基于FPGA的熱電偶溫度巡檢儀設計

內蒙古科技大學 信息工程學院，內蒙古包頭 014010

一、引言

在工業領域極端惡劣的工作環境下，溫度的測量常伴有巨大的撞擊力或高溫氣體的高速流動，其共同特點是溫度高且瞬態變化。工業生產中要求對溫度的測量能夠面向多目標且及時、精確，因此對于溫度巡檢儀性能的提升方法亟待研究。目前市面上常見的溫度巡檢儀通常以單片機為核心，有著一定的局限性，例如在面對多路同時測溫時需要接入多路A/D轉換器，單片機要進行仔細的資源分配與總線隔離，且運行速度很低。

FPGA有著豐富的I/O資源并能夠將外部時鐘倍頻。基于FPGA的熱電偶溫度巡檢儀相比于傳統的溫度巡檢儀，具有運行速度更快、精度更高、能夠處理更復雜功能、方便進行二次開發等優勢。

本文基于FPGA設計了一種熱電偶溫度巡檢儀，采用K型熱電偶作為測溫傳感器，用高集成芯片MAX6675實現冷端溫度補償、放大和數模轉換，通過FPGA對前端電路進行控制，經譯碼之后送LED進行顯示，能夠實現8路溫度的測量，測溫范圍可達0～1000℃，在實驗中每個測試點的測量溫度與實際溫度誤差均小于10℃，整個巡檢儀在測溫范圍內的測溫誤差小于1%。同時FPGA有著豐富的I/O資源并能夠將外部時鐘倍頻，在之后的研究中有著很大的二次開發空間，在未來的高溫作業中不僅可以做到更快更準，還可以更加的智能。

二、總體設計方案

系統主要包括FPGA芯片、K型熱電偶溫度傳感器、集成片MAX6675、鍵盤電路及顯示輸出。系統結構圖如圖1所示。

熱電偶輸出信號直接通過集成芯片MAX6675處理，再經FPGA芯片后在LED上顯示，在顯示電路之前加入了鍵盤，使得用戶可以手動查看所需通道的測量數據，便于記錄。

此設計是對八路溫度進行巡回檢測，主要運用了MAX6675集成芯片的強大功能，K型熱電偶所測數據經CD4051多通道選擇后，采用專用集成芯片MAX6675對K熱電偶進行冷端溫度補償及線性化處理，通過FPGA芯片對處理后的數據進行串并轉換，經譯碼之后送LED進行顯示[1]。

三、系統硬件設計

1、多路選擇開關

CD4051是單8通道數字控制模擬電子開關，有A、B和C三個二進制控制輸入端及INH共4個輸入，具有低導通阻抗和很低的截止漏電流。當INH輸入端=“1”時，所有的通道截止。只有當INH=0，三位二進制信號可以通過在8信道的信道選擇，連接輸入輸出。其中VEE可以接負電壓，也可以接地。其硬件電路如圖2所示。

2、集成芯片MAX6675

MAX6675采用8引腳SO貼片封裝，主要引腳包括：

MAX6675的內部結構如圖3所示，主要由熱電偶模擬信號放大電路、冷端溫度補償電路、A/D轉換電路及數字控制電路等組成[2]。

根據熱電偶的原理，其產生的熱電勢滿足下列關系：

式中：t—熱端溫度；t0—冷端溫度；

0—0℃。

MAX6675采用標準的SPI串行外設總線與MCU接口，且MAX6675只能作為從設備[3]。MAX6675從SPI串行接口輸出數據的過程如下：MCU使變低并提供時鐘信號給SCK，由SO讀取測量結果。變低將停止任何轉換過程，變高將啟動一個新的轉換過程。一個完整串行接口讀操作需16個時鐘周期，在時鐘的下降沿讀16個輸出位，第1位和第15位是一偽標志位，并總為0[4]；第14位到第3位為以MSB到LSB順序排列的轉換溫度值；第2位平時為低，當熱電偶輸入開放時為高。

3、顯示電路

此方案采用共陽極接法的七段LED數碼管顯示。七段數碼管一般由8個發光二極管組成，其中由7個細長的發光二極管組成數字顯示，另外一個圓形的發光二極管顯示小數點[5]。

七段數碼管每段的驅動電流和其他單個LED發光二極管一樣，一般為5～10mA；由于發光材料不同，其正向電壓通常為為1.8～2.5V不等。當發光二極管導通時，相應的一個點或一個筆畫發光。其硬件電路如圖4所示。

4、FPGA選型

FPGA選型主要基于以下幾點：

(1)軟件開發環境：包含QuartusII軟件、SOPC片上集成系統、NIOSII處理器。

(2)儲量的大小：一定量的內存資源（包括RAM、ROM、FLASH、SDRAM等）、PLL 資源、邏輯塊資源和 I/O 接口資源等，以減少片外資源的擴展、降低硬件開發難度。

(3)第三方開發工具： Modelsim仿真工具，VHDL 與VerilogHDL仿真器[6]。

(4)使用廣泛，且包含大量的相關FPGA資料。

因為Altera 公司的產品在亞太地區使用多一些，與它相關方面的學習資料和教程相對來說比較多，基于上述幾點，我們所采用的FPGA芯片為CycloneⅡ系列型號為EP2C5Q208C8N。Cyclone II能夠在更低的成本下制造出更大容量的器件。這種新的器件比第一代Cyclone產品具有兩倍多的I/O引腳，且對可編程邏輯，存儲塊和其它特性進行了最優的組合，具有許多新的增強特性[7]。板上提供了大容量的SDRAM和Flash ROM等存儲單元，有2個高性能PLL與142個用戶自定義I/O口可以充分滿足設計需求，標準的2.54mm間距的擴展插座供用戶方便使用，電源管理模塊只需要外接5VDC電源即可。

四、系統軟件設計

1、通道選擇模塊

通道選擇部分是一個二進制模8的計數器，計數器的時鐘是MAX6675數字信號的鎖存信號，每次鎖存數據后，計數器就會一次進行加一操作，CD4051選擇下一個通道的溫度信號進行采集。在QuartusⅡ中用VHDL語言設計圖形如圖5所示。

2、延時模塊設計

在狀態機的采樣控制部分中加入了輸出數據的編碼，因為要循環采集8路模擬信號，而輸出為一路輸出，這樣就需要對輸出信號進行標志，方法就是把12位數據轉換為16位數據，第1位是0，第2位到第4位是標志位，標志是哪一通道數字信號，串行輸出的時候可以讓接受方知道是第幾通道的數據。此外，由于數字信號數據鎖存信號是比信道選擇信號更早的一個周期，增加了延遲模塊，使得每個信道可以被鎖定，并且可以存儲采樣數據[8]。通過程序來實現對通道選擇信號的延時。VHDL語言設計圖形如圖6所示。

3、MAX6675控制模塊

在QuartusⅡ9.0環境下用VHDL程序實現MAX6675控制模塊。對外部集成芯片MAX6675的控制由以下模塊來實現。SCK表示串行時鐘輸入；當為低電平時，啟動串行輸入接口；SO為串行數據輸出，如圖7所示。

4、串并轉換模塊

集成模塊MAX6675輸出數據為串行數據，為了使其通過數碼管顯示需要制作一個內部12位串并轉換模塊，將其輸出的串行數據轉換為并行數據。

在QuartusⅡ9.0環 境 下 由VerilogHDL程序實現串并轉換模塊。如圖8所示。

（1）該設計讀取如下的輸入符號：

data_in：串行輸入數據；

rst_n：復位信號。當它為高電平時，則轉換復位。所有輸出置零，并且準備讀取下一個串行數據；

clk：時鐘信號。在clk的正邊沿，讀入輸入信號值data_in，轉換輸出也只在clk的正邊沿有效。

（2）該設計產生如下的輸出：

data_out：串行數據轉換后的12位輸出值；

dout_en：輸出位。在clk的正邊沿時，該信號為‘1’，表示data_out被讀取；

5、七段譯碼顯示模塊

在數字系統中，常常將譯碼輸出顯示為十進制數字或其他符號。因此，能直接驅動數字顯示器，或者能與顯示器配合起來使用。七段數碼管有共陰極和共陽極接地兩種接法[9]。共陰極地需要解碼器輸出一個高電平來驅動數字管，而公共陽極地需要解碼器輸出低驅動數字管發光。

本設計中采用的是共陽極接法，用到的數碼管共有5個，第一個用38譯碼器將CD4051選通的通道號進行譯碼顯示，后面四個對所測溫度讀數顯示，可以直觀的看到測量的通道號及其對應的溫度。

其模塊如圖9所示，定義Y為8位的輸出，及設置的ls138有8個輸出端口，定義A為3位的輸入，由高位到低位分別為A2端口，A1端口，A0端口。

七段譯碼器的外部接口如圖10所示，cnt為四比特的BCD碼輸入，led為輸出，寬度為七位，即要送到LED管顯示用的七段碼，即a、b、c、d、e、f、g。

五、仿真及結果分析

1、通道選擇模塊仿真

通過CNT[0]到CNT[2]來選擇相應的通道，CD4051的輸出就是最后要進行ADC采樣的溫度信號。例如：若CNT[0]CNT[1]CNT[2]=“000”，則選擇第一通道溫度信號進行A/D采樣，隨后每隔25ms，CNT[0]CNT[1]CNT[2]的值就會加一，ADC便會選擇下一通道進行采樣，當CNT[0]CNT[1]CNT[2]=“111”對第八通道采樣完畢后，則會恢復至“000”，重新開始對第一通道進行采樣，以此循環。這個部分實現的重點是對數字鎖存信號記數，計數器的輸出作為CD4051的通道選擇地址，通道選擇模塊的仿真圖如圖11所示。

2、通道顯示模塊仿真

第一個數碼管用來顯示所測溫度的通道號，設計要求顯示數值與CD4051所選通通道一致，例如：當CD4051選通4號通道時，溫度巡檢儀會對4號通道溫度進行測量顯示，此時數碼管顯示輸出4。設置時鐘信號為100ns，及每隔100ns會從1通道變為2通道，依此類推，直到8通道后重新顯示為1通道，無限循環，可以實現巡檢儀通道號的顯示功能。仿真結果如圖12所示。

六、結論

多通道采樣系統的實現，為一些特殊領域的實時測控提供了新的思路與方法。研究中將其運用到測溫領域制作了基于FPGA的熱電偶溫度巡檢儀，整體系統在調試中性能穩定，能夠循環顯示8路溫度，達到了預期目標。將FPGA與集成度較高的MAX6675芯片結合使用并通過LED及時顯示，不僅使溫度巡檢儀運行速度更快、穩定性更好、精度更高，而且節省了開發所需空間、減少了資源消耗，在高要求的工業場合中具有很大的參考和利用價值。