计算机工程应用技术信息与电脑China Computer&Communication2016年第10期一种发动机温度采集与显示仪表的研制侯大勇 张 杰（苏州长风航空电子有限公司，江苏 苏州 215001）摘 要：提出了一种发动机温度采集与显示仪表的设计实现方案，综合考虑热电偶信号抗干扰采集设计、集成化处理设计、视频信号输出设计等各个技术环节，实现了热电偶信号的综合处理功能。通过实验证明，该设计可以实现发动机排气温度信号的采集与显示功能，具有采集精度高、显示误差小、可靠性高的特点，有效提高了机载座舱显示仪表的设计水平。本设计方案具有独特的经济性与便利性，可以广泛推广至各个热电偶采集显示处理领域，更好服务于社会。关键词：热电偶；电桥冷端补偿；运算放大器；A/D转换；NIOSⅡ；RGB信号；液晶屏显示中图分类号：V263.3 文献标识码：A 文章编号：1003-9767（2016）10-036-03温度是表示物体冷热程度的物理量，是非常重要的热工１ 系统总体设计参数之一。热电偶是目前发动机系统中应用广泛的温度测量传感器之一，具有性能稳定、使用方便、易于维护等优点，根据发动机温度采集与显示仪表的功能和原理，本文将其工作原理是将温度信号转换成热电势信号，配以测量电势整个系统划分为6个主要电路：温度信号调理电路、A/D转信号的显示仪表，便可以实现温度信号的精准测量与显示功换电路、NIOSⅡ处理电路、RGB视频输出电路、串口调试能，本文提出了一种采用NIOSⅡ软核处理器实现热电偶温电路、告警存贮电路。其主要功能框图如图1所示。度信号采集与显示的新型系统。图１ 温度采集与显示系统功能框图系统的基本工作原理为：发动机温度信号进入信号调件滤波平滑处理，按照GB/T 16839.1中的K分度表进行电压-理电路，对冷端补偿后的热电偶信号进行滤波与放大处理。温度数据转换，并将转换后的温度值变换成RGB视频信号采用RC低通滤波电路对输入信号进行滤波，将高频杂波滤进行显示。RGB视频输出电路采用FPGA内部逻辑资源设计除后采用高精度运放对热电偶毫伏信号进行放大处理，便于乒乓缓存控制器，通过数据选择单元将视频数据流分配到两实现A/D转换器的温度采集功能。A/D转换电路对热电偶个数据帧存RAM，交替输出RGB视频信号至显示屏，从而信号进行模数转换，将温度模拟信号转换为数字量信号。实现温度信号的实时显示。如果采集温度超过预定告警温度，NIOSⅡ处理电路对A/D转换电路的温度信号电压值进行软告警存贮电路会将告警温度值进行周期性存贮，便于后期故作者简介：侯大勇（1983-），男，山西定襄人，研究生，工程师。研究方向：机载座舱显示技术。张杰（1984-），男，江苏淮安人，研究生，高级工程师。研究方向：机载座舱显示技术。— ３６ —信息与电脑2016年第10期China Computer&Communication计算机工程应用技术障监控。串口调试电路用于产品开发调试。扰，因此，设计RC滤波。RC滤波功能在模拟电路中得到２ 系统硬件设计广泛应用，可以产生不同的截止频率。按图2设计，电阻R1、C1与R2、C2构成低通滤波回路，其截止频率计算公2.1 温度信号调理电路式为：f=1/2πRC。选用电阻R1、R2为10KΩ，电容C1、温度信号调理电路如图2所示。对于温度输入信号，核C2为2.2uF，计算出截止频率为7.24Hz，可以有效滤除高心是提高前端电路的抗干扰能力，稍有不慎就会带来严重干频干扰杂波。C1T-R110K+2.2uFU1C410.1uF-IN+VS8+10uFC6+15VR44642C3RG1Vout7T0.01uF3RG2REF6T+4+IN-VS5R210K-15V+C22.2uFAD8221C50.1uF+10uFC7图２ 温度信号调理电路温度信号经由RC滤波处理后，需进行信号放大处理。2.4 RGB视频输出电路本设计采用AD公司的运算放大器AD8221，其具有高精度、视频输出数据的流量非常大，且对系统处理的实时性要低失调电压的特点，被广泛用于精确数据采集与航空航天仪求比较高，因此，必须建立快速有序的视频数据输入输出机器系统中，非常适用于要求直流特性比较高的应用领域。制。本设计采用高速FPGA处理系统的乒乓缓存结构，需要2.2 A/D转换电路两片帧存SRAM实现乒乓缓存处理功能。通过乒乓缓存选择对于温度模拟输入信号，需要进行模数转换处理。本设计单元按节拍的切换，数据流没有停顿地送到帧存SRAM，对采用AD公司的A/D转换器AD7934，采用可配置多通道的12数据流进行流水线式处理，将RGB信号数据流源源不断地位采样精度A/D转换器，实现温度信号的模数转换功能,具有送至液晶屏进行显示。转换精度高、低参考电压的特点。选用参考电压VREFIN为2.5V，在帧存设计上，高速静态异步SRAM选用ISSI公司供电电压VDD为5V，信号输入电压范围为0～5V。AD7934IS61LV51216-10。该器件的主要特性为高速访问时间10ns，与NIOSⅡ处理器之间有许多重要信号相连，AD7934具有一个TTL兼容接口电平，单个3.3V供电电源，完全静态操作无12位控制寄存器，其为只写属性，因此，NIOSⅡ处理器对控需时钟和刷新，三态输出。制寄存器进行正确配置后，才可以实现模数转换功能。2.5 告警存贮电路2.3 NIOSⅡ处理电路告警故障电路采用非易失性I2C总线芯片实现。当采集NIOSⅡ是一个用户可配置的通用32位RISC嵌入式处到的发动机温度超过告警温度时，存贮温度数据便于后期维理器，它是片上可编程系统的核心。处理器以Altera公司护使用。的FPGA软核形式实现，具有高度的灵活性和可配置性。NIOSⅡ开发包括硬件开发和软件开发两部分。硬件开发就是３ 系统软件设计用QuartusⅡ和SOPC builder来构建NiosⅡ处理器内核。配系统软件主要完成对温度信号的滤波与采集处理，并按置ROM为程序存贮器，选用Altera公司的EPCS16SI16N。照K分度表将电压值转换为温度数据，生成RGB视频信号SDRAM选用Micron公司的MT48LC4M16A2，在送至显示屏，实时显示发动机温度值。系统软件在NiosⅡ SOPC里添加SDRAM Controller，就可以很方便地实现IDE环境下进行编译，通过USB-Blaster仿真器进行调试烧录。SDRAM的驱动。其作为NiosⅡ系统中最重要的外部存贮器软件主要设计模块包括A/D采集处理模块、A/D滤波处理模件，有着重要的作用。块、温度计算模块、画面显示模块与告警温度模块。串口调试功能在NiosⅡ开发调试过程中起到了重要作A/D采集处理模块负责软件采集发动机的热电偶温度电压用，用于调试数据的输入和输出，JTAG UART实现PC机和信号，读取A/D转换器的模拟量输入通道数字量，A/D采样周NiosⅡ处理器之间的串行通信接口功能。期为10ms。对A/D转换数据需要进行软件滤波处理，连续采— ３７ —计算机工程应用技术信息与电脑China Computer&Communication2016年第10期集24次，除去最大值和最小值，然后进行平均得到最终采样值。利用当前采集到的发动机温度，并根据温度与圆弧度转化关系，动态生成指针、温度数字进行显示。动态画面显示具有旋转角度指针生成、温度数字显示等功能。其中温度BCD码数字显示依据当前发动机温度获得其BCD码，根据预定义的字符库（点阵大小为24×30），实现温度BCD码动态显示，具体显示内容如图3所示。图３ 温度显示图４ 试验结果度高，稳定性强。使用综合测试设备对仪表对不同的温度测试点进行测试，在300～1 000度时，误差范围一致性较好。通过对温度仪表的综合测试，温度显示精度为3度，精实验结果如表1所示。表１ 实验结果温度信号源（mv）12.20916.39720.64424.90529.12933.27537.32641.276理论值（度）3004005006007008009001000测量值（度）3014005016006998008991000５ 结 语的理想选择。本设计方案具有经济性与便利性，可以广泛推广本文设计方案主要实现了温度信号的采集与显示功能，至各个热电偶采集显示处理领域，更好服务于社会。综合考虑了温度信号抗干扰采集设计、集成化处理设计、视频信号输出设计等各个技术环节，实现了热电偶信号的综合处参考文献理功能。本文着重分析了整机系统设计、硬件系统设计与软[1]徐宁仪,周祖成.Avalon总线与SOPC系统架构实例件开发工具使用功能，详细介绍了硬件设计中的要点，并结[J].半导体技术,2003,28(2).合实际案例对原理进行剖析。本文将热电偶处理的多个技术[2]徐光辉,程东旭,黄如.基于FPGA的嵌入式开发与环节集中在一个FPGA芯片上解决，简化了将热电偶测温方应用[M].北京:电子工业出版社,2007.案应用于嵌入式系统领域时复杂的软硬件设计，因而该FPGA[3]基于NiosⅡ的FPGA配置技术[J].无线电通信技芯片的NIOS软核是将热电偶测温方案应用于嵌入式系统领域术,2013,39(3):70-73.（上接第33页）３ 实验预测结果加而增加。实证结果与分析４ 结 语该试验通过Maltlab仿真实验，来模拟实现充电路径的规划，主要通过计算规划的路径的长短，并进行对比分析，无线传感网络节点的能量剩余多少，关系着整个网络的其中对比的算法是基于分簇的多个移动充电车协同充电策略生存周期，所以充电技术特别重要，回溯式贪婪算法充电路路径规划的方法，随机布撒不同数量的节点于150m×150m径规划能够很大程度减少充电车行走的路径长度，下一步主正方形区域内，其中充电路车能够充电的半径为10m，在相要的工作是要加入整个充电车在每个停留节点充电的时间、同的试验环境下进行两种不同路径规划实验，随着节点数量节点的能耗，设计最佳的充电车路径。的变化，分别计算完成一次完整的充电路径的长度、回溯式贪婪算法路径规划的路径长度和分簇协同充电路径的长度，参考文献实验的数据结果如表1所示：[1]Li Hongjun,Bu Yanlong,Xue Han,et al.Path Planning 表１ 实验结果for Mobile Anchor Node in Localization for Wireless 节点数路径算法50100150200250300Sensor Networks[J].Journal of Computer Research and 回溯式贪婪算法路径408.6525.4650.9780.5906.81150.3Development,2009,46(1):129-136.分蔟协同充电路径512.7640.0760.5890.61020.21289.1[2]Chen Xuehan,Chen Zhigang,Zhang Deyu,et al.C-从表1的数据可以看出，对相同数量节点进行充电，回MCC:A Clustering-based Coordination Charge Policy 溯式贪婪算法的充电路径明显优于分簇协同充电路径。而且of Multiple Mobile Chargers in Wireless Ｒechargeable 从两种充电路径规划可以看出，随着节点数的增加，要对整Sensor Networks[J].Journal of Chinese Computer 个网络完成一次充电，充电车走的路径长度随着节点数的增Systems,2014,35(10):2231-2236.— ３８ —