基于FPGA的無人飛行器溫度巡檢裝置的設(shè)計(jì)方案

1.引言

目前無人飛行器主要飛行于大氣對(duì)流層和平流層低層區(qū)間。該區(qū)間大氣溫度變化復(fù)雜，大氣環(huán)境的溫度過低或過高都將直接影響無人飛行器控制系統(tǒng)的正常工作。由于無人飛行器機(jī)身需要檢測(cè)溫度的部位較多，監(jiān)測(cè)目標(biāo)比較分散，使用單一結(jié)構(gòu)的溫度傳感器或結(jié)冰探測(cè)儀表難以實(shí)時(shí)、全面地掌握整個(gè)機(jī)身表而溫度狀況，因此，本設(shè)計(jì)結(jié)合已有的民用多路測(cè)溫技術(shù)，提出一種基于FPGA的適用于無人飛行器機(jī)身各部位溫度檢測(cè)和功能事務(wù)管理的多路溫度巡檢系統(tǒng)。該系統(tǒng)可在無人飛行器飛行過程中，根據(jù)需要循環(huán)監(jiān)測(cè)各部位的溫度狀況，以便能夠及早測(cè)出機(jī)身可能出現(xiàn)的結(jié)冰低溫并向系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)使飛機(jī)及時(shí)飛離結(jié)冰區(qū)域或開啟除冰設(shè)計(jì)，從而達(dá)到保障飛行安全的目的。

2.設(shè)計(jì)方案的總體結(jié)構(gòu)

無人飛行器溫度巡檢裝置的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

本設(shè)計(jì)采用FPGA作為核心芯片，電源電路供電后，信號(hào)調(diào)理電路通過鉑電阻傳感器PT100將采集的電壓信號(hào)通過放大器放大后送給A/D采樣電路，A/D采樣電路通過采樣把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后送給FPGA進(jìn)行處理，處理數(shù)據(jù)后FPGA自動(dòng)把處理結(jié)果送出，通過液晶顯示并且與鍵盤電路設(shè)定的值進(jìn)行比對(duì)，如果超出設(shè)定值范圍，F(xiàn)PGA送出信號(hào)，使得蜂鳴器電路報(bào)警，繼電器電路響應(yīng)，啟動(dòng)加熱裝置，圖1給出了系統(tǒng)的整體框圖。

3.硬件電路設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

按照系統(tǒng)的功能要求，裝置的硬件電路依據(jù)其功能劃分為信號(hào)調(diào)理模塊、A/D采樣模塊、FPGA最小系統(tǒng)模塊等部分。

3.1 信號(hào)調(diào)理模塊

系統(tǒng)采用惠斯通電橋接入鉑電阻傳感器PT100信號(hào)，如圖2所示。

圖2中INA、INB之差與PT100阻值變化呈線性關(guān)系，通過將INA、INB變化值采樣再對(duì)應(yīng)鉑電阻傳感器P100刻度表即可換算得到實(shí)測(cè)溫度。考慮到鉑電阻傳感器PT100探頭產(chǎn)生的信號(hào)非常微弱，很容易受到噪聲干擾，所以放大電路選擇單運(yùn)放構(gòu)成的儀表放大器。儀表放大器擁有差分式結(jié)構(gòu)，對(duì)共模噪聲有很強(qiáng)的抑制作用，同時(shí)擁有較高的輸入阻抗和較小的輸出阻抗，非常適合對(duì)微弱信號(hào)的放大。圖2中R3,R4,R5,R6,R7,R8均采用低溫漂的精密電阻，R2為多圈精密可調(diào)電阻。通過電路可以計(jì)算出：

由式(1)可看出，通過增減R8的阻值即可改變?cè)鲆妫玫嚼硐氲姆糯蟊稊?shù)。

3.2 A/D采樣模塊

系統(tǒng)選用AD7476作為采樣芯片。該芯片是12位低功耗逐次逼近型ADC,采用單電源工作，電源電壓為2.35V至5.25V,最高吞吐速率可達(dá)1MSPS,完全滿足本系統(tǒng)的采樣精度和速度的要求。該芯片內(nèi)置一個(gè)低噪聲、寬帶寬采樣保持放大器，可處理6MHz以上的輸入頻率。

AD轉(zhuǎn)換過程和數(shù)據(jù)采集過程通過CS和串行時(shí)鐘SCLK進(jìn)行控制，從而為器件與FPGA接口創(chuàng)造了條件。輸入信號(hào)在CS的下降沿進(jìn)行采樣，而轉(zhuǎn)換同時(shí)在此處啟動(dòng)，轉(zhuǎn)換速率取決于SCLK的時(shí)鐘頻率。圖3為AD7476的典型接線電路。[!--empirenews.page--]

4.軟件設(shè)計(jì)

溫度巡檢裝置的軟件以VHDL語言為基礎(chǔ)，采樣模塊化的設(shè)計(jì)思路編程，分為液晶顯示模塊、AD采樣模塊、鍵盤輸入模塊、報(bào)警模塊和PWM控制模塊模塊。圖4給出了各模塊之間的關(guān)系圖。

系統(tǒng)首先通過AD采樣模塊對(duì)溫度進(jìn)行采樣，將采樣的數(shù)據(jù)送入溫度檢測(cè)模塊進(jìn)行處理。溫度檢測(cè)模塊的任務(wù)是計(jì)算將采樣來的溫度值與系統(tǒng)的預(yù)設(shè)值之間的差值，利用差值的大小來控制PWM模塊輸出脈沖寬度不同的脈沖波，通過脈沖波開控制繼電器的通斷，從而達(dá)到溫度的恒定控制。

5.實(shí)測(cè)結(jié)果

5.1 系統(tǒng)的定標(biāo)

首先用高精度電阻箱代替鉑電阻傳感器Pt100對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行定標(biāo)。根據(jù)式1所示的鉑電阻傳感器Pt100電阻和輸出電壓之間的關(guān)系，通過改變電阻箱的取值來設(shè)定相對(duì)應(yīng)的測(cè)試溫度點(diǎn)標(biāo)稱值，經(jīng)過測(cè)量系統(tǒng)、A/D采樣的計(jì)算，得到測(cè)量溫度顯示值。根據(jù)初測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)測(cè)量電路、補(bǔ)償電壓進(jìn)行校準(zhǔn)后，完成對(duì)系統(tǒng)的定標(biāo)工作。

5.2 系統(tǒng)實(shí)測(cè)

將鉑電阻傳感器Pt100接入測(cè)量系統(tǒng)，并置入高精度恒溫箱中(溫控精度0.01℃)進(jìn)行整個(gè)溫度測(cè)量系統(tǒng)定標(biāo)測(cè)量。測(cè)量時(shí)要注意恒溫箱的密封，以提高環(huán)境溫度穩(wěn)定性;恒溫箱溫度穩(wěn)定后，每隔1min對(duì)同一溫度點(diǎn)進(jìn)行20次測(cè)量。由表1中數(shù)據(jù)可見，測(cè)量系統(tǒng)的最大誤差為0.009℃，說明Pt100鉑電阻傳感器的定標(biāo)誤差較小，精度也較高，能滿足高精度溫度測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量要求，但溫度高端誤差較大，可能與恒溫箱溫度控制精度有關(guān)，有待于進(jìn)一步定標(biāo)。

6.結(jié)論

本文提出了基于FPGA的無人飛行器溫度巡檢裝置的設(shè)計(jì)方案，該方案中所設(shè)計(jì)的無人飛行器溫度巡檢裝置利用FPGA快速性、可并行性、延時(shí)固定性等特點(diǎn)，能夠快速，準(zhǔn)確的檢測(cè)無人機(jī)的各部件溫度。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)的最大誤差不超過0.01度，完全滿足無人飛行器對(duì)溫度采集的要求。