CN106569525B - 一种应用于动基座重力仪的数字恒温控制电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种动基座重力仪的数字恒温控制电路，该电路由测温电路、数字信号处理电路、驱动电路和供电电路组成。测温电路由精密基准电压源、测温电桥、多路切换开关、仪表放大器、低通滤波器组成，数字信号处理电路由A/D采样芯片、DSP芯片、FPGA芯片组成，驱动电路由光耦、保护二极管、MOS管、加热电阻和风扇组成，供电电路包括±15V模块、5V模块、12V模块和3.3V模块。本发明采用高精度电阻和铂电阻构建测温电桥，高精度电阻阻值的选择以目标温度值下铂电阻的阻值为参考，使测温电桥的测量噪声在控温温度接近目标温度值时达到最小，实现高分辨率的温度测量。

Description

一种应用于动基座重力仪的数字恒温控制电路
技术领域
本发明涉及一种应用于动基座重力仪的数字恒温控制电路控制，属于温度测量技术领域。
背景技术
动基座重力仪是一种在移动载体上测量地球重力场的精密测量设备，其核心部件——加速度计和I/F电路的精度受温度的影响显著，高精度的动基座重力仪必须具备高精度的恒温控制电路。传统的恒温控制电路根据测温环节是否包含A/D采样、控温环节是否采用脉冲调宽方式，可以分为全模拟式、半模拟半数字式和全数字式三种，数字式测温电路会引入A/D采样噪声，但便于数字控制和复杂算法的实现，模拟式测温电路不会引入采样噪声，但控制算法实现和控制参数调整困难，数字式控温电路需要引入复杂的数字信号处理电路，但控温时执行精度要优于模拟式控温电路；传统的恒温控制电路另外还存在测量噪声和放大噪声过大、测温分辨率低、测温路数和控温路数有限等问题。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种应用于动基座重力仪的数字恒温控制电路，保证测温的分辨率高、控温精度高、测温和控温接口充足。
本发明目的通过如下技术方案予以实现：
提供一种应用于动基座重力仪的数字恒温控制电路，包括由测温电路、数字信号处理电路、控温电路和供电电路；
所述测温电路包括测温电桥、多路选通开关、放大电路和滤波电路，测温电桥为多路，用于检测动基座重力仪的内部温度，并将温度信号发送至所述多路选通开关，多路选通开关在FPGA芯片的控制下选择一路温度信号输出，输出的温度信号经过放大电路进行放大、滤波电路进行滤波后，输入到数字信号处理电路；
所述数字信号处理电路包括DSP芯片、FPGA芯片和A/D转换芯片；所述A/D转换芯片采集测温电路输出的温度信号，并发送给FPGA芯片，FPGA芯片接收A/D转换芯片发送的温度信号，并存储在内部的FIFO寄存器，基于DSP发送的控制量，生成输入到控温电路的脉冲调制信号；DSP芯片读取FIFO寄存器中存储的数据，进行运算后，输出保证恒温所需的控制量，并将控制量发送给FPGA芯片；
控温电路包括升温电路和降温电路，基于FPGA芯片发送的脉冲调制信号控制加热或制冷；
所述供电电路为整个数字恒温控制电路供电。
优选的，所述测温电桥包括16路测温桥路和一路参考桥路，测温电阻并联滤波电容后与精密电阻R1*串联后作为一个测温桥路；精密电阻R2*和R3*串联后作为参考桥路，测温电阻两端的电压输入到多路切换开关，多路切换开关的选通信号输入端接收FPGA的选通信号，在FPGA的控制下将选通的一路测温信号输入至仪表放大器的正输入端，精密电阻R2*和R3*的连接处连接仪表放大器的负输入端，仪表放大器将两个输入端的输入信号进行差分放大后输出至运算放大器构成的低通滤波器。
优选的，R1*与Rt的比例应与R2*与R3*比例相等，或比例误差小于0.1％，测温电桥由高精度基准电压源供电，电压纹波小于2mV。
优选的，FPGA芯片读取DSP芯片发送控制量中的占空比数据，存放至指定FIFO地址，并由FPGA芯片中的PWM脉冲调宽模块生成脉冲调制信号；FPGA芯片中的多路切换控制信号生成模块，根据DSP芯片发送的测温通道编号，存放至指定FIFO地址，并生成选通信号，发送给多路选通开关。
优选的，FPGA芯片中的PWM脉冲调宽模块生成脉冲调制信号的过程为：在一个信号调制周期内，计数达到占空比数据对应的数值时，脉冲调制信号置零或置位，计数周期满时，信号置位或置零。
优选的，控温电路包括风扇、光耦、大功率MOS管和加热电阻；光耦将FPGA芯片的输入信号进行隔离后发送给大功率MOS管，大功率MOS管栅极与源极之间连接有保护二极管，漏极与28V电源之间连接加热电阻，控制加热电阻的开关；风扇直接接收FPGA芯片发送的脉冲调制信号控制自身转速；三端稳压管将28V转化为12V为光耦的输出端供电。
优选的，测温电阻分别设置动基座重力仪的箱体内、仪表安装仓表面和多个核心仪表的表面。
优选的，所述箱体的侧壁设置保温层进行保温，所述降温电路为多路，分别设置在箱体的上端面和下端面的通风槽内，所述通风槽在保温层的内部通过箱体上、下端面降温；所述升温电路设置在箱体内表面、仪表安装仓的表面和核心仪表的表面。
优选的，DSP芯片读取FIFO寄存器中存储的数据，进行运算后，输出保证恒温所需的控制量的具体方法为：DSP芯片计算目前温度ti与目标温度t0的差值ti-t0，当ti-t0>3°时，启动风扇满转速降温；当0.1°<ti-t0≤3°时，风扇转速控制量占空比为：
KF为风扇转速控制系数；当-3°<ti-t0≤0.1°时，加热片的加热控制量占空比为：
其中为加热片的加热控制系数，Pi R为加热片的积分系数，t为时间；当ti-t0<-3°时，开启加热片满功率加热。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明采用高分辨率测温电桥，电桥供电电压由高精度基准电压源提供，热敏电阻选用高分辨率、高阻值的铂电阻，其他电阻选用高精度、低温度系数的精密电阻，测温电桥中所有接地的电阻都并联有滤波电容，由R2*和R3*组成的参考桥路输出的电压应与测温桥路在目标温度下输出电压相等，以上设计使测温电桥的测量噪声非常微小，尤其在目标温度下，测温分辨率远远优于常规测温电桥。
(2)本发明采用多路选通开关，多路选通开关受FPGA芯片提供的多路切换控制信号控制，分时段依次输出不同测温桥路的电压，由单个A/D转换芯片为多路测温电桥输入电压进行采样，避免了因A/D转换芯片采样路数有限而限制测温电桥的路数。
(3)本发明采用的仪表放大器选用低漂移、高共模抑制比的型号，放大差模信号的同时，减小放大环节噪声引入，仪表放大器相比常规运算放大器还具有高输入阻抗、低输出阻抗的优势，A/D转换芯片采用高位数芯片，降低采样环节带来的噪声。
(4)本发明采用FPGA芯片，可提供丰富的I/O接口，使温控电路的串口通讯和PWM脉冲调宽输出信号不受路数的限制，FPGA芯片通过编程可灵活实现自定义的串行数据通讯电路、FIFO缓存RAM、PWM脉冲调宽电路和多路切换控制信号生成电路，以上电路可并行工作，避免了传统温控电路对核心处理器资源的过渡消耗。
(5)本发明采用具有浮点运算能力的DSP芯片，具有较高的数据计算精度和速度，DSP芯片通过地址和数据总线直接访问FPGA芯片内RAM，高速完成控制算法的执行，不受外围A/D转换、PWM脉冲调宽信号生成等工作的影响。
(6)本发明采用加热电阻加热，采用风扇降温，可以降低功耗的同时，不降低温控电路的环境适应性，单纯采用加热电阻加热，在降低功耗时会引起高温环境下失控的问题，风扇和加热电阻均由PWM信号控制，具有较高的执行精度。
(7)针对动基座重力仪工作环境温度较低的情况，在箱体内部设置保温层，降低了温度耗散，使系统的加热功率降低，实现了系统的低功耗。
附图说明
图1为本发明数字恒温控制电路的示意图。
图2为本发明的测温电路原理图。
图3为本发明的数字信号处理电路原理图。
图4为本发明的控温电路原理图。
具体实施方式
应用于动基座重力仪的数字恒温控制电路，由测温电路1、数字信号处理电路2、控温电路3和供电电路组成。测温电路由测温电桥4、多路选通开关5、仪表放大器6和低通滤波电路7组成，测温电桥用于检测动基座重力仪的内部温度，动基座重力仪的共有16路，分别设置动基座重力仪的箱体、本体、核心仪表等关键部位，检测其温度变化；所述多路选通开关5用于切换接入的多路测温电桥，选通其中一路输出进行放大、滤波后，作为温度信号输入到数字信号处理电路2；测温电桥4中热敏电阻阻值随温度发生变化时，其输出电压也随之以相应函数关系发生变化，由多个测温电桥4输出的多路电压经多路选通开关6切换选通后，分时段输入到仪表放大器7，放大信号再输入至低通滤波电路8，滤波后电压信号由A/D转换芯片10转换为数字信号，并以串行数据17发送至FPGA芯片9。
数字信号处理电路2由DSP芯片、FPGA芯片和A/D转换芯片组成。所述A/D转换芯片采集测温电路1输出的温度信号，并发送给FPGA芯片，FPGA芯片接收A/D转换芯片发送的温度串行数据，并存储在内部的FIFO寄存器，基于DSP发送的控制量，基于控制量生成输入到控温电路3的脉冲调制信号，不同的控制量所生成的调制信号宽度不同；DSP芯片读取FIFO寄存器中存储的数据，进行运算后，输出保证恒温所需的控制量，并将控制量发送给FPGA芯片。FPGA芯片9逻辑电路中包含串行数据通讯电路、FIFO缓存RAM和PWM脉冲调宽电路，串行数据17由串行数据通讯电路转换为标准字节数据，并缓存至FIFO，DSP芯片8以并行数据接口16读取FIFO中数据，并依据多路切换控制信号15换算各个测温电桥所测的实际温度，然后计算各路所需控制量，控制量作为数字信号经并行数据接口16返回FPGA芯片9，PWM脉冲调宽电路依次生成相应占空比的PWM逻辑信号(18、19)，其中一批PWM信号18直接控制多个风扇，另一批PWM信号19经光耦12转换后，驱动大功率MOS管13开关，加热电阻14随之以脉冲调宽方式加热。
控温电路3由风扇11、光耦12、大功率MOS管13和加热电阻14组成，所述风扇11由FPGA发送的脉冲调制信号直接驱动，基于不同的脉宽调整自身转速，所述光耦12接收脉冲调制信号进行隔离后发送给大功率MOS管13，大功率MOS管13驱动加热电阻14的开关；实现基于脉冲调制信号控制加热或制冷。
供电电路由28V供电，生成±15V、12V、5V、3.3V和2.5V，其中2.5V为精密基准电压源，为测温电桥供电，并作为A/D采样芯片的基准电压；±15V为运算放大器和仪表放大器供电；3.3V为FPGA、和A/D供电；12V为光耦的输出端供电；5V为DSP芯片供电。
测温电路中测温电桥共有16路，测温电阻采用PT1000铂电阻，恒值电阻采用RJK53精密电阻，16路测温电桥的测温桥路电压接入16通道的多路切换开关，仪表放大器型号为INA114，仪表放大器配置电阻选用RJK53-1KΩ精密电阻，低通滤波电路截止频率设定为1KHz，运放型号为OP27。参见图2，测温电阻Rt并联滤波电容后与精密电阻R1*串联后作为一个测温桥路，共16各测温桥路，精密电阻R2*和R3*串联后作为参考桥路，测温电阻Rt两端的电压输入到多路切换开关D1，多路切换开关D1的选通信号输入端接收FPGA的选通信号，在FPGA的控制下将选通的一路测温信号输入至仪表放大器D2的正输入端，精密电阻R2*和R3*的连接处连接仪表放大器D2的负输入端，仪表放大器D2将两个输入信号进行差分放大后输出至运放OA1构成的低通滤波器。高精度测温电桥4共有16路，但不仅限于16路，热敏电阻选用高分辨率、高阻值的铂电阻Rt，其他电阻选用高精度、低温度系数的精密电阻，由精密电阻R2*和R3*组成的桥路为16路测温桥路提供统一的参考电压，测温电桥4中所有接地的电阻都并联有滤波电容，精密电阻R1*、R2*和R3*阻值的选取根据目标温度值确定，在目标温度值下，R1*与Rt的比例应与R2*与R3*比例相等，若存在比例误差，则应限制在0.1％以下，以实现优于高分辨率测温，高精度测温电桥4由高精度基准电压源供电，电压纹波应小于2mV，测温电桥4的参考电压和经多路切换后的测温电压分别输入仪表放大器7的两个输入端，仪表放大器7选用低漂移、高共模抑制比的型号，放大差模信号的同时，减小噪声引入。采用多路选通开关电路，所有测温电桥4的测温桥路输出均接入多路选通开关6，多路选通开关受FPGA芯片9提供的多路切换控制信号15控制，分时段依次输出不同测温桥路的电压，FPGA芯片9中包含生成多路切换控制信号15的逻辑电路，该逻辑电路的切换控制信号来自DSP芯片8，基于FPGA和DSP的多路开关电路分时段采集多路温度数据，减少了AD采集芯片数量，使测温桥路数量的增加不受限制，利于小型化和集成化。
参见图3，数字信号处理电路中A/D转换芯片D3为24位AD7734芯片，DSP芯片D5选用TMS320C6713B，FPGA芯片D4选用XILINX Spartan II，FPGA芯片根据I/O接口的配置，编程实现串行数据通讯电路、FIFO缓存RAM、PWM脉冲调宽电路和多路切换控制信号生成电路。FPGA芯片9内编程生成串行数据通讯电路、FIFO缓存RAM、PWM脉冲调宽电路和多路切换控制信号生成电路，串行数据通讯电路实现与A/D转换芯片10串口数据收发，接收的串口数据经转换后缓存入FIFO，并由DSP芯片8读取，FIFO寄存器采用先入先出的堆栈方式，可容纳一定长度的指定格式数据，PWM脉冲调宽电路读取DSP芯片8发送的占空比数据，存放至指定FIFO地址，并由此生成PWM信号，其原理是在计数周期内，计数达到占空比对应的数量时，信号置零(或置位)，计数周期满时，信号置位(或置零)，多路切换控制信号生成电路，根据DSP芯片(8)发送的测温通道数，存放至指定FIFO地址，并生成多路IO信号，转换原理为十进制数转换二进制数，二进制数的一位依次对应的IO信号的一路。DSP芯片(8)中运行数字温控程序，DSP芯片数据总线为16位，但不仅限于16位，DSP芯片(8)地址总线为10位，但不仅限于10位，数字温控程序包含温度测量程序、控制量计算程序和测温电路切换程序，测温电路切换程序依次变换多路切换开关通道数，该通道数经FGPA转换为多路IO信号，并送至多路切换开关完成输入通道选通，此时温度测量程序提取AD采样数据，并转换为高精度温度测量值，该温度测量值应与多路切换开关通道数建立对应关系，控制量计算程序根据某通道温度测量值与设定温度的差值，计算输出占空比控制量，并发送至FGPA中与该通道加热片对应的FIFO地址，FPGA根据该地址中的占空比控制量，由逻辑电路生成对应占空比的PWM信号，输出至对应通道的加热驱动电路，当温度测量值过高时，控制量计算程序生成风扇控制的占空比控制量，并送至FPGA风扇控制对应的FIFO地址，FPGA根据该地址中的占空比控制量，生成控制风扇转速的PWM信号。FPGA芯片9生成的PWM信号，一批直接控制风扇11的风速，另一批经光耦12转换后，驱动大功率MOS管13，控制加热电阻14上的电压和电流，光耦D6将输入端数字电和输出端模拟电隔离，输出端由三端稳压管D7分压供电，输出PWM信号驱动大功率MOS管开关，加热电阻受大功率MOS管开关控制，并直接由大功率模拟电供电，PWM信号、风扇11、大功率MOS管13和加热电阻14等组成的加热电路均不限于某一数量。
DSP芯片读取FIFO寄存器中存储的数据，进行运算后，输出保证恒温所需的控制量的具体方法为：DSP芯片计算目前温度ti与目标温度t0的差值ti-t0，当t-t0>3°时，启动风扇满转速降温；当差值大于0.1°<ti-t0≤3°时，风扇转速控制量占空比为：
KF为风扇转速控制系数，通常取0.3；当-3°<ti-t0≤0.1°时，加热片的加热控制量占空比为：
，其中为加热片的加热控制系数，通常取1，Pi R为加热片的积分系数，通常取0.1，t为时 间；当ti-t0<-3°时，开启加热片满功率加热。
控温电路中光耦D6选用TLP155E，大功率MOS管Q1选用IRF3205，其栅极与源极之间连接有保护二极管B1，型号为2EZ15D5，大功率MOS管Q1的漏极与28V电源之间连接加热电阻。D7为三端稳压管，将28V转化为12V为光耦D6的输出端供电，光耦D6将FPGA芯片的输入信号进行隔离。
供电电路提供的±15V为仪表放大器INA114和运放OP27供电，12V为光耦TLP155E供电，5V为多路切换开关、DSP芯片、FPGA芯片供电，5V、3.3V为AD7734供电，2.5V为AD7734和测温电桥提供基准电压。以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种应用于动基座重力仪的数字恒温控制电路，其特征在于：包括由测温电路(1)、数字信号处理电路(2)、控温电路(3)和供电电路；
所述测温电路(1)包括测温电桥(4)、多路选通开关(5)、放大电路(6)和滤波电路(7)，测温电桥(4)为多路，用于检测动基座重力仪的内部温度，并将温度信号发送至所述多路选通开关(5)，多路选通开关(5)在FPGA芯片的控制下选择一路温度信号输出，输出的温度信号经过放大电路(6)进行放大、滤波电路(7)进行滤波后，输入到数字信号处理电路(2)；
所述数字信号处理电路(2)包括DSP芯片、FPGA芯片和A/D转换芯片；所述A/D转换芯片采集测温电路(1)输出的温度信号，并发送给FPGA芯片，FPGA芯片接收A/D转换芯片发送的温度信号，并存储在内部的FIFO寄存器，基于DSP发送的控制量，生成输入到控温电路(3)的脉冲调制信号；DSP芯片读取FIFO寄存器中存储的数据，进行运算后，输出保证恒温所需的控制量，并将控制量发送给FPGA芯片；
控温电路(3)包括升温电路和降温电路，基于FPGA芯片发送的脉冲调制信号控制加热或制冷；
所述供电电路为整个数字恒温控制电路供电；
DSP芯片读取FIFO寄存器中存储的数据，进行运算后，输出保证恒温所需的控制量的具体方法为：DSP芯片计算目前温度ti与目标温度t0的差值ti-t0，当ti-t0>3°时，启动风扇满转速降温；当0.1°<ti-t0≤3°时，风扇转速控制量占空比为：
KF为风扇转速控制系数；当-3°<ti-t0≤0.1°时，加热片的加热控制量占空比为：
其中为加热片的加热控制系数，Pi R为加热片的积分系数，t为时间；当ti-t0<-3°时，开启加热片满功率加热。
2.根据权利要求1所述应用于动基座重力仪的数字恒温控制电路，其特征在于：所述测温电桥(4)包括16路测温桥路和一路参考桥路，测温电阻Rt并联滤波电容后与精密电阻R1*串联后作为一个测温桥路；精密电阻R2*和R3*串联后作为参考桥路，测温电阻Rt两端的电压输入到多路切换开关，多路切换开关的选通信号输入端接收FPGA的选通信号，在FPGA的控制下将选通的一路测温信号输入至仪表放大器(D2)的正输入端，精密电阻R2*和R3*的连接处连接仪表放大器(D2)的负输入端，仪表放大器(D2)将两个输入端的输入信号进行差分放大后输出至运算放大器(OA1)构成的低通滤波器。
3.根据权利要求2所述应用于动基座重力仪的数字恒温控制电路，其特征在于：R1*与Rt的比例应与R2*与R3*比例相等，或比例误差小于0.1％，测温电桥(4)由高精度基准电压源供电，电压纹波小于2mV。
4.根据权利要求1所述应用于动基座重力仪的数字恒温控制电路，其特征在于：FPGA芯片读取DSP芯片(8)发送控制量中的占空比数据，存放至指定FIFO地址，并由FPGA芯片中的PWM脉冲调宽模块生成脉冲调制信号；FPGA芯片中的多路切换控制信号生成模块，根据DSP芯片(8)发送的测温通道编号，存放至指定FIFO地址，并生成选通信号，发送给多路选通开关(5)。
5.根据权利要求1所述应用于动基座重力仪的数字恒温控制电路，其特征在于：FPGA芯片中的PWM脉冲调宽模块生成脉冲调制信号的过程为：在一个信号调制周期内，计数达到占空比数据对应的数值时，脉冲调制信号置零或置位，计数周期满时，信号置位或置零。
6.根据权利要求1所述应用于动基座重力仪的数字恒温控制电路，其特征在于：控温电路(3)包括风扇(11)、光耦(12)、大功率MOS管(13)和加热电阻(14)；光耦(12)将FPGA芯片的输入信号进行隔离后发送给大功率MOS管(13)，大功率MOS管(13)栅极与源极之间连接有保护二极管(B1)，漏极与28V电源之间连接加热电阻(14)，控制加热电阻(14)的开关；风扇(11)直接接收FPGA芯片发送的脉冲调制信号控制自身转速；三端稳压管(D7)将28V转化为12V为光耦(12)的输出端供电。
7.根据权利要求2所述应用于动基座重力仪的数字恒温控制电路，其特征在于：测温电阻Rt分别设置动基座重力仪的箱体内、仪表安装仓表面和多个核心仪表的表面。
8.根据权利要求7所述应用于动基座重力仪的数字恒温控制电路，其特征在于：所述箱体的侧壁设置保温层进行保温，所述降温电路为多路，分别设置在箱体的上端面和下端面的通风槽内，所述通风槽在保温层的内部通过箱体上、下端面降温；所述升温电路设置在箱体内表面、仪表安装仓的表面和核心仪表的表面。
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