一種基于CPLD的溫度測試系統設計

1 系統設計方案

1.1 動(dòng)態(tài)存儲測試

所謂存儲測試技術(shù)，是指在對被測對象無(wú)影響或影響在允許范圍的條件下，在被測體內置入微型存儲測試儀器，現場(chǎng)實(shí)時(shí)完成信息快速采集與存儲，事后回收記錄儀，由計算機處理和再現被測信息的一種動(dòng)態(tài)測試技術(shù)。

1.2 測試系統總體設計

本次設計的溫度測試系統，主要是利用CPLD來(lái)實(shí)現。溫度傳感器將外界溫度信號轉換為微弱的電壓信號，通過(guò)模擬電路部分將輸入信號進(jìn)行放大和濾波，再經(jīng)過(guò)A/D轉化電路把模擬信號轉換為數字信號，然后經(jīng)過(guò)FIFO存入存儲器，計算機通過(guò)接口電路對數據進(jìn)行讀取。溫度測試系統的原理框圖如圖1所示。其中，A/D轉換器、FIFO、存儲器和電源管理模塊都是由CPLD控制。

圖1 溫度測試系統的原理框圖

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 主控芯片CPLD的選擇

在本次設計中使用Xilinx公司生產(chǎn)的XCR3128作為溫度測試系統的主控CPLD芯片。XCR3128有100個(gè)引腳，其中有76個(gè)I/O引腳，4個(gè)信號接口，4個(gè)全局時(shí)鐘，7個(gè)VCC，8個(gè)GND，1個(gè)PORT_EN;共包含128個(gè)宏單元，VCC為3.6 V，電流限制為200mA.XCR3128封裝小，功耗低，充分滿(mǎn)足了實(shí)際需要。

在本次設計中，控制部分主要由CPLD控制電路時(shí)序和工作模式的產(chǎn)生?？刂乒δ軋D如圖2所示，主要功能有：

1)電源管理及控制模塊：該模塊主要實(shí)現測試系統的電源管理及全局時(shí)鐘控制，從而達到降低功耗和控制各信號初態(tài)的目的。

2)時(shí)鐘分頻模塊：該模塊主要實(shí)現對從晶體振蕩器輸出到CPLD的時(shí)鐘進(jìn)行分頻，從而得到A/D轉換器、存儲器和FIFO需要的時(shí)序。

3)編程觸發(fā)比較模塊：該模塊主要實(shí)現觸發(fā)溫度數字電平的編程，通過(guò)移位寄存器實(shí)現;數字比較部分是把A/D轉換結果和所編溫度數字電平值比較判斷觸發(fā)與否。

4)FIFO及存儲器地址模塊：該模塊主要實(shí)現生成FIFO和存儲器需要的地址，FIFO和存儲器的數據讀寫(xiě)。

5)A/D時(shí)序產(chǎn)生模塊：該模塊主要實(shí)現A/D轉換器的CONVST/和讀信號的時(shí)序生成。

6)讀數模塊：該模塊主要實(shí)現讀數接口的邏輯連接控制，接收計算機發(fā)送的脈沖信號，以完成數據傳輸的目的。

圖2 溫度測試系統CPLD控制功能圖

2.2 溫度傳感器

在爆炸場(chǎng)等高溫、高壓、高沖擊的惡劣環(huán)境下采集瞬時(shí)溫度的動(dòng)態(tài)變化對溫度傳感器要求很高，因此選用了美國NANMAC公司的E12鎢錸侵蝕熱電偶。該熱電偶瞬態(tài)溫度響應時(shí)間僅為幾百微妙，溫度范圍高達2 315℃，耐壓程度高達69 MPa，完全能夠滿(mǎn)足爆炸場(chǎng)溫度測試的需要。

熱電偶是利用導體或半導體材料的熱電效應將溫度的變化轉換為電動(dòng)勢的變化，熱電偶回路中產(chǎn)生的電動(dòng)勢差為：

NA、NB為材料A、B的電子密度;σA、σB為導體A、B的湯姆遜系數，K為波爾茲曼常數。

由于導體湯姆遜效應引起的電動(dòng)勢差相比較小，?？珊雎?，因此當熱電偶的兩種材料的特性為已知時(shí)，一端溫度固定，則待測溫度T是電動(dòng)勢的單值函數。為了使E12鎢錸熱電偶冷端溫度固定在0℃，本次設計采用了補償電橋法補償冷端的溫度變化。

2.3 電源管理模塊

由于溫度測試系統經(jīng)常需要在惡劣的環(huán)境中工作，所需的能量都是靠一次性的高溫電池來(lái)供給，電量有限。而溫度測試系統往往要求測試過(guò)程很長(cháng)，為了減小在測量過(guò)程中由于電量不足而使電路不能正常工作的可能性，就必須考慮測試系統低功耗的要求。因此設計了先進(jìn)的電源管理模塊，即電路在需要工作時(shí)給其供電，在不需要工作時(shí)斷電，減小電路無(wú)效操作時(shí)功耗的比例。

為了減少不必要的損耗，采用了多路電源供電管理模式，分別為：VCC、VDD、VEE.VCC和CPLD相連接，存儲模塊部分、AD轉換部分由VDD供電，運算放大器、晶振由VEE控制。

本系統中選用雙通道電源開(kāi)關(guān)芯片MAX894作為電源管理芯片，其供電范圍為2.7~5.5 V，關(guān)斷時(shí)消耗電流僅為0.1μA，兩通道全部打開(kāi)是消耗電流約為17 μA.在本次設計中MAX894芯片輸入電源VCC=3.6 V，通過(guò)ONA/控制產(chǎn)生VDD=3.6 V，通過(guò)ONB/控制產(chǎn)生VEE=3.6V. ONA/ONB/低電平有效，由CPLD內部控制。如圖3所示。

圖3 溫度控制系統電源管理模塊

電源管理模塊在CPLD內部的控制部分如圖4所示，ONON和OFF是電路模塊的開(kāi)關(guān)，TC/是CPLD外接晶振的使能端，高電平有效。當電路上電后，ONON變?yōu)楦唠娖?，ONA變?yōu)楦唠娖?，ONAN變?yōu)榈碗娖?，電源管理模塊的VDD輸出有效，AD轉換部分和存儲模塊部分開(kāi)始工作。由于晶振此時(shí)處于工作狀態(tài)，所以TC為低電平，ONBN也是低電平，電源管理部分的VEE輸出有效。當存儲器的存儲空間存滿(mǎn)后，晶振停止工作，TC變?yōu)楦唠娖?，ONBN也變?yōu)楦唠娖?，所以VEE輸出無(wú)效，運算放大器部分關(guān)閉。此時(shí)電路處于微功耗狀態(tài)，存儲器處于待讀數狀態(tài)。當存儲器中的數據被讀出后，電路可以關(guān)閉。此時(shí)除了CPLD，所有器件均被關(guān)閉。

圖4 電源管理模塊邏輯控制圖

3 軟件設計

溫度測試系統的工作流程規劃為5個(gè)部分：接通電源的初始狀態(tài)、上電后的循環(huán)采樣狀態(tài)、觸發(fā)后的采樣存儲狀態(tài)、采集完后的待讀數狀態(tài)、數據讀出及數據處理狀態(tài)。溫度測試系統的狀態(tài)轉換圖如圖5所示。

圖5 系統狀態(tài)轉換圖

圖6為測試系統的仿真時(shí)序圖，通過(guò)多次軟件仿真，得出正確的仿真結果，表明了本次設計的溫度測試系統在理論上能夠滿(mǎn)足測試要求。

圖6 系統時(shí)序仿真圖

圖7為實(shí)際溫度測試結果圖，通過(guò)VB軟件處理得到。在此次實(shí)驗中溫度測試系統采集的數據曲線(xiàn)與所給環(huán)境溫度的動(dòng)態(tài)變化基本一致，表明本次設計的基于CPLD的溫度測試系統能夠可靠準確地采集數據信號。

圖7 實(shí)測數據圖

4 結論

本次設計的溫度測試系統，采用集成度高、可靠性強、功耗較低的CPLD作為主控單元，運用耐高溫高壓、響應時(shí)間快的熱電偶作為溫度傳感器，匹配先進(jìn)的電源管理模塊實(shí)現了測試系統的低功耗，并結合動(dòng)態(tài)存儲測試技術(shù)，能夠應用于環(huán)境條件比較差的惡劣環(huán)境中，在可靠可信、微功耗的基礎上能得到較好的實(shí)驗數據。