基于FPGA的無人飛行器溫度巡檢裝置的設計方案

1.引言

目前無人飛行器主要飛行于大氣對流層和平流層低層區(qū)間。該區(qū)間大氣溫度變化復雜，大氣環(huán)境的溫度過低或過高都將直接影響無人飛行器控制系統(tǒng)的正常工作。由于無人飛行器機身需要檢測溫度的部位較多，監(jiān)測目標比較分散，使用單一結構的溫度傳感器或結冰探測儀表難以實時、全面地掌握整個機身表而溫度狀況，因此，本設計結合已有的民用多路測溫技術，提出一種基于FPGA的適用于無人飛行器機身各部位溫度檢測和功能事務管理的多路溫度巡檢系統(tǒng)。該系統(tǒng)可在無人飛行器飛行過程中，根據(jù)需要循環(huán)監(jiān)測各部位的溫度狀況，以便能夠及早測出機身可能出現(xiàn)的結冰低溫并向系統(tǒng)發(fā)出報警信號使飛機及時飛離結冰區(qū)域或開啟除冰設計，從而達到保障飛行安全的目的。

2.設計方案的總體結構

無人飛行器溫度巡檢裝置的結構框圖如圖1所示。

本設計采用FPGA作為核心芯片，電源電路供電后，信號調(diào)理電路通過鉑電阻傳感器PT100將采集的電壓信號通過放大器放大后送給A/D采樣電路，A/D采樣電路通過采樣把模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后送給FPGA進行處理，處理數(shù)據(jù)后FPGA自動把處理結果送出，通過液晶顯示并且與鍵盤電路設定的值進行比對，如果超出設定值范圍，F(xiàn)PGA送出信號，使得蜂鳴器電路報警，繼電器電路響應，啟動加熱裝置，圖1給出了系統(tǒng)的整體框圖。

3.硬件電路設計及實現(xiàn)

按照系統(tǒng)的功能要求，裝置的硬件電路依據(jù)其功能劃分為信號調(diào)理模塊、A/D采樣模塊、FPGA最小系統(tǒng)模塊等部分。

3.1 信號調(diào)理模塊

系統(tǒng)采用惠斯通電橋接入鉑電阻傳感器PT100信號，如圖2所示。

圖2中INA、INB之差與PT100阻值變化呈線性關系，通過將INA、INB變化值采樣再對應鉑電阻傳感器P100刻度表即可換算得到實測溫度?？紤]到鉑電阻傳感器PT100探頭產(chǎn)生的信號非常微弱，很容易受到噪聲干擾，所以放大電路選擇單運放構成的儀表放大器。儀表放大器擁有差分式結構，對共模噪聲有很強的抑制作用，同時擁有較高的輸入阻抗和較小的輸出阻抗，非常適合對微弱信號的放大。圖2中R3,R4,R5,R6,R7,R8均采用低溫漂的精密電阻，R2為多圈精密可調(diào)電阻。通過電路可以計算出：

由式(1)可看出，通過增減R8的阻值即可改變增益，得到理想的放大倍數(shù)。

3.2 A/D采樣模塊

系統(tǒng)選用AD7476作為采樣芯片。該芯片是12位低功耗逐次逼近型ADC,采用單電源工作，電源電壓為2.35V至5.25V,最高吞吐速率可達1MSPS,完全滿足本系統(tǒng)的采樣精度和速度的要求。該芯片內(nèi)置一個低噪聲、寬帶寬采樣保持放大器，可處理6MHz以上的輸入頻率。

AD轉(zhuǎn)換過程和數(shù)據(jù)采集過程通過CS和串行時鐘SCLK進行控制，從而為器件與FPGA接口創(chuàng)造了條件。輸入信號在CS的下降沿進行采樣，而轉(zhuǎn)換同時在此處啟動，轉(zhuǎn)換速率取決于SCLK的時鐘頻率。圖3為AD7476的典型接線電路。

4.軟件設計

溫度巡檢裝置的軟件以VHDL語言為基礎，采樣模塊化的設計思路編程，分為液晶顯示模塊、AD采樣模塊、鍵盤輸入模塊、報警模塊和PWM控制模塊模塊。圖4給出了各模塊之間的關系圖。

系統(tǒng)首先通過AD采樣模塊對溫度進行采樣，將采樣的數(shù)據(jù)送入溫度檢測模塊進行處理。溫度檢測模塊的任務是計算將采樣來的溫度值與系統(tǒng)的預設值之間的差值，利用差值的大小來控制PWM模塊輸出脈沖寬度不同的脈沖波，通過脈沖波開控制繼電器的通斷，從而達到溫度的恒定控制。

5.實測結果

5.1 系統(tǒng)的定標

首先用高精度電阻箱代替鉑電阻傳感器Pt100對測量系統(tǒng)進行定標。根據(jù)式1所示的鉑電阻傳感器Pt100電阻和輸出電壓之間的關系，通過改變電阻箱的取值來設定相對應的測試溫度點標稱值，經(jīng)過測量系統(tǒng)、A/D采樣的計算，得到測量溫度顯示值。根據(jù)初測數(shù)據(jù)對測量電路、補償電壓進行校準后，完成對系統(tǒng)的定標工作。

5.2 系統(tǒng)實測

將鉑電阻傳感器Pt100接入測量系統(tǒng)，并置入高精度恒溫箱中(溫控精度0.01℃)進行整個溫度測量系統(tǒng)定標測量。測量時要注意恒溫箱的密封，以提高環(huán)境溫度穩(wěn)定性;恒溫箱溫度穩(wěn)定后，每隔1min對同一溫度點進行20次測量。由表1中數(shù)據(jù)可見，測量系統(tǒng)的最大誤差為0.009℃，說明Pt100鉑電阻傳感器的定標誤差較小，精度也較高，能滿足高精度溫度測量系統(tǒng)的測量要求，但溫度高端誤差較大，可能與恒溫箱溫度控制精度有關，有待于進一步定標。

6.結論

本文提出了基于FPGA的無人飛行器溫度巡檢裝置的設計方案，該方案中所設計的無人飛行器溫度巡檢裝置利用FPGA快速性、可并行性、延時固定性等特點，能夠快速，準確的檢測無人機的各部件溫度。通過實驗驗證，系統(tǒng)的最大誤差不超過0.01度，完全滿足無人飛行器對溫度采集的要求。