基于CPLD的多路溫度采集系統(tǒng)電路及設(shè)計(jì)方案

　　摘要：K型熱電偶是當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)實(shí)驗(yàn)較為常用的一種溫度傳感器，它可以直接測量各種生產(chǎn)中0～1300℃范圍內(nèi)的液體蒸汽，氣體介質(zhì)和固體表面溫度。本文給出了基于CPLD的多路溫度采集系統(tǒng)電路、內(nèi)部邏輯設(shè)計(jì)模塊、誤差分析和實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)報(bào)告，以及MAX6675多路溫度采集系統(tǒng)的應(yīng)用過程和性能報(bào)告。
　　
　　K型熱電偶是當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)實(shí)驗(yàn)較為常用的一種溫度傳感器，它可以直接測量各種生產(chǎn)中0～1300℃范圍內(nèi)的液體蒸汽，氣體介質(zhì)和固體表面溫度。由于它的測量范圍及其較高的性價比，使得K型熱電偶應(yīng)用廣泛。然而K型熱電偶存在非線性、冷補(bǔ)償?shù)葐栴}，特別是在處理補(bǔ)償問題時，需要付出較高的代價且難以有較好的成效。所以本文介紹的MAX6675溫度采集芯片，彌補(bǔ)了K型熱電偶上述缺陷。將MAX6675和K型熱電偶結(jié)合并用于工業(yè)生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)，能為工程帶來諸多便利且減少繁瑣的附加電路。本文給出了基于CPLD的多路溫度采集系統(tǒng)電路、內(nèi)部邏輯設(shè)計(jì)模塊、誤差分析和實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)報(bào)告，以及MAX6675多路溫度采集系統(tǒng)的應(yīng)用過程和性能報(bào)告。
　　
　　1、MAX6675介紹
　　
　　MAX6675是美國Maxim公司生產(chǎn)的帶有冷端補(bǔ)償、線性校正、熱電偶斷線檢測的串行K型熱電偶模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它的溫度分辨能力為0.25℃;冷端補(bǔ)償范圍為-20～+80℃;工作電壓為3.0～5.5V。
　　
　　根據(jù)熱電偶測溫原理，熱電偶的輸出熱電勢不僅與測量端的溫度有關(guān)，而且與冷端的溫度有關(guān)。在以往的應(yīng)用中，有多種冷端補(bǔ)償方法，如冷端冰點(diǎn)法或電橋補(bǔ)償法等，但調(diào)試較復(fù)雜。另外，由于熱電偶的非線性，以往是采用微處理器表格法或線性電路等方法，來減小熱電偶本身非線性帶來的測量誤差，但這些增加了程序編制及調(diào)試電路的難度。而MAX6675對其內(nèi)部元器件的參數(shù)進(jìn)行了激光修正，從而對熱電偶的非線性進(jìn)行了內(nèi)部修正。同時，MAX6675內(nèi)部集成的冷端補(bǔ)償電路、非線性校正電路、斷線檢測電路都給K型熱電偶的使用帶來了便利。MAX6675的特點(diǎn)有：（1）內(nèi)部集成有冷端補(bǔ)償電路;（2）帶有簡單的3位串行接口;（3）可將溫度信號轉(zhuǎn)換成12位數(shù)字量，溫度分辨率達(dá)0.25℃;（4）內(nèi)含熱電偶斷線檢測電路。其內(nèi)部原理圖如圖1所示。　　
　　2、系統(tǒng)構(gòu)架
　　
　　系統(tǒng)框架如圖2所示，該系統(tǒng)以CPLD為核心，由多路K型熱電偶和MAX6675將外界溫度模擬信號采集并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并將數(shù)據(jù)傳入CPLD進(jìn)行相應(yīng)的處理，然后通過通信模塊將數(shù)據(jù)傳送給計(jì)算機(jī)，zui后用計(jì)算機(jī)做數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及處理。系統(tǒng)中的通信模塊可以根據(jù)工程或?qū)嶒?yàn)環(huán)境的不同使用不同通信方法，如串口通信、PCI傳輸卡等。由于工程應(yīng)用的原因，本文使用PCI傳輸卡作為數(shù)據(jù)傳輸方式。　　
　　3、CPLD內(nèi)部邏輯
　　
　　如圖2所示，K型熱電偶將采集的模擬信號傳送給MAX6675，再由它轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號傳入CPLD，CPLD根據(jù)MAX6675芯片的時序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到需要的信號，zui后由傳輸模塊傳到計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示和統(tǒng)計(jì)、處理。所以本文的重點(diǎn)工作便在CPLD內(nèi)部邏輯的設(shè)計(jì)。在進(jìn)行內(nèi)部邏輯設(shè)計(jì)之前，須了解MAX6675的工作時序與原理：當(dāng)CS引腳由高電平變?yōu)榈碗娖綍r，MAX6675停止任何信號的轉(zhuǎn)換，并在時鐘SCK的作用下向外輸出已轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù);當(dāng)CS引腳從低電平變到高電平時，MAX6675將進(jìn)行下一輪數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。一個完整的數(shù)據(jù)讀取需要16個時鐘周期，數(shù)據(jù)的讀取在SCK的下降沿進(jìn)行。MAX6675的工作時序圖如圖3所示。　　
　　如圖3所示，根據(jù)芯片手冊tcss是CS下降到SCK上升的時間，規(guī)定其zui小值為100ns，tCH+tCL為SCK的一個時鐘周期，規(guī)定zui小周期為200ns，tDV為CS下降沿到數(shù)據(jù)輸出的時間，規(guī)定zui大不超過100ns。tDO為SCK下降到輸出有效數(shù)據(jù)的時間，tTR為CS上升沿到數(shù)據(jù)停止輸出地時間，規(guī)定zui大值均為100ns。根據(jù)這些手冊上的這些時間規(guī)定，在設(shè)計(jì)CPLD內(nèi)部邏輯電路時便嚴(yán)格按照要求，將SCK時鐘周期設(shè)為1000ns即1MHz，tcss設(shè)為1000ns，tDVtTR都設(shè)為100ns。圖中還可以看出SO是16位的輸出數(shù)據(jù)，其中只有D14～D3位為溫度數(shù)據(jù)，D15位為無用位，D2位為熱電偶斷線測試位，D1位為MAX6675標(biāo)識符，D0位為三態(tài)，所以從16位數(shù)據(jù)中取出D14～D3這12位數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和處理?；谝陨戏治?，設(shè)計(jì)了如圖4所示的內(nèi)部邏輯模塊。　　
　　CPLD內(nèi)部邏輯如圖4所示，為了將12位有效數(shù)據(jù)提取出來，先要將串行的SO輸入信號轉(zhuǎn)換成并行的，利于有效數(shù)據(jù)的提取。圖中的CLK是指總時鐘，用一個40MHz的晶振，通過分頻為芯片提供時鐘。根據(jù)芯片數(shù)據(jù)手冊和上述分析，給SCK信號1MHz頻率。以芯片時序要求，給RST信號2.5Hz時鐘，即0.4s完成一次數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸。圖中數(shù)據(jù)寄存模塊的功能是為了寄存各路并行輸入信號，便于后期上傳。采集控制模塊的主要作用是便于通過給系統(tǒng)的總時鐘分頻，為MAX6675芯片提供時鐘信號SCK和RST。而傳輸控制模塊是為了調(diào)試時利于信號的檢測。此模塊的作用是為輸出信號添加幀頭，利于后期對輸出信號的確認(rèn);以及為傳輸模塊提供合理的同步時鐘，使得每一個數(shù)據(jù)的傳輸能夠和相應(yīng)時鐘對應(yīng)。
　　
　　4、后期測試
　　
　　按照上述原理進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)和CPLD內(nèi)部邏輯設(shè)計(jì)，完成了一個可以多路同時進(jìn)行溫度采集系統(tǒng)。通過常溫下對該溫度采集系統(tǒng)進(jìn)行的多次采集試驗(yàn)，隨機(jī)抽取了其中一路溫度采集統(tǒng)計(jì)圖作為試驗(yàn)結(jié)果，如圖5所示。　　
　　圖5是一次常溫下經(jīng)過約20min共3500幀的采樣結(jié)果，從圖中首先觀察到zui高溫度和zui低溫度分別達(dá)到24.25℃和22℃，相減得到溫度波動為2.5℃。芯片手冊中，芯片的溫度測量每一個數(shù)據(jù)位為0.25℃，而測量的顯示精度為8個數(shù)據(jù)位，所以該芯片的測量誤差為8×0.25=2℃。同時再考慮到整個系統(tǒng)的誤差，包括電源噪聲、電路噪聲，誤差能達(dá)到2～2.5℃。綜上所述，根據(jù)圖5所示溫度曲線的2.5℃的波動，這個結(jié)果*符合芯片手冊要求。
　　
　　另外，還利用瞬時高溫對該系統(tǒng)進(jìn)行了測試，測試結(jié)果如圖6所示，給出其中6路同時采集的數(shù)據(jù)，6種線型代表6路溫度采集。曲線圖中離瞬時高溫產(chǎn)生范圍較近的，如通道63、通道64，在產(chǎn)生高溫的前500幀時間里變化較為明顯，達(dá)到了100℃以上，而離瞬時高溫產(chǎn)生范圍較遠(yuǎn)的，如通道61和通道62，在產(chǎn)生高溫的前500幀時間里，則溫度變化較舒緩，該圖將瞬時高溫打擊下的高低溫區(qū)域明顯區(qū)分開，充分證明了NAX6675以及文中多路溫度采集系統(tǒng)的良好性能。　　
　　5、結(jié)束語
　　
　　通過NAX6675芯片應(yīng)用和實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了MAX6675多路溫度采集系統(tǒng)的良好性能和較高的性價比。另外，利用CPLD或者FPGA實(shí)現(xiàn)多路溫度采集擁有設(shè)計(jì)簡單、體積小、操作簡潔方便，干擾因素少，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，對工程應(yīng)用具有一定的實(shí)用價值。