基于CPLD的低功耗爆炸場(chǎng)溫度測(cè)試系統(tǒng)

張晶，裴東興，張少杰

（中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，山西 太原 030051）

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(cè)量和控制越來(lái)越受到人們的關(guān)注，對(duì)溫度的準(zhǔn)確采集及合理調(diào)控，將會(huì)對(duì)溫度要求較高的工作環(huán)境起到至關(guān)重要的作用[1]。尤其是在炸藥爆破等惡劣環(huán)境條件下對(duì)爆炸場(chǎng)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(cè)試電路對(duì)爆炸場(chǎng)溫度進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1 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)[2]。

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)原理框圖Fig.1 Principle of temperature test system

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200 mA。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[3]。控制功能圖如圖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(xiě)。

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Fig.2 CPLD control function of temperature test system

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)，κ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，常可忽略，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)[4]。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(kāi)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0.1 μA，兩通道全部打開(kāi)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=3.6 V。 ONA/、ONB/低電平有效，由CPLD內(nèi)部控制。如圖3所示。

圖3 溫度測(cè)試系統(tǒng)電源管理模塊Fig.3 Power management module of temperature test system

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(kāi)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)楦唠娖剑琌NA變?yōu)楦唠娖剑琌NAN變?yōu)榈碗娖剑娫垂芾砟K的VDD輸出有效，AD轉(zhuǎn)換部分和存儲(chǔ)模塊部分開(kāi)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)楦唠娖剑琌NBN也變?yōu)楦唠娖剑訴EE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 電源控制模塊邏輯控制圖Fig.4 Logic control of power control module

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[5－6]：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Fig.5 System state transition diagram

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Fig.6 System timing simulation

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)。

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)。

圖7 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)圖Fig.7 Actual test data

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