基于FPGA的工控領域監控系統設計

摘要：給出了兩路輸入信號AD轉換器AD7705與FPGA的接口應用方案，利用該方案可對工控領域后臺的溫度和電壓兩路信號進行實時監控。其中溫度信號是利用PT電阻值隨溫度變化的線性關系將溫度信號轉換為電壓信號，來實施采集。
關鍵字：PT電阻；SPI接口；AD7705

O 引言
整機在工作時，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模塊中通過散熱器散發出去。
針對以上的現象，可用PTl00鉑電阻溫度傳感器在散熱器表面感應溫度，以保護電力電子器件不因為在高溫下運行而損壞。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性和穩定性，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，穩定性好，應用范圍廣等優點，是最常用的一種溫度傳感器。
串行外設接口SPI (Serial Peripheral Interface)是一種高速同步串行輸入輸出端口。近年來SPI接口廣泛應用于外部移位寄存器、DA轉換器、AD轉換器、串行EEPROM、LED顯示驅動器等外部設備的擴展。SPI接口可以共享．因而便于組成帶多個SPI接口器件的系統。其傳送速率可編程，連接線少，并具有良好的擴展性。
AD7705是典型的具有SPI接口的AD轉換器，可以方便地與帶有SPI模塊的控制器進行通信。本文采用FPGA為主控制器，利用其通用I／O口來模擬SPI時序，以采集AD7705的兩路輸入信號(溫度信號和電壓信號)，并將采集到的16位溫度數字信號和16位電壓數字信號送給DSP進行處理，然后對數字信號進行算法還原，最終在1602液晶顯示器上分別顯示兩路實際信號，從而實現對溫度和電壓兩路信號的實時監控。

l 硬件設計方案
該系統的功能主要是實現對工控領域后臺裝置的溫度信號和電壓信號的實時雙監控。其中溫度信號可根據PT電阻值隨溫度變化的線性關系將溫度信號轉換為0～2．5 V變化的電壓信號。然后送給AD7705的l通道。電壓信號則可用變壓器轉換為O～2．5 V的電壓信號，送給AD7705的2通道，從而實現對溫度和電壓兩路信號的采集。
1．1 P11電阻的特點
PT電阻值可隨溫度的變化而變化，在0℃時，電阻值為100Ω。小于0℃時，阻值隨溫度的降低而減小；大于0℃時，阻值隨溫度的增加而增大。阻值隨溫度的變化關系可用公式1和公式2表達。

其中，R1為PT電阻在溫度為t時的電阻值，R0為PT電阻在0℃時的電阻值，式(1)和式(2)為溫度系數TCR=0．003851時，PT電阻值隨溫度變化的數學表達式，其中，A、B、C三個系數分別為：

由于t2和t3項的系數都很小，故可近似的認為，鉑電阻的阻值隨溫度呈線性的變化關系，又因為它的溫度系數為TCR=0．003851，所以在計算時，可以直接按照溫度系數來計算。如果把PTl00鉑電阻放在散熱器表面的功率器件周圍，那么，就可以根據測試點的電阻值估算出溫度。