多通道溫度采集系統(tǒng)設(shè)計

饒文軍，谷玉海，石 巖

（1.北京信息科技大學(xué)現(xiàn)代測控技術(shù)教育部重點實驗室，北京 100192；2.山東力士德機械有限公司，山東臨沂 276700）

0 引言

在制造業(yè)以及日常生活當(dāng)中常常需要控制環(huán)境溫度或者加熱溫度的大小，溫度常常會成為一個至關(guān)重要的因素。針對于齒輪集裝箱，溫度對于齒輪的壽命有著重要影響，溫度過高會加劇齒輪的磨損，潤滑油溫度過高會降低潤滑效果，潤滑液中存在雜質(zhì)的濃度會影響溫度變化，濃度越高，升溫越快、溫度越高，而測量的溫度在一定程度上反應(yīng)了潤滑油雜質(zhì)的濃度，可以由此預(yù)測潤滑油的更換。因此，測量溫度就顯得尤為重要，準(zhǔn)確、實時的溫度數(shù)據(jù)是溫度控制、預(yù)測的前提，如何快速、準(zhǔn)確、實時的獲取溫度數(shù)值是溫度采集重要問題。介紹一種針對于齒輪集裝箱的多通道溫度采集系統(tǒng)，系統(tǒng)中采用了熱電阻以及差分放大器作為溫度采集電路，提高了溫度采集精度；使用以太網(wǎng)模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至物聯(lián)網(wǎng)，為溫度遠(yuǎn)程控制提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 采集系統(tǒng)構(gòu)成

多通道溫度采集系統(tǒng)是以STM32373VC為核心來實現(xiàn)對多通道溫度數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)換、傳輸功能，系統(tǒng)擁有16個溫度采集點，可提高溫度采集的精度以及擴大溫度采集的區(qū)域范圍；系統(tǒng)還采用了W5500以太網(wǎng)模塊，能將采集的溫度數(shù)據(jù)實時傳輸至物聯(lián)網(wǎng)上，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測功能；圖1為多通道溫度采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，STM32373是系統(tǒng)核心，包括溫度檢測電路、溫度信號放大電路、外部以太網(wǎng)模塊連接電路、外部時鐘電路以及電源模塊設(shè)計電路。ADC是Analog-to-Digital-Converter的縮寫，指的是模塊轉(zhuǎn)換器。

圖1 多通道溫度采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 主要硬件選擇

處理器采用STM32373VC單片機，它含有16個ADC通道，滿足多路數(shù)據(jù)采集要求，并且擁有UART，SPI等豐富的外設(shè)接口；溫度傳感器采用PT1000，該溫度傳感器測量精度高，測量范圍大并且穩(wěn)定性好；外設(shè)以太網(wǎng)模塊選擇W5500，W5500內(nèi)部集成全硬件TCP/IP協(xié)議棧+MAC+PHY，速度快、可靠性強且安全性能好。

3 主要電路設(shè)計

3.1 電源模塊設(shè)計

該溫度采集系統(tǒng)外接5 V直流電壓，電路需要3.3 V直流電壓，系統(tǒng)采用REG1117-3.3穩(wěn)壓器將5 V電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V直流電壓，電路如圖2所示，輸入電源采用MOS（metal-oxidesemiconductor，金屬-氧化物-半導(dǎo)體）管設(shè)計防反接電路，當(dāng)電源正接時MOS管輸出+5 V電壓，當(dāng)電源反接時其輸出電壓為零。電路如圖3所示。

圖2 電源模塊設(shè)計電路

3.2 溫度采集模塊設(shè)計

溫度信號采集采用PT1000鉑熱電阻傳感器，該傳感器具有精度高、穩(wěn)定性好的優(yōu)點，適用于遠(yuǎn)距離布線的場合；將采集信號差分放大后傳入STM32373CV單片機的ADC接口，在該多通道溫度采集系統(tǒng)設(shè)計中，考慮到在進(jìn)行溫度采集點布線時要長距離布線，且各采集點布線長度存在較大差距，由線路而產(chǎn)生的壓降各不相同，采用電壓源進(jìn)行溫度測量容易造成較大誤差；因此使用LM334為溫度采集電阻提供1 mA恒流源。溫度采集模塊電路連接如圖4所示，為了保證溫度采集的精度，采用恒流源進(jìn)行溫度采集，采集電阻兩端電位為差分放大電路的輸入信號，差分放大電路為二級運算放大電路，第一級運算放大電路將采集信號放大1.25倍，第二級運算放大電路將第一級運算放大電路的放大信號放大4倍；所以，該差分放大電路的輸出值為采集電阻兩端電位差的5倍，差分電路最后對放大信號進(jìn)行濾波處理，濾波頻率為16 Hz；ADC_PC0為單片機其中一個ADC接口；由電壓算的電阻，通過電阻與溫度的比例關(guān)系算得溫度值。

圖3 電源防反接電路

3.3 外部時鐘設(shè)計電路

STM32單片機有內(nèi)部時鐘源以及外部時鐘源，溫度采集系統(tǒng)采用外部時鐘源給溫度采用提供必要的時間信息，W5500采用25 MHz晶振體為芯片提供時間信息；STM32373CV采用32.373 Hz的晶體為單片機提供時鐘信號，每個晶振電路都有2個電容和晶振Y配合使用，可以提高晶振頻率輸出的穩(wěn)定性。

3.4 以太網(wǎng)模塊設(shè)計

為了將溫度采集數(shù)據(jù)發(fā)送至物聯(lián)網(wǎng)，系統(tǒng)選用以太網(wǎng)模塊W5500，以太網(wǎng)模塊與單片機STM32373CV的連接電路如圖5所示，芯片采用SPI通信模式，圖中SPI1_SCLK等網(wǎng)絡(luò)號表示單片機的SPI1通信接口，電源接口接3.3 V直流電壓。

圖4 溫度采集模塊連接電路

圖5 以太網(wǎng)模塊W5500部分電路連接

4 軟件設(shè)計

該溫度采集系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)設(shè)計主要包括2個部分，分別為ADC數(shù)據(jù)采集和無線串口數(shù)據(jù)發(fā)送；ADC數(shù)據(jù)采集程序框圖如圖6所示，在采集系統(tǒng)配置中，主要工作是要進(jìn)行ADC的初始化配置、GPIO端口初始化的配置、DMA（Direct-Memory-Access，直接存儲訪問）的配置、ADC模式選擇配置、ADC轉(zhuǎn)換時間的配置；在ADC模式配置當(dāng)中要開啟多通道輪流掃描轉(zhuǎn)換模式、開啟連續(xù)轉(zhuǎn)換模式、設(shè)置ADC轉(zhuǎn)換觸發(fā)信號為內(nèi)部觸發(fā)以及設(shè)置相應(yīng)的數(shù)據(jù)對齊格式，可為左對齊或右對齊；在ADC轉(zhuǎn)換時間配置當(dāng)中，注意ADC時鐘頻率最高不得超過14 MHz；該程序是在DMA模式下進(jìn)行的數(shù)據(jù)采集，全過程均沒有使用中斷，ADC及DMA配置結(jié)束后，ADC通道就能不停的采集數(shù)據(jù)，DMA則可以自動地將采集的數(shù)存儲到內(nèi)存SRAM（Static-Random-Access-Memory靜態(tài)隨機存儲器）中。

以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)程序控制編程使用TCP協(xié)議，TCP網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用服務(wù)器流程一般分為創(chuàng)建連接、綁定IP和端口、監(jiān)聽連接、通知接到連接請求、接收數(shù)據(jù)報以及回調(diào)函數(shù)響應(yīng)?；赥CP協(xié)議網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)流程可建立STM32單片機以太網(wǎng)通信如圖7所示。當(dāng)創(chuàng)建好連接以及綁定IP端口后，服務(wù)器就開始監(jiān)聽連接，通過瀏覽器或者客服端可以向服務(wù)器發(fā)出連接請求，服務(wù)器響應(yīng)連接，并接收數(shù)據(jù)組報，然后通過回調(diào)函數(shù)響應(yīng)相關(guān)請求；通過瀏覽器向服務(wù)發(fā)送索要數(shù)據(jù)請求后，服務(wù)器通過回函數(shù)響應(yīng)，向瀏覽器發(fā)送數(shù)據(jù)。

圖6 ADC數(shù)據(jù)采集程序框圖

5 結(jié)語

該多通道溫度采集系統(tǒng)擁有16個溫度采集通道，測量范圍廣，采用恒流源作為溫度采集電源，擁有較高精度；外部配備以太網(wǎng)模塊，可將信號發(fā)送至物聯(lián)網(wǎng)上，通過瀏覽器可查看相關(guān)溫度信息，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測，可廣泛使用于各行各業(yè)的溫度采集需要。

圖7 以太網(wǎng)通信流程