多通道热电偶测温系统设计与实现

作     者：周广兴 

作者单位：中北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：苏淑靖;宋云衢

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 082504[工学-人机与环境工程] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：FPGA 多通道 冷端补偿 高精度 Σ-ΔADC 

摘      要：随着我国深空探测的步伐逐渐加快,越来越多的航天器需要被送入太空进行工作,而航天器在天地往返飞行的过程中遇到的最大的热流密度可达到420个太阳常数,温度最高可以达到1600℃,并且航天器进入预定轨道之后会暴露在真空环境中,受太阳照射的一面可以达到100℃,而背阳的一面,温度可以低至-200℃～-100℃,所以面对温度变化如此之大的复杂外界环境,需要航天器在发射之前,在地面针对不同的航天产品及组件进行真空热试验。本文针对上述背景设计了一种针对航天器真空热试验的多通道热电偶温度测量系统,在硬件方面,根据设计需求,选用S型、K型、T型热电偶作为测温敏感元件,对应各热电偶的特点及区别,使用了MAX31856芯片内部自带的冷端温度传感器与AD597专用冷端补偿芯片两种冷端补偿方案;针对采集精度高的要求,选用Σ-ΔADC进行温度采集模块设计,并通过设计滤波器来滤除环境对数据采集与传输过程中的干扰;为了提高设备面对复杂电磁环境的抗干扰能力,在PCB绘制时进行了相应的电磁屏蔽设计。在程序设计上,利用现场可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)内部大量的查找表,RAM资源以及丰富的布线资源实现多通道数据的采集及传输,同时利用单片机实现对测量温度数据的存储以及滑动平均滤波处理,并将计算得到的温度数据通过串口传输至上位机进行显示;本文利用FPGA与单片机组合作为核心控制单元可以较好的解决资源占有以及算法处理之间的冲突问题,有充足的资源来提高数据处理的速度以及精度。根据搭建的实验测试平台对该系统进行了性能指标验证,测试结果表明本文设计的多通道热电偶测温系统可以实现16路T型、K型或S型热电偶温度信号的测量,测量范围可以达到-20℃～1600℃,并且通过上位机可以实现温度曲线绘制,相对误差低于设计的±0.5%F.S,另外通过对比相同类型热电偶下不同通道之间的相对误差,验证了通道之间测量结果的一致性与准确性。