終轉(zhuǎn)換為0～10 V的電壓量，滿足了12位模／數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換要求。轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)送給FPGA，再經(jīng)FPGA進行數(shù)據(jù)處理及顯示輸出。多方式溫度測量系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

1．1 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(zhuǎn)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(zhuǎn)換電路。電路圖如圖2所示。
1．2 12位模／數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC1674
    該多方式溫度測量系統(tǒng)為了滿足測量精度的要求，采用了12位A／D轉(zhuǎn)換器，單極性輸入方式。從而可以使溫度精確到小數(shù)點后第2位。電路原理圖如圖3所示。
1．3 單片機控制電路(AT89C51)
    為了減輕FPGA的程序負擔，其外圍控制電路用單片機給予控制。單片機控制著多路模擬開關(guān)(CD4051)和分度表存儲器(2716)以及FPGA，從而使得FPGA控制不同方式測量數(shù)據(jù)的處理及溫度顯示輸出。電路原理圖如圖4所示。

1．4 FPGA可編程門陣列
    該多方式溫度測量系統(tǒng)采用FPGA可編程門陣列對經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進行處理，經(jīng)內(nèi)部查表比較或計算得出溫度數(shù)據(jù)，然后譯碼輸出溫度值。電路原理圖如圖5所示。

2 多方式溫度測量系統(tǒng)軟件設(shè)計
    多方式溫度測量系統(tǒng)軟件分為單片機程序設(shè)計和FPGA程序設(shè)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)的處理及溫度顯示輸出。
2．1 單片機控制
    單片機控制源程序如下：
   
   
2．2 FPGA數(shù)據(jù)處理
    熱電偶或熱電阻測量方式中FPGA依次查找對應(yīng)分度表的數(shù)據(jù)與A／D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)進行比較計算，最終得出其溫度值。程序流程圖略。PN結(jié)測量方式中FPGA根據(jù)PN結(jié)的溫度電壓變化函數(shù)(溫度每升高1 C，PN結(jié)正向?qū)▔航禍p小1 mV)，對數(shù)據(jù)進行計算，從而得出對應(yīng)的溫度值；程序流程圖如圖6所示。

3 結(jié)語
    從系統(tǒng)設(shè)計到調(diào)試，測量系統(tǒng)對信號與電路穩(wěn)定性有很高的要求。開始由于忽略了穩(wěn)定性使得系統(tǒng)輸出顯示很不穩(wěn)定。最后將測量轉(zhuǎn)換電路與系統(tǒng)處理電路分開，才使得問題得以改善。該溫度測量系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)PN結(jié)、熱電阻(PT100)、熱電偶(鎳鉻-鎳硅K型)三種方式的溫度測量。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(shè)計采用EDA作為開發(fā)工具，搭配單片機控制，使得單片機與EDA的配合成為可能，系統(tǒng)中使用單片機簡單一些的就用單片機實施，而用EDA簡單一些的就用EDA實施，例如：鍵盤操作用單片機比EDA簡單得多，使得整個設(shè)計具有較新的設(shè)計思想。采用12位ADC模／數(shù)轉(zhuǎn)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，它極高的程序執(zhí)行速度使得系統(tǒng)響應(yīng)更快更精確。本文可用于對精度和速度要求較高的多方式溫度的測量。