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用单片机和EDA协同设计温度收集系统

shixiang

导语：用单片机和EDA协同设计温度收集系统

目前市场中大多数温度收集卡的测量范围、测量方式及测

量精度在出厂时就已经固定。测量方式单一、测量范围固定、

传感方式也只能适应一定的场合。因此不能很好的适用一些

多测量方式及测量范围的场合。再者它们的测量程序和查表

数据库已经固定，对于一些有特殊要求的场合不能适用。本

系统采用现场可编程门阵列〔FPGAEP1K30QC208-3〕对数据

进展处理，它的程序可以在线修改，因此有极强的可塑性。

可以适时的对其程序及查表数据库进展改良和更新，能使系

统的性能得到晋级。进而可以使系统知足不同的场合需要。

1温度收集系统硬件设计

由于不同的传感器有不同的输出量，但是最终都需要转换

为0～10V的电压值，进而才能知足A/D转换器的转换要求。

因此各个传感器需要不同的转换和放大电路。转换后的电压

量经太多路模拟开关选择送到同一个A/D转换器进展转换。

再经FPGA进展数据处理及显示输出。整机框图如图1所示。

1.1PN结测温原理

由于PN结随温度变化产生的是一个电压信号，温度每升高

1℃，PN结的正向导通压降下降1mV。但在0℃时要求输出

电压为0V，因此必须将PN结连接成单臂非平衡直流电桥。

并且将输出电压放大到0～10V范围送A/D转换电路。电路

原理图如图〔2〕所示：

1.2PT100热电阻测温原理硬件电路

由于PT100热电阻随温度变化产生的是一个电阻信号，当

温度升高时电阻值增大。因此必须将热电阻接成单臂直流电

桥，将其阻值变化转换为电压变化信号。再将这个电压信号

放大到0～10V范围送A/D转换电路。电路图略。

1.3热电偶测温原理硬件电路

热电偶的输出是一个随温度变化的电压信号，它必须加上

冷端补偿电路才能正常工作，并且它的输出也要转换为0～

10V的范围送A/D转换电路。电路图如图3所示：

2温度收集系统软件设计

温度收集系统软件分为单片机程序设计和FPGA程序设计，

单片机程序采用汇编语言编写，实现对外围电路的控制。

FPGA采用VHDL语言编写，实现对数据的处理及被测温度的

显示输出。

2.1单片机控制

单片机用来控制多路模拟开关及FPGA，并显示是那种方式

测量。P1口接一位数码管〔表示输出测量方式代码，1代表

PN结测量方式，2代表热电偶测量方式，3代表热电阻测量

方式〕。P2口接输出模拟开关控制字、存储器片选信号及

FPGA程序切换控制信号。程序流程图如图4所示。

2.2FPGA数据处理

FPGA对数据的处理是根据不同的测量方式进展数据处理的。

中选择PN结测量方式时，FPGA根据PN结的温度电压变化

函数，对数据进展计算，进而得出对应的温度值;中选择热电

偶或者热电阻测量方式时，FPGA是依次查找对应分度表的数

据与A/D转换的数据进展比拟计算，最终得出其温度值。可

见热电偶或者热电阻测量方式的数据处理是一样的，只是分

度表不同而已。

2.2.1PN结数据处理

PN结测量方式，FPGA根据PN结的温度电压变化函数〔温

度每升高1℃，PN结正向导通压降减小1mV〕，对数据进展

计算，进而得出对应的温度值。

2.2.2热电偶、热电阻数据处理

热电偶或者热电阻测量方式，FPGA是依次查找对应分度表

的数据与A/D转换的数据进展比拟计算，最终得出其温度值。

程序流程图如图5所示。

3温度收集系统安装调试

安装调试是一个系统最关键也是最容易出现问题的一步，

本系统安装调试中遇到的一些问题及给出最后处理方法如

下：〔1〕热电偶的工作必须有冷端补偿电路才能正常工作，

在搭试其冷端补偿电路时，它的桥路电阻参数很难确定。因

为不同型号的热电偶其各桥臂电阻及限流电阻也会不同，在

屡次调整各个参数后才确定了其各桥臂参数。〔2〕各放大电

路在开场时用了一级的电压放大，出现了抗干扰才能差、放

大倍数不稳定等问题。为了进步抗干扰才能，稳定电压放大

倍数。后来采用两级放大，第一级采用低放大倍数的差放电

路，消除共模干扰。第二级再采用电压放大就很好的实现无

干扰稳定放大。〔3〕软件调试中出现了显示清零的现象，最

后查出是AD转换数据没有锁存住。采用软件锁存的方法使

得该问题得到解析决。

该温度收集系统可以实现PN结〔20～100℃〕、热电阻

〔PT100〕〔0～8