設(shè)計(jì)方案的總體結(jié)構(gòu)
無(wú)人飛行器溫度巡檢裝置的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
本設(shè)計(jì)采用FPGA作為核心芯片，電源電路供電后，信號(hào)調(diào)理電路通過(guò)鉑電阻傳感器PT100將采集的電壓信號(hào)通過(guò)放大器放大后送給A/D采樣電路，A /D采樣電路通過(guò)采樣把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后送給FPGA進(jìn)行處理，處理數(shù)據(jù)后FPGA自動(dòng)把處理結(jié)果送出，通過(guò)液晶顯示并且與鍵盤電路設(shè)定的值進(jìn)行 比對(duì)，如果超出設(shè)定值范圍，F(xiàn)PGA送出信號(hào)，使得蜂鳴器電路報(bào)警，繼電器電路響應(yīng)，啟動(dòng)加熱裝置，圖1給出了系統(tǒng)的整體框圖。按照系統(tǒng)的功能要求，裝置 的硬件電路依據(jù)其功能劃分為信號(hào)調(diào)理模塊、A/D采樣模塊、FPGA最小系統(tǒng)模塊等部分。
信號(hào)調(diào)理模塊
系統(tǒng)采用惠斯通電橋接入鉑電阻傳感器Pt100信號(hào)，如圖2所示。
圖2中INA、INB之差與PT100阻值變化呈線性關(guān)系，通過(guò)將INA、INB變化值采樣再對(duì)應(yīng)鉑電阻傳感器P100刻度表即可換算得到實(shí)測(cè)溫度?？?慮到鉑電阻傳感器PT100探頭產(chǎn)生的信號(hào)非常微弱，很容易受到噪聲干擾，所以放大電路選擇單運(yùn)放構(gòu)成的儀表放大器。儀表放大器擁有差分式結(jié)構(gòu)，對(duì)共模噪 聲有很強(qiáng)的抑制作用，同時(shí)擁有較高的輸入阻抗和較小的輸出阻抗，非常適合對(duì)微弱信號(hào)的放大。圖2中R3，R4，R5，R6，R7，R8均采用低溫漂的精密 電阻，R2為多圈精密可調(diào)電阻。通過(guò)電路可以計(jì)算出：
A/D采樣模塊
系統(tǒng)選用 AD7476作為采樣芯片。該芯片是12位低功耗逐次逼近型ADC，采用單電源工作，電源電壓為2.35V至5.25V，最高吞吐速率可達(dá) 1MSPS，完全滿足本系統(tǒng)的采樣精度和速度的要求。該芯片內(nèi)置一個(gè)低噪聲、寬帶寬采樣保持放大器，可處理6MHz以上的輸入頻率。AD轉(zhuǎn)換過(guò)程和數(shù)據(jù)采 集過(guò)程通過(guò)CS和串行時(shí)鐘SCLK進(jìn)行控制，從而為器件與FPGA接口創(chuàng)造了條件。輸入信號(hào)在CS的下降沿進(jìn)行采樣，而轉(zhuǎn)換同時(shí)在此處啟動(dòng)，轉(zhuǎn)換速率取決 于SCLK的時(shí)鐘頻率。圖3為AD7476的典型接線電路。
軟件設(shè)計(jì)
溫度巡檢裝置的軟件以VHDL語(yǔ)言為基礎(chǔ)，采樣模塊化的設(shè)計(jì)思路編程，分為液晶顯示模塊、AD采樣模塊、鍵盤輸入模塊、報(bào)警模塊和PWM控制模塊模塊。圖4給出了各模塊之間的關(guān)系圖。
系統(tǒng)首先通過(guò)AD采樣模塊對(duì)溫度進(jìn)行采樣，將采樣的數(shù)據(jù)送入溫度檢測(cè)模塊進(jìn)行處理。溫度檢測(cè)模塊的任務(wù)是計(jì)算將采樣來(lái)的溫度值與系統(tǒng)的預(yù)設(shè)值之間的差 值，利用差值的大小來(lái)控制PWM模塊輸出脈沖寬度不同的脈沖波，通過(guò)脈沖波開(kāi)控制繼電器的通斷，從而達(dá)到溫度的恒定控制。
系統(tǒng)的定標(biāo)
首先用高精度電阻箱代替鉑電阻傳感器Pt100對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行定標(biāo)。根據(jù)式1所示的鉑電阻傳感器Pt100電阻和輸出電壓之間的關(guān)系，通過(guò)改變電阻箱的 取值來(lái)設(shè)定相對(duì)應(yīng)的測(cè)試溫度點(diǎn)標(biāo)稱值，經(jīng)過(guò)測(cè)量系統(tǒng)、A/D采樣的計(jì)算，得到測(cè)量溫度顯示值。根據(jù)初測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)測(cè)量電路、補(bǔ)償電壓進(jìn)行校準(zhǔn)后，完成對(duì)系統(tǒng)的 定標(biāo)工作。
系統(tǒng)實(shí)測(cè)
將鉑電阻傳感器Pt100接入測(cè)量系統(tǒng)，并置入高精度恒溫箱 中（溫控精度0.01℃）進(jìn)行整個(gè)溫度測(cè)量系統(tǒng)定標(biāo)測(cè)量。測(cè)量時(shí)要注意恒溫箱的密封，以提高環(huán)境溫度穩(wěn)定性;恒溫箱溫度穩(wěn)定后，每隔1min對(duì)同一溫度點(diǎn) 進(jìn)行20次測(cè)量。由表1中數(shù)據(jù)可見(jiàn)，測(cè)量系統(tǒng)的最大誤差為0.009℃，說(shuō)明Pt100 鉑電阻傳感器的定標(biāo)誤差較小，精度也較高，能滿足高精度溫度測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量要求，但溫度高端誤差較大，可能與恒溫箱溫度控制精度有關(guān)，有待于進(jìn)一步定標(biāo)。
本文提出了基于FPGA的無(wú)人飛行器溫度巡檢裝置的設(shè)計(jì)方案，該方案中所設(shè)計(jì)的無(wú)人飛行器溫度巡檢裝置利用FPGA快速性、可并行性、延時(shí)固定性等特 點(diǎn)，能夠快速，準(zhǔn)確的檢測(cè)無(wú)人機(jī)的各部件溫度。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)的最大誤差不超過(guò)0.01度，完全滿足無(wú)人飛行器對(duì)溫度采集的要求。
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