0 导言
在一些特别的科研场所和工业生产单位，出于各种条件约束，外表往往不能就近丈量物体实践温度;而以往所运用的一些传感器在运用时遭到各种环境要素的影响，使得传感器丈量得到的温度不能精确地反映被测物体的温度。因而，人们需求找寻一种远距离测温器，能够精确丈量物体温度，并能实时监控温度数据。
远距离测温器是一种被动式的温度遥感器，可用于远距离勘探物体的温度，在科学研究和工业生产中发挥了重要作用。因为在运用时人们对测温器的丈量规模、灵敏度要求很高，一起因为当今遥感仪器的规划越来越趋于低功耗高密度及小型化，因而，要求测温器的数据处理与操控体系具有高牢靠性、高分辨率、实时性、体积小等特色。因为FPGA的功用强大，逻辑速度快，能够用多种接口电平与外界通讯，能够便利的更新程序以完结多种功用，所以本文选用Altera公司的CycloneⅡ系列的FPGA为中心进行远距离测温器的数控体系规划，完结了体系的多功用和小型化。
1 体系结构
远距离测温器的结构框图如图1所示。由红外线勘探头、光电转化单元、扩大电路、数据收集电路和数据处理与操控体系等功用模块组成。红外勘探头用于收集物体发射出的红外光线，将有用信号传输至较远且适宜人操作的当地，最终运用数据处理和操控体系进行操控。
数据处理与操控体系接纳计算机传输的指令，操控体系运转。体系通电后，红外接纳天线接纳的光信号模仿量经过远距离传输，信号扩大后经过A/D模数转化后再送入数据处理和操控体系，由数据处理与操控体系进行数据收集和存储、与计算机的数据通讯、作业状况操控。数据处理与操控体系在远距离测温器中处于重要的方位。
数据收集、数据处理与操控体系电路由FPGA及其外围电路、数据收集体系、电平转化电路、总线接口电路等部分组成，如图2所示。
FPGA依据体系自身的时序和计算机送入的操控指令，操控数据收集电路完结数据的收集。一起，FPGA内部的可装备软处理核NiosⅡ体系将依据计算机中供给的校准值来批改由前端模仿电路引起的差错，并由此生成实践差错很小的曲线方程。校准作业结束后，整个体系既可脱离计算机便利地用于远距离的温度丈量，也能够用于联机对物体温度的实时检测，收集到的很多数据供给给计算机作剖析用。
数控体系选用Altera公司的CycloneⅡ系列FPGA中的EP2C8为中心进行规划。CycloneⅡ器材选用90 nm、低K值电介质工艺，经过使硅片面积最小化，能够在单芯片上支撑杂乱的数字体系。很多可由用户自行界说的I/O管脚有利于体系进行外部扩展。其装备PROM选用Altera公司供给的16 MB的EPCS4串行装备PROM，该装备器材具有在体系编程(ISP)才干和屡次编程才干，具有包含ISP和FLASH存储器拜访接口等特性。
数据收集电路选用AD公司的模数转化器AD7675，该芯片只需求供给+5 V作业电源，典型功耗为15 mW，芯片转化速度为100 KSPS，可选并行或串行采样数据输出，对外可选+5 V或+3.3 V接口电平。被测模仿信号电压输入规模为-2.5～+2.5 V，能够做到最高16位不失码。
2 硬件电路规划
2.1 电源操控电路
因为整个电路体系触及模仿和数字部分多种芯片的运作，A/D采样芯片和FPGA芯片均需求两种以上的电源供电，所以选取适宜的电压转化器非常重要。电源操控电路选用Linear公司的线形电源模块来供给A/D芯片所需求的+3.3V，+2.5V电压和FPGA所需求的+3.3V和+1.2V电压，为了进步信号质量，模仿和数字部分的+3.3 V电压别离由不同的电源转化模块供给。
2.2 数据收集电路
数据收集电路首要由AD7675组成，因为其输出I/O部分选用+3.3 V供电，故其所有的数据输出管脚和输入操控信号不需求进行电平转化，能够直接与FPGA的I/O管脚相连。A/D芯片的转化速率为100KSPS，挑选16 b双极性补码输出，最高位表明符号位。硬件电路如图3所示。收集到的数据送入FPGA的寄存器，再传送到计算机中，供数据剖析用。
AD7675的模仿信号输入部分选用AD公司的AD8021运算扩大器完结模仿输入信号的单端到差分信号的转化。电源进入电源管脚前应就近装置钽%&&&&&%进行滤波，以减小电源上的杂波搅扰，进步信号质量。AD7675支撑并行和串行两种数据输出办法，本体系挑选并行16 b补码采样数据输出，与此相关的一些操控信号，如BYTESWAP，OB，SER/PAR需求被置为低电平。而其它RESET和数据输出I/O管脚接入FPGA，由FPGA操控。
2.3 FPGA与计算机接口电路
FPGA经过串行通讯接口与外接计算机完结通讯。本文选用MAX232完结LVTTL与EIA的电平转化，可便利的完结FPGA与计算机之间的RS 232通讯。
2.4 数字操控单元规划
该测温器的软件规划首要分为两个部分，一是FPGA的相关程序规划，其首要功用包含：A/D数据收集操控、串口数据通讯操控、LCD的读写操控以及PROM的烧录等;二是计算机中的相关程序，首要功用包含数值运算、标定FPGA和将收集到的数据存储以供剖析等。在整个FPGA的规划上，由Altera公司开发的依据SoPC的NiosⅡ处理器及其软件开发包SoPC Builder能够便利地将所需求的IP核、存储器、接口操控器等简略而又快速的集成到FPGA中去，然后缩短规划周期。FPGA内部功用模块如图4所示。 详解远距离测温器数控体系规划 src=uploads/article/201409/20140905111110691.jpg>
FPGA的中心操控体系是由1 400～1 800 LE构成的，运转起来能够抵达86DMIPSD的f型NiosⅡCPU。除了CPU外，数控体系首要还包含一个标志NiosⅡ体系的体系ID核;一个供给JTAG串行异步收发器的IP核，用于在线调试FPGA的程序;一个能够完结任何规范RS 232规范波特率的UART核，用在操控电路调试成功后在单机作业状况下与外接计算机通讯;两组并行输入、输出PIO核，别离对A/D采样电路进行操控和读取A/D采样后得到的数据;两个LCD操控器IP核;一个用于运转程序的片内ROM;一个供给体系时钟的pll;一个EPCS串行装备器材操控器IP核。如图5所示。
体系生成的原理图如图6所示。
3 体系开发测验
体系构建好之后，需求进一步的测验才干保证其正常测温。体系的开发测验流程如图7所示。
上电后首要观测体系的首要硬件是否正常作业，将在NiosⅡIDE中生成的SOF文件下载到FPGA中，完结NiosⅡ体系的下载和初始化。然后将NiosⅡ软件经过JTAG口下载到方针体系中。体系正常作业后，由远端计算机经过串口对A/D进行初始化，收集数据。计算机接纳到A/D采样数据后，就能够对测温器进行标定，经过数据处理计算出用于标定各台测温器的校准方程。
标定进程如下，将测温器红外接纳勘探头对准热源，热源发生精确的温度。为了丈量精确，关于同一个温度点，选用屡次丈量取平均值的办法。由计算机经过串口通讯记录下屡次A/D采样的值与对应的温度值。从低温开端到较高的温度，由计算机经过串口通讯记录下A/D采样值。当记录下的数值到达能够反映各温度段改变的状况时，就能够让计算机选用适宜的数据拟合办法生成反映该测温器丈量特性的曲线方程。计算机将方程系数传送给NiosⅡ体系，完结对整个测温器的校准。
最终查看FPGA中NiosⅡ处理器能否经过LCD操控器与LCD正常通讯、LCD能否正常显现字符;NiosⅡ软处理器可否与PROM完结正常的读写。调试成功后为了节省资源可将JTAG调试去掉，然后将正确的程序烧录到EPCS4中。这时所规划的程序即可脱离计算机及NiosⅡIDE独立运转。
完结了整个开发进程的测温器即可正常运用，对标定温度规模内的温度进行丈量。脱机丈量时，由定时器发生对A/D采样时所需的时钟脉冲，NiosⅡ体系的两组PIO，别离操控A/D的操控信号和将A/D采样值读入NiosⅡ体系。在运用时，依然选用屡次丈量取平均值的办法来得到A/D采样值，然后依据拟合方程，即可得到对应的温度值，然后NiosⅡ体系操控LCD操控器的R/W，RS和DB0～DB7，将对应的温度值显现在
LCD上。而当需求联机运用时，NiosⅡ体系经过串口将存储在内部的A/D采样值和对应的温度值发送到计算机中，构成文件供剖析用。
4 结语
本文规划的测温器的数控电路以Altera公司的CycloneⅡ系列的FPGA为中心，完结了从整体方案规划到体系调试等一系列进程。整个数控体系合计占用3 700多个LE，99 200个存储器比特。为整个测温器供给了安稳牢靠的数据处理渠道，可为更高等级的功用扩展供给必定的参阅，具有很广的使用远景。
