基于FPGA的双通道汽车涡轮增压叶片温度采集卡研制

一种应用于汽车涡轮增压器叶片温度检测的双通道数据采集卡，该卡由峰值检测、串行A/D构成模拟电路和由FPGA构成整个数字电路而组成。重点设计了FPGA内部串并转换电路和FIFO，经仿真和实验验证，串并转换和FIFO的应用大大简化了采集卡的复杂程度，提高了系统的可靠性和稳定性，在信号高速处理方面具有一定的应用价值。

0引言

涡轮增压近年来是一个热门话题，早些年主要是大众汽车推出了一些涡轮增压车型，比如宝来、帕萨特车型就都是涡轮增压的典型代表。最近两年，涡轮增压有方兴未艾之势，不仅大众以及通用品牌推出了小排量的1.4TSI涡轮增压和1.6T涡轮增压动力，就连一些自主品牌也纷纷大打涡轮增压的好牌。

涡轮增压实际上是一种空气压缩机，通过压缩空气来增加进气量。它是利用发动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮室内的涡轮，涡轮又带动同轴的叶轮，叶轮压送由空气滤清器管道送来的空气，使之增压进入气缸。当发动机转速增快，废气排出速度与涡轮转速也同步增快，叶轮就压缩更多的空气进入气缸，空气的压力和密度增大可以燃烧更多的燃料，相应增加燃料量和调整发动机的转速，就可以增加发动机的输出功率了。

汽车上安装的涡轮增压器在全负荷工作状态下其转速可达每分钟8万到12万转。工作温度高达600～900℃，如图1.而涡轮叶片会产生1000℃的高温，可以说它的工作条件最为恶劣。

图1 涡轮增压发动机引擎排气管工作状态

看到这些涡轮增压工作时的照片，就不难理解配置涡轮增压发动机的车为什么容易自燃了，这就是一块烧红的铁，不出事故则已，一旦燃油泄漏，沾上高温工作中的涡轮增压器，瞬间高温会引燃汽油，继而导致爆炸。为什么会产生这么高的温度呢？因为涡轮增压器温度=废气温度+涡轮快速转动摩擦温度+进气空气压缩温度。不难理解涡轮烧红是正

常工作状态。改善这一工作条件的办法就是散热，涡轮本体内部有专门的机油通道（散热和润滑）和水道，通过油冷和水冷双重散热，降低增压器的温度。

1双通道涡轮增压叶片温度采集卡

针对上述情况，对增压器散热尤其重要，所以设计一套根据增压器工作温度不同而做相应调整的冷却系统。这套系统的难点在于对涡轮叶片温度的采集。在数据采集系统中通常采用并行数据总线方式进行控制信号传输和数据交换。在以往的设计中，大量使用中小规模集成电路及分立元件搭建总线数据采集和控制功能模块，不仅占用较大的印制板面积，而且设计工作量大，时序控制复杂，采集速度不理想。

将FPGA应用到该系统的设计中可以有效地解决上述问题。FPGA可以实现许多中小规模集成电路的功能，因此可以有效地减少印制板上功能模块的面积，同时减少系统体积。利用FPGA的在线编程和仿真功能可以模拟系统各类信号的时序，大大提高设计效率。所以设计了基于FPGA的双通道温度数据采集卡，原理框图如图2所示。整个采集系统分为采集模块、高速缓存模块、逻辑控制及接口模块三大部分。

图2 双通道温度采集原理框图

采集模块由信号调理电路、双通道转换开关、A/D转换电路组成；高速缓存模块由FIFO及其控制电路组成，逻辑控制及接口模块由FPGA实现。双通道外部信号先进入调理电路，再经放大、滤波等处理后，在经转换开关切换后，送到高速A/D进行数据转换。双通道模拟信号被顺序转换为数字信号，并按照通道编号的不同在数据后附加通道信息存于FIFO中。整个过程由FPGA控制完成，并通过ISA总线与计算机通讯，利用FIFO允许两个端口同时访问的性能，由计算机在高速采集进行的同时将已采集的数据取走，实现数据的高速连续采集。

2采集卡的逻辑控制作用

2.1基于FPGA的连续采集控制逻辑的实现

高速连续数据采集系统，需要A/D、高速缓冲及总线接口之间有良好的时序匹配。针对这一问题，本文选用现场可编程逻辑门阵列（FPGA）来解决这一问题。采用FPGA之后不仅大大提高了系统的可靠性，同时也很好地增加了系统的集成度。作为数据采集系统的控制核心，FPGA实现的逻辑功能有：产生A/D的工作时序、实现控制字所对应的功能、控制数据的存储和传输、提供总线的接口逻辑。其内部的逻辑模块可以分为时钟分频模块、传输控制及数据存储模块、总线逻辑接口模块三部分。FPGA对应的逻辑结构如图3所示。

图3 FPGA内部逻辑框图

命令状态控制逻辑是整个FPGA的指挥中心。它主要工作在于控制A/D转换过程、采样方式控制、时钟分频、串并转换和FIFO读写控制，使采集卡工作时独立于计算机，降低对系统资源的占用。这个过程中，时钟分频模块采用一个高精