基于FPGA的遠(yuǎn)距離測溫器數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：介紹了遠(yuǎn)距離測溫器的結(jié)構(gòu)組成和工作原理，設(shè)計(jì)了基于FPGA的遠(yuǎn)距離測溫器數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)，使用Altera公司的Cyclonell系列的FPGA實(shí)現(xiàn)了包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通信等控制功能，著重?cái)⑹隽擞布c軟件的實(shí)現(xiàn)方法。該數(shù)控系統(tǒng)具有測量精度高，低功耗等特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)距離測溫；FPGA；數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)；NiosⅡ

0 引言

在一些特殊的科研場所和工業(yè)生產(chǎn)單位，出于各種條件限制，儀表往往不能就近測量物體實(shí)際溫度；而以往所使用的一些傳感器在使用時(shí)受到各種環(huán)境因素的影響，使得傳感器測量得到的溫度不能精確地反映被測物體的溫度。因此，人們需要找尋一種遠(yuǎn)距離測溫器，能夠精確測量物體溫度，并能實(shí)時(shí)監(jiān)控溫度數(shù)據(jù)。

遠(yuǎn)距離測溫器是一種被動(dòng)式的溫度遙感器，可用于遠(yuǎn)距離探測物體的溫度，在科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮了重要作用。由于在使用時(shí)人們對測溫器的測量范圍、靈敏度要求很高，同時(shí)由于當(dāng)今遙感儀器的設(shè)計(jì)越來越趨于低功耗高密度及小型化，因此，要求測溫器的數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)具有高可靠性、高分辨率、實(shí)時(shí)性、體積小等特點(diǎn)。由于FPGA的功能強(qiáng)大，邏輯速度快，可以用多種接口電平與外界通信，可以方便的更新程序以實(shí)現(xiàn)多種功能，所以本文采用Altera公司的CycloneⅡ系列的FPGA為核心進(jìn)行遠(yuǎn)距離測溫器的數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的多功能和小型化。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

遠(yuǎn)距離測溫器的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。由紅外線探測頭、光電轉(zhuǎn)換單元、放大電路、數(shù)據(jù)采集電路和數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)等功能模塊組成。紅外探測頭用于搜集物體發(fā)射出的紅外光線，將有用信號傳輸至較遠(yuǎn)且適合人操作的地方，最后使用數(shù)據(jù)處理和控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。

數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)接收計(jì)算機(jī)傳輸?shù)闹噶?，控制系統(tǒng)運(yùn)行。系統(tǒng)通電后，紅外接收天線接收的光信號模擬量經(jīng)過遠(yuǎn)距離傳輸，信號放大后經(jīng)過A／D模數(shù)轉(zhuǎn)換后再送入數(shù)據(jù)處理和控制系統(tǒng)，由數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)、與計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)通信、工作狀態(tài)控制。數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)在遠(yuǎn)距離測溫器中處于重要的位置。

數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)電路由FPGA及其外圍電路、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、電平轉(zhuǎn)換電路、總線接口電路等部分組成，如圖2所示。

FPGA根據(jù)系統(tǒng)本身的時(shí)序和計(jì)算機(jī)送入的控制指令，控制數(shù)據(jù)采集電路完成數(shù)據(jù)的采集。同時(shí)，F(xiàn)PGA內(nèi)部的可配置軟處理核NiosⅡ系統(tǒng)將根據(jù)計(jì)算機(jī)中提供的校準(zhǔn)值來修正由前端模擬電路引起的偏差，并由此生成實(shí)際誤差很小的曲線方程。校準(zhǔn)工作完畢后，整個(gè)系統(tǒng)既可脫離計(jì)算機(jī)方便地用于遠(yuǎn)距離的溫度測量，也可以用于聯(lián)機(jī)對物體溫度的實(shí)時(shí)檢測，采集到的大量數(shù)據(jù)提供給計(jì)算機(jī)作分析用。

數(shù)控系統(tǒng)采用Altera公司的CycloneⅡ系列FPGA中的EP2C8為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)。CycloneⅡ器件采用90 nm、低K值電介質(zhì)工藝，通過使硅片面積最小化，可以在單芯片上支持復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)。眾多可由用戶自行定義的I／O管腳有利于系統(tǒng)進(jìn)行外部擴(kuò)展。其配置PROM采用Altera公司提供的16 MB的EPCS4串行配置PROM，該配置器件具備在系統(tǒng)編程(ISP)能力和多次編程能力，具有包括ISP和FLASH存儲(chǔ)器訪問接口等特性。
數(shù)據(jù)采集電路采用AD公司的模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7675，該芯片只需要提供+5 V工作電源，典型功耗為15 mW，芯片轉(zhuǎn)換速度為100 KSPS，可選并行或串行采樣數(shù)據(jù)輸出，對外可選+5 V或+3．3 V接口電平。被測模擬信號電壓輸入范圍為-2．5～+2．5 V，可以做到最高16位不失碼。