基于FPGA的多通道热电偶温度测量系统的设计与实现

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中文摘要：太空环境与地球环境的温度范围不同，航天器在太空运行时，由于没有空气对流传热，向阳的一面吸收太阳的辐射热温度可达到100℃以上，而背阳的地方会降到-100℃以下，这便形成了极高极低的极端温度。太空中较大范围的温度变化对各类航天器及其设备、部件的性能和寿命影响显著。所以在将航天器送入太空之前，需要在空间环境模拟设备中模拟出太空环境，并在该设备中对航天器进行各项指标检测。而适用于该设备的测温技术具有温区低和通道多等显著特征。本文设计实现了一种适用于空间环模设备的多通道热电偶温度测量系统，该系统基于现场可编程逻辑门阵列（FieldProgrammableGateArray，FPGA）构建数字信号处理系统，较好解决了多通道温度信号并行处理的问题，在利用热电偶较快的热响应优点的同时，降低了其负温区的非线性误差。在电子学系统的设计方面，采用了Intel公司的FPGA芯片EP3C25E144I7N作为核心处理单元，采用ADI公司的AD7193芯片作为毫伏级信号的采集与模数转换单元，ADuM5401隔离芯片用于模拟信号区与数字信号区的三端隔离器件，ADT7310芯片用于冷端温度补偿。这些电路器件的选型设计，从硬件方面较好解决了多通道、微小电压、数字串扰、冷端补偿等问题。在固件算法方面，利用FPGA内大量的RAM块资源，采用分段线性方法、热电偶标准分度表转置方法、插值查表算法、冷端补偿反查表算法、通道独立的滑动平均滤波算法，较好解决了算法优化与资源占用的冲突问题，以较充沛的硬件资源提高了数据处理的精度、缩短了数据处理时间，提高了整个多通道热电偶测温系统技术性能。借助构建的软硬件测试环境，通过实验与标准过程校准仪器进行比较，结果表明本文设计的多通道热电偶测温系统能够接入24路K型或T型热电偶传感器，且测量范围达到-200℃~220℃（73.15K~493.15K），输出数据包含两位小数，相对误差低于±0.3%F.S.。另外借助特殊笼状热传导支撑结构与筒状双层热防护结构，使该电路系统在真空环境下实现较好的热传递。

作者：

蔡淼

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关键词：

多通道热电偶温度测量系统查表线性插值算法现场可编程门阵列冷端补偿

授予学位：

硕士

学科专业：

电子与通信工程

导师：

梁西银

学位年度：

2022

学位授予单位：

西北师范大学

语种：

中文

中图分类号：