一种新型温控仪的硬件设计

　　1　PSoC[1]微控制器

　　温控仪的核心器件是美国Cypress公司的PSoC芯片,工作电压为5 V.PSoC微控制器和其他的微控制器相比具有独特的性能,它不仅具有模拟模块的微控制器,而且,它完全可以作为1个片内印刷电路板来使用,PSoC片内有1个高速的8位Har-vard结构处理器内核(M8C CPU Core),它具有独立的程序存储器和数据存储器总线,处理器速度可达24 MHz.同时,它还具有1个快闪内存、SRAM数据内存以及可配制的模拟模块阵列和数字模块阵列。每一个PSoC模块都能够独立或者组合使用,并融合了一些DSP技术来实现各种复杂的功能。其中12个PSoC模拟模块可以提供11位Δ-∑模数转换、8位逐次逼近式模数转换、12位增量式模数转换、8位直接数模转换、可编程增益放大器、采样和保持功能、可编程滤波器、差分比较器和片内温度传感器等功能;8个数字PSoC模块不仅提供多用途时钟、事件定时器、实时时钟、脉宽调制PWM和DEADBAND脉宽调制PWM,还可以组合实现循环冗余核对CRC模块、全双工UARTS、SPI主从通信功能以及为模拟PSoC模块提供复杂的时钟源。

　　2　温控仪结构框图

　　温控仪的结构框图如图1。系统的硬件部分主要由前向输入电路、一级放大电路、PSoC、后向输出电路、控制面板电路组成。

　　3　温度检测信号输入电路

　　温控仪兼容两种温度传感器,即热电偶和热电阻,同时支持多路信号输入,用户可以通过计算机来选择温度传感器的类型和温度采样通道数量,也可以通过控制面板来设定。由于温度传感器只能将温度信号转换为相当微弱的mV级电势信号,而且它还会带入电源产生的各种干扰信号,由地电流引入的共模干扰也很大,因而在前置放大级对输入信号设置了双T型前置滤波,并注意将数字地和模拟地严格分开。第一级同相放大采用OP07运算放大器,放大倍数设定为80,如图2所示。

　　由于集成在PSoC芯片内的可编程放大器的最小输入电压为240 mV,因而对输入信号加偏置电压。由于R4的端电压只有几mV,所以R4的电阻相对R1、R3很小,这样具体的计算公式可以简化如下:

　　当V′为恒定的电压源(-5 V)时,只要合理地选择R3和R4的阻值就可以实现一个大于240 mV的偏置电压,同时它们对运算放大器的放大倍数影响不大,无需将微弱的信号放大很多倍就可以输入到PSoC芯片中去。偏置电压在被数模转换器数字化之后应通过数据处理子程序加以校正,得出的结果才是真正的模拟信号。

　　4　温度信号采集与控制信号的输出

　　对于温度信号的二级放大,数据采集以及控制信号的输出功能由PSoC芯片来承担。另外,合理配置PSoC内部的通讯模块,经过电平转换后,可以按照RS232通讯协议与计算机相连,数据传输波特率为9 600 bit/s,这样利用计算机不仅仅能很方便地选择二级可编程放大器的放大倍数,设定温控仪的输出方式及定时采样的时间,还可以实现基于Windows平台的温度实时监控,当然上述的参数也可以从控制面板中设定,但是将会受到一些限制。