摘 要：提出一種內(nèi)嵌時鐘功能的溫度測量電路的設(shè)計方案。測溫電路利用溫度傳感器監(jiān)測外界溫度的變化,通過振蕩器將溫度傳感器的阻值變化轉(zhuǎn)換為頻率信號的變化,實現(xiàn)模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換,然后利用數(shù)字信號處理方法計算得出溫度值,實現(xiàn)溫度的測量。
關(guān)鍵詞：溫度傳感器 振蕩器 FPGA
用傳統(tǒng)的水銀或酒精溫度計來測量溫度,不僅測量時間長、讀數(shù)不方便、而且功能單一,已經(jīng)不能滿足人們在數(shù)字化時代的要求。本文提出了一種新型的數(shù)字式溫度測量電路的設(shè)計方案,該方案集成了溫度測量電路和實時日歷時鐘電路。
溫度測量電路的測溫范圍在-20℃～50℃之間,分辨率為1℃,測溫時間小于1秒。電路中采用凌特公司的電阻可編程振蕩器LT1799來實現(xiàn)電阻值到頻率的轉(zhuǎn)換,然后根據(jù)預(yù)先存儲在ROM中的參數(shù)值進行比較映射得到待測溫度值。實時日歷時鐘電路能顯示年、月、日、星期、時、分、秒七種時鐘信號,用戶可以對時間進行設(shè)定或修改。整個電路用Altera 公司的ACEX1K系列的FPGA進行了硬件仿真實現(xiàn),電路設(shè)計靈活,便于修改。
1 測溫原理
溫度監(jiān)測主要是利用溫度傳感器來實現(xiàn)。本設(shè)計的溫度傳感器采用的是NTC熱敏電阻,即具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻,其電阻值(RT)隨溫度(T)的升高而迅速減小。設(shè)計中選用的是R25℃為100kΩ的MF58高精度測溫?zé)崦綦娮?熱敏指數(shù)為3 650K。
LTC1799是一種電阻可編程振蕩器[1],可以產(chǎn)生占空比為50%的方波,并具有溫度穩(wěn)定和電源電壓穩(wěn)定的特性,是一種低功率器件,外圍僅需一個元件,即設(shè)置電阻和旁路電容。LTC1799標(biāo)準(zhǔn)電路如圖1所示,圖中0.1μF的電容接在電源引腳與地之間,可以將電源噪聲降至最低。第1、3引腳之間連接設(shè)置電阻,用來控制輸出頻率,本設(shè)計中用熱敏電阻替代設(shè)置電阻。第4引腳是一個三態(tài)分頻引腳,決定主控時鐘在輸出前是被1、10或100分頻,設(shè)計中將該引腳接地,即輸出分頻系數(shù)為1。
由于熱敏電阻的阻值隨溫度的變化而改變,這樣便可以通過LTC1799建立溫度和頻率之間的關(guān)系,以實現(xiàn)對溫度的測量。
由(1)、(2)式可知電路設(shè)計中存在兩種非線性關(guān)系:一是熱敏電阻的阻值和溫度之間的非線性關(guān)系,二是阻值頻率轉(zhuǎn)換時的非線性。對非線性問題,可以用數(shù)學(xué)方法進行處理,但算法比較繁瑣,而且要占用大量的硬件資源。因此設(shè)計中采用了另外一種方法進行處理,即利用ROM預(yù)先存儲頻率—溫度的數(shù)據(jù),通過查表法進行溫度映射。這樣既避免了非線性問題的影響又節(jié)省了硬件資源。
圖1 LTC1799標(biāo)準(zhǔn)電路
2 硬件電路設(shè)計
從功能上劃分,硬件電路分為溫度測量電路和實時日歷時鐘電路兩大部分。
2.1 溫度測量電路
2.1.1頻率測量電路
頻率測量電路主要是采用頻率計數(shù)的方法,外部晶體振蕩器分頻后通過門控電路得到周期為2T的采樣基準(zhǔn)信號count_en和計數(shù)復(fù)位信號count_clr,在采樣基準(zhǔn)信號正半周計數(shù)器計數(shù)使能,計數(shù)模塊開始對輸入信號的頻率進行測量,測量時間恰為T,并在采樣基準(zhǔn)信號的下降沿將采樣的數(shù)據(jù)結(jié)果鎖存。若在時間T內(nèi)計數(shù)器測得信號脈沖個數(shù)為N,則被測信號的頻率為:FX=N/T。
計數(shù)復(fù)位信號用于每一次測量開始時對計數(shù)模塊進行復(fù)位,以清除上次測量的結(jié)果。各信號之間的時序關(guān)系如圖2所示。
圖2 采樣控制信號之間的時序關(guān)系
另外,由于測量過程中被測頻率信號與采樣控制信號之間沒有同步鎖定關(guān)系,在計數(shù)的末尾將產(chǎn)生±1的附加誤差,即參考文獻[2]中所提到的量化誤差。所以采樣時間T和計數(shù)器的位數(shù)一定要選擇合理。在本設(shè)計中,測量的頻率在10kHz～300kHz的范圍內(nèi)變化,在待測的溫度范圍內(nèi)溫度每變化1℃,則阻值最小變化0.5828kΩ。當(dāng)取T=20ms,R=100kΩ時,N=1000,則±1的量化誤差的影響幾乎可以忽略不計。
2.1.2 數(shù)據(jù)處理電路
由于在頻率測量電路中必然會存在測量誤差,所以必須對這些測量數(shù)據(jù)結(jié)果進行處理。本設(shè)計針對數(shù)據(jù)處理提出了一種新的思路,其數(shù)據(jù)處理流程如圖3所示。如圖中所示,將頻率測量電路中的數(shù)據(jù)結(jié)果N’先通過若干個寄存器移位寄存,然后利用比較器對寄存的數(shù)據(jù)進行比較,去除最大和最小值后將剩下的中間值相加,最后通過除法器得到平均值N。
圖3 數(shù)據(jù)處理流程框圖
采用該處理方法處理數(shù)據(jù)的優(yōu)點為:
(1) 有效降低了測量誤差的影響。通過比較器可以將突發(fā)的偶然錯誤數(shù)據(jù)排除。根據(jù)隨機誤差的補償性原理,對于有限次測量,可以近似認(rèn)為多次測量的算術(shù)平均值即為真值的最佳估計值。
(2) 可以動態(tài)地反映被測信號變化趨勢。這種方法適用于很多對實時性測量要求較高的場合中。
2.1.3 溫度映射電路
溫度映射電路框圖如圖4所示。由圖4可知,地址計數(shù)器和溫度值計數(shù)器都是通過有限狀態(tài)機來控制的。狀態(tài)1:計數(shù)器清空;狀態(tài)2:計數(shù)器計數(shù);狀態(tài)3:鎖存計數(shù)結(jié)果;狀態(tài)4:計數(shù)器結(jié)果輸出。反復(fù)執(zhí)行以上四種狀態(tài)可實現(xiàn)溫度的實時測量控制。
圖4 溫度映射電路框圖
由于溫度測量范圍是-20℃～50℃,分辨率僅為1℃,所以ROM中只需存儲70個數(shù)據(jù),選用128×12位的ROM即可滿足要求。同時,ROM中存儲的不是如1℃、2℃、3℃等整數(shù)點的值,而是1.5℃、2.5℃、3.5℃時的值[3],這樣既可以保證精度的要求又可以起到四舍五入的作用。初始狀態(tài),溫度計數(shù)器中存儲的是-20℃的最低溫度值,地址計數(shù)器的值清零。來一次CLK信號,地址計數(shù)器和十進制計數(shù)器的值都加1;然后取得ROM中相應(yīng)地址的標(biāo)準(zhǔn)脈沖值,與輸入的實際采樣脈沖值N進行比較。若小于實際輸入值則比較器輸出S=1,2個計數(shù)器繼續(xù)計數(shù);反之,計數(shù)器停止計數(shù)。此時溫度計數(shù)器的值即為實際測量的溫度值。
采用ROM進行溫度映射除了具有前面提到的優(yōu)點以外,還使其設(shè)計靈活通用,在此電路中只需更改ROM中存儲的數(shù)據(jù)就可以適用于多種類型的溫度傳感器。
圖5 時鐘計時顯示框圖
圖6 時鐘工作模式
2.2 實時日歷時鐘電路
2.2.1 時鐘計時顯示
時鐘計時顯示功能框圖如圖5所示。各主要模塊的功能如下:
(1) 由外部晶振分頻產(chǎn)生1Hz的SEC信號,輸入到模為60的分頻計秒電路,待計數(shù)器計數(shù)至60的瞬間,進位至計數(shù)60的分頻計分電路加1,而計秒電路也清除為0,重新計秒。
(2) 除日計數(shù)器外,計分、計時、計月、計星期、計年電路功能類似。
(3) 日計數(shù)器分為四種情況:閏年2月份29天;平年2月份28天;1、3、5、7、8、10、12月份31天;其余月份30天。
(4) 七組計數(shù)電路的輸出分別是DBS、DBM、DBH、DBD、DBW、DBN、DBY。它們同時只會有一組出現(xiàn),控制輸出的ENB信號是由掃描電路信號S衍生而來的。
(5) 掃描電路的掃描頻率必須超過人的眼睛視覺暫留頻率24Hz,才可以達到點亮單個七段顯示器,卻享有13個同時顯示的視覺效果[4]。
(6) 由于除了星期外,其余數(shù)據(jù)都是由2位十進制數(shù)來表示,所以先將以二進制表示的BIN碼改成兩個位數(shù)的BCD碼,然后經(jīng)過七段譯碼電路送至七段顯示器顯示。
2.2.2 時鐘設(shè)定
時鐘計時和時鐘調(diào)整模式通過外部按鍵K1來實現(xiàn)切換,其工作模式如圖6所示的由八種狀態(tài)變量組成。在時鐘調(diào)整模式(即除去111計時狀態(tài))的任意情況下通過按鍵K2進行時間調(diào)整。
各種調(diào)整方式的操作類似,以計秒的同步控制信號ECS為例,其組成如下:
ECS = (SEC & SC) | (ADJ & ~STATE[2] & ~STATE[1] & ~STATE[0]);
其中:SC=STATE[2]& STATE[1] & STATE[0];
ADJ=SEC & (~SC) &~K2;
(1) SC表示正常計時狀態(tài),SEC和SC共同負(fù)責(zé)時鐘計時動作,STATE為狀態(tài)變量。
(2) 在時鐘調(diào)整秒數(shù)的工作模式下(即STATE為000),由STATE和K2控制的ADJ信號負(fù)責(zé)手動調(diào)整秒數(shù)。
本設(shè)計基于topdown的設(shè)計思想,進行合理模塊劃分,在數(shù)字電路設(shè)計部分運用硬件語言Verilog及Quartus工具進行了仿真、綜合、適配、下載,最后通過Altera公司的FPGA進行硬件測試,實現(xiàn)了設(shè)計要求。該電路可廣泛應(yīng)用在家用電器及辦公自動化設(shè)備的溫度監(jiān)測和控制領(lǐng)域中。
參考文獻
1 LTC1799Handbook. Linear, 2001
2 林占江. 電子測量技術(shù). 北京: 電子工業(yè)出版社,2003
3 曹 輝,胡俊,黃均鼐. 數(shù)字式溫度測量電路的設(shè)計及其實現(xiàn).微電子學(xué)報,2001;(3)
4 盧 毅, 賴杰.VHDL與數(shù)字電路設(shè)計.北京:科學(xué)出版社,2001(收稿日期:2005-04-26)
