基于ADS1148的多路高精度測(cè)溫裝置

王曉丹，孟令軍，尹維漢，周之麗

（中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051）

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，溫度控制系統(tǒng)正朝著智能化、高精度、多功能、高可靠性及安全性等高科技的方向迅速發(fā)展[1]。在軍事、航天和航空等一些特殊的應(yīng)用場(chǎng)合，對(duì)測(cè)溫裝置的要求非常高，為了保證核心器件工作的穩(wěn)定性，需要高精度的溫度控制保證其工作環(huán)境。所以，研究如何提高溫度測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)溫精度具有較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值[2]。

基于此，本文以ARM微處理器作為裝置的控制核心，PT1000鉑電阻作為溫度傳感器，設(shè)計(jì)了一種基于ADS1148的多路高精度測(cè)溫裝置。該裝置具有可靠性好、抗干擾能力強(qiáng)、測(cè)溫精度高等優(yōu)點(diǎn)。

1 裝置工作原理

如圖1所示，主控MCU收到指令后完成對(duì)4路溫度傳感器信號(hào)的采集控制，讀取ADC芯片的轉(zhuǎn)換結(jié)果后，把溫度數(shù)據(jù)經(jīng)過編碼、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)到寄存器中并通過串口將數(shù)據(jù)上傳到計(jì)算機(jī)中，在計(jì)算機(jī)中通過地面測(cè)試上位機(jī)讀取各通道的溫度值并顯示。

圖1 裝置原理框圖Fig.1 Block diagram of the device

該裝置的主控MCU采用的是意法半導(dǎo)體公司設(shè)計(jì)的STM32F103RET6，它是基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的32位微處理器[3]。TI公司的ADS1148是高度集成的16位精密ADC芯片，ADS1148模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片屬于測(cè)溫專用數(shù)據(jù)采集器[4-5]。主控MCU負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)裝置進(jìn)行控制，與信號(hào)采集芯片ADS1148之間采用SPI總線進(jìn)行通信，能夠通過SPI接口外接2片、3片、4片或更多片ADC芯片實(shí)現(xiàn)采集多通道溫度傳感器信號(hào)，一片ADS1148可以外接4路差分形式輸入的模擬信號(hào)。

1.1 鉑電阻測(cè)溫原理

鉑電阻由于其具有測(cè)溫范圍寬，性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于溫度測(cè)量中[6]。按照IEC751國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在常用的PT1000（R0=1000 Ω）是以溫度系數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一設(shè)計(jì)的鉑電阻[7]。根據(jù)鉑電阻溫度特性，當(dāng)工作溫度在-200℃～0℃時(shí)：

當(dāng)工作溫度在0℃～650℃時(shí)：

式中：Rt為在t℃時(shí)的電阻值；R0為在0℃時(shí)的電阻值。TCR=0.003851 時(shí)的系數(shù)值為 A=3.9083×10-3℃-1，B=-5.775×10-7℃-2，C=-4.183×10-12℃-4。

1.2 恒流源驅(qū)動(dòng)電路

裝置采用三線制恒流源驅(qū)動(dòng)法驅(qū)動(dòng)鉑電阻傳感器的測(cè)量方案，在ADS1148內(nèi)部，有2個(gè)相同恒流源IDAC，用于驅(qū)動(dòng)三線制接法的PT1000傳感器，相比傳統(tǒng)運(yùn)用集成運(yùn)放設(shè)計(jì)恒流源電路的方法，該方案簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，而且采用外部參考電壓源，消除了恒流源的不確定性對(duì)測(cè)量精度的影響[8]。

ADS1148的外部器件中，RTD對(duì)應(yīng)于PT1000傳感器，RLEAD為連接PT1000傳感器的導(dǎo)線等效電阻，RCOMP為比較電阻，RBIAS選用的是高精度、低溫漂的精密電阻。片上參考電壓輸入管腳為REFP0和REFN0，參考電壓值為

VREF=2×IDAC×RBIAS，運(yùn)放輸入電壓值為

VN為PT1000兩線段的電勢(shì)值，因此當(dāng)RTD=RCOMP時(shí)，VIN=VAIN0-VAIN1=0 V，當(dāng)RTD隨溫度變化時(shí)，對(duì)應(yīng)VIN也會(huì)變化，

可以看出，運(yùn)放的差分輸入電壓值與導(dǎo)線的電阻值大小無關(guān)。

2 提高測(cè)溫精度的方法

1）PT1000鉑電阻傳感器與ADS1148的電路連接如圖2所示，差分輸入方式可以很好地消除導(dǎo)線電阻對(duì)測(cè)溫精度的影響，在每路輸入端設(shè)計(jì)了低通濾波器，以衰減熱電偶上的噪聲，提高測(cè)溫精度。

圖2 PT1000鉑電阻傳感器與ADS1148的電路連接Fig.2 PT1000 platinum resistance sensor and ADS1148 circuit connection

2）ADS1148是高度集成的16位精密ADC芯片，本設(shè)計(jì)充分利用芯片內(nèi)部資源提高鉑電阻的測(cè)溫精度。ADS1148集成的低噪聲可編程增益放大器最大放大倍數(shù)可達(dá)128倍，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)微弱模擬信號(hào)的精確測(cè)量；其內(nèi)部的數(shù)字濾波器能夠減弱干擾信號(hào)對(duì)有用信號(hào)的影響，提高測(cè)溫精度；使用內(nèi)部參考電壓源，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。

3）由于鉑電阻阻值隨溫度的變化是非線性的，加上引線電阻的非線性等因素的影響，導(dǎo)致鉑電阻溫度傳感器的輸出值與實(shí)際溫度值存在偏差。所以，為提高測(cè)溫精度，采用MATLAB軟件進(jìn)行分段線性化處理，實(shí)現(xiàn)鉑電阻的非線性誤差校正。

在測(cè)溫范圍-50℃～150℃劃分為-50℃～-10℃、-10℃～90℃、90℃～150℃進(jìn)行分段線性擬合，得到溫度與電阻關(guān)系模型：

T=0.25269R-253.02149，-50 ℃～-10 ℃ （6）

T=0.26562R-268.02587，-10 ℃～90 ℃ （7）

T=0.25882R-258.09121，90 ℃～150 ℃ （8）

3個(gè)模型最大理論誤差分別為0.06314℃，0.04587℃和0.06886℃，能夠滿足精度要求。

3 測(cè)試結(jié)果與分析

把溫度傳感器PT1000放置在恒溫槽中，設(shè)置溫度為-50℃并進(jìn)行初次測(cè)試，設(shè)定恒溫槽溫度以每隔20℃變化，待恒溫槽的溫度穩(wěn)定后，即開始測(cè)試。測(cè)溫實(shí)驗(yàn)結(jié)果及誤差如表1所示。結(jié)果表明，該測(cè)溫裝置的溫度測(cè)量絕對(duì)誤差小于±0.1℃，達(dá)到了較高的測(cè)量精度。在需要高精度測(cè)溫的場(chǎng)合有很好的實(shí)用價(jià)值。

表1 鉑電阻測(cè)溫結(jié)果及誤差Tab.1 Result and error of platinum resistance temperature measurement

在-50℃～150℃溫度范圍利用選取的3個(gè)固定溫度的實(shí)測(cè)值和根據(jù)擬合算法測(cè)試的溫度值描繪出的點(diǎn)，通過這些點(diǎn)擬合出如圖3所示的2條直線。根據(jù)不同要求，對(duì)測(cè)溫范圍所分的段越小，擬合直線就越接近實(shí)際溫度直線，補(bǔ)償后測(cè)溫的精度就越高。通過軟件補(bǔ)償?shù)姆椒梢员苊庥布{(diào)節(jié)的復(fù)雜性和保證測(cè)溫裝置的穩(wěn)定性，簡(jiǎn)單可靠容易實(shí)現(xiàn)。

圖3 測(cè)溫曲線擬合結(jié)果Fig.3 Result of fitting temperature curve

該裝置的地面測(cè)試上位機(jī)是使用MATLAB軟件設(shè)計(jì)的。可通過選擇通道顯示某一路傳感器在一定時(shí)間內(nèi)的溫度變化曲線，并實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前通道的溫度與平均溫度。當(dāng)把第1路傳感器放置在溫度為25.6℃的恒溫槽中，測(cè)得當(dāng)前通道溫度為25.65℃，平均溫度為25.62℃，誤差均保持在0.1℃以內(nèi)。

4 結(jié)語

設(shè)計(jì)了一種基于ADS1148的多路高精度測(cè)溫裝置，和傳統(tǒng)的測(cè)溫方法相比，裝置具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)溫精度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。能夠滿足導(dǎo)彈飛行過程中對(duì)彈體各部位溫度測(cè)試的需求，在高壓、高沖擊等惡劣環(huán)境中也有很好的應(yīng)用前景。

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