基于FPGA的工控领域监控系统设计

引言

整机在工作时，大概有4％的能量被各种电力电子器件所消耗，这些被消耗的能量以热量的形式分别在单个模块中通过散热器散发出去。

针对以上的现象，可用PTl00铂电阻温度传感器在散热器表面感应温度，以保护电力电子器件不因为在高温下运行而损坏。金属铂(Pt)的电阻值随温度变化而变化，并且具有很好的重现性和稳定性，利用铂的此种物理特性制成的传感器称为铂电阻温度传感器，通常使用的铂电阻温度传感器的零度电阻值为100Ω，电阻变化率为0．3851Ω／℃。铂电阻温度传感器具有精度高，稳定性好，应用范围广等优点，是最常用的一种温度传感器。

串行外设接口SPI (Serial Peripheral Interface)是一种高速同步串行输入输出端口。近年来SPI接口广泛应用于外部移位寄存器、DA转换器、AD转换器、串行EEPROM、LED显示驱动器等外部设备的扩展。SPI接口可以共享．因而便于组成带多个SPI接口器件的系统。其传送速率可编程，连接线少，并具有良好的扩展性。

AD7705是典型的具有SPI接口的AD转换器，可以方便地与带有SPI模块的控制器进行通信。本文采用FPGA为主控制器，利用其通用I／O口来模拟SPI时序，以采集AD7705的两路输入信号(温度信号和电压信号)，并将采集到的16位温度数字信号和16位电压数字信号送给DSP进行处理，然后对数字信号进行算法还原，最终在1602液晶显示器上分别显示两路实际信号，从而实现对温度和电压两路信号的实时监控。

l 硬件设计方案

该系统的功能主要是实现对工控领域后台装置的温度信号和电压信号的实时双监控。其中温度信号可根据PT电阻值随温度变化的线性关系将温度信号转换为0～2．5 V变化的电压信号。然后送给AD7705的l通道。电压信号则可用变压器转换为O～2．5 V的电压信号，送给AD7705的2通道，从而实现对温度和电压两路信号的采集。

1．1 P11电阻的特点

PT电阻值可随温度的变化而变化，在0℃时，电阻值为100Ω。小于0℃时，阻值随温度的降低而减小；大于0℃时，阻值随温度的增加而增大。阻值随温度的变化关系可用公式1和公式2表达。

 

其中，R1为PT电阻在温度为t时的电阻值，R0为PT电阻在0℃时的电阻值，式(1)和式(2)为温度系数TCR=0．003851时，PT电阻值随温度变化的数学表达式，其中，A、B、C三个系数分别为：

 

由于t2和t3项的系数都很小，故可近似的认为，铂电阻的阻值随温度呈线性的变化关系，又因为它的温度系数为TCR=0．003851，所以在计算时，可以直接按照温度系数来计算。如果把PTl00铂电阻放在散热器表面的功率器件周围，那么，就可以根据测试点的电阻值估算出温度。

1．2 温度信号转换电路

图1所示是本系统中的温度信号检测电路。

 

 

图1电路中，R14是放在散热器表面的铂电阻，用于感应散热器的温度，该电路可将PT电阻随温度信号变化的阻值信号转变成电压信号，这样，根据PTl00-V点的电压值，即可换算出PT电阻R14的电压信号，ref-V为基准电压信号，ref-V经过图2所示的差分放大电路后，再根据图中元器件的参数即可计算出，最后传输的电压信号Va为与基准电压差值的12倍。

 

图3所示为光耦隔离传输电路，由图2所示的差分放大电路输出的电压信号Va经过光耦隔离电路后，即可以l：1的形式传送，即Vb点的电压信号和差分放大后的信号Va是一样的，将Vb送到AD7705进行模数转换。然后将其转换成串行序列输出给FPGA处理，同时也上传到DSP控制器。