基于CPLD的多路溫度采集系統電路及設計方案

摘要 應用溫度采集芯片MAX6675，將其與K型熱電偶結合，利用CPLD對其進(jìn)行控制，實(shí)現一個(gè)多路溫度采集系統。文中介紹了系統的硬件電路結構，并根據芯片的內部時(shí)序介紹了CPLD內部邏輯電路的設計。通過(guò)兩種溫度環(huán)境下的系統測試，給出了溫度數據的統計圖，證明了MAX6675及設計的多路溫度采集系統的良好性能。

K型熱電偶是當前工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)實(shí)驗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0～1 300℃范圍內的液體蒸汽，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?xún)r(jià)比，使得K型熱電偶應用廣泛。然而K型熱電偶存在非線(xiàn)性、冷補償等問(wèn)題，特別是在處理補償問(wèn)題時(shí)，需要付出較高的代價(jià)且難以有較好的成效。所以本文介紹的MAX6675溫度采集芯片，彌補了K型熱電偶上述缺陷。將MAX6675和K型熱電偶結合并用于工業(yè)生產(chǎn)和實(shí)驗，能為工程帶來(lái)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電路、內部邏輯設計模塊、誤差分析和實(shí)驗統計報告，以及MAX6675多路溫度采集系統的應用過(guò)程和性能報告。

1 MAX6675介紹

MAX6675是美國Maxim公司生產(chǎn)的帶有冷端補償、線(xiàn)性校正、熱電偶斷線(xiàn)檢測的串行K型熱電偶模數轉換器，它的溫度分辨能力為0.25 ℃;冷端補償范圍為-20～+80℃;工作電壓為3.0～5.5 V。

根據熱電偶測溫原理，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)。在以往的應用中，有多種冷端補償方法，如冷端冰點(diǎn)法或電橋補償法等，但調試較復雜。另外，由于熱電偶的非線(xiàn)性，以往是采用微處理器表格法或線(xiàn)性電路等方法，來(lái)減小熱電偶本身非線(xiàn)性帶來(lái)的測量誤差，但這些增加了程序編制及調試電路的難度。而MAX6675對其內部元器件的參數進(jìn)行了激光修正，從而對熱電偶的非線(xiàn)性進(jìn)行了內部修正。同時(shí)，MAX6675內部集成的冷端補償電路、非線(xiàn)性校正電路、斷線(xiàn)檢測電路都給K型熱電偶的使用帶來(lái)了便利。 MAX6675的特點(diǎn)有：(1)內部集成有冷端補償電路;(2)帶有簡(jiǎn)單的3位串行接口;(3)可將溫度信號轉換成12位數字量，溫度分辨率達0.25℃;(4)內含熱電偶斷線(xiàn)檢測電路。其內部原理圖如圖1所示。

2 系統構架

系統框架如圖2所示，該系統以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換成數字信號，并將數據傳入CPLD進(jìn)行相應的處理，然后通過(guò)通信模塊將數據傳送給計算機，最后用計算機做數據統計及處理。系統中的通信模塊可以根據工程或實(shí)驗環(huán)境的不同使用不同通信方法，如串口通信、PCI傳輸卡等。由于工程應用的原因，本文使用PCI傳輸卡作為數據傳輸方式。

3 CPLD內部邏輯

如圖2所示，K型熱電偶將采集的模擬信號傳送給MAX6675，再由它轉化成數字信號傳入CPLD，CPLD根據MAX6675芯片的時(shí)序進(jìn)行數據處理得到需要的信號，最后由傳輸模塊傳到計算機進(jìn)行數據顯示和統計、處理。所以本文的重點(diǎn)工作便在CPLD內部邏輯的設計。在進(jìn)行內部邏輯設計之前，須了解MAX6675的工作時(shí)序與原理：當CS引腳由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，MAX6675停止任何信號的轉換，并在時(shí)鐘SCK的作用下向外輸出已轉換的數據;當CS引腳從低電平變到高電平時(shí)，MAX6675將進(jìn)行下一輪數據的轉換。一個(gè)完整的數據讀取需要16個(gè)時(shí)鐘周期，數據的讀取在SCK的下降沿進(jìn)行。MAX6675的工作時(shí)序圖如圖3所示。

如圖3所示，根據芯片手冊tcss是CS下降到SCK上升的時(shí)間，規定其最小值為100 ns，tCH+tCL為SCK的一個(gè)時(shí)鐘周期，規定最小周期為200 ns，tDV為CS下降沿到數據輸出的時(shí)間，規定最大不超過(guò)100 ns。tDO為SCK下降到輸出有效數據的時(shí)間，tTR為CS上升沿到數據停止輸出地時(shí)間，規定最大值均為100 ns。根據這些手冊上的這些時(shí)間規定，在設計CPLD內部邏輯電路時(shí)便嚴格按照要求，將SCK時(shí)鐘周期設為1 000 ns即1 MHz，tcss設為1 000 ns，tDVtTR都設為100ns。圖中還可以看出SO是16位的輸出數據，其中只有D14～D3位為溫度數據，D15位為無(wú)用位，D2位為熱電偶斷線(xiàn)測試位，D1位為MAX6675標識符，D0位為三態(tài)，所以從16位數據中取出D14～D3這12位數據進(jìn)行轉換和處理?；谝陨戏治?，設計了如圖4所示的內部邏輯模塊。

CPLD內部邏輯如圖4所示，為了將12位有效數據提取出來(lái)，先要將串行的SO輸入信號轉換成并行的，利于有效數據的提取。圖中的CLK是指總時(shí)鐘，用一個(gè)40 MHz的晶振，通過(guò)分頻為芯片提供時(shí)鐘。根據芯片數據手冊和上述分析，給SCK信號1 MHz頻率。以芯片時(shí)序要求，給RST信號2.5 Hz時(shí)鐘，即0.4 s完成一次數據采集和數據傳輸。圖中數據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(guò)給系統的總時(shí)鐘分頻，為MAX6675芯片提供時(shí)鐘信號SCK和RST。而傳輸控制模塊是為了調試時(shí)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;以及為傳輸模塊提供合理的同步時(shí)鐘，使得每一個(gè)數據的傳輸能夠和相應時(shí)鐘對應。

4 后期測試

按照上述原理進(jìn)行硬件電路設計和CPLD內部邏輯設計，完成了一個(gè)可以多路同時(shí)進(jìn)行溫度采集系統。通過(guò)常溫下對該溫度采集系統進(jìn)行的多次采集試驗，隨機抽取了其中一路溫度采集統計圖作為試驗結果，如圖5所示。

圖5是一次常溫下經(jīng)過(guò)約20 min共3 500幀的采樣結果，從圖中首先觀(guān)察到最高溫度和最低溫度分別達到24.25℃和22℃，相減得到溫度波動(dòng)為2.5℃。芯片手冊中，芯片的溫度測量每一個(gè)數據位為0.25℃，而測量的顯示精度為8個(gè)數據位，所以該芯片的測量誤差為8×0.25= 2℃。同時(shí)再考慮到整個(gè)系統的誤差，包括電源噪聲、電路噪聲，誤差能達到2～2.5℃。綜上所述，根據圖5所示溫度曲線(xiàn)的2.5℃的波動(dòng)，這個(gè)結果完全符合芯片手冊要求。

另外，還利用瞬時(shí)高溫對該系統進(jìn)行了測試，測試結果如圖6所示，給出其中6路同時(shí)采集的數據，6種線(xiàn)型代表6路溫度采集。曲線(xiàn)圖中離瞬時(shí)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(shí)間里變化較為明顯，達到了100℃以上，而離瞬時(shí)高溫產(chǎn)生范圍較遠的，如通道61和通道62，在產(chǎn)生高溫的前500幀時(shí)間里，則溫度變化較舒緩，該圖將瞬時(shí)高溫打擊下的高低溫區域明顯區分開(kāi)，充分證明了NAX6675以及文中多路溫度采集系統的良好性能。

5 結束語(yǔ)

通過(guò)NAX6675芯片應用和實(shí)驗，驗證了MAX6675多路溫度采集系統的良好性能和較高的性?xún)r(jià)比。另外，利用CPLD或者FPGA實(shí)現多路溫度采集擁有設計簡(jiǎn)單、體積小、操作簡(jiǎn)潔方便，干擾因素少，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，對工程應用具有一定的實(shí)用價(jià)值。