基于FPGA的多通道高速同步测温仪

本发明涉及测温仪，具体为基于fpga的多通道高速同步测温仪。

背景技术：

1、在工业生产过程和科学实验过程中，温度是需要测量和控制的重要参数之一，测温设备中热电偶因其更宽的测温区间、更快的反应速度以及测量精度，应用极为广泛，热电偶有k型、j型等多种类型，均是将温度转换成微弱电压信号，再通过模数转换器(后文简称adc)电路进行转换，最终由arm、fpga、dsp等处理器对数据进行处理。

2、现有的应用场景和方案：因常规应用场景的升温和降温速率降低，因此可以直接使用arm(或dsp等单片机)配合adc芯片的方案，另外因热电偶转换得到的电压信号一般最大在几十毫伏，且实际使用场景的某些因素会导致电路板上会有工频、次耦合等共模干扰等，因此，采取的策略一般是先使用模拟电路进行放大得到差分信号，再使用高精度adc芯片将电压信号转换为数字信号，最终由arm(或dsp等单片机)进行处理、传输、存储及显示等。

3、使用fpga+(多片)adc+千兆以太网(udp协议)方案设计了一套温度采集系统，其特点是在保证温度精度的前提下，实现多通道、高速、同步、低延时温度采集，为某些急速升降温、阵列式温度采集领域提供了一种解决方案。为此，我们提出基于fpga的多通道高速同步测温仪。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供基于fpga的多通道高速同步测温仪，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于fpga的多通道高速同步测温仪，包括以下部分构成：

3、a1：高精度电源部分，为整个设备提供电能，多种低压差线性稳压器模块为不同电路模块提供稳定电源；

4、a2：高精度温度转换部分，将采集到的热电动势进行滤波和数模转换；

5、a3：fpga主控部分，fpga作为前端数据采集等模块的主控制器，充分发挥fpga的高速、并行、低延时特性完成对前端a/d转换芯片的控制和数据采集，并采集的数据进行处理并发送至千兆以太网模块；

6、a4：模拟信号触发转换部分，接收外部24v触发信号，并与fpga协作控制采集的开启，进而为用户提供灵活的触发模式。

7、优选的，所述a1中的供电包括，fpga的逻辑工作电压、24v外部触发信号的转换、以太网模块的供电以及ads1255的模拟工作电压、数字工作电压、高精度参考电压。

8、优选的，所述a1的具体包括，先对外部提供的12v直流电源进行初步转换得到9v直流稳压电源，再使用ref3025芯片将9v转换成5v、3.3v、2.5v电压。

9、优选的，所述a2的具体包括，将热电偶的电动势信号直接通过补偿导线输入设备后，经精简的低通滤波器后以差分形式直接输入a/d转换模块。

10、优选的，所述a3包括以下模块：

11、b1：主控模块，fpga通过以太网接收并解析来自上位机的启动方式、采集速率等命令，并控制触发模块和温度采集与处理模块进行温度采集、处理；最后经过缓存将采集数据按照规定的协议通过以太网端口以udp协议向外发送；

12、b2：触发模块，fpga主控部分接收来自外部上位机的触发模式等命令，并结合来自模拟信号触发转换部分的硬件触发信号对采集部分进行启动等控制；

13、b3：数据采集与处理模块，受主控模块控制，主控模块依据外部上位机的相关配置信息对a/d采集部分进行模式配置，该模块将采集的数据进行处理送至主控模块。

14、优选的，所述a4具体包括，将来自于设备外部的24v触发信号进行转换得到3.3v的逻辑电平，为了给用户提供更为灵活的触发方式，数据采集与处理模块的触发部分由软、硬件协同控制，fpga先接收上位机的软启动信号，再等到来自模拟信号转换部分的得到的启动信号才启动数据采集与处理模块。

15、优选的，所述热电偶包括k型热电偶与j型热电偶，所述k型热电偶与j型热电偶产生的感应热电动势的电压值范围均为0至100mv。

16、优选的，所述a/d模块的a/d芯片采用多通道24位工业模数转换器ads1255。

17、优选的，所述a1中转化的2.5v作为adc芯片的高精度参考电源。

18、优选的，所述低通滤波器采用δσ线性相位数字滤波器。

19、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

20、本发明通过设计的多通道、高速、高精度和低延时、高传输速率的温度采集设备，可以满足某些特殊领域下对温度采集的高速、多通道等需求，以此来获得更多的数据进行相关的实验实现和科学分析，用户可以在配套上位机配置采样速率等参数，以此来获得不同参数下的温度数据。

技术特征：

1.基于fpga的多通道高速同步测温仪，其特征在于：包括以下部分构成：

2.根据权利要求1所述的基于fpga的多通道高速同步测温仪，其特征在于：所述a1中的供电包括，fpga的逻辑工作电压、24v外部触发信号的转换、以太网模块的供电以及ads1255的模拟工作电压、数字工作电压、高精度参考电压。

3.根据权利要求1所述的基于fpga的多通道高速同步测温仪，其特征在于：所述a1的具体包括，先对外部提供的12v直流电源进行初步转换得到9v直流稳压电源，再使用ref3025芯片将9v转换成5v、3.3v、2.5v电压。

4.根据权利要求1所述的基于fpga的多通道高速同步测温仪，其特征在于：所述a2的具体包括，将热电偶的电动势信号直接通过补偿导线输入设备后，经精简的低通滤波器后以差分形式直接输入a/d转换模块。

5.根据权利要求1所述的基于fpga的多通道高速同步测温仪，其特征在于：所述a3包括以下模块：

6.根据权利要求1所述的基于fpga的多通道高速同步测温仪，其特征在于：所述a4具体包括，将来自于设备外部的24v触发信号进行转换得到3.3v的逻辑电平，为了给用户提供更为灵活的触发方式，数据采集与处理模块的触发部分由软、硬件协同控制，fpga先接收上位机的软启动信号，再等到来自模拟信号转换部分的得到的启动信号才启动数据采集与处理模块。

7.根据权利要求4所述的基于fpga的多通道高速同步测温仪，其特征在于：所述热电偶包括k型热电偶与j型热电偶，所述k型热电偶与j型热电偶产生的感应热电动势的电压值范围均为0至100mv。

8.根据权利要求4所述的基于fpga的多通道高速同步测温仪，其特征在于：所述a/d模块的a/d芯片采用多通道24位工业模数转换器ads1255。

9.根据权利要求3所述的基于fpga的多通道高速同步测温仪，其特征在于：所述a1中转化的2.5v作为adc芯片的高精度参考电源。

10.根据权利要求4所述的基于fpga的多通道高速同步测温仪，其特征在于：所述低通滤波器采用δσ线性相位数字滤波器。

技术总结
本发明公开了基于FPGA的多通道高速同步测温仪，涉及测温仪技术领域，包括以下部分构成：高精度电源部分，为整个设备提供电能，多种低压差线性稳压器模块为不同电路模块提供稳定电源，高精度温度转换部分，将采集到的热电动势进行滤波和数模转换，FPGA主控部分，FPGA作为前端数据采集等模块的主控制器，此基于FPGA的多通道高速同步测温仪，通过设计的多通道、高速、高精度和低延时、高传输速率的温度采集设备，可以满足某些特殊领域下对温度采集的高速、多通道等需求，以此来获得更多的数据进行相关的实验实现和科学分析，用户可以在配套上位机配置采样速率等参数，以此来获得不同参数下的温度数据。

技术研发人员：洪云飞,张伟,叶梦雄,徐智军,阿卜杜萨拉木·阿卜杜热合曼
受保护的技术使用者：西安航空职业技术学院
技术研发日：
技术公布日：2024/9/26