CN118687703A - 基于fpga的多通道高速同步测温仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于FPGA的多通道高速同步测温仪，涉及测温仪技术领域，包括以下部分构成：高精度电源部分，为整个设备提供电能，多种低压差线性稳压器模块为不同电路模块提供稳定电源，高精度温度转换部分，将采集到的热电动势进行滤波和数模转换，FPGA主控部分，FPGA作为前端数据采集等模块的主控制器，此基于FPGA的多通道高速同步测温仪，通过设计的多通道、高速、高精度和低延时、高传输速率的温度采集设备，可以满足某些特殊领域下对温度采集的高速、多通道等需求，以此来获得更多的数据进行相关的实验实现和科学分析，用户可以在配套上位机配置采样速率等参数，以此来获得不同参数下的温度数据。

Description

基于FPGA的多通道高速同步测温仪

技术领域

本发明涉及测温仪技术领域，具体为基于FPGA的多通道高速同步测温仪。

背景技术

在工业生产过程和科学实验过程中，温度是需要测量和控制的重要参数之一，测温设备中热电偶因其更宽的测温区间、更快的反应速度以及测量精度，应用极为广泛，热电偶有K型、J型等多种类型，均是将温度转换成微弱电压信号，再通过模数转换器(后文简称ADC)电路进行转换，最终由ARM、FPGA、DSP等处理器对数据进行处理。

现有的应用场景和方案：因常规应用场景的升温和降温速率降低，因此可以直接使用ARM(或DSP等单片机)配合ADC芯片的方案，另外因热电偶转换得到的电压信号一般最大在几十毫伏，且实际使用场景的某些因素会导致电路板上会有工频、次耦合等共模干扰等，因此，采取的策略一般是先使用模拟电路进行放大得到差分信号，再使用高精度ADC芯片将电压信号转换为数字信号，最终由ARM(或DSP等单片机)进行处理、传输、存储及显示等。

使用FPGA+(多片)ADC+千兆以太网(UDP协议)方案设计了一套温度采集系统，其特点是在保证温度精度的前提下，实现多通道、高速、同步、低延时温度采集，为某些急速升降温、阵列式温度采集领域提供了一种解决方案。为此，我们提出基于FPGA的多通道高速同步测温仪。

发明内容

本发明的目的在于提供基于FPGA的多通道高速同步测温仪，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于FPGA的多通道高速同步测温仪，包括以下部分构成：

A1：高精度电源部分，为整个设备提供电能，多种低压差线性稳压器模块为不同电路模块提供稳定电源；

A2：高精度温度转换部分，将采集到的热电动势进行滤波和数模转换；

A3：FPGA主控部分，FPGA作为前端数据采集等模块的主控制器，充分发挥FPGA的高速、并行、低延时特性完成对前端A/D转换芯片的控制和数据采集，并采集的数据进行处理并发送至千兆以太网模块；

A4：模拟信号触发转换部分，接收外部24V触发信号，并与FPGA协作控制采集的开启，进而为用户提供灵活的触发模式。

优选的，所述A1中的供电包括，FPGA的逻辑工作电压、24V外部触发信号的转换、以太网模块的供电以及ADS1255的模拟工作电压、数字工作电压、高精度参考电压。

优选的，所述A1的具体包括，先对外部提供的12V直流电源进行初步转换得到9V直流稳压电源，再使用REF3025芯片将9V转换成5V、3.3V、2.5V电压。

优选的，所述A2的具体包括，将热电偶的电动势信号直接通过补偿导线输入设备后，经精简的低通滤波器后以差分形式直接输入A/D转换模块。

优选的，所述A3包括以下模块：

B1：主控模块，FPGA通过以太网接收并解析来自上位机的启动方式、采集速率等命令，并控制触发模块和温度采集与处理模块进行温度采集、处理；最后经过缓存将采集数据按照规定的协议通过以太网端口以UDP协议向外发送；

B2：触发模块，FPGA主控部分接收来自外部上位机的触发模式等命令，并结合来自模拟信号触发转换部分的硬件触发信号对采集部分进行启动等控制；

B3：数据采集与处理模块，受主控模块控制，主控模块依据外部上位机的相关配置信息对A/D采集部分进行模式配置，该模块将采集的数据进行处理送至主控模块。

优选的，所述A4具体包括，将来自于设备外部的24V触发信号进行转换得到3.3V的逻辑电平，为了给用户提供更为灵活的触发方式，数据采集与处理模块的触发部分由软、硬件协同控制，FPGA先接收上位机的软启动信号，再等到来自模拟信号转换部分的得到的启动信号才启动数据采集与处理模块。

优选的，所述热电偶包括K型热电偶与J型热电偶，所述K型热电偶与J型热电偶产生的感应热电动势的电压值范围均为0至100mV。

优选的，所述A/D模块的A/D芯片采用多通道24位工业模数转换器ADS1255。

优选的，所述A1中转化的2.5V作为ADC芯片的高精度参考电源。

优选的，所述低通滤波器采用ΔΣ线性相位数字滤波器。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明通过设计的多通道、高速、高精度和低延时、高传输速率的温度采集设备，可以满足某些特殊领域下对温度采集的高速、多通道等需求，以此来获得更多的数据进行相关的实验实现和科学分析，用户可以在配套上位机配置采样速率等参数，以此来获得不同参数下的温度数据。

附图说明

图1为本发明硬件方案整体框架图；

图2为本发明低压线性稳压模块图；

图3为本发明ADC芯片高精度参考电源原理图示意图；

图4为本发明热电势信号调理与转换电路示意图；

图5为本发明热电势信号调理与转换电路原理图；

图6为本发明上机页面的分立窗口图；

图7为本发明上机页面的合并窗口图；

图8为本发明热电偶采集结果图；

图9为本发明OHR-B00信号发生器采集结果图；

图10为本发明同步性和采集速率结果图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

请参阅图1-10，本发明提供一种技术方案：基于FPGA的多通道高速同步测温仪，本发明针对背景技术中提到的技术问题进行相应的改进，包括以下部分构成：

A1：高精度电源部分，为整个设备提供电能，多种低压差线性稳压器模块为不同电路模块提供稳定电源；

A2：高精度温度转换部分，将采集到的热电动势进行滤波和数模转换；

A3：FPGA主控部分，FPGA作为前端数据采集等模块的主控制器，充分发挥FPGA的高速、并行、低延时特性完成对前端A/D转换芯片的控制和数据采集，并采集的数据进行处理并发送至千兆以太网模块；

A4：模拟信号触发转换部分，接收外部24V触发信号，并与FPGA协作控制采集的开启，进而为用户提供灵活的触发模式；

A1中的供电包括，FPGA的逻辑工作电压、24V外部触发信号的转换、以太网模块的供电以及ADS1255的模拟工作电压、数字工作电压、高精度参考电压；

A1的具体包括，先对外部提供的12V直流电源进行初步转换得到9V直流稳压电源，再使用REF3025芯片将9V转换成5V、3.3V、2.5V电压；

A2的具体包括，将热电偶的电动势信号直接通过补偿导线输入设备后，经精简的低通滤波器后以差分形式直接输入A/D转换模块；

A3包括以下模块：

B1：主控模块，FPGA通过以太网接收并解析来自上位机的启动方式、采集速率等命令，并控制触发模块和温度采集与处理模块进行温度采集、处理；最后经过缓存将采集数据按照规定的协议通过以太网端口以UDP协议向外发送；

B2：触发模块，FPGA主控部分接收来自外部上位机的触发模式等命令，并结合来自模拟信号触发转换部分的硬件触发信号对采集部分进行启动等控制；

B3：数据采集与处理模块，受主控模块控制，主控模块依据外部上位机的相关配置信息对A/D采集部分进行模式配置，该模块将采集的数据进行处理送至主控模块；

A4具体包括，将来自于设备外部的24V触发信号进行转换得到3.3V的逻辑电平，为了给用户提供更为灵活的触发方式，数据采集与处理模块的触发部分由软、硬件协同控制，FPGA先接收上位机的软启动信号，再等到来自模拟信号转换部分的得到的启动信号才启动数据采集与处理模块；

热电偶包括K型热电偶与J型热电偶，K型热电偶与J型热电偶产生的感应热电动势的电压值范围均为0至100mV；

A/D模块的A/D芯片采用多通道24位工业模数转换器ADS1255；

A1中转化的2.5V作为ADC芯片的高精度参考电源；

低通滤波器采用ΔΣ线性相位数字滤波器。

本实施例的具体实施方式为：

A1：高精度电源部分的设计

供电包含FPGA的逻辑工作电压、24V外部触发信号的转换、以太网模块的供电以及ADS1255的模拟工作电压、数字工作电压、高精度参考电压等，采取低压线性稳器，其可以解决传统的线性稳压器的一些应用上的限制条件，低压线性稳压器还具有噪音低和静态电流小等优点，鉴于这些情况，选用了低压线性稳压器；

先对外部提供的12V直流电源进行初步转换得到9V直流稳压电源，再使用REF3025芯片将9V转换成5V、3.3V、2.5V等电压，其中2.5V作为ADC芯片的高精度参考电源，这直接关系到系统的采集精度，ADC芯片高精度参考电源原理图如图3所示。

A2：高精度温度转换部分的设计

前端K、J型热电偶产生的感应热电动势的电压值范围为0至100mV，为避免温度变送器等外部模拟调理电路带来的非线性、温度漂移等缺点，本系统将热电偶的电动势信号直接通过补偿导线输入设备后，经精简的低通滤波器后以差分形式直接输入A/D转换模块，其中A/D芯片采用多通道24位工业模数转换器ADS1255，其支持低速模式、低功耗模式、高精度模式和高速模式，低通滤波器采用ΔΣ线性相位数字滤波器，其精度为24位、电压转换范围为-5～5V(可调)，折算精度为0.3uV，对应温度精度约合0.01℃量级，图4给出了热电势信号调理与转换电路示意图，图5给出了具体的原理图设计。

A3：FPGA主控部分的设计

主控模块负责与上位机的交互、触发控制以及最核心的温度采集与处理任务。

B1:主控模块,FPGA通过以太网接收并解析来自上位机的启动方式、采集速率等命令，并控制触发模块和温度采集与处理模块进行温度采集、处理；最后经过缓存将采集数据按照规定的协议通过以太网端口以UDP协议向外发送；

B2:触发模块,FPGA主控部分接收来自外部上位机的触发模式等命令，并结合来自模拟信号触发转换部分的硬件触发信号对采集部分进行启动等控制；

B3：数据采集与处理模块，该模块受主控模块控制，主控模块依据外部上位机的相关配置信息对A/D采集部分进行模式配置，该模块将采集的数据进行处理送至主控模块。

A4：模拟信号触发转换部分的设计

模拟信号转换部分将来自于设备外部的24V触发信号进行转换得到3.3V的逻辑电平，为了给用户提供更为灵活的触发方式，数据采集和处理模块的触发部分由软、硬件协同控制，FPGA先接收上位机的软启动信号，再等到来自模拟信号转换部分的得到的启动信号才启动数据采集与处理模块。

温度采集设备硬件支持来自如上位机来自的软件配置命令如表1所示，可以接收的上位机命令如表3所示。

表1本发明硬件设备上传的数据协议

为了适配更多的使用场景，本发明的温度采集设备硬件支持来自如上位机来自的软件配置命令如表2所示，可以接收的上位机命令如表2、表3和表4所示。

表2本发明硬件设备可以接收的配置命令数据协议-配置模式

表4本发明硬件设备可以接收的配置命令数据协议-启动模式

实施例二

上位机界面

图6所示为上位机主界面，主要包含主菜单栏、主快捷键，以及采集结果监测等；

(1)主菜单栏

主菜单栏包含参数设置(主要是IP地址、端口等设置)、历史数据回看(便于定位历史数据文件)、ADC数据校准(针对不同批次设备的校准)等。

(2)主快捷键

主要是采集速率的设置、网络的连接、设备的自校准、设备启动设置，以及采集结果监测窗口选择与设置。

(3)采集结果监测界面

采集结果监测两种观测窗口，第一种是用于显示16个通道的分立窗口，如图6所示；第二种是用于在同一窗口显示16个通道的合并窗口，如图7所示。

实施例三

测试结果

以下以K型热电偶、型号为OHR-B00信号发生器(用于模拟不同温度下热电偶的信号)，以及普通的函数信号发生器两种信号源作为设备的信号源进行测试。其中，热电偶主要是展示系统的误差抖动；OHR-B00主要是展示本设备的测量精度；函数信号发生器主要是验证系统的同步性和采样率；

(1)K型热电偶采集结果-误差抖动范围

图8所示为K型热电偶的测量结果，热电偶置于室温环境，测量结果为23.6℃，从图7的第1排，第3列窗口可以看出，温度抖动范围介于23.5～23.7℃。误差±0.1℃。

(2)OHR-B00信号发生器采集结果-测量精度

图9为使用OHR-B00信号发生器模拟的K型热电偶在500℃下的电压信号的采样结果，温度为499.9摄氏度，对照图10，误差抖动范围仍介于±0.1℃。

(3)函数信号发生器采集结果-同步性和采集速率

图9是使用普通的函数信号发生器(RIGOL的DG1022型)，将其输出设置为：频率为20Hz、幅度为20mV，偏置直流偏置为10mV的正弦波，并将该信号一分为二，给任意本设备的任意两个通道(如通道2和4)，本设备的采集速率设置为1000SPS，采集结果如图10所示，可以看出每个正弦波周期采样点数约为50个(1000SPS/20Hz)采样点，通道1和通道4的采集结果几乎完全一致。

以上将K型热电偶、模拟的热源(OHR-B00信号发生器)、模拟的交流信号(RIGOL的DG1022型函数信号发生器)三种信号作为本设备的信号源，证明本设备的误差抖动范围或精度介于±0.1℃，设备采集的采样率精准，各通道之间的同步性一致。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.基于FPGA的多通道高速同步测温仪，其特征在于：包括以下部分构成：

A1：高精度电源部分，为整个设备提供电能，多种低压差线性稳压器模块为不同电路模块提供稳定电源；

A2：高精度温度转换部分，将采集到的热电动势进行滤波和数模转换；

A3：FPGA主控部分，FPGA作为前端数据采集等模块的主控制器，充分发挥FPGA的高速、并行、低延时特性完成对前端A/D转换芯片的控制和数据采集，并采集的数据进行处理并发送至千兆以太网模块；

A4：模拟信号触发转换部分，接收外部24V触发信号，并与FPGA协作控制采集的开启，进而为用户提供灵活的触发模式。

2.根据权利要求1所述的基于FPGA的多通道高速同步测温仪，其特征在于：所述A1中的供电包括，FPGA的逻辑工作电压、24V外部触发信号的转换、以太网模块的供电以及ADS1255的模拟工作电压、数字工作电压、高精度参考电压。

3.根据权利要求1所述的基于FPGA的多通道高速同步测温仪，其特征在于：所述A1的具体包括，先对外部提供的12V直流电源进行初步转换得到9V直流稳压电源，再使用REF3025芯片将9V转换成5V、3.3V、2.5V电压。

4.根据权利要求1所述的基于FPGA的多通道高速同步测温仪，其特征在于：所述A2的具体包括，将热电偶的电动势信号直接通过补偿导线输入设备后，经精简的低通滤波器后以差分形式直接输入A/D转换模块。

5.根据权利要求1所述的基于FPGA的多通道高速同步测温仪，其特征在于：所述A3包括以下模块：

B1：主控模块，FPGA通过以太网接收并解析来自上位机的启动方式、采集速率等命令，并控制触发模块和温度采集与处理模块进行温度采集、处理；最后经过缓存将采集数据按照规定的协议通过以太网端口以UDP协议向外发送；

B2：触发模块，FPGA主控部分接收来自外部上位机的触发模式等命令，并结合来自模拟信号触发转换部分的硬件触发信号对采集部分进行启动等控制；

B3：数据采集与处理模块，受主控模块控制，主控模块依据外部上位机的相关配置信息对A/D采集部分进行模式配置，该模块将采集的数据进行处理送至主控模块。

6.根据权利要求1所述的基于FPGA的多通道高速同步测温仪，其特征在于：所述A4具体包括，将来自于设备外部的24V触发信号进行转换得到3.3V的逻辑电平，为了给用户提供更为灵活的触发方式，数据采集与处理模块的触发部分由软、硬件协同控制，FPGA先接收上位机的软启动信号，再等到来自模拟信号转换部分的得到的启动信号才启动数据采集与处理模块。

7.根据权利要求4所述的基于FPGA的多通道高速同步测温仪，其特征在于：所述热电偶包括K型热电偶与J型热电偶，所述K型热电偶与J型热电偶产生的感应热电动势的电压值范围均为0至100mV。

8.根据权利要求4所述的基于FPGA的多通道高速同步测温仪，其特征在于：所述A/D模块的A/D芯片采用多通道24位工业模数转换器ADS1255。

9.根据权利要求3所述的基于FPGA的多通道高速同步测温仪，其特征在于：所述A1中转化的2.5V作为ADC芯片的高精度参考电源。

10.根据权利要求4所述的基于FPGA的多通道高速同步测温仪，其特征在于：所述低通滤波器采用ΔΣ线性相位数字滤波器。