溫度測試系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案分析

隨著科技的發(fā)展和現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的需要，溫度的測量和控制越來越受到人們的關(guān)注，對溫度的準(zhǔn)確采集及合理調(diào)控，將會(huì)對溫度要求較高的工作環(huán)境起到至關(guān)重要的作用。尤其是在炸藥爆破等惡劣環(huán)境條件下對爆炸場溫度的分布規(guī)律的研究有助于為炸藥和相關(guān)彈藥的威力考核及分析提供依據(jù)。文中利用CPLD作為主控芯片，使用鎢錸熱電偶溫度傳感器并配以高效低功耗的測試電路對爆炸場溫度進(jìn)行動(dòng)態(tài)測試。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1．1 動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)測試

所謂存儲(chǔ)測試技術(shù)，是指在對被測對象無影響或影響在允許范圍的條件下，在被測體內(nèi)置入微型存儲(chǔ)測試儀器，現(xiàn)場實(shí)時(shí)完成信息快速采集與存儲(chǔ)，事后回收記錄儀，由計(jì)算機(jī)處理和再現(xiàn)被測信息的一種動(dòng)態(tài)測試技術(shù)。

1．2 測試系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的溫度測試系統(tǒng)，主要是利用CPLD來實(shí)現(xiàn)。溫度傳感器將外界溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為微弱的電壓信號(hào)，通過模擬電路部分將輸入信號(hào)進(jìn)行放大和濾波，再經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)化電路把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后經(jīng)過FIFO存入存儲(chǔ)器，計(jì)算機(jī)通過接口電路對數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取。其中，A／D轉(zhuǎn)換器、FIFO、存儲(chǔ)器和電源管理模塊都是由CPLD控制。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2．1 主控芯片CPLD的選擇

在本次設(shè)計(jì)中使用Xilinx公司生產(chǎn)的XCR3128作為溫度測試系統(tǒng)的主控CPLD芯片。XCR3128有100個(gè)引腳，其中有76個(gè)I／O引腳，4個(gè)信號(hào)接口，4個(gè)全局時(shí)鐘，7個(gè)VCC，8個(gè)GND，1個(gè)PORT_EN；共包含128個(gè)宏單元，VCC為3．6 V，電流限制為200mA。XCR3128封裝小，功耗低，充分滿足了實(shí)際需要。

在本次設(shè)計(jì)中，控制部分主要由CPLD控制電路時(shí)序和工作模式的產(chǎn)生?？刂乒δ軋D如圖2所示，主要功能有：

1)電源管理及控制模塊：該模塊主要實(shí)現(xiàn)測試系統(tǒng)的電源管理及全局時(shí)鐘控制，從而達(dá)到降低功耗和控制各信號(hào)初態(tài)的目的。

2)時(shí)鐘分頻模塊：該模塊主要實(shí)現(xiàn)對從晶體振蕩器輸出到CPLD的時(shí)鐘進(jìn)行分頻，從而得到A／D轉(zhuǎn)換器、存儲(chǔ)器和FIFO需要的時(shí)序。

3)編程觸發(fā)比較模塊：該模塊主要實(shí)現(xiàn)觸發(fā)溫度數(shù)字電平的編程，通過移位寄存器實(shí)現(xiàn)；數(shù)字比較部分是把A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果和所編溫度數(shù)字電平值比較判斷觸發(fā)與否。

4)FIFO及存儲(chǔ)器地址模塊：該模塊主要實(shí)現(xiàn)生成FIFO和存儲(chǔ)器需要的地址，F(xiàn)IFO和存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)讀寫。

5)A／D時(shí)序產(chǎn)生模塊：該模塊主要實(shí)現(xiàn)A／D轉(zhuǎn)換器的CONVST／和讀信號(hào)的時(shí)序生成。

6)讀數(shù)模塊：該模塊主要實(shí)現(xiàn)讀數(shù)接口的邏輯連接控制，接收計(jì)算機(jī)發(fā)送的脈沖信號(hào)，以完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康摹?/p>

2.2 溫度傳感器

在爆炸場等高溫、高壓、高沖擊的惡劣環(huán)境下采集瞬時(shí)溫度的動(dòng)態(tài)變化對溫度傳感器要求很高，因此選用了美國NANMAC公司的E12鎢錸侵蝕熱電偶。該熱電偶瞬態(tài)溫度響應(yīng)時(shí)間僅為幾百微妙，溫度范圍高達(dá)2 315℃，耐壓程度高達(dá)69 MPa，完全能夠滿足爆炸場溫度測試的需要。

熱電偶是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料的熱電效應(yīng)將溫度的變化轉(zhuǎn)換為電動(dòng)勢的變化，熱電偶回路中產(chǎn)生的電動(dòng)勢差為：

NA、NB為材料A、B的電子密度；σA、σB為導(dǎo)體A、B的湯姆遜系數(shù)，K為波爾茲曼常數(shù)。

由于導(dǎo)體湯姆遜效應(yīng)引起的電動(dòng)勢差相比較小，?？珊雎裕虼水?dāng)熱電偶的兩種材料的特性為已知時(shí)，一端溫度固定，則待測溫度T是電動(dòng)勢的單值函數(shù)。為了使E12鎢錸熱電偶冷端溫度固定在0℃，本次設(shè)計(jì)采用了補(bǔ)償電橋法補(bǔ)償冷端的溫度變化。