溫度測試系統總體設計方案分析

隨著科技的發展和現代化工業生產的需要，溫度的測量和控制越來越受到人們的關注，對溫度的準確采集及合理調控，將會對溫度要求較高的工作環境起到至關重要的作用。尤其是在炸藥爆破等惡劣環境條件下對爆炸場溫度的分布規律的研究有助于為炸藥和相關彈藥的威力考核及分析提供依據。文中利用CPLD作為主控芯片，使用鎢錸熱電偶溫度傳感器并配以高效低功耗的測試電路對爆炸場溫度進行動態測試。

1 系統設計方案

1．1 動態存儲測試

所謂存儲測試技術，是指在對被測對象無影響或影響在允許范圍的條件下，在被測體內置入微型存儲測試儀器，現場實時完成信息快速采集與存儲，事后回收記錄儀，由計算機處理和再現被測信息的一種動態測試技術。

1．2 測試系統總體設計

本次設計的溫度測試系統，主要是利用CPLD來實現。溫度傳感器將外界溫度信號轉換為微弱的電壓信號，通過模擬電路部分將輸入信號進行放大和濾波，再經過A／D轉化電路把模擬信號轉換為數字信號，然后經過FIFO存入存儲器，計算機通過接口電路對數據進行讀取。其中，A／D轉換器、FIFO、存儲器和電源管理模塊都是由CPLD控制。

2 關鍵技術

2．1 主控芯片CPLD的選擇

在本次設計中使用Xilinx公司生產的XCR3128作為溫度測試系統的主控CPLD芯片。XCR3128有100個引腳，其中有76個I／O引腳，4個信號接口，4個全局時鐘，7個VCC，8個GND，1個PORT_EN；共包含128個宏單元，VCC為3．6 V，電流限制為200mA。XCR3128封裝小，功耗低，充分滿足了實際需要。

在本次設計中，控制部分主要由CPLD控制電路時序和工作模式的產生。控制功能圖如圖2所示，主要功能有：

1)電源管理及控制模塊：該模塊主要實現測試系統的電源管理及全局時鐘控制，從而達到降低功耗和控制各信號初態的目的。

2)時鐘分頻模塊：該模塊主要實現對從晶體振蕩器輸出到CPLD的時鐘進行分頻，從而得到A／D轉換器、存儲器和FIFO需要的時序。

3)編程觸發比較模塊：該模塊主要實現觸發溫度數字電平的編程，通過移位寄存器實現；數字比較部分是把A／D轉換結果和所編溫度數字電平值比較判斷觸發與否。

4)FIFO及存儲器地址模塊：該模塊主要實現生成FIFO和存儲器需要的地址，FIFO和存儲器的數據讀寫。

5)A／D時序產生模塊：該模塊主要實現A／D轉換器的CONVST／和讀信號的時序生成。

6)讀數模塊：該模塊主要實現讀數接口的邏輯連接控制，接收計算機發送的脈沖信號，以完成數據傳輸的目的。

2.2 溫度傳感器

在爆炸場等高溫、高壓、高沖擊的惡劣環境下采集瞬時溫度的動態變化對溫度傳感器要求很高，因此選用了美國NANMAC公司的E12鎢錸侵蝕熱電偶。該熱電偶瞬態溫度響應時間僅為幾百微妙，溫度范圍高達2 315℃，耐壓程度高達69 MPa，完全能夠滿足爆炸場溫度測試的需要。

熱電偶是利用導體或半導體材料的熱電效應將溫度的變化轉換為電動勢的變化，熱電偶回路中產生的電動勢差為：

NA、NB為材料A、B的電子密度；σA、σB為導體A、B的湯姆遜系數，K為波爾茲曼常數。

由于導體湯姆遜效應引起的電動勢差相比較小，常可忽略，因此當熱電偶的兩種材料的特性為已知時，一端溫度固定，則待測溫度T是電動勢的單值函數。為了使E12鎢錸熱電偶冷端溫度固定在0℃，本次設計采用了補償電橋法補償冷端的溫度變化。