基于FPGA双温度传感器温度采集系统的设计

李亚梅

（天津百利机械装备集团有限公司中央研究院，天津 300000 ）

0 引言

工业和医学应用上需要高精度温度测量。目前大多数测温电路仅采用单一的温度传感器，导致测温结果有一定误差。热电偶温度传感器和铂电阻温度传感器测量温度已经广泛的应用到各种温度的检测。热电偶的检测温度范围很宽，可以在-270℃至+1750℃宽范围达到±0.1℃的精度，而铂电阻在低温范围有很好的线性度。为了充分发挥热电偶和铂电阻测量不同温度范围的能力，让热电偶、铂电阻温度传感器和模数转换器相结合，构成高性能的温度测量系统。

在数据采集系统中，FPGA具有性能稳定编程配置灵活、开发周期短、系统简单、具有高速集成度、体积小、低功耗、IO端口多、在系统编程等优点，满足系统对实时性和同步性的要求。本文给出一种基于FPGA的双温度传感器温度采集系统的设计方案，此方案可以应用于不同的工业现场进行温度信号的采集。

1 温度采集系统主要设计内容

本系统硬件部分分为数据采集电路和电源电路两个部分。图1为硬件原理框图。

2 系统的采集电路硬件设计

本项目采用两种方式进行温度信号采集，可以适用采集不同的实验环境温度数据的需要，在中低温情况下利用铂电阻温度传感器进行温度信号采集，在高温情况下利用热电偶温度传感器进行采集，两种方式可以根据不同的实验要求进行选择，同时热电偶温度传感器连接专用的带有冷结温度补偿的仪表放大器，不需要另外的传感器进行冷结温度采集，综合以上，采用此种电路进行测温可以提高采集数据的效率和实验结果的精度。图2为热电偶传感器采集电路；图3为PT100信号采集电路。

图1 系统硬件原理框图

图2 热电偶传感器数据采集电路

图3 PT100电阻数据采集电路

模拟部分包括铂电阻电桥输入，热电偶输入，四路信号输入信号采集放大电路进行信号的采集和放大。经过处理后的信号输入AD进行模数转换，转换完毕的数字信号进入隔离电路进行隔离转换，通过滤波器滤除低频噪声和直流漂移，截止频率为2kHz，然后输入到FPGA进行数据信号的采集后处理。

3 系统的电源设计

电源设计主要包括电源转换电路和参考电压生成电路两个部分。电源设计主要包括电源转换电路和参考电压生成电路两个部分。数字电路部分中TPS54334将+12V电源电压转换成D5V电压，LV1117-25、TLV1117-33、TLV1117-12分别将+电压转换转换成2.5V、3.3V和1.2V供给FPGA。模拟电路部分中，TPS54334将12V转换成+8V电压，并将连接TLV1117-5转换成+5V，供给ADR4520与ADR4540生成2.048V和4.096V的考参考电压。TPS63700将12V电压转化换成-5V电压，图4为电源转换功能框图。

图4 电源转换功能框图

4 软件设计

系统采用Altera公司的EP4C6E144 PFGA芯片作为主采集控制器，开发平台是Quartus II，本系统设置采样频率10kHz，即每0.1ms采样一次，参考电压为4.096V，分辨率为16位。热电偶传感器精度为5mV/℃，所以采集最小精度为0.2℃。系统晶振为27MHz，所以采样程序的计数器设置为27M/10K=2700，即每计数器计数到2700采样一次，逻辑控制程序中，当计数器count大于2650小于2689时开始采样。本设计的控制程序主要利用状态机的切换控制conv、sck和输出数据使能信号dataouten的置1、置0，从而控制数据采样的启停。状态机在h1、h2状态时，为准备采样阶段，h3时开始采样，采样计数器大于2687结束，算法具体执行流程如图6所示。采集到的温度数据进行进一步的计算可以得到实际温度。图6为程序执行流程；图7为FPGA各引脚输出波形。

图5 程序执行流程

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图6 FPGA输入输出波形图

5 结束语

目前，实现数据采集的CPU很多，本设计采用的FPGA用来进行数据采集，运算速度快，比较适合工业状况下的在线数据采集及运算。在前端温度采集电路中，本设计采用双温度传感器进行温度信号采集，适应不同温度范围的情况。本设计稳定，传输速度快，适合工业现场在线监测数据的远程传输。本设计经过简单的功能扩展，由于FPGA具有多个IO口，可以在功能上加入振动，电压等信号的采集，可广泛应用于工业现场的监控，也可以与其他系统相结合获得门开或关时现场的重要数据，并可以跟ARM结合实现远距离通信功能，在未来的发展中必将赢得更广阔的发展空间。

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