多方式温度测量系统

摘要：论述了一种多方式温度测量系统的设计，该温度测量系统能够实现PN结、热电阻(PT100)、热电偶(镍铬-镍硅K型)三种方式的温度测量。可以满足不同测量范围、不同测量精度及不同场合的需要。采用EDA与单片机协同设计，并且采用12位模／数转换器，结果表明，不但测量精度得到了极大的提高，而且极高的程序执行速度使得系统响应更快更精确。使得单片机与FPGA的通信成为可能，整个设计理念得到提升。
关键词：EDA；单片机；12位模／数转换器；多方式温度测量；协同设计

0 引言
    目前市场中大多数温度测量工具的测量范围、测量方式及测量精度在出厂时就已经固定。它们的测量方式单一、测量范围固定、传感方式也只能适应一定的场合。因此不能很好地适用一些多测量方式及测量范围的场合。还有数据采集卡的数据存储已经固化，遇到一些有特殊要求的场合就不能适用。本文采用现场可编程门阵列FPGA对数据进行处理，VHDL程序能够在线修改，该多方式温度测量系统具有极强的可塑性，可以适时地对其程序及查表数据库进行改进和更新，使系统的性能得到升级，可以使系统满足不同场合的需求。

1 多方式温度测量系统硬件设计
    多方式温度测量系统采用PN结(IN4007)、热电阻(PT100)、热电偶(镍铬-镍硅K型)三种方式的温度传感器进行温度测量，PN结(IN4007)接到单臂直流电桥(非平衡)上，电桥的输出接到放大器上(放大100倍)，再通过多路模拟开关接到12位模／数转换器；热电阻(PT100)以三线制方式接到直流电桥上，电桥的输出接到放大器上(放大70倍)，再通过多路模拟开关接到12位模／数转换器；热电偶(镍铬-镍硅K型)接到冷端补偿器(自制电桥的四个桥臂都为1 Ω电阻，其中三个桥臂绕锰铜丝，一个绕铜丝)上，其输出接到放大器(放大200倍)上，再通过多路模拟开关接到12位模／数转换器。这样三种传感器的输出最终转换为0～10 V的电压量，满足了12位模／数转换器的转换要求。转换后的数据送给FPGA，再经FPGA进行数据处理及显示输出。多方式温度测量系统硬件框图如图1所示。

1．1 PT100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0～10 V范围送A／D转换电路。电路图如图2所示。
1．2 12位模／数转换器ADC1674
    该多方式温度测量系统为了满足测量精度的要求，采用了12位A／D转换器，单极性输入方式。从而可以使温度精确到小数点后第2位。电路原理图如图3所示。
1．3 单片机控制电路(AT89C51)
    为了减轻FPGA的程序负担，其外围控制电路用单片机给予控制。单片机控制着多路模拟开关(CD4051)和分度表存储器(2716)以及FPGA，从而使得FPGA控制不同方式测量数据的处理及温度显示输出。电路原理图如图4所示。

1．4 FPGA可编程门阵列
    该多方式温度测量系统采用FPGA可编程门阵列对经过A／D转换后的数据进行处理，经内部查表比较或计算得出温度数据，然后译码输出温度值。电路原理图如图5所示。

2 多方式温度测量系统软件设计
    多方式温度测量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温度显示输出。
2．1 单片机控制
    单片机控制源程序如下：
   
   
2．2 FPGA数据处理
    热电偶或热电阻测量方式中FPGA依次查找对应分度表的数据与A／D转换的数据进行比较计算，最终得出其温度值。程序流程图略。PN结测量方式中FPGA根据PN结的温度电压变化函数(温度每升高1 C，PN结正向导通压降减小1 mV)，对数据进行计算，从而得出对应的温度值；程序流程图如图6所示。

3 结语
    从系统设计到调试，测量系统对信号与电路稳定性有很高的要求。开始由于忽略了稳定性使得系统输出显示很不稳定。最后将测量转换电路与系统处理电路分开，才使得问题得以改善。该温度测量系统能够实现PN结、热电阻(PT100)、热电偶(镍铬-镍硅K型)三种方式的温度测量。可以满足不同测量范围、不同测量精度及不同场合的需要。本设计采用EDA作为开发工具，搭配单片机控制，使得单片机与EDA的配合成为可能，系统中使用单片机简单一些的就用单片机实施，而用EDA简单一些的就用EDA实施，例如：键盘操作用单片机比EDA简单得多，使得整个设计具有较新的设计思想。采用12位ADC模／数转换器，使得测量精度得到了极大的提高。数据处理采用现场可编程门阵列FPGA，它极高的程序执行速度使得系统响应更快更精确。本文可用于对精度和速度要求较高的多方式温度的测量。