CN214096088U - 一种基于fpga的传感器温度补偿电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于FPGA的传感器温度补偿电路，涉及传感器温补技术领域，包括热电阻测温电路、信号调理放大电路、A/D转换电路、控制器组和通讯模组，热电阻测温电路和信号调理放大电路通过A/D转换电路依次与控制器组和通讯模组相连，热电阻测温电路用于检测被测传感器的环境温度信号，信号调理放大电路连接被测传感器，用于放大被测传感器采集的传感器信号，控制器组中预先存储有传感器信号、环境温度信号与实际传感器信号的关系曲线，控制器组输出实际传感器信号，并通过通讯模组传输至外部设备。该补偿电路可以减少温度变化对传感器的影响，适用于多种类型的传感器，实现高测量精度。

Description

一种基于FPGA的传感器温度补偿电路

技术领域

本实用新型涉及传感器温补技术领域，尤其是一种基于FPGA的传感器温度补偿电路。

背景技术

传感器广泛应用于各种工农业生产实践中，一切科学研究和生产过程要获取信息都要通过传感器转换为易传输与处理的电信号，但大多数传感器的敏感元件采用金属或半导体材料，其静态特性与环境温度有着密切联系。实际工作中由于传感器的工作环境温度变化较大，又由于温度变化引起的热输出较大，导致传感器的实际输出与理论输出存在误差，同时温度变化也影响零点和灵敏度值的大小，继而影响到传感器的静态特性，所以必须采取措施以减少或消除温度变化带来的影响，即必须进行温度补偿。

目前常用的温度补偿方法为桥路补偿法，一般是设定一个温度变化的量，使其与传感器零点输出随温度的变化相抵消。但桥路补偿法对应变片的材料要求较高，而且在某些测试条件下，温度场梯度较大，工作应变片和温度补偿片很难处于相同的温度环境中，温度变化不同导致电阻变化也不同，难以达到温度补偿的作用。

实用新型内容

本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种基于FPGA的传感器温度补偿电路。本申请的温度补偿电路可以减少温度变化对传感器的影响，适用于多种类型的传感器，简化电路复杂程度，实现高测量精度。

本实用新型的技术方案如下：

一种基于FPGA的传感器温度补偿电路，包括热电阻测温电路、信号调理放大电路、A/D转换电路、控制器组和通讯模组，热电阻测温电路和信号调理放大电路分别连接A/D转换电路的输入端，A/D转换电路的输出端与控制器组和通讯模组依次相连，通讯模组的输出端作为传感器温度补偿电路的输出连接外部设备；

热电阻测温电路用于检测被测传感器的环境温度信号，信号调理放大电路连接被测传感器，用于放大被测传感器采集的传感器信号，A/D转换电路分别将传感器信号和环境温度信号转换为数字信号输出至控制器组，控制器组中预先存储有传感器信号、环境温度信号与实际传感器信号的关系曲线，控制器组输出实际传感器信号，并通过通讯模组传输至外部设备。

其进一步的技术方案为，热电阻测温电路包括热电阻、第一运放和多个电阻，形成一个减法器，热电阻靠近被测传感器放置，热电阻的第一端接地、第二端通过第一电阻连接第一运放的同相输入端，同相输入端还通过第七电阻接地，第一运放的反相输入端依次通过第二电阻、第三电阻连接正电源，第四电阻作为反馈电阻其两端分别连接第一运放的反相输入端和输出端，第五电阻的第一端连接热电阻及第一电阻的共端、第二端连接正电源，第六电阻的第一端接地、第二端连接第二电阻及第三电阻的共端，第一运放的输出端作为热电阻测温电路的输出连接A/D转换电路的输入端，减法器将热电阻的电阻变化转换为电压值，电压值代表被测传感器周围的环境温度，且电压值与热电阻阻值呈线性关系。

其进一步的技术方案为，信号调理放大电路包括电压基准源、第二运放、电容和多个电阻，形成一个加法器，第二运放的反相输入端依次通过第八电阻、第九电阻接入传感器信号，第十电阻作为反馈电阻其两端分别连接第二运放的反相输入端和输出端，反相输入端还通过第十一电阻接入电压基准源输出的基准电压，第二运放的同相输入端通过第十二电阻接地，电容的第一端接地、第二端连接第八电阻和第九电阻的共端，第二运放的输出端作为信号调理放大电路的输出连接A/D转换电路的输入端。

其进一步的技术方案为，A/D转换电路包括两个模数转换芯片，两个模数转换芯片的输入端作为A/D转换电路的输入端分别接入传感器信号和环境温度信号，并转换为数字信号从两个模数转换芯片的输出端分别输出。

其进一步的技术方案为，控制器组包括相连的EEPROM芯片和FPGA，EEPROM芯片的地址端作为控制器组的输入端连接A/D转换电路的输出端，EEPROM芯片的数据端连接FPGA，EEPROM芯片中预先存储有关系曲线，EEPROM芯片接收模数转换后的传感器信号和环境温度信号，并输出实际传感器信号，实际传感器信号为并行信号，FPGA将并行信号转换为串行信号并进行编码输出至通讯模组。

其进一步的技术方案为，FPGA还用于检测被测传感器的连接状态。

其进一步的技术方案为，EEPROM芯片基于AT28C010芯片实现，FPGA基于XCS05芯片实现，通讯模组基于LTC485CS芯片实现。

本实用新型的有益技术效果是：

通过热电阻测温电路实时采集被测传感器周围的环境温度，通过信号调理放大电路实时将被测传感器采集的传感器信号放大至合适的电压范围便于A/D转换电路的模数转换处理，A/D转换电路将采集到的模拟信号转换成数字信号并输入至控制器组中，控制器组的FPGA上电复位后首先对被测传感器的连接状态进行检测，以确定被测传感器是否正常连接，若连接不正常通过通讯模组向外发送故障指令，若连接正常则读取EEPROM芯片发送的实际传感器信号，并对并行信号进行编码输出串行信号至通讯模组，与传统的温度补偿方法相比，本申请的传感器温度补偿电路对材料要求不高，也不用考虑温度场梯度，通过预先在EEPROM芯片中存储传感器信号、环境温度信号与实际传感器信号的关系曲线，得出温度补偿数据，可以减少温度变化对传感器的影响，适用于多种类型的传感器，简化电路复杂程度，实现高测量精度。

附图说明

图1是本申请提供的传感器温度补偿电路的原理图。

图2是本申请提供的热电阻测温电路的电路图。

图3是本申请提供的信号调理放大电路的电路图。

图4是本申请提供的通讯模组的传输格式图。

图5是本申请提供的高电平“H”和低电平“L”的占空比示意图。

图6是本申请提供的传感器温度补偿电路的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做进一步说明。

结合图1-图3所示，一种基于FPGA的传感器温度补偿电路，包括热电阻测温电路、信号调理放大电路、A/D转换电路、控制器组和通讯模组，热电阻测温电路和信号调理放大电路分别连接A/D转换电路的输入端，A/D转换电路的输出端与控制器组和通讯模组依次相连，通讯模组的输出端作为传感器温度补偿电路的输出连接外部设备，可选的，外部设备可以为仪表或期望的其他设备，在此不进行限定。

热电阻测温电路用于检测被测传感器的环境温度信号，具体的，如图2所示，热电阻测温电路包括热电阻R0、第一运放U1和多个电阻，形成一个减法器，可选的，热电阻R0为铂热电阻Pt1000。热电阻R0靠近被测传感器放置，热电阻R0的第一端接地、第二端通过第一电阻R1连接第一运放U1的同相输入端，同相输入端还通过第七电阻R7接地，第一运放U1的反相输入端依次通过第二电阻R2、第三电阻R3连接正电源+5V，第四电阻R4作为反馈电阻其两端分别连接第一运放U1的反相输入端和输出端，第五电阻R5的第一端连接热电阻R0及第一电阻R1的共端、第二端连接正电源+5V，第六电阻R6的第一端接地、第二端连接第二电阻R2及第三电阻R3的共端，第一运放U1的输出端作为热电阻测温电路的输出连接A/D转换电路的输入端，减法器将热电阻R0的电阻变化转换为电压值，电压值代表被测传感器周围的环境温度，且电压值与热电阻阻值呈线性关系。

信号调理放大电路连接被测传感器，用于放大被测传感器采集的传感器信号，具体的，如图3所示，信号调理放大电路包括电压基准源U2、第二运放U3、电容C和多个电阻，形成一个加法器。可选的，电压基准源U2基于REF3025型号实现，具有低温漂性能；第一运放U1、第二运放U3均基于双通道高精密运算放大器AD822型号实现，具有2uV/℃的电压漂移，可以尽可能减小温度对放大信号的影响。第二运放U3的反相输入端依次通过第八电阻R8、第九电阻R9接入传感器信号，第十电阻R10作为反馈电阻其两端分别连接第二运放U3的反相输入端和输出端，反相输入端还通过第十一电阻R11接入电压基准源U2输出的基准电压2.5V，第二运放U3的同相输入端通过第十二电阻R12接地，电容C的第一端接地、第二端连接第八电阻R8和第九电阻R9的共端，第二运放U3的输出端作为信号调理放大电路的输出连接A/D转换电路的输入端。

A/D转换电路分别将传感器信号和环境温度信号转换为数字信号输出至控制器组，控制器组输出实际传感器信号，并通过通讯模组传输至外部设备。A/D转换电路包括两个模数转换芯片，均基于ADS8504芯片实现，ADS8504芯片是一款具有12位并行接口的采样速率为250KHz的模数转换芯片，其分辨率和采样速率可以满足大部分传感器的性能，其并行接口可以大大提高数据传输速率。两个模数转换芯片的输入端作为A/D转换电路的输入端分别接入传感器信号和环境温度信号，并转换为数字信号从两个模数转换芯片的输出端分别输出。其中将传感器信号转换为12位并行数据，将环境温度信号转换为8位并行数据，一共20位连接至控制器组(也即EEPROM芯片)。

控制器组包括相连的EEPROM芯片和FPGA，且EEPROM芯片基于AT28C010芯片实现，FPGA基于XCS05芯片实现，EEPROM芯片的地址端(20位地址线)作为控制器组的输入端连接A/D转换电路的输出端，EEPROM芯片的数据端(8位数据线)连接FPGA，EEPROM芯片中预先存储有传感器信号、环境温度信号与实际传感器信号的关系曲线，关系曲线是根据传感器在不同温度下的输出值与实际输入信号比较，经过多次测量得到的。EEPROM芯片接收模数转换后的传感器信号和环境温度信号，根据关系曲线输出实际传感器信号，实际传感器信号为8位并行信号，FPGA将并行信号转换为串行信号并进行编码输出至通讯模组。可选的，FPGA还用于检测被测传感器的连接状态，EEPROM芯片输出的数据在FPGA内部做逻辑运算，若运算结果为“0”，则FPGA输出故障信号，若运算结果为“1”，则FPGA输出正常数据，以此检测被测传感器是否正常连接，实现传感器的断线检测功能。

通讯模组基于LTC485CS芯片实现，将FPGA的TTL电平的编码数据转换为RS485标准电平发送出去。通过RS485总线发送的传输格式如图4所示，每一帧数据有同步字段和数据字段，同步字段为X位，包括(X-1)位高电平“H”和1位低电平“L”，数据字段为(X-1)位，总字段宽度为(2X-1)Bit，传输时MSB为第一个Bit，LSB为最后一个。同步字段比数据字段多一位，以便于接收端判断，避免将同步字段判断为数据字段。本申请使用的格式为同步字段9位，数据字段8位。每一位的高电平“H”和低电平“L”是通过一个周期的占空比实现的，如图5所示，高电平“H”的占空比为75％，低电平“L”的占空比为25％，传感器温度补偿后的信号值以上述方式在FPGA中进行编码然后串行发送出去，波特率可由用户自己定义。

在串行通讯中，遇到数字序列中出现长连“0”或长连“1”时，在接收端会因为有多个位没有产生电平变化而造成信号的误判，这种情况在高速信号传输时尤为明显，为避免这种情况，因此特别定义高电平“H”和低电平“L”的占空比，这样每一位的传输都不是单纯的高电平或低电平。一般在串行通讯中接收端需要接收时钟信号来解析接收数据或者与发送端保持同一时钟，使用本申请的传输格式定义同步字段，接收端只需要提取发送数据中同步字来判断数据是否发送完整，减少了误码率，也不需要硬件上添加额外的时钟线，能够在不中断通讯的情况下实现误码检测，而且发送端一直处于发送状态，总线上电平始终有变化，达到一种总线均衡的效果。

本申请的传感器温度补偿电路的工作流程图如图6所示，电路整体上电复位后开始工作，环境温度信号和放大后的传感器信号实时传送至A/D转换电路，A/D转换电路将采集到的模拟信号转换成数字信号，这些并行信号连接到EEPROM芯片的地址线上。FPGA在上电复位后首先进行断线检测，检查被测传感器是否连接正常，若连接不正常通过通讯模组向外发送故障指令，若连接正常则读取EEPROM芯片发送的实际传感器信号，并对并行信号进行编码输出串行信号至通讯模组，最后经由RS485总线发送至仪表或期望的其他设备。

以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本实用新型不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于FPGA的传感器温度补偿电路，其特征在于，包括热电阻测温电路、信号调理放大电路、A/D转换电路、控制器组和通讯模组，所述热电阻测温电路和信号调理放大电路分别连接所述A/D转换电路的输入端，所述A/D转换电路的输出端与所述控制器组和通讯模组依次相连，所述通讯模组的输出端作为所述传感器温度补偿电路的输出连接外部设备；

所述热电阻测温电路用于检测被测传感器的环境温度信号，所述信号调理放大电路连接所述被测传感器，用于放大被测传感器采集的传感器信号，所述A/D转换电路分别将所述传感器信号和环境温度信号转换为数字信号输出至所述控制器组，所述控制器组中预先存储有所述传感器信号、环境温度信号与实际传感器信号的关系曲线，所述控制器组输出所述实际传感器信号，并通过所述通讯模组传输至所述外部设备。

2.根据权利要求1所述的基于FPGA的传感器温度补偿电路，其特征在于，所述热电阻测温电路包括热电阻、第一运放和多个电阻，形成一个减法器，所述热电阻靠近所述被测传感器放置，所述热电阻的第一端接地、第二端通过第一电阻连接所述第一运放的同相输入端，所述同相输入端还通过第七电阻接地，所述第一运放的反相输入端依次通过第二电阻、第三电阻连接正电源，第四电阻作为反馈电阻其两端分别连接所述第一运放的反相输入端和输出端，第五电阻的第一端连接所述热电阻及所述第一电阻的共端、第二端连接所述正电源，第六电阻的第一端接地、第二端连接所述第二电阻及第三电阻的共端，所述第一运放的输出端作为所述热电阻测温电路的输出连接所述A/D转换电路的输入端，所述减法器将所述热电阻的电阻变化转换为电压值，所述电压值代表被测传感器周围的环境温度，且所述电压值与热电阻阻值呈线性关系。

3.根据权利要求1所述的基于FPGA的传感器温度补偿电路，其特征在于，所述信号调理放大电路包括电压基准源、第二运放、电容和多个电阻，形成一个加法器，所述第二运放的反相输入端依次通过第八电阻、第九电阻接入所述传感器信号，第十电阻作为反馈电阻其两端分别连接所述第二运放的反相输入端和输出端，所述反相输入端还通过第十一电阻接入所述电压基准源输出的基准电压，所述第二运放的同相输入端通过第十二电阻接地，所述电容的第一端接地、第二端连接所述第八电阻和第九电阻的共端，所述第二运放的输出端作为所述信号调理放大电路的输出连接所述A/D转换电路的输入端。

4.根据权利要求1所述的基于FPGA的传感器温度补偿电路，其特征在于，所述A/D转换电路包括两个模数转换芯片，两个所述模数转换芯片的输入端作为所述A/D转换电路的输入端分别接入所述传感器信号和环境温度信号，并转换为数字信号从两个所述模数转换芯片的输出端分别输出。

5.根据权利要求1所述的基于FPGA的传感器温度补偿电路，其特征在于，所述控制器组包括相连的EEPROM芯片和FPGA，所述EEPROM芯片的地址端作为所述控制器组的输入端连接所述A/D转换电路的输出端，所述EEPROM芯片的数据端连接所述FPGA，所述EEPROM芯片中预先存储有所述关系曲线，所述EEPROM芯片接收模数转换后的传感器信号和环境温度信号，并输出所述实际传感器信号，所述实际传感器信号为并行信号，所述FPGA将所述并行信号转换为串行信号并进行编码输出至所述通讯模组。

6.根据权利要求5所述的基于FPGA的传感器温度补偿电路，其特征在于，所述FPGA还用于检测所述被测传感器的连接状态。

7.根据权利要求5所述的基于FPGA的传感器温度补偿电路，其特征在于，所述EEPROM芯片基于AT28C010芯片实现，所述FPGA基于XCS05芯片实现，所述通讯模组基于LTC485CS芯片实现。

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