一種新型數(shù)字溫度測(cè)量電路的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

用傳統(tǒng)的水銀或酒精溫度計(jì)來測(cè)量溫度,不僅測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)、讀數(shù)不方便、而且功能單一,已經(jīng)不能滿足人們?cè)跀?shù)字化時(shí)代的要求。本文提出了一種新型的數(shù)字式溫度測(cè)量電路的設(shè)計(jì)方案,該方案集成了溫度測(cè)量電路和實(shí)時(shí)日歷時(shí)鐘電路。

　　溫度測(cè)量電路的測(cè)溫范圍在-20℃～50℃之間,分辨率為1℃,測(cè)溫時(shí)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(shí)現(xiàn)電阻值到頻率的轉(zhuǎn)換,然后根據(jù)預(yù)先存儲(chǔ)在ROM中的參數(shù)值進(jìn)行比較映射得到待測(cè)溫度值。實(shí)時(shí)日歷時(shí)鐘電路能顯示年、月、日、星期、時(shí)、分、秒七種時(shí)鐘信號(hào),用戶可以對(duì)時(shí)間進(jìn)行設(shè)定或修改。整個(gè)電路用Altera 公司的ACEX1K系列的FPGA進(jìn)行了硬件仿真實(shí)現(xiàn),電路設(shè)計(jì)靈活,便于修改。

　　1 測(cè)溫原理

　　溫度監(jiān)測(cè)主要是利用溫度傳感器來實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)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。阻值溫度關(guān)系表達(dá)式為:
　　
　　式中,A、B是由半導(dǎo)體材料和加工工藝所決定的兩個(gè)常數(shù),B值為熱敏指數(shù)。設(shè)計(jì)中選用的是R25℃為100kΩ的MF58高精度測(cè)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(gè)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(jì)中用熱敏電阻替代設(shè)置電阻。第4引腳是一個(gè)三態(tài)分頻引腳,決定主控時(shí)鐘在輸出前是被1、10或100分頻,設(shè)計(jì)中將該引腳接地,即輸出分頻系數(shù)為1。第5引腳為輸出引腳,輸出頻率與設(shè)置電阻之間的關(guān)系為:
　　
　　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(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的測(cè)量。

　　由(1)、(2)式可知電路設(shè)計(jì)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(shí)的非線性。對(duì)非線性問題,可以用數(shù)學(xué)方法進(jìn)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(jì)中采用了另外一種方法進(jìn)行處理,即利用ROM預(yù)先存儲(chǔ)頻率—溫度的數(shù)據(jù),通過查表法進(jìn)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(jì)

　　從功能上劃分,硬件電路分為溫度測(cè)量電路和實(shí)時(shí)日歷時(shí)鐘電路兩大部分。

　　2.1 溫度測(cè)量電路

　　 2.1.1頻率測(cè)量電路

　　頻率測(cè)量電路主要是采用頻率計(jì)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(hào)count_en和計(jì)數(shù)復(fù)位信號(hào)count_clr,在采樣基準(zhǔn)信號(hào)正半周計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)使能,計(jì)數(shù)模塊開始對(duì)輸入信號(hào)的頻率進(jìn)行測(cè)量,測(cè)量時(shí)間恰為T,并在采樣基準(zhǔn)信號(hào)的下降沿將采樣的數(shù)據(jù)結(jié)果鎖存。若在時(shí)間T內(nèi)計(jì)數(shù)器測(cè)得信號(hào)脈沖個(gè)數(shù)為N,則被測(cè)信號(hào)的頻率為:FX=N/T。

　　計(jì)數(shù)復(fù)位信號(hào)用于每一次測(cè)量開始時(shí)對(duì)計(jì)數(shù)模塊進(jìn)行復(fù)位,以清除上次測(cè)量的結(jié)果。各信號(hào)之間的時(shí)序關(guān)系如圖2所示。

　　　　　　　　　　　　　　圖2 采樣控制信號(hào)之間的時(shí)序關(guān)系

　　另外,由于測(cè)量過程中被測(cè)頻率信號(hào)與采樣控制信號(hào)之間沒有同步鎖定關(guān)系,在計(jì)數(shù)的末尾將產(chǎn)生±1的附加誤差,即參考文獻(xiàn)[2]中所提到的量化誤差。所以采樣時(shí)間T和計(jì)數(shù)器的位數(shù)一定要選擇合理。在本設(shè)計(jì)中,測(cè)量的頻率在10kHz～300kHz的范圍內(nèi)變化,在待測(cè)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(shí),N=1000,則±1的量化誤差的影響幾乎可以忽略不計(jì)。

　　2.1.2 數(shù)據(jù)處理電路

　　由于在頻率測(cè)量電路中必然會(huì)存在測(cè)量誤差,所以必須對(duì)這些測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行處理。本設(shè)計(jì)針對(duì)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(cè)量電路中的數(shù)據(jù)結(jié)果N’先通過若干個(gè)寄存器移位寄存,然后利用比較器對(duì)寄存的數(shù)據(jù)進(jìn)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(diǎn)為:

　　(1) 有效降低了測(cè)量誤差的影響。通過比較器可以將突發(fā)的偶然錯(cuò)誤數(shù)據(jù)排除。根據(jù)隨機(jī)誤差的補(bǔ)償性原理,對(duì)于有限次測(cè)量,可以近似認(rèn)為多次測(cè)量的算術(shù)平均值即為真值的最佳估計(jì)值。

　　(2) 可以動(dòng)態(tài)地反映被測(cè)信號(hào)變化趨勢(shì)。這種方法適用于很多對(duì)實(shí)時(shí)性測(cè)量要求較高的場(chǎng)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(jì)數(shù)器和溫度值計(jì)數(shù)器都是通過有限狀態(tài)機(jī)來控制的。狀態(tài)1:計(jì)數(shù)器清空;狀態(tài)2:計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù);狀態(tài)3:鎖存計(jì)數(shù)結(jié)果;狀態(tài)4:計(jì)數(shù)器結(jié)果輸出。反復(fù)執(zhí)行以上四種狀態(tài)可實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時(shí)測(cè)量控制。
　　　　　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　圖4 溫度映射電路框圖

　　由于溫度測(cè)量范圍是-20℃～50℃,分辨率僅為1℃,所以ROM中只需存儲(chǔ)70個(gè)數(shù)據(jù),選用128×12位的ROM即可滿足要求。同時(shí),ROM中存儲(chǔ)的不是如1℃、2℃、3℃等整數(shù)點(diǎn)的值,而是1.5℃、2.5℃、3.5℃時(shí)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(jì)數(shù)器中存儲(chǔ)的是-20℃的最低溫度值,地址計(jì)數(shù)器的值清零。來一次CLK信號(hào),地址計(jì)數(shù)器和十進(jìn)制計(jì)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(shí)際采樣脈沖值N進(jìn)行比較。若小于實(shí)際輸入值則比較器輸出S=1,2個(gè)計(jì)數(shù)器繼續(xù)計(jì)數(shù);反之,計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。此時(shí)溫度計(jì)數(shù)器的值即為實(shí)際測(cè)量的溫度值。

　　采用ROM進(jìn)行溫度映射除了具有前面提到的優(yōu)點(diǎn)以外,還使其設(shè)計(jì)靈活通用,在此電路中只需更改ROM中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)就可以適用于多種類型的溫度傳感器。


　　

　　　　　　　　　　　圖5 時(shí)鐘計(jì)時(shí)顯示框圖

　　　　　　　　　　圖6 時(shí)鐘工作模式

　　2.2 實(shí)時(shí)日歷時(shí)鐘電路

　　2.2.1 時(shí)鐘計(jì)時(shí)顯示

　　時(shí)鐘計(jì)時(shí)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(hào),輸入到模為60的分頻計(jì)秒電路,待計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)至60的瞬間,進(jìn)位至計(jì)數(shù)60的分頻計(jì)分電路加1,而計(jì)秒電路也清除為0,重新計(jì)秒。

　　(2) 除日計(jì)數(shù)器外,計(jì)分、計(jì)時(shí)、計(jì)月、計(jì)星期、計(jì)年電路功能類似。

　　(3) 日計(jì)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(jì)數(shù)電路的輸出分別是DBS、DBM、DBH、DBD、DBW、DBN、DBY。它們同時(shí)只會(huì)有一組出現(xiàn),控制輸出的ENB信號(hào)是由掃描電路信號(hào)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(dá)到點(diǎn)亮單個(gè)七段顯示器,卻享有13個(gè)同時(shí)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(jìn)制數(shù)來表示,所以先將以二進(jìn)制表示的BIN碼改成兩個(gè)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(shí)鐘設(shè)定

　　時(shí)鐘計(jì)時(shí)和時(shí)鐘調(diào)整模式通過外部按鍵K1來實(shí)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(shí)鐘調(diào)整模式(即除去111計(jì)時(shí)狀態(tài))的任意情況下通過按鍵K2進(jìn)行時(shí)間調(diào)整。

　　各種調(diào)整方式的操作類似,以計(jì)秒的同步控制信號(hào)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(jì)時(shí)狀態(tài),SEC和SC共同負(fù)責(zé)時(shí)鐘計(jì)時(shí)動(dòng)作,STATE為狀態(tài)變量。

　　(2) 在時(shí)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(hào)負(fù)責(zé)手動(dòng)調(diào)整秒數(shù)。

　　本設(shè)計(jì)基于topdown的設(shè)計(jì)思想,進(jìn)行合理模塊劃分,在數(shù)字電路設(shè)計(jì)部分運(yùn)用硬件語言Verilog及Quartus工具進(jìn)行了仿真、綜合、適配、下載,最后通過Altera公司的FPGA進(jìn)行硬件測(cè)試,實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求。該電路可廣泛應(yīng)用在家用電器及辦公自動(dòng)化設(shè)備的溫度監(jiān)測(cè)和控制領(lǐng)域中。

　　參考文獻(xiàn)

1 LTC1799Handbook. Linear, 2001

2 林占江. 電子測(cè)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(cè)量電路的設(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn).微電子學(xué)報(bào),2001;(3)

4 盧 毅, 賴杰.VHDL與數(shù)字電路設(shè)計(jì).北京:科學(xué)出版社,2001(收稿日期:2005-04-26)