詳解遠距離測溫器數控系統設計

0 引言

在一些特殊的科研場(chǎng)所和工業(yè)生產(chǎn)單位，出于各種條件限制，儀表往往不能就近測量物體實(shí)際溫度;而以往所使用的一些傳感器在使用時(shí)受到各種環(huán)境因素的影響，使得傳感器測量得到的溫度不能精確地反映被測物體的溫度。因此，人們需要找尋一種遠距離測溫器，能夠精確測量物體溫度，并能實(shí)時(shí)監控溫度數據。

遠距離測溫器是一種被動(dòng)式的溫度遙感器，可用于遠距離探測物體的溫度，在科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮了重要作用。由于在使用時(shí)人們對測溫器的測量范圍、靈敏度要求很高，同時(shí)由于當今遙感儀器的設計越來(lái)越趨于低功耗高密度及小型化，因此，要求測溫器的數據處理與控制系統具有高可靠性、高分辨率、實(shí)時(shí)性、體積小等特點(diǎn)。由于FPGA的功能強大，邏輯速度快，可以用多種接口電平與外界通信，可以方便的更新程序以實(shí)現多種功能，所以本文采用Altera公司的CycloneⅡ系列的FPGA為核心進(jìn)行遠距離測溫器的數控系統設計，實(shí)現了系統的多功能和小型化。

1 系統結構

遠距離測溫器的結構框圖如圖1所示。由紅外線(xiàn)探測頭、光電轉換單元、放大電路、數據采集電路和數據處理與控制系統等功能模塊組成。紅外探測頭用于搜集物體發(fā)射出的紅外光線(xiàn)，將有用信號傳輸至較遠且適合人操作的地方，最后使用數據處理和控制系統進(jìn)行控制。

數據處理與控制系統接收計算機傳輸的指令，控制系統運行。系統通電后，紅外接收天線(xiàn)接收的光信號模擬量經(jīng)過(guò)遠距離傳輸，信號放大后經(jīng)過(guò)A/D模數轉換后再送入數據處理和控制系統，由數據處理與控制系統進(jìn)行數據采集和存儲、與計算機的數據通信、工作狀態(tài)控制。數據處理與控制系統在遠距離測溫器中處于重要的位置。

數據采集、數據處理與控制系統電路由FPGA及其外圍電路、數據采集系統、電平轉換電路、總線(xiàn)接口電路等部分組成，如圖2所示。

FPGA根據系統本身的時(shí)序和計算機送入的控制指令，控制數據采集電路完成數據的采集。同時(shí)，FPGA內部的可配置軟處理核NiosⅡ系統將根據計算機中提供的校準值來(lái)修正由前端模擬電路引起的偏差，并由此生成實(shí)際誤差很小的曲線(xiàn)方程。校準工作完畢后，整個(gè)系統既可脫離計算機方便地用于遠距離的溫度測量，也可以用于聯(lián)機對物體溫度的實(shí)時(shí)檢測，采集到的大量數據提供給計算機作分析用。

數控系統采用Altera公司的CycloneⅡ系列FPGA中的EP2C8為核心進(jìn)行設計。CycloneⅡ器件采用90 nm、低K值電介質(zhì)工藝，通過(guò)使硅片面積最小化，可以在單芯片上支持復雜的數字系統。眾多可由用戶(hù)自行定義的I/O管腳有利于系統進(jìn)行外部擴展。其配置PROM采用Altera公司提供的16 MB的EPCS4串行配置PROM，該配置器件具備在系統編程(ISP)能力和多次編程能力，具有包括ISP和FLASH存儲器訪(fǎng)問(wèn)接口等特性。

數據采集電路采用AD公司的模數轉換器AD7675，該芯片只需要提供+5 V工作電源，典型功耗為15 mW，芯片轉換速度為100 KSPS，可選并行或串行采樣數據輸出，對外可選+5 V或+3.3 V接口電平。被測模擬信號電壓輸入范圍為-2.5～+2.5 V，可以做到最高16位不失碼。

2 硬件電路設計

2.1 電源控制電路

由于整個(gè)電路系統涉及模擬和數字部分多種芯片的運作，A/D采樣芯片和FPGA芯片均需要兩種以上的電源供電，所以選取合適的電壓轉換器非常重要。電源控制電路選用Linear公司的線(xiàn)形電源模塊來(lái)提供A/D芯片所需要的+3.3V，+2.5V電壓和FPGA所需要的+3.3V和+1.2V電壓，為了提高信號質(zhì)量，模擬和數字部分的+3.3 V電壓分別由不同的電源轉換模塊提供。

2.2 數據采集電路

數據采集電路主要由AD7675組成，由于其輸出I/O部分采用+3.3 V供電，故其所有的數據輸出管腳和輸入控制信號不需要進(jìn)行電平轉換，可以直接與FPGA的I/O管腳相連。A/D芯片的轉換速率為100KSPS，選擇16 b雙極性補碼輸出，最高位表示符號位。硬件電路如圖3所示。采集到的數據送入FPGA的寄存器，再傳送到計算機中，供數據分析用。

AD7675的模擬信號輸入部分選用AD公司的AD8021運算放大器實(shí)現模擬輸入信號的單端到差分信號的轉換。電源進(jìn)入電源管腳前應就近安裝鉭電容進(jìn)行濾波，以減小電源上的雜波干擾，提高信號質(zhì)量。AD7675支持并行和串行兩種數據輸出方式，本系統選擇并行16 b補碼采樣數據輸出，與此相關(guān)的一些控制信號，如BYTESWAP，OB，SER/PAR需要被置為低電平。而其它RESET和數據輸出I/O管腳接入FPGA，由FPGA控制。

2.3 FPGA與計算機接口電路

FPGA通過(guò)串行通信接口與外接計算機實(shí)現通信。本文選用MAX232實(shí)現LVTTL與EIA的電平轉換，可方便的完成FPGA與計算機之間的RS 232通信。

2.4 數字控制單元設計

該測溫器的軟件設計主要分為兩個(gè)部分，一是FPGA的相關(guān)程序設計，其主要功能包括：A/D數據采集控制、串口數據通信控制、LCD的讀寫(xiě)控制以及PROM的燒錄等;二是計算機中的相關(guān)程序，主要功能包括數值運算、標定FPGA和將采集到的數據存儲以供分析等。在整個(gè)FPGA的設計上，由Altera公司開(kāi)發(fā)的基于SoPC的NiosⅡ處理器及其軟件開(kāi)發(fā)包SoPC Builder可以方便地將所需要的IP核、存儲器、接口控制器等簡(jiǎn)單而又快速的集成到FPGA中去，從而縮短設計周期。FPGA內部功能模塊如圖4所示。 詳解遠距離測溫器數控系統設計 src=uploads/article/201409/20140905111110691.jpg>

FPGA的核心控制系統是由1 400～1 800 LE構成的，運行起來(lái)可以到達86DMIPSD的f型NiosⅡCPU。除了CPU外，數控系統主要還包括一個(gè)標志NiosⅡ系統的系統ID核;一個(gè)提供JTAG串行異步收發(fā)器的IP核，用于在線(xiàn)調試FPGA的程序;一個(gè)可以實(shí)現任何標準RS 232標準波特率的UART核，用在控制電路調試成功后在單機工作狀態(tài)下與外接計算機通信;兩組并行輸入、輸出PIO核，分別對A/D采樣電路進(jìn)行控制和讀取A/D采樣后得到的數據;兩個(gè)LCD控制器IP核;一個(gè)用于運行程序的片內ROM;一個(gè)提供系統時(shí)鐘的pll;一個(gè)EPCS串行配置器件控制器IP核。如圖5所示。

系統生成的原理圖如圖6所示。

3 系統開(kāi)發(fā)測試

系統構建好之后，需要進(jìn)一步的測試才能確保其正常測溫。系統的開(kāi)發(fā)測試流程如圖7所示。

上電后首先觀(guān)測系統的主要硬件是否正常工作，將在NiosⅡIDE中生成的SOF文件下載到FPGA中，完成NiosⅡ系統的下載和初始化。然后將NiosⅡ軟件通過(guò)JTAG口下載到目標系統中。系統正常工作后，由遠端計算機通過(guò)串口對A/D進(jìn)行初始化，采集數據。計算機接收到A/D采樣數據后，就可以對測溫器進(jìn)行標定，通過(guò)數據處理計算出用于標定各臺測溫器的校準方程。

標定過(guò)程如下，將測溫器紅外接收探測頭對準熱源，熱源產(chǎn)生準確的溫度。為了測量準確，對于同一個(gè)溫度點(diǎn)，采用多次測量取平均值的方法。由計算機通過(guò)串口通信記錄下多次A/D采樣的值與對應的溫度值。從低溫開(kāi)始到較高的溫度，由計算機通過(guò)串口通信記錄下A/D采樣值。當記錄下的數值達到可以反映各溫度段變化的情況時(shí)，就可以讓計算機采用合適的數據擬合方法生成反映該測溫器測量特性的曲線(xiàn)方程。計算機將方程系數傳送給NiosⅡ系統，完成對整個(gè)測溫器的校準。

最后檢查FPGA中NiosⅡ處理器能否通過(guò)LCD控制器與LCD正常通信、LCD能否正常顯示字符;NiosⅡ軟處理器可否與PROM實(shí)現正常的讀寫(xiě)。調試成功后為了節約資源可將JTAG調試去掉，然后將正確的程序燒錄到EPCS4中。這時(shí)所設計的程序即可脫離計算機及NiosⅡIDE獨立運行。

完成了整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程的測溫器即可正常使用，對標定溫度范圍內的溫度進(jìn)行測量。脫機測量時(shí)，由定時(shí)器產(chǎn)生對A/D采樣時(shí)所需的時(shí)鐘脈沖，NiosⅡ系統的兩組PIO，分別控制A/D的控制信號和將A/D采樣值讀入NiosⅡ系統。在使用時(shí)，仍然采用多次測量取平均值的方法來(lái)得到A/D采樣值，然后根據擬合方程，即可得到對應的溫度值，然后NiosⅡ系統控制LCD控制器的R/W，RS和DB0～DB7，將對應的溫度值顯示在

LCD上。而當需要聯(lián)機使用時(shí)，NiosⅡ系統通過(guò)串口將存儲在內部的A/D采樣值和對應的溫度值發(fā)送到計算機中，形成文件供分析用。

4 結語(yǔ)

本文設計的測溫器的數控電路以Altera公司的CycloneⅡ系列的FPGA為核心，完成了從總體方案設計到系統調試等一系列過(guò)程。整個(gè)數控系統共計占用3 700多個(gè)LE，99 200個(gè)存儲器比特。為整個(gè)測溫器提供了穩定可靠的數據處理平臺，可為更高級別的功能擴展提供一定的參考，具有很廣的應用前景。