多通道温度采集装置设计与实现

多通道温度采集装置设计与实现

周涛涛 李浩然

上海航天电子技术研究所

摘要：环境因素将直接影响测试结果的准确性和可靠性。温度变化下的各项指标对系统的开发和改进具有重要意义。本文设计了一种基于FPGA的信号采集与处理系统，采用AD8227和AD590实现信号调理和温度冷端补偿，并通过标准RS422协议实现16路温度信号传输。经采集测试验证，系统能正常工作，具有一定的系统精度和稳定性。

关键词：FPGA；温度采集；冷端补偿；

1研究背景及意义

温度是产品在储存、运输和使用中时刻遇到的环境温度本身以及温度和其他环境的综合作用，无时无刻地影响着军事装备的性能，导致各种形式的故障。温度是军事装备研制中的一个基本测量参数，对其进行标定是十分必要的。传统的温度采集方法大多是基于单片机控制器，通过轮流读取各监测点的温度来实现。该方法可同时采集通道少，功能单一，设备维护量大，精度低。

2设计思路

本文通过噪声耦合分析对调理电路进行了优化，设计了A/D转换驱动电路，在测试过程中为每个传感器设计了特定的冷端补偿电路来测量温度，并能完成对s型、k型热电偶和铂电阻四个通道温度信号的采集。为了实现多点实时检测，提高系统的抗干扰能力，设计了一种基于现场可编程门阵列和STM32的温度测量系统，可以满足温度测量和时效性的要求。与现有的其他解决方案相比，温度测试范围更广，测试数据更可靠。

系统需要对环境进行多路高低温数据采集。考虑到温度测量范围和实用性，热电偶传感器具有很大的优势，因此采用热电偶作为监控点的温度传感器，整个系统的功能通过FPGA实现。设计了多通道同步采集电路，结合ROM地址查找表控制通道切换的方法。本设计可以在采集数据的同时进行差分传输，结合上位机对各个温度点进行监测，并实时显示测点的数量值和物理量，具有较强的实用性和实时性。该设计方法可靠、稳定、可继承，可应用于多路模拟信号采集领域。

3设计方案

基于RS422接口的数据交互，由硬件和软件组成，其中硬件实现主要功能，软件逻辑在硬件的基础上实现接口控制和温度数据的实时采样。硬件电路方面，根据测温范围选择k型热电偶传感器，并设计热电偶补偿电路对输入的温度信号进行补偿。为了使系统具有较高的抗干扰能力，设计了信号调理电路、增益调节电路、低频滤波电路，将微弱的输入信号调整到可测量的范围内，提高了系统的信噪比和传输精度。在逻辑设计方面，将系统划分为不同的功能模块来实现相应的逻辑，保证设备具有良好的数据处理能力。

由于热电偶传感器本身的特性，数据容易受到外界噪声的干扰，测量结果具有一定的非线性，会影响后续对数据的校准和分析。因此，在测试过程中，将热电偶传感器检测到的温度信号处理成模拟电压值，然后传输到选择单元和信号调理单元进行处理，再通过信号采样单元转换成数字量并传输到处理单元，最后通过RS422接口传输到上位机进行数据分析。

3.1热电偶信号调理电路优化设计

热电偶作为一种传感器转换元件，无需外部电源即可实现从温度到电动势的转换，具有价格低廉、结构简单、测温范围广等优点，因此在温度测量系统中得到了广泛的应用。然而，热电偶是一种温度敏感元件，容易受到前置放大器温度漂移的影响，因此其调理电路和合理的补偿设计非常重要。在采集过程中，热电偶传感器的信号首先进入采集装置的信号调理电路，对温度信号进行采集和变换[1]。

热电偶的输出幅度一般在毫伏级，电路难以精确测量，因此在采样前应将温度信号放大到一定倍数，并增加低频滤波电路，滤除高频信号噪声，提高系统的信噪比。采集电路采用AD8227放大K型热电偶的微小电动势输出。AD8227是一款具有宽电源电压范围、低输入噪声和相对较高的共模抑制的放大器。输出可以实现轨到轨，只需要一个外部电阻来设置增益，其范围从5到500。

3.2冷端补偿电路设计

通常情况下，热电偶是在冷端温度为0℃的环境下进行测量的，但这一要求成本高，难度大，因此采取冷端补偿的措施，防止热电偶参考端温度变化引起的测量误差。本文在回路中加入了补偿电压，该电压应等于常温下热电偶冷端输出电位，并能适应环境温度在一定范围内变化时冷端输出电位的变化。本设计采用AD590对k型热电偶的冷端进行补偿。AD590具有精度高、宽电压输入、高输入阻抗等优点，能很好地抑制电压漂移和纹波对测温电路的影响，因此广泛应用于温度测量系统中。

为了使产生的电压信号满足后端A/D采集电路的输入幅度要求，电路需要对信号的增益进行调整，同时设计低输出阻抗。

3.3逻辑设计

该器件的主要功能是FPGA控制采集模块，实现数据采集、滤波、分帧和转发。根据逻辑实现功能，系统可分为A/D控制模块和RS422接口模块两个功能模块。在温度采集中，FPGA通过内部指令控制模拟开关ADG706选择通道，通过模数转换器AD7667对阵列进行采集、帧和写入。最后，根据接口通信格式，采用异步串行协议进行数据转发

[2]。为了提高整体的采集精度，需要在传输前对采集到的数据进行数字低通滤波。

设计要求每个通道的采样频率均为40Hz，为进一步提高温度测量精度，软件对单通道进行8倍超采，总采样时钟为5120Hz，基础时钟为40Hz，数据量12.8kbps，符合RS422接口速率要求。对每通道采集数据进行除去最大最小值后求平均值的滤波算法得出采样值。测量装置数据编帧格式在进行A/D控制逻辑设计时，设置一个计数指针，在一个计数周期内对一个通道的数据进行采集和转换，当指针数到7812的时候，采集一个通道的地址。由于设计采用8倍超采，每通道数据要采集8次，系统时钟为40MHz，则一次数据采集到完成的时间为7812×16×8×1/40M=24.99ms，小于上位机下发的采集指令25ms，满足任务要求。

装置采集的为多通道信号，需要使用模拟开关对通道进行选择和切换。通道的控制采取ROM表的方式，利用FPGA内部ROM存储模块来控制通道的切换。按照地址编码方式对每一模拟开关的使能信号和通道的选择信号进行编码，然后在ROM中保存编号的地址代码，通过ROM读取地址进行采集时的通道选择。模数转换器AD7667对数据的操作受CNVST信号控制，BUSY信号在CNVST信号下降沿到来时被拉高，开始数据转换;转换完成后信号拉低，需要在下一次转换开始前，即ACQUIRE时段内完成接收。根据高低位的数据来判断BUSY信号的高低情况，判读转换完成的数据是否被读出。在读取时数据是以字节的形式读出，通过BYTE位的高低切换分别将数据的高低8位存入相应的RAM中，当BYTE=1时取数据的高8位，当BYTE=0时取数据的低8位。数据转换时序图如图1所示。

图1转换时序图

CNVST引脚拉低后经过t3延时后开始转换，转换脉冲宽度t4时间内完成转换。在对模数转换进行控制时，要满足转换所需的时间，t1时间不小于15ns，两次转换开启的时间t2为25ms。发数速率远大于采集速率，保证了数据传输的可靠性。

4结论

经采集测试验证，在复杂温度条件下仍能保持正常工作。本文在提高测试通道数方面具有很大的潜力，并且可以通过调整模数转换电路实现多通道扩展。

参考文献

[1]肖新帅,林晓焕,胡念祖,等 . 多类型高精度测温系统设计[J].国外电子测量技术, 2019, 38 (3): 75-79.

[2]王小兵,任勇峰,张凯华 . 基于 FPGA 的分布式采集系统设计[J].电子器件, 2018 , 41 ( 4 ): 997-1002.