多通道熱電偶采集器設(shè)計

高志遠(yuǎn)，李國星，王 亮

（中國飛行試驗研究院 陜西 西安710000）

多通道熱電偶采集器設(shè)計

高志遠(yuǎn)，李國星，王 亮

（中國飛行試驗研究院 陜西 西安710000）

在航空測試領(lǐng)域有大量溫度參數(shù)需要精確測量，熱電偶被作為溫度測量的橋梁內(nèi)廣泛應(yīng)用。基于溫度參數(shù)的精確測量，設(shè)計以DSP和專用芯片ADS1247為核心的24通道熱電偶采集器，對24路熱電偶參數(shù)進(jìn)行實(shí)時采集。DSP作為控制器負(fù)責(zé)系統(tǒng)初始化配置，并實(shí)時處理接收的數(shù)據(jù)；ADS1247為外部電路提供激勵并采集RTD參數(shù)，對其進(jìn)行預(yù)處理后交由DSP處理。實(shí)驗結(jié)果表明此系統(tǒng)是一種穩(wěn)定高效的熱電偶采集系統(tǒng)。

熱電偶；溫度測量；DSP；ADS1247

溫度參數(shù)是測試領(lǐng)域需要測量的一類重要參數(shù)，在測量不易直接測量的物理量時，一般先將物理量轉(zhuǎn)換為電壓量，然后通過物理量與電壓量的映射關(guān)系間接測量物理量[1]。熱電偶具有電阻隨溫度變化而變換的特性因此采用熱電偶作為溫度測量的橋梁[2]。DSP具有具有數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，浮點(diǎn)運(yùn)算能力尤為突出，提供多種通用外部接口易于開發(fā)，提供豐富的配套軟件的支持文檔，系統(tǒng)開發(fā)和調(diào)試非常容易[3]。

1 硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1，系統(tǒng)以專用芯片ADS1247作為預(yù)處理模塊采集數(shù)據(jù)。DSP作為系統(tǒng)的處理器對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并通過串口與上位機(jī)進(jìn)行通信。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)圖

1.1 預(yù)處理模塊

預(yù)處理模塊使用ADS1247熱電偶輸出恒流源的激勵信號，并將接收到的電壓信號經(jīng)濾波處理后進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換為處理器可用的數(shù)字量。ADS1247是德州儀器推出具有業(yè)界最低功耗與最高集成度的24位低噪聲溫度測量模數(shù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品系列[4]。ADS1247集成了雙匹配電流數(shù)模轉(zhuǎn)換器、低漂移內(nèi)反射、振蕩器、溫度傳感器、開路檢測以及8組通用I/O。ADC的數(shù)據(jù)速率為2 kSPS，功耗僅為2.56 mW，可針對溫度測量（RTD、熱電耦、熱敏電阻）、流量/壓力測量以及工業(yè)過程控制等應(yīng)用提供一款簡單易用的低功耗前端解決方案[5]。預(yù)處理模塊電路如圖2所示，以REF0提供參考電壓，AIN0和AIN3輸出1 mA電流做為恒流源激勵，PINA1外部引腳做測試用[6]。

圖2 RTD采集電路

1.2 控制器

控制器采用德州儀器的DSP F28335，此芯片內(nèi)部集成有64Kram，可以快速進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算，提供多種通用接口，便于進(jìn)行設(shè)計開發(fā)[7]。DSP作為主控器負(fù)責(zé)用SPI總線對ADS1247進(jìn)行初始化，完成ADS1247數(shù)據(jù)的讀寫操作，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和發(fā)送[8]。

2 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計如圖3所示，DSP首先對ADS1247進(jìn)行初始化配置，配置完成后ADS1247即可按照時序要求，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。DSP用內(nèi)部的定時器產(chǎn)生頻率為64 Hz的定時器中斷，每次中斷依次讀取24個通道轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)讀取后通過DSP的SCI串口以115200的波特率將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)。

圖3 軟件流程圖

2.1 ADS1247的初始化

ADS1247需要通過SPI進(jìn)行初始化才能按設(shè)計工作。SPI選用8位數(shù)據(jù)模式，時鐘選用DSP的SPI模塊輸出時鐘，時鐘速率選擇1.024 MHz。DSP依據(jù)設(shè)計對ADS1247的功能寄存器進(jìn)行設(shè)置如表1所示。

表1 ADS1247寄存器設(shè)置

初始化過程如圖4所示，ADS1247在進(jìn)行配置之前需要先復(fù)位，是寄存器回復(fù)默認(rèn)值，ADS1247回到初始狀態(tài)，并在配置完寄存器后關(guān)閉轉(zhuǎn)換[9]。

圖4 ADS1247初始化過程

ADS1247的復(fù)位和轉(zhuǎn)換都不受片選信號CS影響，CS能影響讀寫寄存器和讀寫數(shù)據(jù)。ADS1247的復(fù)位脈沖最小為4個tosc，系統(tǒng)設(shè)計fosc=4.096 MHz。復(fù)位后最小0.6 ms后芯片正常工作[10]。

圖5 寫寄存器

寫寄存器操作需要按照圖5所示進(jìn)行。第1個命令字節(jié)：0100 rrrr，rrrr是第一要寫入寄存器的地址；第2個命令字節(jié)：0000 nnnn，nnnn是要寫入的字節(jié)數(shù)-1；數(shù)據(jù)字節(jié)：被寫入寄存器的數(shù)據(jù)[11]。

2.2 熱電偶數(shù)據(jù)的獲取

按照圖6所示進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取。每次進(jìn)入定時器中斷進(jìn)行讀數(shù)據(jù)操作，系統(tǒng)讀數(shù)據(jù)操作采用單次讀數(shù)據(jù)操作，先啟動轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完畢一次讀取24通道的數(shù)據(jù)。

圖6 ADS1247讀數(shù)據(jù)過程

啟動轉(zhuǎn)換命令即START產(chǎn)生一個寬度為3個tosc的脈沖，因系統(tǒng)選用每秒鐘轉(zhuǎn)換次數(shù)為2 000次，所以START產(chǎn)生脈沖后最小需要0.575 ms時間轉(zhuǎn)換完畢[12]。

圖7 讀單次數(shù)據(jù)

單次讀操作時序如圖7所示，發(fā)送命令后轉(zhuǎn)換完畢的數(shù)據(jù)，通過發(fā)送24個SCLK可以被讀出[13]。

2.3 數(shù)據(jù)處理

每個通道測量范圍是（-60°～150°）對應(yīng)電阻為（76.33～157.33 Ω），[14]ADS1247 對輸入信號做模數(shù)轉(zhuǎn)換 后 經(jīng) 公 式 Data_out=（Data_in/REF*（223-1）-offset）*PGA轉(zhuǎn)換為與輸入信號對應(yīng)的數(shù)字量。

讀取的數(shù)據(jù)有效位數(shù)取16位，將低八位舍棄。需要對讀取的數(shù)據(jù)用偏置和增益進(jìn)行處理使所得數(shù)據(jù)在0-65535區(qū)間。用PT100信號源加-60°的輸入信號得到的數(shù)值即為偏置，65535與150°輸入信號獲得輸出數(shù)據(jù)的比值即為增益[15]。將ADS1247輸出的數(shù)據(jù)減去偏置乘以增益即為所需要的數(shù)據(jù)。

2.4 熱電偶數(shù)據(jù)的發(fā)送

通道數(shù)據(jù)通過DSP內(nèi)部SCI接口發(fā)送給上位機(jī)，SCI選用8位數(shù)據(jù)，無校驗，波特率115200。發(fā)送的數(shù)據(jù)格式如表2

表2 發(fā)送數(shù)據(jù)格式

設(shè)計這樣的幀格式便于進(jìn)行數(shù)據(jù)檢查，也有利于減小發(fā)送數(shù)據(jù)的錯誤率。

3 系統(tǒng)調(diào)試

首先每個通道用PT100信號源分別加-60°，150°兩個溫度測得偏置和增益，然后每個通道用PT100 信號源分別加-60°，0°，60°，150°4 個溫度，將測量值與理論值進(jìn)行比較。

以通道 1為例測得-60°對應(yīng)碼值 0x2093，0°對應(yīng)碼值 0x2aaa，60°對應(yīng)碼值 0x3495，150°對應(yīng)碼值0x4320。偏置為0x2093，增益為0xffff/0x4320。

4 結(jié) 論

系統(tǒng)以專用處理芯片采集熱電偶參數(shù)并做預(yù)處理，以DSP為控制器對專用處理芯片進(jìn)行初始化，并按照一定頻率讀取采集數(shù)據(jù)，并實(shí)時處理，處理后的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給上位機(jī)。經(jīng)過系統(tǒng)測試，24通道熱電偶采集模塊設(shè)計正確，能夠?qū)崿F(xiàn)功能要求，滿足用戶指標(biāo)要求。

[1]王祁，于航.傳感器技術(shù)的新發(fā)展[J].傳感器技術(shù)，1998，17（1）:56-58.

[2]張培仁.傳感器原理檢測及應(yīng)用[M].北京：北京大學(xué)出版社，2012.

[3]陳波.基于DSP的嵌入式系統(tǒng)研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2004.

[4]胥京宇.ADS1247/48:24位溫度測量ADC[J].世界電子元器件，2009，7（3）:31.

[5]易先軍.基于箔電阻的溫度高精度測量研究[J].傳感器與微系統(tǒng)，2009，28（1）:51.

[6]于靜，張炎.基于ADS1247的RTD精確溫度測量系統(tǒng)設(shè)計[J].山東大學(xué)學(xué)報，2013，3（5）:23.

[7]張曉峰.光纖陀螺處理電路中FPGA與DSP的接口方法研究[J].紅外與激光工程，2006，35（1）:56.

[8]溫江濤.基于ADS1247的小型計量檢測鉑電阻溫度設(shè)計[J].檢測技術(shù)及應(yīng)用，2013，12（8）:64-65.

[9]張樹清，李妍.基于ADS1248的高精度測溫裝置設(shè)計[J].河北工業(yè)科技，2013，30（4）:249-252.

[10]薛菲，方彥軍.一種新型熱電偶測量芯片的應(yīng)用[J].傳感器技術(shù)，2014，24（11）:48.

[11]覃長森.基于PT100型鉑電阻的測溫裝置設(shè)計[J].工礦自動化，2012，25（3）:90-91.

[12]肖三強(qiáng)，羅文廣.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能溫度測量系統(tǒng)的設(shè)計[J].裝備制造技術(shù)，2014，8（7）:44.

[13]張修太，胡學(xué)慧.基于PT100的高精度溫度采集系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)驗研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報，2010，23（6）:75.

[14]侯金華.一種高精度高靈活性熱電阻測溫模塊的設(shè)計[J].儀表技術(shù)，2012，33（10）:43-46.

[15]張瑜，張升偉.基于鉑電阻傳感器的高精度溫度檢測系統(tǒng)設(shè)計[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報，2010，23（3）:311-314.

Multi-channel thermocouple collector design

GAO Zhi-yuan，LI Guo-xing，WANG Liang
（Chinese Flight Test Establishment，Xi’an 710000，China）

In the field of aviation test has large temperature parameters need accurate measurement，thermocouple as the bridge of temperature measurement is widely used.Based on the precise measurement of the temperature parameters，Design with DSP and special chip ADS1247 as the core of 24 channels thermocouple collector，thermocouple parameters real-time acquisition of 24 road.DSP as controller is responsible for the system initialization configuration and real-time processing the

data； ADS1247 provide incentives for the external circuit and acquisition RTD parameters，Send data after pretreatment to DSP processing.The system can detect 429 bus link is normal.The experimental results show that this system is a stable and efficient Thermocouple acquisition system.

thermocouple； temperature measurement； DSP； ADS1247

TN957

A

1674－6236（2017）16-0087-03

2016-08-16稿件編號：201608122

高志遠(yuǎn)（1986—），男，河南許昌人，碩士，工程師。研究方向：機(jī)載測試技術(shù)。