用單片機和EDA協(xié)同設(shè)計溫度采集系統(tǒng)

　　摘要：目前市場中大多數(shù)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(jīng)固定。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。因此不能很好的適用一些多測量方式及測量范圍的場合。本文介紹了一種溫度采系統(tǒng)，是由用單片機和EDA協(xié)同設(shè)計的。分別通過介紹該系統(tǒng)的硬件設(shè)計，測溫原理等來詳細(xì)說明。
　　
　　引言
　　
　　目前市場中大多數(shù)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(jīng)固定。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(shù)據(jù)庫已經(jīng)固定，對于一些有特殊要求的場合不能適用。本系統(tǒng)采用現(xiàn)場可編程門陣列（FPGAEP1K30QC208-3）對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，它的程序能夠在線修改，因此有*的可塑性。可以適時的對其程序及查表數(shù)據(jù)庫進(jìn)行改進(jìn)和更新，能使系統(tǒng)的性能得到升級。從而可以使系統(tǒng)滿足不同的場合需要。
　　
　　1、溫度采集系統(tǒng)硬件設(shè)計
　　
　　由于不同的傳感器有不同的輸出量，但是zui終都需要轉(zhuǎn)換為0～10V的電壓值，從而才能滿足A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換要求。因此各個傳感器需要不同的轉(zhuǎn)換和放大電路。轉(zhuǎn)換后的電壓量經(jīng)過多路模擬開關(guān)選擇送到同一個A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。再經(jīng)FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及顯示輸出。整機框圖如圖1所示。　　
　　1.1PN結(jié)測溫原理
　　
　　由于PN結(jié)隨溫度變化產(chǎn)生的是一個電壓信號，溫度每升高1℃，PN結(jié)的正向?qū)▔航迪陆?mV。但在0℃時要求輸出電壓為0V，因此必須將PN結(jié)連接成單臂非平衡直流電橋。并且將輸出電壓放大到0～10V范圍送A/D轉(zhuǎn)換電路。電路原理圖如圖（2）所示：　　
　　1.2PT100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(dāng)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0～10V范圍送A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換為0～10V的范圍送A/D轉(zhuǎn)換電路。電路圖如圖3所示：　　
　　2、溫度采集系統(tǒng)軟件設(shè)計
　　
　　溫度采集系統(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(guān)及FPGA，并顯示是那種方式測量。P1口接一位數(shù)碼管（表示輸出測量方式代碼，1代表PN結(jié)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(guān)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。　　
　　2.2FPGA數(shù)據(jù)處理
　　
　　FPGA對數(shù)據(jù)的處理是根據(jù)不同的測量方式進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的。當(dāng)選擇PN結(jié)測量方式時，F(xiàn)PGA根據(jù)PN結(jié)的溫度電壓變化函數(shù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，從而得出對應(yīng)的溫度值;當(dāng)選擇熱電偶或熱電阻測量方式時，F(xiàn)PGA是依次查找對應(yīng)分度表的數(shù)據(jù)與A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較計算，zui終得出其溫度值。可見熱電偶或熱電阻測量方式的數(shù)據(jù)處理是相同的，只是分度表不同而已。
　　
　　2.2.1PN結(jié)數(shù)據(jù)處理
　　
　　PN結(jié)測量方式，F(xiàn)PGA根據(jù)PN結(jié)的溫度電壓變化函數(shù)（溫度每升高1℃，PN結(jié)正向?qū)▔航禍p小1mV），對數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，從而得出對應(yīng)的溫度值。
　　
　　2.2.2熱電偶、熱電阻數(shù)據(jù)處理
　　
　　熱電偶或熱電阻測量方式，F(xiàn)PGA是依次查找對應(yīng)分度表的數(shù)據(jù)與A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較計算，zui終得出其溫度值。程序流程圖如圖5所示。　　
　　3、溫度采集系統(tǒng)安裝調(diào)試
　　
　　安裝調(diào)試是一個系統(tǒng)zui關(guān)鍵也是zui容易出現(xiàn)問題的一步，本系統(tǒng)安裝調(diào)試中遇到的一些問題及給出zui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(shù)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(diào)整各個參數(shù)后才確定了其各橋臂參數(shù)。（2）各放大電路在開始時用了一級的電壓放大，出現(xiàn)了抗*力差、放大倍數(shù)不穩(wěn)定等問題。為了提高抗*力，穩(wěn)定電壓放大倍數(shù)。后來采用兩級放大，*級采用低放大倍數(shù)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(xiàn)無干擾穩(wěn)定放大。（3）軟件調(diào)試中出現(xiàn)了顯示清零的現(xiàn)象，zui后查出是AD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)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(jié)語
　　
　　該溫度采集系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)PN結(jié)（20～100℃）、熱電阻（PT100）（0～800℃）、熱電偶（鎳锘-鎳硅K型）（0～1000℃）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(shè)計采用EDA作為開發(fā)工具，搭配單片機控制。使得整個設(shè)計具有較新的設(shè)計思想。采用12ADC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（EP1K30QC208—3），它*的程序執(zhí)行速度使得系統(tǒng)響應(yīng)更快更。