手持式高精度智能多路溫度測(cè)試儀

張洪華

（長(zhǎng)沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410010）

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 總體結(jié)構(gòu)

硬件平臺(tái)處理器采用Cortex-M3內(nèi)核芯片STM32F107RBT7，該芯片具有豐富資源，集成CAN總線控制器和USB OTG控制器等多種外設(shè)。并且其低成本、超低功耗的特性使得其非常適合于手持設(shè)備的應(yīng)用。外圍擴(kuò)展數(shù)據(jù)采集模塊、鍵盤與液晶顯示器、幾種通信接口、SD卡與U盤接口。因此，采集的溫度數(shù)據(jù)可以能過(guò)LCM實(shí)時(shí)顯示，也可以通過(guò)SD卡和USB接口以文件形式存儲(chǔ)到SD卡或U盤等移動(dòng)存儲(chǔ)介質(zhì)，或通過(guò)RS232接口、USB接口、無(wú)線模塊和CAN總線接口傳輸?shù)絇C端上位機(jī)作更一步的數(shù)據(jù)分析與智能控制。

1.2 溫度傳感器的選型與物理特性

本溫度測(cè)試儀主要支持兩種類型的溫度傳感器，熱電阻與熱電偶。

考慮到熱電阻的種類的差異性，對(duì)于熱電阻，本測(cè)試儀固定使用一種型號(hào)的熱電阻Pt100，因?yàn)槠渚€性度高，精度大，所以作為主測(cè)溫傳感器。Pt100是一種鉑電阻溫度傳感器，具有精度高，穩(wěn)定性好，溫度感應(yīng)范圍廣等特點(diǎn)，是一種在中低溫區(qū)(-200℃~650℃)使用最廣泛的溫度傳感器。此外，鉑電阻傳感器還具有很好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，同等精度的溫度傳感器中，成本相對(duì)較低，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)溫與計(jì)量和校準(zhǔn)的各種溫度測(cè)試設(shè)備中。

熱電偶是另一種溫度傳感器，與熱電阻不同的是其溫度與熱電勢(shì)關(guān)系并非線性，并且還需要對(duì)冷端溫度進(jìn)行補(bǔ)償。在使用熱電偶測(cè)試溫度時(shí)，主要測(cè)得熱電勢(shì)冷端溫度兩個(gè)值，再根據(jù)用戶設(shè)置的熱電偶類型查找對(duì)應(yīng)的分度表來(lái)獲取溫度值。

熱電偶冷端溫度由芯片MAX6610提供，MAX6610是高精度、低功耗模擬溫度傳感器，帶有高精度電壓基準(zhǔn)，其低溫漂基準(zhǔn)典型值為±10ppm。在排除手持測(cè)試儀上人體體溫影響后，直接測(cè)得環(huán)境溫度，作為冷端補(bǔ)償溫度和環(huán)境參考溫度使用，同時(shí)也為本測(cè)試儀AD轉(zhuǎn)換器提供參考電壓。

在使用時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇溫度傳感器，因?yàn)閮煞N傳感器有各自的適用環(huán)境，熱電偶常用在高溫區(qū)（300度以上），熱電阻在低溫區(qū)。熱電阻測(cè)量范圍小，但精度比熱電偶的高；熱電偶測(cè)溫范圍可達(dá)一千多度，溫度反應(yīng)時(shí)間要比熱電阻的快。

2 系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)

2.1 電源設(shè)計(jì)

單聚合物鋰電池為系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的電源。通過(guò)USB接口充電，充電電流管理芯片采用低成本方案TP4052，可以自行設(shè)定充電電流，并具有溫度保護(hù)功能。鋰電池內(nèi)部集成保護(hù)板，可有效防止過(guò)充過(guò)放、短路，為系統(tǒng)提供安全穩(wěn)定的電源。數(shù)據(jù)采集模塊電源采用芯片F(xiàn)0303T-1W進(jìn)行隔離，該芯片3.3V到3.3V的DC-DC電源輸出，對(duì)控制可提供3KV的直流隔離，為本測(cè)試儀提供硬件上的安全保障。

2.2 測(cè)溫電路設(shè)計(jì)

模擬數(shù)據(jù)采集是溫度測(cè)試儀最基本，也是最重要的一部分，在采集過(guò)程中會(huì)對(duì)傳感器產(chǎn)生的電信號(hào)進(jìn)行量化編碼輸出，給MCU提供可處理的數(shù)據(jù)。檢測(cè)回路將測(cè)試對(duì)象的溫度的信號(hào)量實(shí)時(shí)地采集，并經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器以數(shù)字量的形式送入存儲(chǔ)器中，再對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)的分析處理。

數(shù)據(jù)采集模塊主要芯片為TI公司生產(chǎn)的ADS1147，是一種專為溫度傳感器設(shè)計(jì)的高速高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器，數(shù)據(jù)輸出率高達(dá)2k SPS。因?yàn)閮?nèi)部為Σ-Δ結(jié)構(gòu)，在高速采集的條件下也不需要添加復(fù)雜的外圍電路，如信號(hào)跟隨器、前級(jí)放大器等。ADS1147提供兩路差分輸入，在實(shí)際應(yīng)用中，僅使用一路差分輸入，通過(guò)濾波電路接入熱電偶，直接測(cè)試熱電偶電壓值。另一通道連接多路模擬開(kāi)關(guān)，使其可同時(shí)采集多路溫度信號(hào)。

74HC4052是雙四選一模擬開(kāi)關(guān)，支持寬輸入電壓，信號(hào)輸入通道選擇由MCU數(shù)字量控制，為增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，采取了AD部分與MCU隔離，所以增加了ADUM1200磁隔離芯片。電路如圖3所示，其中INA到IND為四路熱電阻信號(hào)的輸入，IN0+為ADS1147的AD轉(zhuǎn)換器單端輸入口。

對(duì)于另一通道，因?yàn)锳D轉(zhuǎn)換芯片為Σ-Δ結(jié)構(gòu)，熱電偶輸入的外圍電路可以相當(dāng)簡(jiǎn)單，通過(guò)濾波電路（未畫出）直接進(jìn)入AD轉(zhuǎn)換器的一個(gè)差分通道。AD轉(zhuǎn)換主電路如圖3所示，其中部分電源濾波電容已省。

圖3 AD轉(zhuǎn)換模塊部分電路

熱電偶測(cè)量電壓后還需要測(cè)試?yán)涠藴囟?，由溫度傳感器芯片MAX6610提供，輸入到ADS1147的通道AIN0。同時(shí)，ADS1147的基準(zhǔn)電壓也由其提供。

2.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與通信接口

對(duì)于數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，存儲(chǔ)介質(zhì)可以為SD卡或U盤。溫度數(shù)據(jù)通過(guò)FATFS管理模塊將數(shù)據(jù)以二進(jìn)制文件形式保存在SD卡或U盤中，并以測(cè)試開(kāi)始時(shí)間作為文件名進(jìn)行存儲(chǔ)，從而達(dá)到方便管理的目的。

對(duì)于通信接口，無(wú)線通訊、CAN總線與RS232都采用ModBus數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議進(jìn)行通信，而USB接口則直接連接電腦后自動(dòng)更新為從機(jī)模式，達(dá)到與上位機(jī)通信的目的。無(wú)線模塊使用RF4432，中心頻率為433MHz，通過(guò)PC端無(wú)線模塊接入[2]。而CAN總線外接NXP公司生產(chǎn)的高速收發(fā)器TJA1050則可接入外部總線，從而進(jìn)行通信，CAN總線波特率設(shè)定為50Kbps。RS232接口為系統(tǒng)中最簡(jiǎn)單接口，只將波特率設(shè)為9600bps即可連接到上位機(jī)軟件。

2.4 抗干擾措施

在生產(chǎn)的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中，各種通信信號(hào)與輻射無(wú)處不在，會(huì)產(chǎn)生了較大的電磁干擾，元器件之間本身也會(huì)產(chǎn)生干擾信號(hào)。這些干擾信號(hào)都可能會(huì)對(duì)通信或處理器的運(yùn)行產(chǎn)生各種影響，因此必須采取相應(yīng)的抗干擾措施。整個(gè)系統(tǒng)采取的硬件抗干擾措施主要有：隔離電源系統(tǒng)模塊、電路板合理布局和布線、采用硬件看門狗。

測(cè)試儀在AD采集部分主要從兩方面增加其穩(wěn)定性與抗干擾能力，一是硬件隔離；二是軟件濾波。

針對(duì)工業(yè)生產(chǎn)這種環(huán)境相對(duì)惡劣的場(chǎng)合，一般都會(huì)存在高壓、大電流等干擾，所以AD采樣一般都會(huì)經(jīng)過(guò)隔離后方可輸入MCU，本測(cè)試儀采用全隔離方式來(lái)減少外界對(duì)系統(tǒng)的破壞，包括電源和AD的控制總線。

但對(duì)于小信號(hào)，在采樣的過(guò)程中可能會(huì)很有多噪聲干擾，需采用濾波的方法來(lái)抑制干擾。濾波的方式主要有硬件濾波和軟件濾波兩種，由于采用軟件濾波算法不需增加硬件設(shè)備，可靠性高，功能多樣，使用靈活，具有許多硬件濾波措施所不具備的優(yōu)點(diǎn)，在設(shè)計(jì)中采用軟件濾波的方法來(lái)抑制噪聲干擾。軟件濾波的方法主要有中值濾波法、算術(shù)平均濾波法、遞推平均濾波法、中值平均濾波法、一階滯后濾波法等[3]，考慮到溫度值一般相對(duì)變化較慢，傳感器受到的干擾則會(huì)以脈沖干擾為主，對(duì)比各種濾波方法的優(yōu)缺點(diǎn)及適用場(chǎng)合，用中值濾波法作為采集模塊的軟件濾波方法為宜。

本系統(tǒng)中值濾波法的函數(shù)功能實(shí)現(xiàn)為：

INT16U AD_Filter(INT8U ch) // ch 為采樣通道

｛

循環(huán)調(diào)用采樣單個(gè)輸入通道函數(shù)Read_ADC 9次；

對(duì)9次采樣結(jié)果按從小到大的順序排序；//

求中間1/3個(gè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值；

返回所得值；

｝

2.5 統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程是：系統(tǒng)上電復(fù)位，STM32進(jìn)行時(shí)鐘設(shè)置，初始化外設(shè)，讀取配置信息，顯示主界面并等待按鍵輸入。當(dāng)有按鍵后分別進(jìn)入設(shè)置模式和采集模式。采集模式中自動(dòng)循環(huán)進(jìn)行AD采集通道設(shè)置，再進(jìn)行一次采集，再切換通道采集，如果是熱電偶根據(jù)設(shè)置采集冷端溫度與查表計(jì)算溫度值，熱電阻直接計(jì)算出溫度值。一輪測(cè)試之后進(jìn)行軟件濾波，再更新顯示或保存與傳輸給外部。

除了溫度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示，還可以回放已存儲(chǔ)的溫度曲線，并能回顯每一時(shí)刻溫度，方便用戶進(jìn)行溫度曲線分析[4]，或簡(jiǎn)單的溫度曲線擬合，從而達(dá)到智能化要求。

3 性能測(cè)試

測(cè)試儀的精度要求是否合格，需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)其精度。測(cè)試設(shè)備為Fluke 7341恒溫槽，測(cè)試四個(gè)點(diǎn)，為0℃、50℃、100℃和150℃，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 溫度測(cè)試結(jié)果分析表

由表2可知，測(cè)試儀的測(cè)溫誤差低于0.05℃，滿足實(shí)際應(yīng)用要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種手持式高精度智能多路溫度測(cè)試儀，對(duì)測(cè)試儀的總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了描述，詳細(xì)介紹了以ADS1147為核心的采集模塊的設(shè)計(jì)，還介紹了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中采取的抗干擾措施與軟件控制方法。本測(cè)試儀可以同時(shí)測(cè)試多點(diǎn)溫度，并能滿足用戶的精度要求，測(cè)試運(yùn)行表明，該系統(tǒng)精度高，能耗低，軟件使用簡(jiǎn)單快捷，具有較高的推廣價(jià)值。

[1] 瞿濤,萬(wàn)樂(lè)生. 智能儀表熱電偶毫伏-溫度高精度查表法[J]. 工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置, 1992

[2] 季一錦, 尹明德. 一種用于氣體濃度檢測(cè)的無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 江南大學(xué)學(xué)報(bào), 2005, 4(1):11-18

[3] 張輝. 淺談微機(jī)控制中的濾波方法[J]. 丹東師專學(xué)報(bào),2000, 22(82):30-31

[4] 周澤魁．控制儀表與計(jì)算機(jī)控制裝置[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.