基于FPGA的工控領(lǐng)域監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：給出了兩路輸入信號(hào)AD轉(zhuǎn)換器AD7705與FPGA的接口應(yīng)用方案，利用該方案可對(duì)工控領(lǐng)域后臺(tái)的溫度和電壓兩路信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。其中溫度信號(hào)是利用PT電阻值隨溫度變化的線性關(guān)系將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，來實(shí)施采集。
關(guān)鍵字：PT電阻；SPI接口；AD7705

O 引言
整機(jī)在工作時(shí)，大概有4％的能量被各種電力電子器件所消耗，這些被消耗的能量以熱量的形式分別在單個(gè)模塊中通過散熱器散發(fā)出去。
針對(duì)以上的現(xiàn)象，可用PTl00鉑電阻溫度傳感器在散熱器表面感應(yīng)溫度，以保護(hù)電力電子器件不因?yàn)樵诟邷叵逻\(yùn)行而損壞。金屬鉑(Pt)的電阻值隨溫度變化而變化，并且具有很好的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性，利用鉑的此種物理特性制成的傳感器稱為鉑電阻溫度傳感器，通常使用的鉑電阻溫度傳感器的零度電阻值為100Ω，電阻變化率為0．3851Ω／℃。鉑電阻溫度傳感器具有精度高，穩(wěn)定性好，應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，是最常用的一種溫度傳感器。
串行外設(shè)接口SPI (Serial Peripheral Interface)是一種高速同步串行輸入輸出端口。近年來SPI接口廣泛應(yīng)用于外部移位寄存器、DA轉(zhuǎn)換器、AD轉(zhuǎn)換器、串行EEPROM、LED顯示驅(qū)動(dòng)器等外部設(shè)備的擴(kuò)展。SPI接口可以共享．因而便于組成帶多個(gè)SPI接口器件的系統(tǒng)。其傳送速率可編程，連接線少，并具有良好的擴(kuò)展性。
AD7705是典型的具有SPI接口的AD轉(zhuǎn)換器，可以方便地與帶有SPI模塊的控制器進(jìn)行通信。本文采用FPGA為主控制器，利用其通用I／O口來模擬SPI時(shí)序，以采集AD7705的兩路輸入信號(hào)(溫度信號(hào)和電壓信號(hào))，并將采集到的16位溫度數(shù)字信號(hào)和16位電壓數(shù)字信號(hào)送給DSP進(jìn)行處理，然后對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行算法還原，最終在1602液晶顯示器上分別顯示兩路實(shí)際信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度和電壓兩路信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

l 硬件設(shè)計(jì)方案
該系統(tǒng)的功能主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)工控領(lǐng)域后臺(tái)裝置的溫度信號(hào)和電壓信號(hào)的實(shí)時(shí)雙監(jiān)控。其中溫度信號(hào)可根據(jù)PT電阻值隨溫度變化的線性關(guān)系將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為0～2．5 V變化的電壓信號(hào)。然后送給AD7705的l通道。電壓信號(hào)則可用變壓器轉(zhuǎn)換為O～2．5 V的電壓信號(hào)，送給AD7705的2通道，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度和電壓兩路信號(hào)的采集。
1．1 P11電阻的特點(diǎn)
PT電阻值可隨溫度的變化而變化，在0℃時(shí)，電阻值為100Ω。小于0℃時(shí)，阻值隨溫度的降低而減??；大于0℃時(shí)，阻值隨溫度的增加而增大。阻值隨溫度的變化關(guān)系可用公式1和公式2表達(dá)。

其中，R1為PT電阻在溫度為t時(shí)的電阻值，R0為PT電阻在0℃時(shí)的電阻值，式(1)和式(2)為溫度系數(shù)TCR=0．003851時(shí)，PT電阻值隨溫度變化的數(shù)學(xué)表達(dá)式，其中，A、B、C三個(gè)系數(shù)分別為：

由于t2和t3項(xiàng)的系數(shù)都很小，故可近似的認(rèn)為，鉑電阻的阻值隨溫度呈線性的變化關(guān)系，又因?yàn)樗臏囟认禂?shù)為TCR=0．003851，所以在計(jì)算時(shí)，可以直接按照溫度系數(shù)來計(jì)算。如果把PTl00鉑電阻放在散熱器表面的功率器件周圍，那么，就可以根據(jù)測(cè)試點(diǎn)的電阻值估算出溫度。