基于RDC的高精度智能溫度測量系統(tǒng)設(shè)計

田海軍，張 鋆，王 健，張 鑫

（1.東北電力大學(xué) 自動化工程學(xué)院，吉林 132012；2.國電南瑞（北京）控制系統(tǒng)有限公司 開發(fā)部，北京 100193）

0 引言

溫度測量，在工業(yè)、醫(yī)療、軍事等方面具有重要意義。溫度測量分為接觸式測量和非接觸式測量[1]。目前電廠等工業(yè)現(xiàn)場中大都采用熱電偶和熱電阻作為溫度傳感器，然后通過儀表測量熱電偶的電勢值或熱電阻的電阻值，再結(jié)合相應(yīng)的分度表，通過查表的方式，得到溫度測量值。這種方法十分不方便，降低了現(xiàn)場人員的工作效率。隨著集成電路快速發(fā)展，出現(xiàn)了三線制和四線制的熱電阻恒流源測量方法[2]，減小了引線電阻對溫度測量的影響。但是這種電路中需要自己搭建恒流源電路和調(diào)理電路[3,4]，不但引入了寄生電阻，而且降低了穩(wěn)定性和精度。工業(yè)上常用的HART接口形式為兩線制。兩線制即環(huán)路供電方式，對整機(jī)的功耗有很高的要求，靜態(tài)功耗必須小于3.4mA[5]。為了解決上述問題，采用基于電阻數(shù)字轉(zhuǎn)換的方法，進(jìn)行電阻的高精度測量，然后對測量結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和擬合，得到實時溫度，最后通過三線制DA轉(zhuǎn)換芯片輸出4mA～20mA工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)信號。溫度變送器實現(xiàn)了無功耗限制的三線制HART協(xié)議，通過HART手持器或者上位機(jī)，可以方便的實現(xiàn)溫度測量系統(tǒng)上下限修改和變送器校準(zhǔn)等功能。

1 總體設(shè)計

高精度智能溫度測量系統(tǒng)由電源系統(tǒng)、溫度傳感器、高精度電阻測量電路、STM32F103C8T6單片機(jī)、故障處理單元、4mA～20mA輸出、HART協(xié)議通信單元。智能溫度測量系總體設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1 智能溫度測量系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

電源系統(tǒng)采用B2405-3W芯片和AMS1117-3.3V芯片，將24V電壓轉(zhuǎn)換成3.3V電壓，為各個芯片提供供電電壓。系統(tǒng)帶有自檢功能，系統(tǒng)初始化或者通過HART手持器可以進(jìn)入自檢程序，檢測到系統(tǒng)發(fā)生故障時，對應(yīng)的故障指示燈亮起，蜂鳴器報警提示現(xiàn)場人員。溫度傳感器將溫度信號轉(zhuǎn)換成PT1000對應(yīng)的電阻值，高精度電阻測量電路完成電阻值的精準(zhǔn)測量。STM32單片機(jī)通過SPI接口通訊方式讀取電阻值，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理之后，得到實時的溫度值。然后經(jīng)16位高精度DA轉(zhuǎn)換器AD5420轉(zhuǎn)換成連續(xù)的4mA～20mA電流信號。溫度測量系統(tǒng)支持HART協(xié)議，由于HART手持器價格昂貴，本文采用USB-HART調(diào)制解調(diào)器和上位機(jī)軟件，實現(xiàn)對溫度測量系統(tǒng)的校準(zhǔn)、參數(shù)訪問和組態(tài)。

2 硬件設(shè)計

2.1 溫度傳感器設(shè)計

溫度傳感器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 溫度傳感器結(jié)構(gòu)

溫度傳感器采用德國賀利氏薄膜鉑電阻PT1000芯片，為了使芯片受熱均勻，在芯片周圍填充了進(jìn)口的導(dǎo)熱硅脂，芯片兩引腳采用銀焊技術(shù)與純銀的導(dǎo)線的連接，大大降低了引線電阻的同時，可以承受高溫，為了使兩根引線絕緣，將其置于雙孔的陶瓷套管中，外殼采用316不銹鋼材質(zhì)，有很好的耐腐蝕性能，PCB電路板置于防水的接線盒中，采用接線端子與引線連接，便于安裝和拆卸。傳感器帶有固定螺紋和法蘭，便于傳感器安裝。

2.2 高精度電阻測量電路設(shè)計

高精度電阻測量電路采用德國ACAM公司的PCaP01芯片，帶有標(biāo)準(zhǔn)固件03.01.02，支持溫度測量。利用該芯片和PT1000測量溫度，精度可以達(dá)到0.005k。PCap01芯片電容測量單元原理圖如圖3所示。

圖3 PCap01芯片電阻測量原理

PCap01芯片電阻測量原理如圖3所示：PCap01芯片基于電容充放電原理測量電阻[6]。芯片內(nèi)部集成了RC充放電電路，為了使電容充分充電，電容充放電周期的設(shè)置十分重要，通過配置和參數(shù)寄存器可以設(shè)置為140us或280us，本文設(shè)置為280us。

PT1000被測電阻和基準(zhǔn)電阻連接在同一個33Pf的充放電電容上，芯片提供了兩個基準(zhǔn)電阻可供選擇，內(nèi)部的多晶硅電阻和外部參考電阻，基準(zhǔn)電阻必須具有接近0的溫度漂移系數(shù)，芯片內(nèi)部的多晶硅電阻阻值大小為1KΩ，溫度漂移系數(shù)為-1.1ppm/K。高精度的TDC時間數(shù)字轉(zhuǎn)換單元可以把電容放電時間準(zhǔn)確的記錄下來，精度可以達(dá)到2us。根據(jù)公式：

式中TN為被測電阻放電時間，Tref為參考電阻放電時間，Rref為參考電阻值，RN為被測電阻值。然后通過DSP數(shù)字處理器處理，根據(jù)放電時間的比值可以求得電阻比率，并存儲在結(jié)果寄存器中。STM32單片機(jī)通過SPI通信接口讀取測量結(jié)果[7]。

根據(jù)補(bǔ)償公式可以得到對應(yīng)的溫度：

其中R_Ratio為電阻比率。

由于采用單芯片溫度測量方案，避免了搭建傳統(tǒng)的恒流源電路和調(diào)理電路，提高了電路的穩(wěn)定性和精度，而且由于被測電阻和基準(zhǔn)電阻連接在同一個充放電電容上，克服了溫度漂移對電阻測量的影響，實現(xiàn)了電阻的高精度測量。

2.3 HART通訊單元設(shè)計

HART協(xié)議是在4mA～20mA模擬信號上疊加數(shù)字信號，實現(xiàn)模擬信號和數(shù)字信號的同時傳輸，是一種從模擬信號像數(shù)字信號過渡的一種通訊協(xié)議[8]，可以兼容4mA～20mA的傳統(tǒng)工業(yè)信號，被工業(yè)界廣泛采用。工業(yè)上常用的HART接口形式為兩線制和三線制[9]。兩線制即環(huán)路供電方式，對整機(jī)的功耗有很高的要求，靜態(tài)功耗必須小于3.4mA。必須采用專用的單片機(jī)和芯片，對于市面上常規(guī)的單片機(jī)和芯片不能滿足要求。本文采用三線制方式，克服了兩線制方式對功耗要求限制。

HART通訊單元采用ADI公司的AD5420和AD5700-1芯片，AD5420為三線制的16位高精度4mA～20mA轉(zhuǎn)換芯片，外部不需要MOSFET管，提高了電路的穩(wěn)定性，AD5700-1為市面上尺寸最小的HART調(diào)制解調(diào)芯片，內(nèi)部集成了振蕩器，不再需要外部晶振，進(jìn)一步節(jié)省了布板空間。

HART通信單元電路如圖4所示。

系統(tǒng)采用24V電源供電，A V D D引腳與+2 4 V相連，AD5420的LATCH、SCLK、SDIN、SDO引腳，分別于STM32單片機(jī)的PB2-PB5相連，采用IO模擬SPI方式與單片機(jī)進(jìn)行通訊。DVCC_SELECT引腳連接到GND，采用外部3.3V電源給AD5420供電。CAP1引腳接4.7nF的濾波電容，CAP2引腳懸空，為了是系統(tǒng)的電源穩(wěn)定，都采用了10uF和0.1uF的電容進(jìn)行濾波，工業(yè)現(xiàn)場情況惡劣，為了防止浪涌電壓，AVDD引腳和IOUT引腳接有穩(wěn)壓管。+24V、GND、IOUT構(gòu)成4mA～20mA三線制接法。

AD5700-1芯片的REF引腳通過1uF電容連接到GND，采用外部3.3V電源供電，REF_EN引腳接高電平，使能內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源，REF引腳輸出1.5V，R6和R11分壓為HART信號提供偏置電壓。RST引腳與單片機(jī)的PA12引腳相連，通過編程輸出高低電平來控制AD5700-1芯片處于調(diào)制或解調(diào)模式。TXD引腳和RXD引腳分別與STM32單片機(jī)的USART1引腳PA9（發(fā)送）和PA10（接收）對應(yīng)連接。通過XTAL_EN、CLK_CFG1連接到3.3V，CLK_CFG0連接到GND，使能內(nèi)部晶振。FILTER_SEL引腳接GND，需要采用外部帶通濾波器，C13、C14、R9配合AD5420內(nèi)部電路，組成＞10khz和＜500HZ的帶通濾波器，將HART信號從4mA～20mA信號中提取出來。為了滿足工業(yè)現(xiàn)場的要求，需要將AD5700-1與環(huán)路電源隔離開，電路需要串聯(lián)限流電阻R9。經(jīng)過AD5700-1芯片調(diào)制后的HART信號，通過HARTOUT引腳經(jīng)過R7、C8衰減之后，耦合到AD5420芯片的RSET引腳。RSET需要連接高精度低溫漂電阻R3。

圖4 HART通信單元電路

3 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計分為兩個部分，一部分是溫度測量程序設(shè)計，另一部分是HART協(xié)議通信程序設(shè)計。

圖5 溫度測量程序流程圖

溫度測量程序流程圖如圖5所示，首先對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，首先對STM32單片機(jī)進(jìn)行初始化，包括初始化IO外設(shè)，設(shè)置SPI1和USART1通訊參數(shù)、配置獨立看門狗等。然后初始化PCap01芯片，通過SPI通訊方式，向PCap01芯片發(fā)送復(fù)位信號，使PCap01芯片復(fù)位一次，然后設(shè)置配置寄存器參數(shù)，選擇內(nèi)部多晶硅電阻作為基準(zhǔn)電阻，并設(shè)置充放電周期為280us。通過模擬SPI的方式設(shè)置AD5420控制寄存器參數(shù)，使其工作方式為4mA～20mA。然后進(jìn)入自檢程序（也可以通過HART手持器觸發(fā)自檢程序），單片機(jī)向PCap01芯片發(fā)送測量電阻命令，完成一次電阻測量，并將結(jié)果讀出。進(jìn)而向AD5420數(shù)據(jù)寄存器中寫入數(shù)值，并讀出比較。如果不能讀出電阻測量結(jié)果，或者寫入AD5420數(shù)據(jù)寄存器的數(shù)值和讀出的不一致，對應(yīng)的故障指示燈亮起，蜂鳴器報警，并將錯誤碼存儲在FLASH中，供HART手持器或者上位機(jī)讀取。如果自檢通過，讀取存儲在FLASH中的系統(tǒng)參數(shù)，包括量程上下限和校準(zhǔn)數(shù)據(jù)、前導(dǎo)碼個數(shù)等，完成系統(tǒng)參數(shù)初始化之后，進(jìn)入溫度測量程序，STM32將PCap01芯片測得的PT1000與基準(zhǔn)電阻的比率，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到實時的溫度之后，轉(zhuǎn)化為16位的數(shù)字量，傳輸給AD5420輸出4mA～20mA電流信號。

圖6 HART協(xié)議通信程序流程圖

HART協(xié)議通信程序流程圖如圖6所示，完成了HART協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層以及層間接口的程序設(shè)計，實現(xiàn)了HART信號的接收、解析、響應(yīng)和發(fā)送。首先初始化USART1通訊參數(shù)，1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，1位奇校驗位，波特率位1200bps/s，并開啟USART1接收中斷，PA12引腳設(shè)置為高電平，使AD5700-1芯片處于接收狀態(tài)[10]。當(dāng)AD5700-1芯片接收到HART信號，將其解調(diào)成0、1數(shù)字信號，然后通過USART1傳送給單片機(jī)，單片機(jī)接收到數(shù)據(jù)后，進(jìn)入串口接收中斷，接收命令幀。進(jìn)而對除前導(dǎo)碼之外的命令幀進(jìn)行橫向奇校驗，與接收到的校驗碼進(jìn)行比對，如果一致，則按照HART協(xié)議的通信幀格式，解析命令幀，根據(jù)相應(yīng)的命令請求生成應(yīng)答幀，然后將PA12引腳設(shè)置為低電平，使AD5700-1芯片處于發(fā)送HART信號狀態(tài)，單片機(jī)通過USART1將應(yīng)答幀傳送給AD5700-1芯片，經(jīng)AD5700-1芯片調(diào)制成FSK信號之后加載到4mA～20mA環(huán)路中。當(dāng)發(fā)送完成之后，再次進(jìn)入接收狀態(tài)，等待下一條命令。

4 實驗與結(jié)果分析

采用CRJ系列智能熱工自動檢定系統(tǒng)對溫度測量系統(tǒng)進(jìn)行校驗。CRJ系列智能熱工自動檢定系統(tǒng)由主控箱、微機(jī)系統(tǒng)、HTS-300A標(biāo)準(zhǔn)油槽、冰點器以及測量導(dǎo)線和通訊導(dǎo)線組成。HTS-300A標(biāo)準(zhǔn)油槽一種高精度自控式溫度計檢定裝置，微機(jī)系統(tǒng)實時顯示油槽的控溫曲線、溫度數(shù)值、以及檢定時間等參數(shù)。參照《JJG 229-2010工業(yè)鉑、銅熱電阻檢定規(guī)程》，首先進(jìn)行油槽溫場測試，測試步驟詳見說明書，此處不再贅述，測得油槽的溫度均勻度為0.005℃。然后進(jìn)行重復(fù)性測試，在冰點器和油槽中分別測試0℃、100℃兩個檢點。重復(fù)檢測5次，每個點每次操作約為60分鐘，當(dāng)油槽溫度波動0.04℃/30min時，記錄 智能溫度測量系統(tǒng)所測溫度，并用仿真器讀出電阻率，換算成對應(yīng)電阻值。測量結(jié)果如表1所示。

根據(jù)公式：

求得Δα分別為-6.0×10-7、-5.6×10-7、-1.2×10-7、-4.1×10-7、-5.8×10-7，滿足Δα為±6×10-6范圍的規(guī)定， 滿足工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，最大測量誤差僅為0.006℃。

表1 溫度測量結(jié)果

在4mA～20mA電流環(huán)路中，串入300Ω左右的通信電阻，將USB-HART調(diào)制解調(diào)器的兩個無極性測試鉤，勾在電阻兩端，通過上位機(jī)軟件和和智能溫度測量系統(tǒng)通信，完成HART通信測試，結(jié)果表明HART通信單元實現(xiàn)了量程上下限調(diào)整，溫度傳感器校準(zhǔn)和對溫度值、電阻等變量的實時監(jiān)測等功能。

5 結(jié)論

該智能溫度測量系統(tǒng)，采用基于電阻數(shù)字轉(zhuǎn)換的方法，實現(xiàn)了電阻的高精度測量，不需要恒流源芯片和調(diào)理電路，實現(xiàn)了電路的微型化，帶有自檢功能并支持HART協(xié)議，實現(xiàn)了智能化。符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，可用于大量程比智能溫度變送器、超聲波熱量表等設(shè)計中。

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