基于CPLD的溫度測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201610/308509.htm1.1 動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)測(cè)試
所謂存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù),是指在對(duì)被測(cè)對(duì)象無(wú)影響或影響在允許范圍的條件下,在被測(cè)體內(nèi)置入微型存儲(chǔ)測(cè)試儀器,現(xiàn)場(chǎng)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(cè)信息的一種動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)。
1.2 測(cè)試系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
本次設(shè)計(jì)的溫度測(cè)試系統(tǒng),主要是利用CPLD來(lái)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(guò)模擬電路部分將輸入信號(hào)進(jìn)行放大和濾波,再經(jīng)過(guò)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(guò)FIFO存入存儲(chǔ)器,計(jì)算機(jī)通過(guò)接口電路對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取。溫度測(cè)試系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。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。
圖1 溫度測(cè)試系統(tǒng)的原理框圖
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(cè)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(cè)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(duì)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(guò)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>
圖2 溫度測(cè)試系統(tǒng)CPLD控制功能圖
2.2 溫度傳感器
在爆炸場(chǎng)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(duì)溫度傳感器要求很高,因此選用了美國(guó)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(chǎng)溫度測(cè)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(shì)的變化,熱電偶回路中產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)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(shì)差相比較小,??珊雎?,因此當(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(cè)溫度T是電動(dòng)勢(shì)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。
2.3 電源管理模塊
由于溫度測(cè)試系統(tǒng)經(jīng)常需要在惡劣的環(huán)境中工作,所需的能量都是靠一次性的高溫電池來(lái)供給,電量有限。而溫度測(cè)試系統(tǒng)往往要求測(cè)試過(guò)程很長(zhǎng),為了減小在測(cè)量過(guò)程中由于電量不足而使電路不能正常工作的可能性,就必須考慮測(cè)試系統(tǒng)低功耗的要求。因此設(shè)計(jì)了先進(jìn)的電源管理模塊,即電路在需要工作時(shí)給其供電,在不需要工作時(shí)斷電,減小電路無(wú)效操作時(shí)功耗的比例。
為了減少不必要的損耗,采用了多路電源供電管理模式,分別為:VCC、VDD、VEE.VCC和CPLD相連接,存儲(chǔ)模塊部分、AD轉(zhuǎn)換部分由VDD供電,運(yùn)算放大器、晶振由VEE控制。
本系統(tǒng)中選用雙通道電源開關(guān)芯片MAX894作為電源管理芯片,其供電范圍為2.7~5.5 V,關(guān)斷時(shí)消耗電流僅為0.1μA,兩通道全部打開是消耗電流約為17 μA.在本次設(shè)計(jì)中MAX894芯片輸入電源VCC=3.6 V,通過(guò)ONA/控制產(chǎn)生VDD=3.6 V,通過(guò)ONB/控制產(chǎn)生VEE=3.6V. ONA/ONB/低電平有效,由CPLD內(nèi)部控制。如圖3所示。
圖3 溫度控制系統(tǒng)電源管理模塊
電源管理模塊在CPLD內(nèi)部的控制部分如圖4所示,ONON和OFF是電路模塊的開關(guān),TC/是CPLD外接晶振的使能端,高電平有效。當(dāng)電路上電后,ONON變?yōu)楦唠娖?,ONA變?yōu)楦唠娖?,ONAN變?yōu)榈碗娖?,電源管理模塊的VDD輸出有效,AD轉(zhuǎn)換部分和存儲(chǔ)模塊部分開始工作。由于晶振此時(shí)處于工作狀態(tài),所以TC為低電平,ONBN也是低電平,電源管理部分的VEE輸出有效。當(dāng)存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)空間存滿后,晶振停止工作,TC變?yōu)楦唠娖?,ONBN也變?yōu)楦唠娖?,所以VEE輸出無(wú)效,運(yùn)算放大器部分關(guān)閉。此時(shí)電路處于微功耗狀態(tài),存儲(chǔ)器處于待讀數(shù)狀態(tài)。當(dāng)存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)被讀出后,電路可以關(guān)閉。此時(shí)除了CPLD,所有器件均被關(guān)閉。
圖4 電源管理模塊邏輯控制圖
3 軟件設(shè)計(jì)
溫度測(cè)試系統(tǒng)的工作流程規(guī)劃為5個(gè)部分:接通電源的初始狀態(tài)、上電后的循環(huán)采樣狀態(tài)、觸發(fā)后的采樣存儲(chǔ)狀態(tài)、采集完后的待讀數(shù)狀態(tài)、數(shù)據(jù)讀出及數(shù)據(jù)處理狀態(tài)。溫度測(cè)試系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖5所示。
圖5 系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖
圖6為測(cè)試系統(tǒng)的仿真時(shí)序圖,通過(guò)多次軟件仿真,得出正確的仿真結(jié)果,表明了本次設(shè)計(jì)的溫度測(cè)試系統(tǒng)在理論上能夠滿足測(cè)試要求。
圖6 系統(tǒng)時(shí)序仿真圖
圖7為實(shí)際溫度測(cè)試結(jié)果圖,通過(guò)VB軟件處理得到。在此次實(shí)驗(yàn)中溫度測(cè)試系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)曲線與所給環(huán)境溫度的動(dòng)態(tài)變化基本一致,表明本次設(shè)計(jì)的基于CPLD的溫度測(cè)試系統(tǒng)能夠可靠準(zhǔn)確地采集數(shù)據(jù)信號(hào)。
圖7 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)圖
4 結(jié)論
本次設(shè)計(jì)的溫度測(cè)試系統(tǒng),采用集成度高、可靠性強(qiáng)、功耗較低的CPLD作為主控單元,運(yùn)用耐高溫高壓、響應(yīng)時(shí)間快的熱電偶作為溫度傳感器,匹配先進(jìn)的電源管理模塊實(shí)現(xiàn)了測(cè)試系統(tǒng)的低功耗,并結(jié)合動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù),能夠應(yīng)用于環(huán)境條件比較差的惡劣環(huán)境中,在可靠可信、微功耗的基礎(chǔ)上能得到較好的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
評(píng)論