基于FPGA的多通道热电阻测温系统的设计
发布时间：2020-12-18 19:20
电子技术的快速发展,为温度测量技术向高精度、集成化发展提供了更多的、更先进的器件选择方案。温度测量电路被广泛应用于工业、农业生产、航空航天、科学研究等领域,也是空间环境模拟设备研制与生产中的一项重要内容。空间环境模拟设备主要是为了在地面模拟太空的各种环境因素而设计的一种多功能综合试验设备,主要由试验容器、热沉、真空抽气机组、高低温流程、试验装置平台、温度传感器装置、控制单元等组成。本论文通过调研空间环境模拟设备测温技术的国内外研究现状、发展趋势以及现实意义,针对主要产品在因温度测量环节存在的精度低、信号抗干扰能力弱,以及测温导线穿仓带来的真空密封性等问题,采用现场可编程门阵列(FPGA)器件、专用热电阻A/D转换芯片、以及智能信息处理技术,设计一种用于空间环境模拟设备的多通道热电阻测温系统,用于实现空间环境模拟设备多点温度测量。本文设计的多通道热电阻测温系统适用于常温和真空环境下的高低温测量,实现多通道温度数据的采集,采用并行处理模式,包括模数转换、滤波处理、电阻值转换、查找分度表和加帧等过程,降低系统噪声干扰,提高数据精确度。整个系统采用SPI通信总线技术,用于实现FPGA与A/D转...
【文章来源】：西北师范大学甘肃省
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
电路板卡外形及结构
多通道热电阻测温系统设计方案9（1）采用基本降额技术，除了功能性芯片外，其它涉及到的元件普遍采用二级降额标准，部分功率元器件采用一级降额标准，减少过压、过流。（2）采用隔离电路设计，实现模拟、数字、信号、电源的隔离，避免不同供电模块及信号之间产生的干扰。（3）合理规划PCB布局，减少板卡自身产生的热量。（4）选用合适的元器件，在实现功能的基础上降低功耗。（5）采用电路过热或过冷保护机制，避免电路系统产生故障。2.4关键技术2.4.1FPGA技术FPGA-现场可编程逻辑门阵列[32]，在专用集成电路中实现半定制功能，解决了定制电路存在的弊端，克服了PLD、CPLD等可编程逻辑器件存在的门电路少、逻辑资源少等问题。与普通的模式芯片设计相比，FPGA具有集成度高、丰富的布线资源和可重复编程等特点，在数字电路设计中被得到广泛应用[33]。FPGA的设计流程包括算法设计、代码仿真以及板级调试，根据实际需求搭建设计架构，利用硬件描述语言VerilogHDL完成电路设计，利用仿真工具验证电路设计的合理性，下载代码到FPGA的配置芯片，进行板级调试，验证系统的功能性。2.4.2A/D数据采集技术AD7124-8是选自ADI公司一款内部集成PGA和基准电压源的8通道、低噪声、低功耗24位Σ-Δ位模数转换芯片，其内部可以配置成8个差分信号、15个单端信号或伪差分信号输入，同时利用芯片内部通道序列器，使各通道按顺序执行转换[34]。AD7124-8芯片如图2.5所示。图2.5AD7124-8芯片实物图
多通道热电阻测温系统硬件设计203.9PCB板设计本系统PCB通过AltiumDesigne17软件绘制，包括信号处理核心部分（EP3C25E144I7芯片）、数据采集部分（AD7124-8芯片）、数字隔离部分（ADuM5411隔离芯片）、模拟信号输入部分（四线制PT100和铑铁热电阻接口）、程序下载部分（JTAG接口和配置芯片）、数据存储部分（EEPROM芯片）和电源电压部分（5v转3.3v，2.5v、5v转1.2v电源芯片）。PCB板如图3.13所示，通过对各部分元器件进行相关的电气设置、封装设计、接口位置及合理的布线布局[54]，完成整个多通道热电阻测温系统的PCB设计。焊接完成后的PCB板的实物图如图3.14所示。图3.13PCB板图3.14实物图3.10本章小结本章针对多通道热电阻测温系统的硬件电路结构设计进行详细描述，包括各个单元电路原理图设计和PCB布局布线，从而完成整个硬件电路的焊接工作，实现整个系统硬件电路的设计。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于无线传输的热电偶测温系统设计[J]. 王军,张彦军,梁晓辉. 仪表技术与传感器. 2020(02)
[2]基于FPGA的多路极低温数据测量系统设计[J]. 梁西银,倪波波,颜昌林,刘昊,郭贝,马丽萍. 传感器与微系统. 2019(11)
[3]基于单片机的测温系统设计与实现[J]. 甘琪琛,薛安琪,钟明静. 电脑知识与技术. 2019(21)
[4]基于K型热电偶温度传感器的测温系统研究[J]. 杜林颖,于鸿彬,王磊. 现代电子技术. 2019(14)
[5]无线测温系统的设计与实现[J]. 高枫,赵星汉,高湘飞,刘梦. 通信电源技术. 2019(05)
[6]基于FPGA的多通道高精度AD采样系统设计[J]. 王冬华,许智勇. 数字技术与应用. 2019(05)
[7]基于N型热电偶的智能化多通道测温系统[J]. 徐健,林皓琨,肖新帅. 电子测量技术. 2019(08)
[8]基于MSP430的三线制Pt100测温系统设计与实现[J]. 刘意,王午鑫. 传感器与微系统. 2019(03)
[9]真空低温环境下的光纤分布式测温方法[J]. 乔通,魏鹏,田玉坤,何钦华,刘佳. 真空与低温. 2019(01)
[10]基于32位∑-ΔADC的高精度测温系统设计及误差分析[J]. 付淑芳,丁炯,杨遂军,俞雄飞,叶树亮. 仪表技术与传感器. 2019(02)
硕士论文
[1]基于FPGA与MATLAB的模拟电路特性测量系统[D]. 李华菲.北京交通大学 2019
[2]真空炉红外温度监控系统的研究[D]. 宋东东.长春工业大学 2019
[3]无线无源测温系统的无源模块设计[D]. 汪佳溢.哈尔滨工业大学 2019
[4]基于FPGA的芯片温度分布测量研究及工程应用[D]. 于文娟.北京工业大学 2019
[5]温度传感器动态校准系统中激励温度测试技术[D]. 张林.中北大学 2018
[6]分布式光纤拉曼测温系统的设计与优化[D]. 陈瑞麟.南昌航空大学 2018
[7]基于分布式光纤温度传感器的配网在线监测系统的设计与实现[D]. 刘爽.电子科技大学 2018
[8]分布式拉曼测温系统报警方法的改进及提高温度精度的研究[D]. 江凤婷.山东大学 2018
[9]基于FPGA的脉冲信号参数测量系统[D]. 张秀芝.哈尔滨理工大学 2018
[10]自适应PID温度控制系统的研究[D]. 秦士萱.长春理工大学 2017
本文编号：2924470
【文章来源】：西北师范大学甘肃省
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
电路板卡外形及结构
多通道热电阻测温系统设计方案9（1）采用基本降额技术，除了功能性芯片外，其它涉及到的元件普遍采用二级降额标准，部分功率元器件采用一级降额标准，减少过压、过流。（2）采用隔离电路设计，实现模拟、数字、信号、电源的隔离，避免不同供电模块及信号之间产生的干扰。（3）合理规划PCB布局，减少板卡自身产生的热量。（4）选用合适的元器件，在实现功能的基础上降低功耗。（5）采用电路过热或过冷保护机制，避免电路系统产生故障。2.4关键技术2.4.1FPGA技术FPGA-现场可编程逻辑门阵列[32]，在专用集成电路中实现半定制功能，解决了定制电路存在的弊端，克服了PLD、CPLD等可编程逻辑器件存在的门电路少、逻辑资源少等问题。与普通的模式芯片设计相比，FPGA具有集成度高、丰富的布线资源和可重复编程等特点，在数字电路设计中被得到广泛应用[33]。FPGA的设计流程包括算法设计、代码仿真以及板级调试，根据实际需求搭建设计架构，利用硬件描述语言VerilogHDL完成电路设计，利用仿真工具验证电路设计的合理性，下载代码到FPGA的配置芯片，进行板级调试，验证系统的功能性。2.4.2A/D数据采集技术AD7124-8是选自ADI公司一款内部集成PGA和基准电压源的8通道、低噪声、低功耗24位Σ-Δ位模数转换芯片，其内部可以配置成8个差分信号、15个单端信号或伪差分信号输入，同时利用芯片内部通道序列器，使各通道按顺序执行转换[34]。AD7124-8芯片如图2.5所示。图2.5AD7124-8芯片实物图
多通道热电阻测温系统硬件设计203.9PCB板设计本系统PCB通过AltiumDesigne17软件绘制，包括信号处理核心部分（EP3C25E144I7芯片）、数据采集部分（AD7124-8芯片）、数字隔离部分（ADuM5411隔离芯片）、模拟信号输入部分（四线制PT100和铑铁热电阻接口）、程序下载部分（JTAG接口和配置芯片）、数据存储部分（EEPROM芯片）和电源电压部分（5v转3.3v，2.5v、5v转1.2v电源芯片）。PCB板如图3.13所示，通过对各部分元器件进行相关的电气设置、封装设计、接口位置及合理的布线布局[54]，完成整个多通道热电阻测温系统的PCB设计。焊接完成后的PCB板的实物图如图3.14所示。图3.13PCB板图3.14实物图3.10本章小结本章针对多通道热电阻测温系统的硬件电路结构设计进行详细描述，包括各个单元电路原理图设计和PCB布局布线，从而完成整个硬件电路的焊接工作，实现整个系统硬件电路的设计。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于无线传输的热电偶测温系统设计[J]. 王军,张彦军,梁晓辉. 仪表技术与传感器. 2020(02)
[2]基于FPGA的多路极低温数据测量系统设计[J]. 梁西银,倪波波,颜昌林,刘昊,郭贝,马丽萍. 传感器与微系统. 2019(11)
[3]基于单片机的测温系统设计与实现[J]. 甘琪琛,薛安琪,钟明静. 电脑知识与技术. 2019(21)
[4]基于K型热电偶温度传感器的测温系统研究[J]. 杜林颖,于鸿彬,王磊. 现代电子技术. 2019(14)
[5]无线测温系统的设计与实现[J]. 高枫,赵星汉,高湘飞,刘梦. 通信电源技术. 2019(05)
[6]基于FPGA的多通道高精度AD采样系统设计[J]. 王冬华,许智勇. 数字技术与应用. 2019(05)
[7]基于N型热电偶的智能化多通道测温系统[J]. 徐健,林皓琨,肖新帅. 电子测量技术. 2019(08)
[8]基于MSP430的三线制Pt100测温系统设计与实现[J]. 刘意,王午鑫. 传感器与微系统. 2019(03)
[9]真空低温环境下的光纤分布式测温方法[J]. 乔通,魏鹏,田玉坤,何钦华,刘佳. 真空与低温. 2019(01)
[10]基于32位∑-ΔADC的高精度测温系统设计及误差分析[J]. 付淑芳,丁炯,杨遂军,俞雄飞,叶树亮. 仪表技术与传感器. 2019(02)
硕士论文
[1]基于FPGA与MATLAB的模拟电路特性测量系统[D]. 李华菲.北京交通大学 2019
[2]真空炉红外温度监控系统的研究[D]. 宋东东.长春工业大学 2019
[3]无线无源测温系统的无源模块设计[D]. 汪佳溢.哈尔滨工业大学 2019
[4]基于FPGA的芯片温度分布测量研究及工程应用[D]. 于文娟.北京工业大学 2019
[5]温度传感器动态校准系统中激励温度测试技术[D]. 张林.中北大学 2018
[6]分布式光纤拉曼测温系统的设计与优化[D]. 陈瑞麟.南昌航空大学 2018
[7]基于分布式光纤温度传感器的配网在线监测系统的设计与实现[D]. 刘爽.电子科技大学 2018
[8]分布式拉曼测温系统报警方法的改进及提高温度精度的研究[D]. 江凤婷.山东大学 2018
[9]基于FPGA的脉冲信号参数测量系统[D]. 张秀芝.哈尔滨理工大学 2018
[10]自适应PID温度控制系统的研究[D]. 秦士萱.长春理工大学 2017
本文编号：2924470
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