CN104749212A - 一种基于fpga的热电材料的自动测试仪 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于FPGA的热电材料的自动测试仪，其特征在于：包括一上位机，具有操作及显示界面，用于对测试过程所需测试的温度组合进行设定，及测试过程各种数据的显示；一测试控制装置，基于FPGA，用于对测试过程进行调度和控制；以及一测试执行装置，用于测试过程中对热电材料样品进行加热或制冷的温度控制，以及测量温差电动势和电导率。本发明的目的在于利用FPGA建立一套配置存储、数据存储以及任务调度系统，使测试的过程都由自动测试仪自动进行控制以及测量，尽可能的减少人手操作在测试过程中所占的比重，实现测试过程的人员最优化配置。

Description

一种基于FPGA的热电材料的自动测试仪

技术领域

本发明属于半导体材料测试装置，具体涉及一种基于FPGA的热电材料的自动测试仪。

背景技术

热电材料是一种能将热能和电能之间直接转换的特殊功能材料，具有广泛的应用前景。在环境污染和能源危机日益严重的今天，进行新型热电材料的研究具有很强的现实意义。

热电材料的热电性能主要通过测量温差电动势和电导率再进行计算得到。目前，用于热电材料测量的设备，由于涉及对样品温度的精确控制，要求每改变一次温度设置，加热或降温过程不能过于快速，必须缓慢进行。这必然导致了测试过程的缓慢，而且在测试过程中全程每个步骤都需要人手进行操作。

例如，针对某一特定测试条件进行的测试，都必须人手配置一次仪器，然后等待待测样品满足测试的温度条件后，又需要记录下当前测试样品两极的温差和电势差，以便测试结束后计算热电系数。同时，为了能更详细精确的了解待测样品的热电性能，必然需要对样品进行多种不同测试条件下的测试，针对同一测试环境，也需要进行多次测试以验证样品在同一测试环境下的一致性。故此，针对一个待测样品的测试往往需要一段相当长的时间，相比较而言需要人手操作的时间很短，而其中等待的时间占较大的比重。这样极大的浪费了人力，导致效率低下。

为了提高测试效率，节省人手，需要引入一种自动化测试手段，可以设置多组温度值得组合，在测试开始前就把测试过程所需的各种温度组合配置好，测试过程中，各种测量以及记录数据的工作都由测试装置自动完成，实验人员只需在测试完成后，把数据导出并进行分析处理即可，这样就可以极大的提高测试效率，极大的节省人力成本。

发明内容

基于背景技术中所提及到的问题，本发明提出一种基于FPGA的热电材料的自动测试仪，目的在于利用FPGA建立一套配置存储、数据存储以及任务调度系统，使测试的过程都由自动测试仪自动进行控制以及测量，尽可能的减少人手操作在测试过程中所占的比重，实现测试过程的人员最优化配置。

本发明所采用的技术方案如下：

一种基于FPGA的热电材料的自动测试仪，包括

一上位机，具有操作及显示界面，用于对测试过程所需测试的温度组合进行设定，及测试过程各种数据的显示；

一测试控制装置，基于FPGA，用于对测试过程进行调度和控制；以及

一测试执行装置，用于测试过程中对热电材料样品进行加热或制冷的温度控制，以及测量温差电动势和电导率。

于本发明的一个或多个实施例中，所述测试控制装置包括配置存储模块、数据存储模块、任务调度模块、温度测控模块、电压测量模块以及上位机接口模块；

所述配置存储模块,用于储存来自上位机的温度组合设置；

所述数据存储模块,用于储存测试过程中所测得的温度以及电压值；

所述任务调度模块,用于在测试过程中依次调用预设定的各组温度组合进行测试；

所述温度测控模块,用于计算测试执行装置的温度控制电路所需的加热或制冷值，并驱动所述测试执行装置；

所述电压测量模块,用于测量获取由所述测试执行装置所反馈的热电材料样品两极的电压值；

所述上位机接口模块，用于上位机与测试控制装置进行通信。

本发明与现有技术相比，其优越性体现在：

1）整个测试过程只需要测试人员在开始阶段进行操作，把多组测试所需的温度组合预存于测试仪当中，依次加载并进行控制，期间测量仪自动运行，不再需要人手操作，可极大的节省人力，提高效率。

2）对温度的测控以及对电动势的测量的功能都是以硬件形式固化在FPGA中，各种测试条件通过可配置的寄存器的方式实现。

3）测量仪的核心部分基于FPGA来设计实现，可根据不同的种温度、电压测控装置修改固件，方便对传统的人手操作的旧设备进行升级。

附图说明

图1为本发明的自动测试仪的组成示意图。

图2为本发明的测试控制装置的功能框架示意图。

图3为本发明的测试控制装置的工作流图。

具体实施方式

如下结合附图，对本申请方案作进一步描述：

如图1所示，本发明的自动测试仪，包括

一上位机1，具有操作及显示界面，用于对测试过程所需测试的温度组合进行设定，及测试过程各种数据的显示；

一测试控制装置2，基于FPGA，用于对测试过程进行调度和控制；以及

一测试执行装置3，用于测试过程中对热电材料样品进行加热或制冷的温度控制，以及测量温差电动势和电导率。

所述上位机1作为人机交互接口，测试人员在测试开始前，通过上位机1的操作及显示界面对测试过程中所需的各种温度组合进行预设置，设置完成后由上位机1发送给测试控制装置2。

所述测试执行装置3可采用现有的执行装置或定制装置，其应具有实现对测试样品温度调节的温度控制电路，及对测试过程中样品温差电动势进行测试的电动势测量电路。

所述测试控制装置2为基于FPGA的硬件系统，其获取上位机所设定的参数，通过寄存器的方式存于系统中。

在测试过程中，测试控制装置2从寄存器中依次调出当前测试所用的温度组合设定，并以此来控制测试执行装置3中的温度控制电路，具体为，使待测样品两极的温度上升或下降。

当所测温度达到符合预设的温度差并稳定一段时间后，从测试执行装置3的电动势测量电路中获取测量数据，并实时上载所测量得到的各种数据至上位机1中，由上位机1显示与记录测试过程，并对测试数据（主要是热电材料两极的温度数据与电动势数据）进行分析处理，评估热电材料的热电性能。

如图2所示，测试控制装置2的具体实施：

所述测试控制装置2包括配置存储模块201、数据存储模块202、任务调度模块203、温度测控模块204、电压测量模块205以及上位机接口模块206；

所述配置存储模块201,用于储存来自上位机1的温度组合设置；为了可以对同一样品在不同温度条件下的热电性能进行测试和对比，配置存储模块201可以储存多组温度条件，具体的，一组温度设定中包含两个温度设定值，分别对应测试时对热电材料样品两极所需达到的温度值，设定温度值的精度为0.1℃。每组温度设置都根据测试所需的顺序，以寄存器的形式存于自动测试仪中，每一组温度设置都对应一个寄存器地址。

所述数据存储模块202,用于储存测试过程中所测得的温度以及电压值；在测试过程中，每组温度条件达到后，都会把热电材料样品两极所测得的温度值和电压值分别储存到数据存储模块202中；所有测试都完成后，上位机1可以通过上位机接口206把所有数据都导出。

所述任务调度模块203,用于在测试过程中依次调用预设定的各组温度组合进行测试；其根据寄存器中的地址对各测试任务依次进行调度，同一时间只能有一组测试条件被调用至当前的测试中。在前一组测试测试完成之前，排在后面的测试将挂起等待，直到满足了前一组的测试条件并完成数据的记录，再自动调出下一组的测试条件，进行下一组测试；依次执行，至最后一组测试条件测试完成。

所述温度测控模块204,用于计算测试执行装置的温度控制电路所需的加热或制冷值，并驱动所述测试执行装置；根据测试执行装置测量所得的样品两极的温度值，判断当前温度是否满足设定值，如果不满足，则启动测试执行装置3中的加热或制冷电路，对样品两极的温度进行调整。为了灵活使用，减少测试人员装拆热电材料的次数，温度测控模块对热电材料样品的两极都可以进行加热或制冷。为了使系统具有更高的适用性，温度测量部分可以兼容热电阻、热电偶以及数字接口传感器等温度传感器。

所述电压测量模块205,用于测量获取由所述测试执行装置3所反馈的热电材料样品两极的电压值；

所述上位机接口模块206，用于上位机1与测试控制装置2进行通信。

如图3所示，自动测试装置的工作流程：

步骤1，测试人员通过上位机设置需测试的温度组合；

步骤2，所有待测温度组合设置完成后，通过上位机下发至自动测试仪中；

步骤3，开始测试，自动测试仪脱离测试人员自动运行，读出第一组温度设定值；

步骤4，测试执行装置工作，控制热电样品两端的温度使之趋向设定值；

步骤5，热电材料样品两极的温度达到设定值并保持稳定，记录当前样品两极的温度值以及电压值，第一组设定值测试完成，测量结果储存于数据存储模块中；

步骤6，如果配置存储模块中还有其他待测试项，则读出下一组温度值，并重复上述3、4、5的操作；

步骤7，配置存储模块中所有待测试项都完成，测试人员在上位机上导出所有的测试结果，测试全过程结束。

本发明实例中，把对热电材料的测试过程中所需要进行的人手配置，在测试开始阶段全部完成，之后对同一个样品的测试开始后就不需要再进行人手操作，直到预先设置好的测试项都完成后，再通过上位机导出并作分析处理即可。

还可以根据可能出现的异常情况进行安全设置，具体为：测试过程中如果出现任何异常，如温度异常升高或降低，都将停止测试执行装置的运行，以保证安全；该停止指令由上位机1发出或由测试控制装置2的处理器发出。

上述优选实施方式应视为本申请方案实施方式的举例说明，凡与本申请方案雷同、近似或以此为基础作出的技术推演、替换、改进等，均应视为本专利的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于FPGA的热电材料的自动测试仪，其特征在于：包括

一上位机，具有操作及显示界面，用于对测试过程所需测试的温度组合进行设定，及测试过程各种数据的显示；

一测试控制装置，基于FPGA，用于对测试过程进行调度和控制；以及

一测试执行装置，用于测试过程中对热电材料样品进行加热或制冷的温度控制，以及测量温差电动势和电导率。

2.根据权利要求1所述的基于FPGA的热电材料的自动测试仪，其特征在于：所述测试控制装置包括配置存储模块、数据存储模块、任务调度模块、温度测控模块、电压测量模块以及上位机接口模块；

所述配置存储模块,用于储存来自上位机的温度组合设置；

所述数据存储模块,用于储存测试过程中所测得的温度以及电压值；

所述任务调度模块,用于在测试过程中依次调用预设定的各组温度组合进行测试；

所述温度测控模块,用于计算测试执行装置的温度控制电路所需的加热或制冷值，并驱动所述测试执行装置；

所述电压测量模块,用于测量获取由所述测试执行装置所反馈的热电材料样品两极的电压值；

所述上位机接口模块，用于上位机与测试控制装置进行通信。