基于FPGA的工控領(lǐng)域監控系統設計

摘要：給出了兩路輸入信號AD轉換器AD7705與FPGA的接口應用方案，利用該方案可對工控領(lǐng)域后臺的溫度和電壓兩路信號進(jìn)行實(shí)時(shí)監控。其中溫度信號是利用PT電阻值隨溫度變化的線(xiàn)性關(guān)系將溫度信號轉換為電壓信號，來(lái)實(shí)施采集。
關(guān)鍵字：PT電阻；SPI接口；AD7705

O 引言
整機在工作時(shí)，大概有4％的能量被各種電力電子器件所消耗，這些被消耗的能量以熱量的形式分別在單個(gè)模塊中通過(guò)散熱器散發(fā)出去。
針對以上的現象，可用PTl00鉑電阻溫度傳感器在散熱器表面感應溫度，以保護電力電子器件不因為在高溫下運行而損壞。金屬鉑(Pt)的電阻值隨溫度變化而變化，并且具有很好的重現性和穩定性，利用鉑的此種物理特性制成的傳感器稱(chēng)為鉑電阻溫度傳感器，通常使用的鉑電阻溫度傳感器的零度電阻值為100Ω，電阻變化率為0．3851Ω／℃。鉑電阻溫度傳感器具有精度高，穩定性好，應用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，是最常用的一種溫度傳感器。
串行外設接口SPI (Serial Peripheral Interface)是一種高速同步串行輸入輸出端口。近年來(lái)SPI接口廣泛應用于外部移位寄存器、DA轉換器、AD轉換器、串行EEPROM、LED顯示驅動(dòng)器等外部設備的擴展。SPI接口可以共享．因而便于組成帶多個(gè)SPI接口器件的系統。其傳送速率可編程，連接線(xiàn)少，并具有良好的擴展性。
AD7705是典型的具有SPI接口的AD轉換器，可以方便地與帶有SPI模塊的控制器進(jìn)行通信。本文采用FPGA為主控制器，利用其通用I／O口來(lái)模擬SPI時(shí)序，以采集AD7705的兩路輸入信號(溫度信號和電壓信號)，并將采集到的16位溫度數字信號和16位電壓數字信號送給DSP進(jìn)行處理，然后對數字信號進(jìn)行算法還原，最終在1602液晶顯示器上分別顯示兩路實(shí)際信號，從而實(shí)現對溫度和電壓兩路信號的實(shí)時(shí)監控。

l 硬件設計方案
該系統的功能主要是實(shí)現對工控領(lǐng)域后臺裝置的溫度信號和電壓信號的實(shí)時(shí)雙監控。其中溫度信號可根據PT電阻值隨溫度變化的線(xiàn)性關(guān)系將溫度信號轉換為0～2．5 V變化的電壓信號。然后送給AD7705的l通道。電壓信號則可用變壓器轉換為O～2．5 V的電壓信號，送給AD7705的2通道，從而實(shí)現對溫度和電壓兩路信號的采集。
1．1 P11電阻的特點(diǎn)
PT電阻值可隨溫度的變化而變化，在0℃時(shí)，電阻值為100Ω。小于0℃時(shí)，阻值隨溫度的降低而減??；大于0℃時(shí)，阻值隨溫度的增加而增大。阻值隨溫度的變化關(guān)系可用公式1和公式2表達。

其中，R1為PT電阻在溫度為t時(shí)的電阻值，R0為PT電阻在0℃時(shí)的電阻值，式(1)和式(2)為溫度系數TCR=0．003851時(shí)，PT電阻值隨溫度變化的數學(xué)表達式，其中，A、B、C三個(gè)系數分別為：

由于t2和t3項的系數都很小，故可近似的認為，鉑電阻的阻值隨溫度呈線(xiàn)性的變化關(guān)系，又因為它的溫度系數為T(mén)CR=0．003851，所以在計算時(shí)，可以直接按照溫度系數來(lái)計算。如果把PTl00鉑電阻放在散熱器表面的功率器件周?chē)?，那么，就可以根據測試點(diǎn)的電阻值估算出溫度。