引言
整機(jī)在工作時(shí)，大概有4％的能量被各種電力電子器件所消耗，這些被消耗的能量以熱量的形式分別在單個(gè)模塊中通過(guò)散熱器散發(fā)出去。
針對(duì)以上的現(xiàn)象，可用PTl00鉑電阻溫度傳感器在散熱器表面感應(yīng)溫度，以保護(hù)電力電子器件不因?yàn)樵诟邷叵逻\(yùn)行而損壞。金屬鉑(Pt)的電阻值隨溫度變化而變化，并且具有很好的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性，利用鉑的此種物理特性制成的傳感器稱為鉑電阻溫度傳感器，通常使用的鉑電阻溫度傳感器的零度電阻值為100Ω，電阻變化率為0．3851Ω／℃。鉑電阻溫度傳感器具有精度高，穩(wěn)定性好，應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，是最常用的一種溫度傳感器。
串行外設(shè)接口SPI (Serial Peripheral Interface)是一種高速同步串行輸入輸出端口。近年來(lái)SPI接口廣泛應(yīng)用于外部移位寄存器、DA轉(zhuǎn)換器、AD轉(zhuǎn)換器、串行EEPROM、LED顯示驅(qū)動(dòng)器等外部設(shè)備的擴(kuò)展。SPI接口可以共享．因而便于組成帶多個(gè)SPI接口器件的系統(tǒng)。其傳送速率可編程，連接線少，并具有良好的擴(kuò)展性。
AD7705是典型的具有SPI接口的AD轉(zhuǎn)換器，可以方便地與帶有SPI模塊的控制器進(jìn)行通信。本文采用FPGA為主控制器，利用其通用I／O口來(lái)模擬SPI時(shí)序，以采集AD7705的兩路輸入信號(hào)(溫度信號(hào)和電壓信號(hào))，并將采集到的16位溫度數(shù)字信號(hào)和16位電壓數(shù)字信號(hào)送給DSP進(jìn)行處理，然后對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行算法還原，最終在1602液晶顯示器上分別顯示兩路實(shí)際信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度和電壓兩路信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。
l 硬件設(shè)計(jì)方案
該系統(tǒng)的功能主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)工控領(lǐng)域后臺(tái)裝置的溫度信號(hào)和電壓信號(hào)的實(shí)時(shí)雙監(jiān)控。其中溫度信號(hào)可根據(jù)PT電阻值隨溫度變化的線性關(guān)系將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為0～2．5 V變化的電壓信號(hào)。然后送給AD7705的l通道。電壓信號(hào)則可用變壓器轉(zhuǎn)換為O～2．5 V的電壓信號(hào)，送給AD7705的2通道，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度和電壓兩路信號(hào)的采集。
1．1 P11電阻的特點(diǎn)
PT電阻值可隨溫度的變化而變化，在0℃時(shí)，電阻值為100Ω。小于0℃時(shí)，阻值隨溫度的降低而減?。淮笥?℃時(shí)，阻值隨溫度的增加而增大。阻值隨溫度的變化關(guān)系可用公式1和公式2表達(dá)。
其中，R1為PT電阻在溫度為t時(shí)的電阻值，R0為PT電阻在0℃時(shí)的電阻值，式(1)和式(2)為溫度系數(shù)TCR=0．003851時(shí)，PT電阻值隨溫度變化的數(shù)學(xué)表達(dá)式，其中，A、B、C三個(gè)系數(shù)分別為：
由于t2和t3項(xiàng)的系數(shù)都很小，故可近似的認(rèn)為，鉑電阻的阻值隨溫度呈線性的變化關(guān)系，又因?yàn)樗臏囟认禂?shù)為TCR=0．003851，所以在計(jì)算時(shí)，可以直接按照溫度系數(shù)來(lái)計(jì)算。如果把PTl00鉑電阻放在散熱器表面的功率器件周圍，那么，就可以根據(jù)測(cè)試點(diǎn)的電阻值估算出溫度。
1．2 溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換電路
圖1所示是本系統(tǒng)中的溫度信號(hào)檢測(cè)電路。
圖1電路中，R14是放在散熱器表面的鉑電阻，用于感應(yīng)散熱器的溫度，該電路可將PT電阻隨溫度信號(hào)變化的阻值信號(hào)轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)，這樣，根據(jù)PTl00-V點(diǎn)的電壓值，即可換算出PT電阻R14的電壓信號(hào)，ref-V為基準(zhǔn)電壓信號(hào)，ref-V經(jīng)過(guò)圖2所示的差分放大電路后，再根據(jù)圖中元器件的參數(shù)即可計(jì)算出，最后傳輸?shù)碾妷盒盘?hào)Va為與基準(zhǔn)電壓差值的12倍。
圖3所示為光耦隔離傳輸電路，由圖2所示的差分放大電路輸出的電壓信號(hào)Va經(jīng)過(guò)光耦隔離電路后，即可以l：1的形式傳送，即Vb點(diǎn)的電壓信號(hào)和差分放大后的信號(hào)Va是一樣的，將Vb送到AD7705進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。然后將其轉(zhuǎn)換成串行序列輸出給FPGA處理，同時(shí)也上傳到DSP控制器。
2 軟件設(shè)計(jì)方案
本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要是根據(jù)AD7705的特點(diǎn)和操作時(shí)序，用FPGA的通用GPIO模擬SPI時(shí)序。圖4給出了該系統(tǒng)中AD7705的主狀態(tài)流程圖。此后，根據(jù)流程圖再編寫各子模塊，即可完成對(duì)AD7705兩路信號(hào)的實(shí)時(shí)采集。
2．1 AD7705的特點(diǎn)及操作時(shí)序
AD7705是采用∑-△轉(zhuǎn)換技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)16位代碼無(wú)丟失性能的AD轉(zhuǎn)換器件。該器件可以直接接收來(lái)自傳感器的低電平輸入信號(hào)，然后產(chǎn)生串行的數(shù)字輸出。AD7705只需2．7～5．25 V的單電源，采用雙通道全差分模擬輸入，并有一個(gè)差分基準(zhǔn)輸入。當(dāng)電源電壓為5 V、基準(zhǔn)電壓為2．5 V時(shí)，這種器件可對(duì)輸入信號(hào)范圍在0～20 mA和0～2．5 V的信號(hào)進(jìn)行處理，還可以處理±20 mV～±2．5 V的雙極性輸入信號(hào)，其串行接口也可配置為三線接口。其增益值、信號(hào)極性以及更新速率的選擇均可用串行輸入口由軟件來(lái)配置。此外，該器件還包括自校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)選項(xiàng)，以消除器件本身或系統(tǒng)的增益和偏移誤差。
AD7705包括6個(gè)用戶可通過(guò)串口訪問(wèn)的片內(nèi)寄存器。其中第一個(gè)是通訊寄存器，用于管理通道選擇，決定下一個(gè)操作是讀操作還是寫操作，以及下一次讀或?qū)懩囊粋€(gè)寄存器。所有與器件的通訊必須從寫通訊寄存器開始。上電或復(fù)位后，器件將等待在通訊寄存器上進(jìn)行一次寫操作；
第二個(gè)是設(shè)置寄存器，用于決定校準(zhǔn)模式、增益設(shè)置、單／雙極性輸入以及緩沖模式；
第三個(gè)是時(shí)鐘寄存器，其中包括濾波器選擇位和時(shí)鐘控制位；
第四個(gè)是數(shù)據(jù)寄存器，器件輸出的數(shù)據(jù)從這個(gè)寄存器讀出；
第五個(gè)是零標(biāo)度校準(zhǔn)寄存器，AD7705包含兩組獨(dú)立的零標(biāo)度寄存器，每個(gè)零標(biāo)度寄存器負(fù)責(zé)一個(gè)輸入通道。它們都是24位讀，寫寄存器；
第六個(gè)是滿標(biāo)度校準(zhǔn)寄存器，AD7705包含兩組獨(dú)立的滿標(biāo)度寄存器，每個(gè)滿標(biāo)度寄存器負(fù)責(zé)一個(gè)輸入通道。它們都是24位讀／寫寄存器。
AD7705的寫操作時(shí)序圖如圖5所示。在將片選端CS拉低后，即可在串行時(shí)鐘的上升沿發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，高位在前。
AD7705的讀操作時(shí)序圖如圖6所示。當(dāng)在AD7705的DRDY信號(hào)腳檢測(cè)到邏輯低電平時(shí)，表示可以從AD7705的數(shù)據(jù)寄存器獲取新的輸出字，當(dāng)完成對(duì)一個(gè)完全的輸出字的讀操作后，DRDY引腳立即回到高電平。如果在兩次輸出更新之間，不發(fā)生數(shù)據(jù)輸出，DRDY將在下一次輸出更新前500個(gè)輸入時(shí)鐘時(shí)間返回高電平。DRDY處于高電平時(shí)，不能進(jìn)行讀操作。當(dāng)數(shù)據(jù)更新后，DRDY又返回低電平。
2．2 FPGA接口的軟件設(shè)計(jì)
FPGA與AD7705共有5個(gè)接口引腳，分別為片選端CS、串行時(shí)鐘端SCLK、串行數(shù)據(jù)輸入端DIN、串行數(shù)據(jù)輸出端DOUT和串行數(shù)據(jù)請(qǐng)求端
DRDY。
讀AD7705的數(shù)據(jù)寄存器前，需先設(shè)置其時(shí)鐘寄存器和設(shè)置寄存器，下面以1通道為例來(lái)簡(jiǎn)要說(shuō)明，首先向AD7705發(fā)送串行數(shù)據(jù)0x20，表示下一操作選擇時(shí)鐘寄存器，接著發(fā)送串行數(shù)據(jù)0x0C，設(shè)置時(shí)鐘為2分頻，然后發(fā)送Oxl0，表示下一操作選擇設(shè)置寄存器，接著發(fā)送串行數(shù)據(jù)0x44，表示設(shè)置寄存器模式為自校準(zhǔn)，增益l，單極性，無(wú)緩沖，然后再向AD7705發(fā)送0x38，表示可以讀通道1的數(shù)據(jù)寄存器，并等待AD7705的DRDY變低，然后發(fā)送16個(gè)時(shí)鐘，以讀取通道1的16位轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。通道2的數(shù)據(jù)讀取與通道1的數(shù)據(jù)讀取相似，發(fā)送的數(shù)據(jù)分別為0x21，0x0C，
0x11，0x44，0x39。
3 結(jié)束語(yǔ)
本文用有限狀態(tài)機(jī)在FPGA上實(shí)現(xiàn)了對(duì)有SPI接口的AD轉(zhuǎn)換器AD7705的接口應(yīng)用，并對(duì)AD7705的兩路輸入信號(hào)進(jìn)行了實(shí)時(shí)采集。事實(shí)上，選用通用I／O口模擬SPI時(shí)序，相比標(biāo)準(zhǔn)SPI接口IP核更為簡(jiǎn)潔，可以節(jié)約FPGA的片上資源。由于AD7705提供有雙通道、低成本、高分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，因此，采用∑-△結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，可使得該器件在噪音環(huán)境下免受干擾，因而很適合于工業(yè)控制應(yīng)用。
發(fā)布者：小宇