CN217980578U - 一种铂热电阻模拟板卡及模拟测试装置 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种铂热电阻模拟板卡及模拟测试装置，板卡包括设于电路板的FPGA、PCI桥芯片、串转并恒流驱动器和电阻模拟电路；FPGA连接PCI桥芯片，PCI桥芯片连接电路板的CPCI总线接口J1；电阻模拟电路包括与基准电阻串联的多个并联单元、一个继电器开关，每个并联单元包括并联连接的并联电阻及一个继电器开关；FPGA连接串转并恒流驱动器，串转并恒流驱动器连接电阻模拟电路的各继电器开关；电阻模拟电路连接电路板的用户接口J2。采用标准CPCI架构，通过串并阵列结合继电器搭建电阻模型，并在板卡上集成FPGA、串转并、PCI桥芯片等，可实现多通道四线制铂热电阻输出的模拟测试，并方便与上位机交互。用于模拟PT100铂热电阻在0℃~+150℃温度范围内的不同温度下的阻值。
Description
技术领域
本申请涉及测控技术领域，尤其涉及一种铂热电阻模拟板卡及模拟测试装置。
背景技术
热电阻是中低温区最常见的一种温度传感器，利用其电阻值随温度线性变化的特性可以进行温度测量，它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中，铂热电阻的精度是最高的，它不仅广泛应用于各种环境的测量，而且被制成标准的基准仪。
在测控领域，铂热电阻卡常被用于向被测产品模拟特定的温度信息。现有的，多利用板卡实现对铂热电阻的模拟，以便于进行相关的测控技术研究。但是，这些板卡普遍存在精度不理想、易用性差等问题，且部分方案采用数字电位器来进行可编程电阻的实现，虽然经济便捷，但是最多为1024点，存在阻值范围大、精度低的缺点，不适合用于模拟铂热电阻PT100的阻值特性；并且数字电位器本身精度较低，其应用会拉低电阻通道的精度。
实用新型内容
为了解决上述现有技术的不足，本申请提供一种铂热电阻模拟板卡及模拟测试装置，采用标准CPCI架构，通过串并阵列结合继电器搭建电阻模型，并在板卡上集成FPGA、串转并、PCI桥芯片等，可实现多通道四线制铂热电阻输出的模拟测试，并方便与上位机交互。
为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术：
一种铂热电阻模拟板卡，包括设于电路板的FPGA、PCI桥芯片、串转并恒流驱动器和电阻模拟电路；
FPGA连接PCI桥芯片，PCI桥芯片连接电路板的CPCI总线接口J1；
电阻模拟电路包括与基准电阻串联的多个并联单元、一个继电器开关，每个并联单元包括并联连接的并联电阻及一个继电器开关；
FPGA连接串转并恒流驱动器，串转并恒流驱动器连接电阻模拟电路的各继电器开关；
电阻模拟电路连接电路板的用户接口J2。
FPGA与PCI桥芯片通过Local Bus通信，PCI桥芯片用于实现CPCI总线接口J1的PCI总线与Local Bus的转换。
串转并恒流驱动器用于实现IO数量的扩展，以将FPGA发出的控制信号传输到各继电器开关，对继电器开关进行控制。
电阻模拟电路的回路一端引出HF端口和HE端口，另一端引出LF端口和LE端口，HF端口和LF端口用于作为施加线，HE端口和LE端口用于作为检测线，HF端口、HE端口、引出LF端口、LE端口连接用户接口J2。
一种铂热电阻模拟测试装置，包括CPCI机箱，其内设有所述的铂热电阻模拟板卡；CPCI机箱连接到台式万用表。
本实用新型有益效果在于：
本方案采用标准CPCI架构，采用MOSFET继电器和高精高稳电阻串并联的方式搭建电阻模型以实现对铂热电阻的模拟，并在板卡上集成FPGA、串转并、PCI桥芯片等，可实现多通道四线制铂热电阻输出的模拟测试，用于模拟PT100铂热电阻在0℃~+150℃温度范围内的不同温度下的阻值，对应阻值范围为100Ω~157.75Ω，分辨率为0.25℃（0.1Ω），并方便与上位机交互。
附图说明
图1是本申请实施例的铂热电阻模拟板卡的硬件电路结构图。
图2是本申请实施例的电阻模拟电路的一种示例。
图3是本申请实施例的并联单元的一种示例。
图4是本申请实施例的基准电阻与其串联继电器开关的一种示例。
图5是本申请实施例的测试原理图。
图6是本申请实施例的铂热电阻模拟测试装置应用示例。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本实用新型的实施方式进行详细说明，但本实用新型所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。
本申请实施例提供的一种铂热电阻模拟板卡，如图1所示，采用3U CPCI总线板卡实现，包括设于电路板的FPGA、PCI桥芯片、串转并恒流驱动器、电阻模拟电路、CPCI总线接口J1、用户接口J2、FRAM、FLASH、EEROM等。
FPGA连接PCI桥芯片，PCI桥芯片连接电路板的CPCI总线接口J1；电阻模拟电路包括与基准电阻串联的多个并联单元、一个继电器开关，每个并联单元包括并联连接的并联电阻及一个继电器开关，从而形成等效铂热电阻。其中，继电器开关采用MOSFET型。
具体的，在本实例中，如图1~图2所示，采用10个并联单元，基准电阻R11一端串联连接多个并联单元，另一端串联连接继电器K11，第1个并联单元包括电阻R1以及并联连接电阻R1的继电器K1，如图3所示；第2个并联单元包括电阻R2以及并联连接电阻R2的继电器K2，……，第10个并联单元包括电阻R10以及并联连接电阻R10的继电器K10。如图4所示为基准电阻R11与其串联的继电器开关K11的一种示例。
其中，CTL1~CTL11为控制信号，分别对应控制继电器K1~继电器K11，当控制信号为高电平时，继电器开关处于断开状态；当控制信号为低电平时，继电器开关处于导通状态。
如图1~图4中的各继电器开关和各电阻承担着不同的功能，具体如下：
继电器K1~继电器K10用于选通对应位的电阻，当继电器断开时，其对应的并联电阻电阻R1~R10串接到铂热电阻回路；当继电器闭合时，其对应并联电阻被短路。
继电器K11用于控制该通道铂热电阻输出，当继电器断开时，输出开路；当继电器闭合时，正常输出。
电阻R1~R10采用1、2、4、8码的方式选择不同的阻值，组合在一起用于实现0.1×（1+2+4+……+1024）Ω阻值的模拟，最小分辨率为0.1 Ω，即为PT100铂热电阻0.25℃所对应的阻值变化。
电阻R11为基准电阻，阻值为80.3Ω，其对应PT100在-50℃温度下的阻值。
铂热电阻计算公式为：R=R11+0.1(0~0x11 1111 1111) ，可知：
Rmin=R11=80.3Ω (-50℃) ，为负载最小值；
Rmax=R11+(R1+R2+……+R10)=178.76Ω (+209℃)，为负载最大值；
本实例的板卡实现12通道铂热电阻模拟，并实现模拟温度范围为-50℃~+209℃，分辨率为0.25℃（0.1Ω），该指标可以满足测控的需求。
具体的，在本实例中，如图1~图2所示，电阻模拟电路的回路一端引出HF端口和HE端口，另一端引出LF端口和LE端口，HF端口和LF端口用于作为施加线，HE端口和LE端口用于作为检测线，HF端口、HE端口、引出LF端口、LE端口连接用户接口J2。
FPGA连接串转并恒流驱动器，串转并恒流驱动器连接电阻模拟电路的各继电器开关；电阻模拟电路连接电路板的用户接口J2。
FRAM和FLASH连接FPGA。EEROM连接PCI桥芯片。FPGA的JTAG信号口连接到电路板的1394接口。
FPGA与PCI桥芯片通过Local Bus通信，PCI桥芯片用于实现CPCI总线接口J1的PCI总线与Local Bus的转换。串转并恒流驱动器用于实现IO数量的扩展，以将FPGA发出的控制信号传输到各继电器开关，对继电器开关进行控制。
作为可选的方式，FPGA可以采用EP3C55F484C8N，PCI桥芯片可以采用PCI9054，串转并恒流驱动器可以采用16位的MBI5035。
其中，CPCI总线接口J1符合CPCI标准协议接口，用于数据交互和板卡固定。
应用于测试时，采用四线制接法进行测量，其中，一条激励线（HF端口、LF端口）和一条测试线（HE端口、LE端口），二者严格分开，各自构成独立回路。如图5所示的测试原理框图，r1和r2为模拟的铂热电阻Rt两端的引线电阻和接触电阻之和（激励回路中），r3和r4为电阻两端Rt的引线电阻和接触电阻之和（测试回路中），I为程控恒定电流源，V是具有极高输入阻抗的电压表，对恒定电流源不会产生分流作用，因而在r3、r4上的压降近似为零。激励电流I在r1、r2上的压降不影响其在被测电阻Rt上的压降，所有电压表可以准确测出电阻Rt上的压降，从而获得电阻Rt的精确阻值：Rt=V/I。
在进行测试时，可以采用如图6所示的测试场景搭建模拟测试装置，包括CPCI机箱，其内设有前文实施例所述的铂热电阻模拟板卡；CPCI机箱连接到台式万用表。
具体的，为了便于连接，将CPCI机箱通过J14电缆连接到J14展开箱，台式万用表的对应电路连接到J14展开箱。同时还可以将CPCI机箱通过VGA等视频线连接到显示器。这里，对于J14展开箱，其主要是辅助测量，其机箱中电阻卡对外的是J14A接插件，直接使用台式万用表直接测量不方便，就用到了这个展开箱。
具体开始测试时：
第一步：检查产品外观，是否完整无损；
第二步：检查各电源网络是否短路并记录阻抗值；
第三步：板卡上电测试，引+3.3V电源和+5V电源，连接到CPCI总线接口J1；
第四步：使能电源输出，观察并记录电源电流数值，同时使用万用表记录FPGA内核电压值；
第五步：确认板卡电源输出正常后，将板卡插入CPCI机箱，并搭建板卡测试环境，验证板卡功能，测试环境如图6所示；
第六步：测试环境搭建完成后，CPCI机箱开机，台式万用表开机，运行Demo测试程序；
第七步：将台式万用表切换到4线制电阻测量档位，分别设定12通道模拟负载数值，并记录万用表测量结果；
第八步：根据测量结果，计算阻值误差，判断是否满足任务书精度要求，完成测试。
以上所述仅为本申请的优选实施例，并不用于限制本申请，显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。
Claims (10)
1.一种铂热电阻模拟板卡，其特征在于，包括设于电路板的FPGA、PCI桥芯片、串转并恒流驱动器和电阻模拟电路；
FPGA连接PCI桥芯片，PCI桥芯片连接电路板的CPCI总线接口J1；
电阻模拟电路包括与基准电阻串联的多个并联单元、一个继电器开关，每个并联单元包括并联连接的并联电阻及一个继电器开关；
FPGA连接串转并恒流驱动器，串转并恒流驱动器连接电阻模拟电路的各继电器开关；
电阻模拟电路连接电路板的用户接口J2。
2.根据权利要求1所述的铂热电阻模拟板卡，其特征在于，FPGA的JTAG信号口连接到电路板的1394接口。
3.根据权利要求1所述的铂热电阻模拟板卡，其特征在于，FPGA与PCI桥芯片通过LocalBus通信，PCI桥芯片用于实现CPCI总线接口J1的PCI总线与Local Bus的转换。
4.根据权利要求1所述的铂热电阻模拟板卡，其特征在于，串转并恒流驱动器用于实现IO数量的扩展，以将FPGA发出的控制信号传输到各继电器开关，对继电器开关进行控制。
5.根据权利要求1所述的铂热电阻模拟板卡，其特征在于，电阻模拟电路包括10个并联单元。
6.根据权利要求1所述的铂热电阻模拟板卡，其特征在于，电路板上还设有FRAM和FLASH，FRAM和FLASH连接FPGA。
7.根据权利要求1所述的铂热电阻模拟板卡，其特征在于，电路板上还设有EEROM，EEROM连接PCI桥芯片。
8.根据权利要求1所述的铂热电阻模拟板卡，其特征在于，电阻模拟电路的回路一端引出HF端口和HE端口，另一端引出LF端口和LE端口，HF端口和LF端口用于作为激励线，HE端口和LE端口用于作为检测线，HF端口、HE端口、引出LF端口、LE端口连接用户接口J2。
9.根据权利要求5所述的铂热电阻模拟板卡，其特征在于，FPGA采用EP3C55F484C8N，PCI桥芯片采用PCI9054，串转并恒流驱动器采用16位的MBI5035。
10.一种铂热电阻模拟测试装置，其特征在于，包括CPCI机箱，其内设有如权利要求1~9中任意一项所述的铂热电阻模拟板卡；CPCI机箱连接到台式万用表。
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