基于FPGA的遠距離測溫器數控系統(tǒng)設計

摘要：介紹了遠距離測溫器的結構組成和工作原理，設計了基于FPGA的遠距離測溫器數控系統(tǒng)的數據采集與控制系統(tǒng)，使用Altera公司的Cyclonell系列的FPGA實現(xiàn)了包括數據采集、數據通信等控制功能，著重敘述了硬件與軟件的實現(xiàn)方法。該數控系統(tǒng)具有測量精度高，低功耗等特點。
關鍵詞：遠距離測溫；FPGA；數據采集與控制系統(tǒng)；NiosⅡ

0 引言

在一些特殊的科研場所和工業(yè)生產單位，出于各種條件限制，儀表往往不能就近測量物體實際溫度；而以往所使用的一些傳感器在使用時受到各種環(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距離測溫器，能夠精確測量物體溫度，并能實時監(jiān)控溫度數據。

遠距離測溫器是一種被動式的溫度遙感器，可用于遠距離探測物體的溫度，在科學研究和工業(yè)生產中發(fā)揮了重要作用。由于在使用時人們對測溫器的測量范圍、靈敏度要求很高，同時由于當今遙感儀器的設計越來越趨于低功耗高密度及小型化，因此，要求測溫器的數據處理與控制系統(tǒng)具有高可靠性、高分辨率、實時性、體積小等特點。由于FPGA的功能強大，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為核心進行遠距離測溫器的數控系統(tǒng)設計，實現(xiàn)了系統(tǒng)的多功能和小型化。

1 系統(tǒng)結構

遠距離測溫器的結構框圖如圖1所示。由紅外線探測頭、光電轉換單元、放大電路、數據采集電路和數據處理與控制系統(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且適合人操作的地方，最后使用數據處理和控制系統(tǒng)進行控制。

數據處理與控制系統(tǒng)接收計算機傳輸的指令，控制系統(tǒng)運行。系統(tǒng)通電后，紅外接收天線接收的光信號模擬量經過遠距離傳輸，信號放大后經過A／D模數轉換后再送入數據處理和控制系統(tǒng)，由數據處理與控制系統(tǒng)進行數據采集和存儲、與計算機的數據通信、工作狀態(tài)控制。數據處理與控制系統(tǒng)在遠距離測溫器中處于重要的位置。

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

FPGA根據系統(tǒng)本身的時序和計算機送入的控制指令，控制數據采集電路完成數據的采集。同時，F(xiàn)PGA內部的可配置軟處理核NiosⅡ系統(tǒng)將根據計算機中提供的校準值來修正由前端模擬電路引起的偏差，并由此生成實際誤差很小的曲線方程。校準工作完畢后，整個系統(tǒng)既可脫離計算機方便地用于遠距離的溫度測量，也可以用于聯(lián)機對物體溫度的實時檢測，采集到的大量數據提供給計算機作分析用。

數控系統(tǒng)采用Altera公司的CycloneⅡ系列FPGA中的EP2C8為核心進行設計。CycloneⅡ器件采用90 nm、低K值電介質工藝，通過使硅片面積最小化，可以在單芯片上支持復雜的數字系統(tǒng)。眾多可由用戶自行定義的I／O管腳有利于系統(tǒng)進行外部擴展。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存儲器訪問接口等特性。
數據采集電路采用AD公司的模數轉換器AD7675，該芯片只需要提供+5 V工作電源，典型功耗為15 mW，芯片轉換速度為100 KSPS，可選并行或串行采樣數據輸出，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。