整機(jī)在(zài)工作时(shí)，大概有(yǒu)4％的(de)能(néng)量(liàng)被(bèi)各(gè)種(zhǒng)電(diàn)力電(diàn)子器件(jiàn)所(suǒ)消耗，这(zhè)些被(bèi)消耗的(de)能(néng)量(liàng)以(yǐ)热(rè)量(liàng)的(de)形式分(fēn)别在(zài)單个(gè)模块(kuài)中(zhōng)通(tòng)过(guò)散(sàn)热(rè)器散(sàn)發(fà)出(chū)去(qù)。
針(zhēn)对(duì)以(yǐ)上(shàng)的(de)現(xiàn)象(xiàng)，可(kě)用(yòng)PTl00鉑電(diàn)阻温(wēn)度(dù)傳感(gǎn)器在(zài)散(sàn)热(rè)器表(biǎo)面(miàn)感(gǎn)應(yìng)温(wēn)度(dù)，以(yǐ)保護電(diàn)力電(diàn)子器件(jiàn)不(bù)因(yīn)为(wèi)在(zài)高(gāo)温(wēn)下(xià)運行而(ér)損壞。
金(jīn)屬鉑(Pt)的(de)電(diàn)阻值随温(wēn)度(dù)變(biàn)化(huà)而(ér)變(biàn)化(huà)，并且具有(yǒu)很好(hǎo)的(de)重(zhòng)現(xiàn)性(xìng)和(hé)稳定(dìng)性(xìng)，利用(yòng)鉑的(de)此(cǐ)種(zhǒng)物(wù)理特(tè)性(xìng)制成(chéng)的(de)傳感(gǎn)器稱为(wèi)鉑電(diàn)阻温(wēn)度(dù)傳感(gǎn)器，
通(tòng)常使用(yòng)的(de)鉑電(diàn)阻温(wēn)度(dù)傳感(gǎn)器的(de)零(líng)度(dù)電(diàn)阻值为(wèi)100Ω，電(diàn)阻變(biàn)化(huà)率为(wèi)0．3851Ω／℃。
鉑電(diàn)阻温(wēn)度(dù)傳感(gǎn)器具有(yǒu)精度(dù)高(gāo)，稳定(dìng)性(xìng)好(hǎo)，應(yìng)用(yòng)範圍廣等优點(diǎn)，是(shì)最(zuì)常用(yòng)的(de)一(yī)種(zhǒng)温(wēn)度(dù)傳感(gǎn)器。
串行外(wài)設接口(kǒu)SPI (Serial Peripheral Interface)是(shì)一(yī)種(zhǒng)高(gāo)速同(tóng)步串行輸入(rù)輸出(chū)端口(kǒu)。
近(jìn)年(nián)来(lái)SPI接口(kǒu)廣泛應(yìng)用(yòng)于(yú)外(wài)部(bù)移位寄存器、DA轉(zhuǎn)換器、AD轉(zhuǎn)換器、串行EEPROM、LED顯示驅動(dòng)器等外(wài)部(bù)設備的(de)擴展(zhǎn)。
SPI接口(kǒu)可(kě)以(yǐ)共(gòng)享．因(yīn)而(ér)便于(yú)組成(chéng)带(dài)多(duō)个(gè)SPI接口(kǒu)器件(jiàn)的(de)系(xì)統。其傳送速率可(kě)編程，連(lián)接線(xiàn)少(shǎo)，并具有(yǒu)良好(hǎo)的(de)擴展(zhǎn)性(xìng)。
AD7705是(shì)典型的(de)具有(yǒu)SPI接口(kǒu)的(de)AD轉(zhuǎn)換器，可(kě)以(yǐ)方(fāng)便地(dì)與(yǔ)带(dài)有(yǒu)SPI模块(kuài)的(de)控制器進(jìn)行通(tòng)信(xìn)。
本(běn)文(wén)采用(yòng)FPGA为(wèi)主(zhǔ)控制器，利用(yòng)其通(tòng)用(yòng)I／O口(kǒu)来(lái)模拟SPI时(shí)序，以(yǐ)采集AD7705的(de)两(liǎng)路(lù)輸入(rù)信(xìn)号(hào)(温(wēn)度(dù)信(xìn)号(hào)和(hé)電(diàn)壓信(xìn)号(hào))，
并将采集到(dào)的(de)16位温(wēn)度(dù)數字(zì)信(xìn)号(hào)和(hé)16位電(diàn)壓數字(zì)信(xìn)号(hào)送給(gěi)DSP進(jìn)行处理，然後(hòu)对(duì)數字(zì)信(xìn)号(hào)進(jìn)行算法還(huán)原，
最(zuì)終(zhōng)在(zài)1602液晶顯示器上(shàng)分(fēn)别顯示两(liǎng)路(lù)实際信(xìn)号(hào)，從而(ér)实現(xiàn)对(duì)温(wēn)度(dù)和(hé)電(diàn)壓两(liǎng)路(lù)信(xìn)号(hào)的(de)实时(shí)監控。
1 硬(yìng)件(jiàn)設計(jì)方(fāng)案(àn)
該系(xì)統的(de)功能(néng)主(zhǔ)要(yào)是(shì)实現(xiàn)对(duì)工控領域後(hòu)台(tái)裝(zhuāng)置的(de)温(wēn)度(dù)信(xìn)号(hào)和(hé)電(diàn)壓信(xìn)号(hào)的(de)实时(shí)双(shuāng)監控。
其中(zhōng)温(wēn)度(dù)信(xìn)号(hào)可(kě)根(gēn)據(jù)PT電(diàn)阻值随温(wēn)度(dù)變(biàn)化(huà)的(de)線(xiàn)性(xìng)關(guān)系(xì)将温(wēn)度(dù)信(xìn)号(hào)轉(zhuǎn)換为(wèi)0～2．5 V變(biàn)化(huà)的(de)電(diàn)壓信(xìn)号(hào)。
然後(hòu)送給(gěi)AD7705的(de)l通(tòng)道(dào)。電(diàn)壓信(xìn)号(hào)則可(kě)用(yòng)變(biàn)壓器轉(zhuǎn)換为(wèi)O～2．5 V的(de)電(diàn)壓信(xìn)号(hào)，送給(gěi)AD7705的(de)2通(tòng)道(dào)，從而(ér)实現(xiàn)对(duì)温(wēn)度(dù)和(hé)電(diàn)壓两(liǎng)路(lù)信(xìn)号(hào)的(de)采集。
1．1 P11電(diàn)阻的(de)特(tè)點(diǎn)
PT電(diàn)阻值可(kě)随温(wēn)度(dù)的(de)變(biàn)化(huà)而(ér)變(biàn)化(huà)，在(zài)0℃时(shí)，電(diàn)阻值为(wèi)100Ω。小于(yú)0℃时(shí)，阻值随温(wēn)度(dù)的(de)降低而(ér)減小；
大于(yú)0℃时(shí)，阻值随温(wēn)度(dù)的(de)增加而(ér)增大。阻值随温(wēn)度(dù)的(de)變(biàn)化(huà)關(guān)系(xì)可(kě)用(yòng)公式1和(hé)公式2表(biǎo)达(dá)。
其中(zhōng)，R1为(wèi)PT電(diàn)阻在(zài)温(wēn)度(dù)为(wèi)t时(shí)的(de)電(diàn)阻值，R0为(wèi)PT電(diàn)阻在(zài)0℃时(shí)的(de)電(diàn)阻值，式(1)和(hé)式(2)为(wèi)温(wēn)度(dù)系(xì)數TCR=0．003851时(shí)，
PT電(diàn)阻值随温(wēn)度(dù)變(biàn)化(huà)的(de)數学表(biǎo)达(dá)式，其中(zhōng)，A、B、C三(sān)个(gè)系(xì)數分(fēn)别为(wèi)：
由(yóu)于(yú)t2和(hé)t3項的(de)系(xì)數都很小，故可(kě)近(jìn)似的(de)認为(wèi)，鉑電(diàn)阻的(de)阻值随温(wēn)度(dù)呈線(xiàn)性(xìng)的(de)變(biàn)化(huà)關(guān)系(xì)，
又因(yīn)为(wèi)它(tā)的(de)温(wēn)度(dù)系(xì)數为(wèi)TCR=0．003851，所(suǒ)以(yǐ)在(zài)計(jì)算时(shí)，可(kě)以(yǐ)直(zhí)接按照温(wēn)度(dù)系(xì)數来(lái)計(jì)算。
如(rú)果(guǒ)把PTl00鉑電(diàn)阻放(fàng)在(zài)散(sàn)热(rè)器表(biǎo)面(miàn)的(de)功率器件(jiàn)周圍，那(nà)麼(me)，就(jiù)可(kě)以(yǐ)根(gēn)據(jù)测試點(diǎn)的(de)電(diàn)阻值估算出(chū)温(wēn)度(dù)。
1．2 温(wēn)度(dù)信(xìn)号(hào)轉(zhuǎn)換電(diàn)路(lù)
图(tú)1所(suǒ)示是(shì)本(běn)系(xì)統中(zhōng)的(de)温(wēn)度(dù)信(xìn)号(hào)檢测電(diàn)路(lù)。
图(tú)1電(diàn)路(lù)中(zhōng)，R14是(shì)放(fàng)在(zài)散(sàn)热(rè)器表(biǎo)面(miàn)的(de)鉑電(diàn)阻，用(yòng)于(yú)感(gǎn)應(yìng)散(sàn)热(rè)器的(de)温(wēn)度(dù)，該電(diàn)路(lù)可(kě)将PT電(diàn)阻随温(wēn)度(dù)信(xìn)号(hào)變(biàn)化(huà)的(de)阻值信(xìn)号(hào)轉(zhuǎn)變(biàn)成(chéng)電(diàn)壓信(xìn)号(hào)，
这(zhè)樣(yàng)，根(gēn)據(jù)PTl00-V點(diǎn)的(de)電(diàn)壓值，即可(kě)換算出(chū)PT電(diàn)阻R14的(de)電(diàn)壓信(xìn)号(hào)，ref-V为(wèi)基準電(diàn)壓信(xìn)号(hào)，ref-V經(jīng)过(guò)图(tú)2所(suǒ)示的(de)差分(fēn)放(fàng)大電(diàn)路(lù)後(hòu)，
再根(gēn)據(jù)图(tú)中(zhōng)元(yuán)器件(jiàn)的(de)參數即可(kě)計(jì)算出(chū)，最(zuì)後(hòu)傳輸的(de)電(diàn)壓信(xìn)号(hào)Va为(wèi)與(yǔ)基準電(diàn)壓差值的(de)12倍。
图(tú)3所(suǒ)示为(wèi)光(guāng)耦隔離傳輸電(diàn)路(lù)，由(yóu)图(tú)2所(suǒ)示的(de)差分(fēn)放(fàng)大電(diàn)路(lù)輸出(chū)的(de)電(diàn)壓信(xìn)号(hào)Va經(jīng)过(guò)光(guāng)耦隔離電(diàn)路(lù)後(hòu)，
即可(kě)以(yǐ)l：1的(de)形式傳送，即Vb點(diǎn)的(de)電(diàn)壓信(xìn)号(hào)和(hé)差分(fēn)放(fàng)大後(hòu)的(de)信(xìn)号(hào)Va是(shì)一(yī)樣(yàng)的(de)，将Vb送到(dào)AD7705進(jìn)行模數轉(zhuǎn)換。
然後(hòu)将其轉(zhuǎn)換成(chéng)串行序列輸出(chū)給(gěi)FPGA处理，同(tóng)时(shí)也(yě)上(shàng)傳到(dào)DSP控制器。
2 软(ruǎn)件(jiàn)設計(jì)方(fāng)案(àn)
本(běn)系(xì)統的(de)软(ruǎn)件(jiàn)設計(jì)主(zhǔ)要(yào)是(shì)根(gēn)據(jù)AD7705的(de)特(tè)點(diǎn)和(hé)操作时(shí)序，用(yòng)FPGA的(de)通(tòng)用(yòng)GPIO模拟SPI时(shí)序。
图(tú)4給(gěi)出(chū)了(le)該系(xì)統中(zhōng)AD7705的(de)主(zhǔ)狀态流程图(tú)。此(cǐ)後(hòu)，根(gēn)據(jù)流程图(tú)再編写各(gè)子模块(kuài)，即可(kě)完成(chéng)对(duì)AD7705两(liǎng)路(lù)信(xìn)号(hào)的(de)实时(shí)采集。
2．1 AD7705的(de)特(tè)點(diǎn)及(jí)操作时(shí)序
AD7705是(shì)采用(yòng)∑-△轉(zhuǎn)換技術(shù)来(lái)实現(xiàn)16位代(dài)碼无丢失性(xìng)能(néng)的(de)AD轉(zhuǎn)換器件(jiàn)。
該器件(jiàn)可(kě)以(yǐ)直(zhí)接接收(shōu)来(lái)自(zì)傳感(gǎn)器的(de)低電(diàn)平輸入(rù)信(xìn)号(hào)，然後(hòu)産生(shēng)串行的(de)數字(zì)輸出(chū)。
AD7705只(zhī)需2．7～5．25 V的(de)單電(diàn)源，采用(yòng)双(shuāng)通(tòng)道(dào)全(quán)差分(fēn)模拟輸入(rù)，并有(yǒu)一(yī)个(gè)差分(fēn)基準輸入(rù)。當電(diàn)源電(diàn)壓为(wèi)5 V、基準電(diàn)壓为(wèi)2．5 V时(shí)，
这(zhè)種(zhǒng)器件(jiàn)可(kě)对(duì)輸入(rù)信(xìn)号(hào)範圍在(zài)0～20 mA和(hé)0～2．5 V的(de)信(xìn)号(hào)進(jìn)行处理，還(huán)可(kě)以(yǐ)处理±20 mV～±2．5 V的(de)双(shuāng)极(jí)性(xìng)輸入(rù)信(xìn)号(hào)，其串行接口(kǒu)也(yě)可(kě)配置为(wèi)三(sān)線(xiàn)接口(kǒu)。
其增益值、信(xìn)号(hào)极(jí)性(xìng)以(yǐ)及(jí)更(gèng)新速率的(de)選擇均可(kě)用(yòng)串行輸入(rù)口(kǒu)由(yóu)软(ruǎn)件(jiàn)来(lái)配置。
此(cǐ)外(wài)，該器件(jiàn)還(huán)包(bāo)括自(zì)校(xiào)準和(hé)系(xì)統校(xiào)準選項，以(yǐ)消除器件(jiàn)本(běn)身(shēn)或(huò)系(xì)統的(de)增益和(hé)偏移誤差。
AD7705包(bāo)括6个(gè)用(yòng)戶可(kě)通(tòng)过(guò)串口(kǒu)訪問(wèn)的(de)片(piàn)內(nèi)寄存器。其中(zhōng)第(dì)一(yī)个(gè)是(shì)通(tòng)訊寄存器，
用(yòng)于(yú)管(guǎn)理通(tòng)道(dào)選擇，決定(dìng)下(xià)一(yī)个(gè)操作是(shì)读(dú)操作還(huán)是(shì)写操作，以(yǐ)及(jí)下(xià)一(yī)次(cì)读(dú)或(huò)写哪一(yī)个(gè)寄存器。
所(suǒ)有(yǒu)與(yǔ)器件(jiàn)的(de)通(tòng)訊必須從写通(tòng)訊寄存器開(kāi)始。上(shàng)電(diàn)或(huò)複位後(hòu)，器件(jiàn)将等待在(zài)通(tòng)訊寄存器上(shàng)進(jìn)行一(yī)次(cì)写操作；
第(dì)二(èr)个(gè)是(shì)設置寄存器，用(yòng)于(yú)決定(dìng)校(xiào)準模式、增益設置、單／双(shuāng)极(jí)性(xìng)輸入(rù)以(yǐ)及(jí)緩沖模式；
第(dì)三(sān)个(gè)是(shì)时(shí)鐘(zhōng)寄存器，其中(zhōng)包(bāo)括濾波(bō)器選擇位和(hé)时(shí)鐘(zhōng)控制位；
第(dì)四(sì)个(gè)是(shì)數據(jù)寄存器，器件(jiàn)輸出(chū)的(de)數據(jù)從这(zhè)个(gè)寄存器读(dú)出(chū)；
第(dì)五(wǔ)个(gè)是(shì)零(líng)标(biāo)度(dù)校(xiào)準寄存器，AD7705包(bāo)含两(liǎng)組独立的(de)零(líng)标(biāo)度(dù)寄存器，每个(gè)零(líng)标(biāo)度(dù)寄存器負責一(yī)个(gè)輸入(rù)通(tòng)道(dào)。它(tā)们(men)都是(shì)24位读(dú)，写寄存器；
第(dì)六(liù)个(gè)是(shì)滿标(biāo)度(dù)校(xiào)準寄存器，AD7705包(bāo)含两(liǎng)組独立的(de)滿标(biāo)度(dù)寄存器，每个(gè)滿标(biāo)度(dù)寄存器負責一(yī)个(gè)輸入(rù)通(tòng)道(dào)。它(tā)们(men)都是(shì)24位读(dú)／写寄存器。
AD7705的(de)写操作时(shí)序图(tú)如(rú)图(tú)5所(suǒ)示。在(zài)将片(piàn)選端CS拉低後(hòu)，即可(kě)在(zài)串行时(shí)鐘(zhōng)的(de)上(shàng)升(shēng)沿發(fà)送數據(jù)，發(fà)送數據(jù)时(shí)，高(gāo)位在(zài)前(qián)。
AD7705的(de)读(dú)操作时(shí)序图(tú)如(rú)图(tú)6所(suǒ)示。當在(zài)AD7705的(de)DRDY信(xìn)号(hào)脚檢测到(dào)邏輯低電(diàn)平时(shí)，
表(biǎo)示可(kě)以(yǐ)從AD7705的(de)數據(jù)寄存器獲取(qǔ)新的(de)輸出(chū)字(zì)，
當完成(chéng)对(duì)一(yī)个(gè)完全(quán)的(de)輸出(chū)字(zì)的(de)读(dú)操作後(hòu)，DRDY引脚立即回(huí)到(dào)高(gāo)電(diàn)平。
如(rú)果(guǒ)在(zài)两(liǎng)次(cì)輸出(chū)更(gèng)新之間(jiān)，不(bù)發(fà)生(shēng)數據(jù)輸出(chū)，DRDY将在(zài)下(xià)一(yī)次(cì)輸出(chū)更(gèng)新前(qián)500个(gè)輸入(rù)时(shí)鐘(zhōng)时(shí)間(jiān)返回(huí)高(gāo)電(diàn)平。
DRDY处于(yú)高(gāo)電(diàn)平时(shí)，不(bù)能(néng)進(jìn)行读(dú)操作。當數據(jù)更(gèng)新後(hòu)，DRDY又返回(huí)低電(diàn)平。
2．2 FPGA接口(kǒu)的(de)软(ruǎn)件(jiàn)設計(jì)
FPGA與(yǔ)AD7705共(gòng)有(yǒu)5个(gè)接口(kǒu)引脚，分(fēn)别为(wèi)片(piàn)選端CS、串行时(shí)鐘(zhōng)端SCLK、串行數據(jù)輸入(rù)端DIN、串行數據(jù)輸出(chū)端DOUT和(hé)串行數據(jù)請求端DRDY。
读(dú)AD7705的(de)數據(jù)寄存器前(qián)，需先(xiān)設置其时(shí)鐘(zhōng)寄存器和(hé)設置寄存器，
下(xià)面(miàn)以(yǐ)1通(tòng)道(dào)为(wèi)例来(lái)簡要(yào)说(shuō)明(míng)，首先(xiān)向(xiàng)AD7705發(fà)送串行數據(jù)0x20，表(biǎo)示下(xià)一(yī)操作選擇时(shí)鐘(zhōng)寄存器，
接着發(fà)送串行數據(jù)0x0C，設置时(shí)鐘(zhōng)为(wèi)2分(fēn)頻，然後(hòu)發(fà)送Oxl0，表(biǎo)示下(xià)一(yī)操作選擇設置寄存器，
接着發(fà)送串行數據(jù)0x44，表(biǎo)示設置寄存器模式为(wèi)自(zì)校(xiào)準，增益l，單极(jí)性(xìng)，无緩沖，然後(hòu)再向(xiàng)AD7705發(fà)送0x38，
表(biǎo)示可(kě)以(yǐ)读(dú)通(tòng)道(dào)1的(de)數據(jù)寄存器，并等待AD7705的(de)DRDY變(biàn)低，然後(hòu)發(fà)送16个(gè)时(shí)鐘(zhōng)，以(yǐ)读(dú)取(qǔ)通(tòng)道(dào)1的(de)16位轉(zhuǎn)換數據(jù)。
通(tòng)道(dào)2的(de)數據(jù)读(dú)取(qǔ)與(yǔ)通(tòng)道(dào)1的(de)數據(jù)读(dú)取(qǔ)相似，發(fà)送的(de)數據(jù)分(fēn)别为(wèi)0x21，0x0C，0x11，0x44，0x39。
3 結束(shù)語(yǔ)
本(běn)文(wén)用(yòng)有(yǒu)限狀态機(jī)在(zài)FPGA上(shàng)实現(xiàn)了(le)对(duì)有(yǒu)SPI接口(kǒu)的(de)AD轉(zhuǎn)換器AD7705的(de)接口(kǒu)應(yìng)用(yòng)，并对(duì)AD7705的(de)两(liǎng)路(lù)輸入(rù)信(xìn)号(hào)進(jìn)行了(le)实时(shí)采集。
事(shì)实上(shàng)，選用(yòng)通(tòng)用(yòng)I／O口(kǒu)模拟SPI时(shí)序，相比标(biāo)準SPI接口(kǒu)IP核更(gèng)为(wèi)簡潔，可(kě)以(yǐ)节(jié)約FPGA的(de)片(piàn)上(shàng)資源。
由(yóu)于(yú)AD7705提(tí)供有(yǒu)双(shuāng)通(tòng)道(dào)、低成(chéng)本(běn)、高(gāo)分(fēn)辨率的(de)模數轉(zhuǎn)換功能(néng)，
因(yīn)此(cǐ)，采用(yòng)∑-△結構实現(xiàn)模數轉(zhuǎn)換，可(kě)使得該器件(jiàn)在(zài)噪音(yīn)环(huán)境下(xià)免受干(gàn)擾，因(yīn)而(ér)很适合于(yú)工業控制應(yìng)用(yòng)。
http://old.mdy-edu.com/xmucjie/2023/0201/1865.html
