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基于FPGA的热电偶温度巡检仪设计

2020-07-08 来源:易榕旅网
技术与应用-Technology&Application 摘要:目前工业生产中要求对温度的测量能够面向多目标且及时、精确。为了满足这些要求,以 FPGA(EP2C5Q208C8N)为核心设计了一种热电偶温度巡检仪,以K型热电偶作为测温传感器, 并采用专用集成芯片MAX6675对K热电偶进行冷揣温照补偿及线性化处理,利用Autium进行硬 件电路绘制及PCB制作,并在Quatusll中进行了时序仿真,仿真波形验证了设计的正确性。将 FPGA应用到热电偶温度巡检仪中使其测温过程更加精确迅速,及时的测温和反馈使得工业生产中 的高温作业有了更高的保障。 关键词:热电偶;温度巡检仪;多通道测量;FPGA 中图分类号:TP21 6+.1 文献标识码:A 文章编号:1 OO6—883X(201 7)07—0026—05 收稿日期:2017-04—12 基于FPGA的热电偶温度巡检仪设计 李文涛徐剑维 内蒙古科技大学信息工程学院,内蒙古包头01如1 0 一、引言 度误差均小r 10℃,整个巡检仪 测温范围内的jlJ!lJ温 J:业领域极端恶劣的j二作环境卜,温度的测甚 误差小于l%。同时FPGA有着丰富的1/O资源并能句影 IJ一常伴有巨大的撞击力或高温气体的高速流动, 将外部时钟倍频,在之后的研究中仃管很大的:次玎 其共同特点是温度高日|瞬态变化。T业生产中要求对 发空问,在未来的高温作业中不仅可以做到更快更准, 温度的测量能够面向多El标且及时、精确,因此对于 还可以更加的智能。 温度巡榆仪性能的提升方法亟待研究。F1前市面I:常 的温度巡检仪通常以单片机为核心,有着一定的局 二、总体设计方案 限性,例如在面对多路同时测温时需要接入多路A/D 系统士要包括FPGA芯片、K 热电偶温度化感 转换器,单片机要进行仔细的资源分配与总线隔离, 器、集成片MAX6675、键盘电路及 永输Ju。系统 且运行速度很低。 构图如图1所示。 FPGA有着丰富的I/O资源并能够将外部时钟倍 热电偶输出信号直接通过集成芯 MAX6675处 步贞。塔1 FPGA的热电偶温度巡检仪相比于传统的温 理,再经FPGA芯片后在LED上 ,J÷,在显示电路之 度巡榆仪,具有运仃速度更快、精度更高、能够处理 前加入r键盘,使得 户 以手动 看所需通道的测 更复尔功能、方便进行 次开发等优势。 量数据,便于记录。 小史基于FPGA设 。_『,一一种热电偶温度巡检仪, 此设计是对八路温度进行巡[1I_愉测,主要返川 采用K 热电偶作为测温传感器,用高集成 片 了MAX6675集成芯片的强大功能,K型热电偶所测 MAX6675实现冷端温度补偿、放大和数模转换,通 数据经CD4051多通道选择后,采刖 J{]集成 过FPGA对前端电路进行控制,经译码之后送LED MAX6675对K热电偶进行冷端温瞍补偿使线性化处 进行 ,J ,能够实现8路温度的测鼙,测温范围可达 理,通过FPGA芯片对处理后的数 进仃串并转换, 0~1000 ̄C,任实验[}】每个测试点的测量温度与实际温 经译码之后送LED进行 示I 1。 四 景 I Technology&Application●技术与应用 三、系统硬件设计 1、多路选择歼关 EAB(t,0)=EAB(t,t0)+EAB(6,,0) (1) 式中:t一热端温度; to一冷端温度; 0—0℃。 CD405l足 8通道数字控制模拟电子开关,有 A、B和C二个二进制控制输入端及INH 4个输入, 』 仃低导通阻抗嗣1很低的截止漏电流。 I,1NH输入端 =MAX6675采 标准的SPIⅢ{ :外设总线与MCU 按rI, MAX6675只能作为从设箭 。MAX6675从 “1”时,所仃的通道截止。只有当INH=0,兰位: 进制信号可以通过 8信道的信道选择,连接输入输 lfJ。其中VEE可以接负电压,也可以接地。其硬件电 路如 2所示。 2、集成芯 MAX6675 SPI申行接¨输}【I数据的过程 1卜:MCU使CS变低 提供时钟信号给SCK,由SO读取测量结果。CS变低 将停Ij:任何转换过程, 变高将J一动一个新的转换过 程。一个完整串行接u读操作需16个时钟周期,征时 钟的下降沿 16个输出位,第1位干lJ第15侮足‘伪 标志位,斤总为0 ;第14化剑 3位为以MSB剑 LSB顺序排列的转换温度值:第2化 时为低, 1热 电偶输入升放时为高。 MAX6675采『{J 8 I脚SO贴片封装 主要引脚 包括: GND:接地端; T_:K型热电偶负极; T+:K型热电偶 极; VCC:正电源端; SCK:串行时钊 输入; :片选端, 为低时、启动串仃接口; SO:串行数据输…; NC:空引脚: MAX6675的内部结构如图3所永,主要由 热I 偶模拟信号放人电路、冷端温度补偿电路、 A/D转换电路及数字控制电路等组成 。 根据热电偶的原理,其产生的热电势满足下 列关系: ● 囝 技术与应用●Technology&Application 第一代Cyclone产品具有两倍多的I/O引脚,且对可编 程逻辑,存储块和其它特性进行了最优的组合,具有 许多新的增强特性[ 。板上提供 大容量的SDRAM 和Flash ROM等存储单元,有2个高性能PLL与142 个用户自定义I/O口可以充分满足设计需求,标准的 2.54mm间距的扩展插座供用户方便使用,电源管理模 块只需要外接5VDC电源即可。 四、系统软件设计 3、显示电路 1、通道选择模块 通道选择部分是一个二进制模8的计数器,汁数 此方案采用共阳极接法的七段LED数码管显示。 七段数码管一般由8个发光二极管组成,其中由7个 细长的发光二极管组成数字显示,另外一个圆形的发 光二极管显示小数点 。 器的时钟是MAX6675数字信号的锁存信号,每次锁 存数据后,计数器就会一次进行加一操作,CD4051选 择下一个通道的温度信号进行采集。在Quartus I1中 VHDL语言设计图形如图5所示。 2、延时模块设计 七段数码管每段的驱动电流和其他单个LED发光 二极管一样,一般为5~l0mA.由于发光材料不同, 其正向电压通常为为1.8~2.5V不等。当发光二极管导 通时,相应的一个点或一个笔画发光。其硬件电路如 图4所示。 在状态机的采样控制部分中加入J,输出数据的编 码,因为要循环采集8路模拟信号,而输出为一路输出, 这样就需要对输出信号进行标志,方法就是把12位数 4、FPGA选型 FPGA选型主要基于以下几点: 据转换为l6位数据,第l位是0,第2位到第4他是 标志位,标志是哪一通道数字信号,串行输出的时候 可以让接受方知道是第几通道的数据。此外,【FI于数 字信号数据锁存信号是比信道选择信号更早的一个 期,增加了延迟模块,使得每个信道可以被锁定,并 (1)软件开发环境:包含QuartuslI软件、SOPC片 上集成系统、NIOSII处理器。 (2)储量的大小:一定量的内存资源(包括 RAM、ROM、FLASH、SDRAM等)、PLL资源、逻 辑块资源和1/0接口资源等,以减少片外资源的扩展、 且可以存储采样数据 f。通过程序来实现对通道选择 信号的延时。VHDL语言设计图形如图6所示。 降低硬件开发难度。 (3)第三方开发工具:Modelsim仿真工具, VHDL与VerilogHDL仿真器_6】。 3、MAX6675控制模块 在Quartus II 9.0环境下用VHDL程序实现 MAX6675控制模块。对外部集成芯片MAX6675的控 (4)使用广泛,且包含大量的相关FPGA资料。 因为Altera公司的产品在亚太地区使用多一些, 制由以下模块来实现。SCK表示串行时钟输入;当CS 为低电平时,启动串行输入接口;SO为串行数据输出, 如图7所示。 与它相关方面的学习资料和教 程相对来说比较多,基于上述 JL点,我们所采用的FPGA芯 片为Cyclone lI系列型号为 EP2C5Q208C8N。Cyclone II能 够在更低的成本下制造出更大 容量的器件。这种新的器件比 日 _ 4、串并转换模块 集成模块MAX6675输出数据为 串行数据,为了使其通过数码管显示 需要制作一个内部l2位串并转换模块, 将其输出的串行数据转换为并行数据。 在Quartus II 9.0环境下由 VerilogHDL程序实现串并转换模块。 如图8所示。 (1)该设计读取如下的输入符号: data in:串行输入数据; rst 复位信号。当它为高电平时, 则转换复位。所有输出置零,并且准 备读取下一个串行数据; clk:时钟信号。在clk的正边沿, 读入输入信号值data in,转换输出也 只在clk的正边沿有效。 (2)该设计产生如下的输小: Technology&Application l技术与应用 data out:串行数据转换后的12位输¨{值: dout en:输出位。存clk的正边沿时,该信号为‘1’,表示 data out被读取; 5、七段译码显示模块 在数字系统中,常常将译码输出显示为十进制数字或其他符号。 因此,能直接驱动数字 示器,或者能与显示器配合起来使用。七段 数码管有共阴极和共『5}J极按地两种接法 】。共阴极地需要解石』5器输出 一个高电 {t来驱动数宁管,而公 阳极地需婴解码器输出低驱动数亨 管发光。 本设汁中采用的是共阳极接法,用到的数码管共有5个,第一个 用38译码器将CD4051选通的通道号‘进行译码显爪,后面四个对所测 温度读数显示,町以直观的看到测量的通道号及 对应的温度。 其模块如图9所示,定义Y为8位的输…,及设置的lsl38有8 个输出端口,定义A为3位的输入,由高悔到低位分别为A2端广】, Al端口,A0端口。 七段译码器的外部接口如图l0所示,cnt为 比特的BCD码输入, led为输l叶J,宽度为七化,即要送到LED管显示Jfj的七段码,即a、b、 C、d、e、f、g。 五、仿真及结果分析 l、通道选择模块仿真 通过CNT[0]到CNT[2]来选择相应的通道,CD4051的输 就是最后要进行ADC采样的温度信号。例如:若CNT[O]CNT[11 CNT[2]-“000”,则选择第一通道温度信号‘进仃A/D采样,随后每 隔25ms,CNT[0]CNT[1】CNT[2]的值就会加 ,ADC便会选择下一 通道进行采样,当CNT[0]CNT[1】CNT【2]=“11 1”对第八通道采样完 毕后,则会恢复至“000”,重新开始对第一通道进行采样,以此循 环。这个部分实现的重点是对数字锁存信号记数,汁数器的输出作为 CD4051的通道选择地址,通道选择模块的仿真 如图11所示。 2、通道 示模块仿真 第‘个数码管用来 示所测温度的通道号,设汁要求显示数值与 CD405l所选通通道一致,例如:当CD4051选通4号通道时,温度 _ 四 技术与应用_Technology&Application r… …’ .J.J o 一 一”一一. 一 ---、・ ___…… ’. . . Simeoni,Melody A.Swartz,Jeffrey A.Hubbel1. Fibronectin EDA and CpG synergize tO ’ “.。 ’。 ’ ●I:I 1 ’“’ ‘I : ‘ '‘ :  I: ’j ‘1 ’・ ’  ’ ::  ’enhance antigen—specific Th 1 and cytotoxic - i :・Ill LI’. 1IllI Z;,- I JI Jll[I v Z; ̄ULI LI. lJl_llt j1 lJI- lfJ…I、 IlJ‘I1¨III… I responses[J].Vaccine,2016,1 8(1):15-20. 12通道显示模块仿真 巡检仪会对4号通道温度进行测量显示,此时数码管 显示输出4。设置时钟信号为1OOns,及每隔lOOns会 从1通道变为2通道,依此类推,直到8通道后重新 显示为1通道,无限循环,可以实现巡检仪通道号的 显示功能。仿真结果如图12所示。 六、结论 多通道采样系统的实现,为一些特殊领域的实时 测控提供了新的思路与方法。研究中将其运用到测温 领域制作丁基于FPGA的热电偶温度巡检仪,整体系 统在调试中性能稳定,能够循环显示8路温度,达到 了预期目标。将FPGA与集成度较高的MAX6675 片结合使用并通过LED及时显示,不仅使温度巡检仪 运行速度更快、稳定性更好、精度更高,而且节省了 歼发所需空间、减少J,资源消耗,在高要求的工业场 合中具有很大的参考和利用价值。 参考文献 [1]刘欣.多路温度巡榆仪的设计与实现[D].火连:大连 1: 大学,2014. [2]梁万用,叫延 .商精度温度巡检仪….仪表技术与传感 器.20 1 2.(09):27.29. [3]黄平,王伟,周厂’涛.基于QUARTUS II的FPGA/CPLD 数宇系统设训 应用[M].北京:电子 :业出版社,2014. [4]郝宪锋,刘广孚.基于AT89S52单片机的智能型快速调温 电烙铁的研制【J].世界利技研究与发展,201O,(3):326—327+365. [5]韩彬,于潇宇,张雷H呜.FPGA设计技巧与案例开发详解[M】. 北京:电子工、J 出版社.2014. [6]刘翔.基 维码n勺便携式甲烷检测仪自动收发系统【D]. 太原:太原理工大学0014. 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[9】Ziad Julier,Alexandre de Titta,Aliz6e J.Grimm,Eleonora 传Vo璧l 2器3 世NO京07"2Io。ta 『 26。5 _■ Design of a FPGA-based thermocouple temperature data logging device LI Wen-tao,XU Jlan-wel (College D,Information Engineering.Inner’Mongolia University Science and Technolog ̄ ,Baotou 0 1 40 1 0, China) Abstract:The requirements of current industrial production for temperature measurement are nmlti—object—oriented、 timely and accurate.In order to meet these requirements,a thermocouple temperature data logging device is designed with FPGA(EP2C5Q208C8N)as the core,which uses K thennocouple as temperature sensor and MAX6675 chip ofr cold end temperature compensation and linearization of K thermocouple.Autium software is used to make hardware circuits and complete PC B production.and timing sequence simulation is done in Quatusl I.The simulation waveforms verify the co rrectness of the design.The application of FPGA in this system makes the temperature measurement more accurate and rapid,and timely temperature measurelnent and feedback make the high temperature operation in industrial production have higher protection. Keywords:thermocouple temperature data logging device;multichannel measurement;FPGA 作者简介 李文涛,内蒙古科技大学 息 学院,教授,硕L 生导师,研宄方向:智能仪袭与过 控制、连铸控制 技术。 徐剑维(通讯作者),内蒙 科技人学信息ll:稗学院, 硕士,研宄方向:测控技术1..j智能仪器。 通讯地址:内蒙古自治区也火市阿尔丁人街7号内蒙 占科技大学。 邮编:014010 邮箱:stiltoncheese@163.corn 

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