基于FPGA的热电偶测温数据采集系统，替代NI的产品（一）FPGA 测温研究现状
薄膜热电偶作为一种广泛应用于温度测量的传感器，因其优越的性能和稳定性，在
测量领域得到了广泛应用，且随着工业自动化和精密测量技术的快速发展，高速数据采
集系统在各类工程应用中的需求日益增加。现有方案的缺陷主要在于采样周期长，不适
用于捕获来自薄膜热电偶的瞬态温度数据，而薄膜热电偶响应时间在纳秒级别，现有采
集仪（卡）无法满足瞬态变化温度信号的采样需求。为了满足对高速度温度数据采集的
要求，本文设计了一种基于现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）
的薄膜热电偶高速模块化数据采集系统。该系统能够高效地处理薄膜热电偶采集的信
号，并通过高速以太网进行数据传输，适用于需要高速数据采集测量的场合。
2017 年，西安交通大学的田家萌等人在对二维多层介质表面热流密度进行估算时，
使用了薄膜热电偶和精细热电偶（Fine Thermocouple，FTC）测量表面热流，在对其进
行数据采集时使用了美国 National Instruments（NI）公司的 PCIe-6251 数据采集卡[16]。
该数据采集卡实物图如图 1.3 所示，其拥有 16 位分辨率，采样速率在 0~1M 之间可调；
具有多种输入范围，包括±10V，±5V，±1V，±0.2V；其具有 16 个单端或 8 个差分
模拟输入，2 个模拟输出，24 个数字输入，24 个数字输出和 2 个 32 位的计数器/定时器；
在 25℃下输入输出精度典型值为±0.06%F.S.，可支持内部触发和外部触发并支持硬件
时钟同步，其通过 PCI 接口与计算机连接；在软件支持上，通过 NI-DAQmx 驱动程序，
支持 LabVIEW、LabWindows/CVI、Measurement Studio 等开发环境并支持 C、C++、C#、
Python 等编程语言。由于其具有多功能、高性能的模拟输入输出并适用于多种应用的灵
活配置，广泛用于各种实验室测量、实验室数据采集、工业控制、工业自动化应用和信
号处理分析中。
2021 年，韩国全南大学的 Yangkyu Park 等人在进行薄膜热电偶厚度相关温度系数
的估算及其活体实验时，使用了铜和康铜的组成的薄膜热电偶对麻醉猪模型在安乐死过
程中的体温差进行测量，在对数据进行采集时，采用了美国 NI 公司的 9213 数据采集卡
[20]
，该采集卡实物图如图 1.6 所示。NI 9213 是 NI 公司生产的一款用于温度测量的多通
道热电偶输入模块，其具有 16 个单端热电偶输入通道，24 位模数转换的分辨率；在单
通道模式下，每通道最大采样率为 75S/s，多通道模式下的总采样率为 1.2kS/s，同时通
道间隔离和通道与地之间隔离，提供最高 250Vrms 的过电压保护；支持包括 J 型、K 型、
T 型、E 型、N 型、B 型、R 型、S 型在内的多种热电偶类型，且内置冷端补偿，并支
持与其他模块同步采集，适用于复杂的多传感器测量应用；测量范围方面，根据热电偶
类型不同，测量范围有所变化（例如，K 型热电偶的范围为-200℃至 1372℃），同时其
典型精度在 0.22℃到 0.36℃之间（根据热电偶类型有所不同）；上位机连接方面，与第一章 绪论
CompactDAQ 和 CompactRIO 机箱兼容，支持即插即用，简化系统集成和设置；软件支
持上，完全集成于 LabVIEW 环境，支持 NI-DAQmx 驱动程序，提供简便的配置和编程
接口，兼容多种编程语言和开发环境（LabWindows/CVI、Measurement Studio、C、C++、
Python 等）。该采集卡可以在-40℃至 70℃温度和 10%至 90%湿度范围内工作。由于其
高通道数、高精度和高分辨率、多种热电偶类型支持、良好的隔离性能等设备特性，其
广泛应用于环境监测、工业自动化、科学研究、设备测试和维护。
