分布式熱電阻溫度采集系統(tǒng)設(shè)計

馬榮澤，劉振革，李洋，梁鵬飛，紀(jì)少波*，于澤庭

1.山東大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，山東濟南 250061；2.山東技師學(xué)院，山東濟南 250200；3.中船重工第七一一研究所，上海 201108

0 引言

溫度是過程控制系統(tǒng)中重要的被控變量之一。熱電阻是工業(yè)中進行溫度檢測最常用的元件之一，反應(yīng)快，時間間隔相對較小，具有較高的精度、較好的長期穩(wěn)定性，測溫范圍廣，工作范圍為-200～850 ℃[1-3]可測特定部位或狹小場所的溫度，對溫度的調(diào)節(jié)、控制、放大等很容易進行。熱電阻傳感器(resistance temperature detector,RTD)基于電阻隨溫度的變化而改變的特性進行溫度測量。鉑或銅等正溫度系數(shù)熱電阻具有較好的穩(wěn)定性、線性輸出特性以及較寬的測溫范圍，得到廣泛應(yīng)用[4-5]。劉意等[6]使用 MSP430采集熱電阻信號，結(jié)合遍歷查表法、一次插值法和平滑濾波算法后得出溫度；劉偉等[7]使用C8051F350芯片完成對熱電阻信號的采集；張粉祝等[8]采用ADC0832為A/D轉(zhuǎn)換器，設(shè)計了一個檢測范圍為0～600 ℃的溫度檢測報警電路。MAX31865芯片是一款將熱電阻模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換器，具有集成度高、分辨率高及可靠性高等優(yōu)點，還具備故障自診斷功能，適用于對熱電阻信號進行處理[9]。本文中基于MAX31865數(shù)字輸出轉(zhuǎn)換器及單片機設(shè)計一套熱電阻傳感器溫度采集系統(tǒng)，以實現(xiàn)溫度的高精度測量,并在發(fā)動機試驗臺架上對該系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行驗證。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于熱電阻傳感器以及MAX31865數(shù)字輸出轉(zhuǎn)換器設(shè)計一套溫度信號采集、 處理及通信檢測系統(tǒng)，包括溫度傳感器、單片機、MAX31865數(shù)字輸出轉(zhuǎn)換器等，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。熱電阻傳感器的電阻隨溫度改變， 傳感器信號連接至MAX31865芯片。單片機依次控制各MAX31865芯片的使能端， 實現(xiàn)溫度

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖3 單片機及周圍電路

信號至數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，基于串行外設(shè)接口(serial peripheral interface,SPI)總線，按照MAX31865傳輸協(xié)議得到各傳感器的溫度。采集系統(tǒng)通過RS-485通信將溫度實時傳給上位機，實現(xiàn)溫度的顯示。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 熱電阻信號處理電路

系統(tǒng)的硬件部分包括熱電阻處理電路、單片機及周圍電路、電平轉(zhuǎn)換電路和485通信電路等。本采集系統(tǒng)由6路電阻處理電路及其周圍電路組成，可同時采集并處理6路電阻信號，使用MAX31865數(shù)字輸出轉(zhuǎn)換器處理熱電阻模擬信號，該芯片內(nèi)置15位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，其精度可達0.5 ℃，并且具有±50 V的過壓保護輸入，提供可配置的熱電阻及電路開路、短路故障檢測、SPI兼容接口以及相關(guān)的控制邏輯電路。每路熱電阻信號處理電路如圖2所示。圖2中PT100為鉑熱電阻，即0 ℃時的電阻為100 Ω。根據(jù)MAX31865芯片手冊推薦，參考電阻應(yīng)選擇RTD 0 ℃電阻的4倍[10]。因此，PT100的參考電阻選用 400 Ω。熱電阻采用三線制接線方式，為補償導(dǎo)線上電阻的壓降[11-12]，從差分輸入(RTDIN+和RTDIN-)中減去FORCE+和RTDIN+的電壓，利用FORCE2引腳對電阻輸入進行采樣。熱電阻產(chǎn)生的模擬信號輸入至處理電路，數(shù)字輸出轉(zhuǎn)換器采集并處理熱電阻產(chǎn)生的模擬信號。

2.2 單片機及周圍電路

分布式熱電阻溫度采集系統(tǒng)采用MC9S08DZ60單片機進行信號處理。該單片機具有8位HCS08中央處理器，最高可配置20 MHz總線時鐘，支持最多32個中斷/復(fù)位源，配置60 KiB Flash存儲器，最大2 KiB的帶電可擦可編程只讀存儲器(electrically erasable programmable read only memory,EEPROM)在線可編程內(nèi)存，最多可提供53個通用I/O管腳和1個專用輸入管腳，管腳和片上外圍設(shè)備(定時器、串行I/O、ADC、MSCAN等)共享，以及SPI模塊提供微控制單元(microcontroller unit,MCU)和外圍器件間的全雙工、同步和串行通信，滿足裝置的功能需求。

單片機及周圍電路如圖3所示，分為SPI通信電路、RS-485通信電路和單片機周圍電路等。單片機周圍電路包括蜂鳴器及液晶顯示器(liquid crystal display,LCD)燈電路，通過聲音及LCD燈的亮滅狀態(tài)可判斷系統(tǒng)工作狀態(tài)及故障情況。

2.3 電平轉(zhuǎn)換電路

由于熱電阻處理電路采用的MAX31865芯片的工作電壓為3.3 V，故需將5 V電源電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V。SN74LVC4245A具有三態(tài)輸出的8路總線收發(fā)器和5.5 V—3.3 V雙電源電平移位器。芯片分為A和B 2組，一組輸入，一組輸出。其中A組支持1.5～5.5 V電壓，B組支持1.5～3.6 V電壓，A組供電電壓大于B組。該芯片可實現(xiàn)5.5 V—3.3 V的電平轉(zhuǎn)換，能夠通過程序控制引腳實現(xiàn)轉(zhuǎn)換方向的反轉(zhuǎn)，電平轉(zhuǎn)換電路如圖4所示。74LVC4245的電平移位在其內(nèi)部進行，雙電源能保證兩邊端口的輸出擺幅都能達到滿電源幅值[13-14],并且有很好的噪聲抑制性能[15-16]。

a)連接SCK及CS的SN74LVC4245A電路 b) 連接SDO的SN74LVC4245A電路

圖5 RS-485通信電路

2.4 RS-485通信模塊

為了便于熱電阻溫度采集系統(tǒng)與上位機或其他系統(tǒng)關(guān)聯(lián)，通過通信方式傳遞數(shù)據(jù)；考慮本系統(tǒng)對通信距離有一定要求，所以采用RS-485通信模塊，實現(xiàn)熱電阻溫度采集模塊與上位機或其他系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸，RS-485是由美國電子工業(yè)協(xié)會制定并發(fā)布的串行數(shù)據(jù)通信接口標(biāo)準(zhǔn)，具有傳輸距離長、速度高、電平兼容性好、使用靈活方便、可靠性高等優(yōu)點[17-18]，數(shù)據(jù)傳輸速率最高達到10 MB/s，但僅在距離較小時可實現(xiàn)最大傳輸速率，當(dāng)傳輸距離增大速率將隨之減小[19]。RS-485通信電路如圖5所示，圖5a)為雙通道數(shù)字隔離器及周圍電路，用于隔離收發(fā)信號；圖5b)為驅(qū)動器收發(fā)器集成芯片及周圍電路；圖5c)為光電耦合器及周圍電路，用于隔離對RS-485通信電路的控制信號。通信電路接口采用的是差分接收器和平衡驅(qū)動器組合的方式，抗共模干擾能力較強。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 RTD至數(shù)字輸出轉(zhuǎn)換器工作過程

熱電阻在測量溫度時接線方式有二線制、三線制和四線制[20]，本系統(tǒng)中熱電阻采用三線制接線方式。在程序中配置MAX31865各寄存器的值，在進行溫度轉(zhuǎn)換時系統(tǒng)可通過向配置寄存器D7位寫1使能VBIAS。配置寄存器D6位為1時選擇自動(連續(xù))轉(zhuǎn)換模式時，VBIAS保持有效狀態(tài)；系統(tǒng)向該位寫入0，退出自動轉(zhuǎn)換模式，進入“常閉”模式，該模式下可發(fā)送單次轉(zhuǎn)換命令。 由于使用三線RTD連接，配置寄存器D4位為1。向D5、D3和D2位為0的同時向故障狀態(tài)清零(D1)位寫入1，將使故障寄存器的全部故障狀態(tài)位(D[7:2])清零。

圖6 熱電阻信號采集流程圖

熱電阻輸入采集模塊采用MAX31865芯片內(nèi)部的15位ADC進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字信號存放在兩個8位寄存器中，高8位地址為0x01，低8位地址為0x02，其中低8位寄存器的最低位D0位為錯誤標(biāo)志位。熱電阻信號采集流程圖如圖6所示，轉(zhuǎn)換模塊在操作狀態(tài)下采集模擬信號，通過使能片選信號(chip select,CS)來選擇某個通道，隨后通過程序由單片機向MAX31865芯片發(fā)送讀寄存器的指令，轉(zhuǎn)換芯片收到指令后開始讀取熱電阻寄存器中存儲的數(shù)值，若讀取到低8位寄存器的D0故障位置位時，該通道故障，則將故障寄存器置位后將故障寄存器數(shù)值發(fā)送至單片機；若無故障，則將處理后的數(shù)字信號通過SPI發(fā)送傳至單片機，由單片機進行計算得到當(dāng)前熱電阻所測溫度，該通道熱電阻信號采集結(jié)束。計算得到的溫度可通過RS-485通信模塊上傳至上位機，由上位機做進一步的數(shù)據(jù)分析。

鉑熱電阻的電阻與溫度的關(guān)系可用Callendar-Van Dusen方程表示[21]為：

R(t)=R0(1+at+bt2+c(t-100)t3)，

(1)

式中：t為溫度；R(t)為溫度t時熱電阻的電阻；R0為t=0 ℃時熱電阻的電阻；a、b、c為系數(shù)，其中a=3.908 30×10-3，b=-5.775 00×10-7，當(dāng)-200 ℃≤t≤ 0 ℃,時c=-4.183 01×10-12;當(dāng)0 ℃ ≤t≤ 850 ℃時,c= 0。

在RTD的電阻已知且電阻特性定義良好的情況下，可通過式(1)確定溫度。

MAX31865芯片可實現(xiàn)熱電阻或電路連接故障的檢測，若在采集及處理信號過程中出現(xiàn)故障，則系統(tǒng)會停止工作并將故障信息一并發(fā)送至單片機，故障檢測流程圖如圖7所示。

a)始終激活故障檢測 b)每次轉(zhuǎn)換故障檢測

芯片在任意時間始終激活對FORCE+、FORCE2、RTDIN+、RTDIN-或FORCE-引腳的電壓檢測，具有高達±50 V的輸入電壓保護。由圖6a)可知，在任意時間點檢測到發(fā)生過壓(大于VDD)或欠壓(小于GND1)，開關(guān)開路，故障狀態(tài)寄存器的D2置位，模數(shù)轉(zhuǎn)換(analog to digital converter,ADC)中止數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換更新，直到故障解除后恢復(fù)轉(zhuǎn)換。芯片在每次進行ADC轉(zhuǎn)換時對檢測結(jié)果進行檢測，由圖6b)可知，ADC啟動轉(zhuǎn)換后執(zhí)行對模擬信號的轉(zhuǎn)換，在檢測到轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)大于或等于轉(zhuǎn)換結(jié)果上限時將故障狀態(tài)寄存器的D7置位，小于或等于轉(zhuǎn)換結(jié)果下限時將故障狀態(tài)寄存器的D6置位，所有故障信息在LSB寄存器D0置位后將信息傳輸給單片機。

3.2 單片機軟件設(shè)計

系統(tǒng)通電后，單片機首先完成系統(tǒng)初始化，包括時鐘初始化、定時器初始化、I/O口初始化等；系統(tǒng)按照程序設(shè)定完成初始化后，進入正常工作模式。單片機依次使能各通道的CS信號，通過SPI通信從MAX31865數(shù)字輸出轉(zhuǎn)換器得到溫度數(shù)據(jù)，并通過RS-485通信方式將各路溫度數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機，實現(xiàn)上位機的溫度顯示及存儲等操作。

4 試驗測試

4.1 溫度標(biāo)定

在恒溫油槽中對該分布式熱電阻溫度采集系統(tǒng)進行標(biāo)定，在20～120 ℃，每隔20 ℃對該溫度采集系統(tǒng)進行標(biāo)定。此次標(biāo)定中，采用的恒溫油槽適用溫度范圍為(室溫+10 ℃)～300 ℃，溫度波動范圍為±0.05 ℃。使用所設(shè)計的分布式熱電阻溫度采集系統(tǒng)，在各標(biāo)定溫度下，使用各通道進行測量，得到各標(biāo)定點溫度下6個通道的溫度如表1所示。由表1可知，各標(biāo)定點工況下，該系統(tǒng)各測試通道的最大溫度偏差均在0.5 ℃以內(nèi)，系統(tǒng)各通道一致性較好。

表1 各標(biāo)定點溫度下6個通道的溫度 ℃

標(biāo)準(zhǔn)溫度通道1通道2通道3通道4通道5通道62019.820.220.120.020.219.94040.339.940.139.739.640.26060.260.059.960.059.760.08080.180.180.080.280.280.0100100.0100.3100.3100.0100.3100.2120120.4120.2120.0120.3120.5120.3

4.2 試驗測試

采用該測試系統(tǒng)對某公司生產(chǎn)的140柴油機進行性能測試試驗，發(fā)動機轉(zhuǎn)速為2100 r/min，扭矩不同時，分布式溫度采集系統(tǒng)同時采集主油道機油溫度、增壓器回油溫度、油冷前機油溫度和油冷后機油溫度，如表2所示。

表2 柴油機各部位溫度采集數(shù)據(jù) ℃

圖8 柴油機各部位溫度隨扭矩的變化曲線

柴油機各部位溫度隨扭矩的變化曲線如圖8所示。在研究所用工況下，由圖8可知，隨著扭矩的增加，增壓器回油溫度上升幅度最大，當(dāng)扭矩由500 N·m增至2000 N·m時，溫度上升約10 ℃；上升幅度最小的是主油道機油溫度。

整個測試過程中,系統(tǒng)可以長時間穩(wěn)定運行，可以實現(xiàn)高精度的溫度測量，滿足工業(yè)領(lǐng)域的溫度采集要求。

5 結(jié)論

1)基于單片機和MAX31865數(shù)字轉(zhuǎn)換器設(shè)計了一套熱電阻溫度信號采集系統(tǒng)，系統(tǒng)具備六路熱電阻信號采集、處理及通信等功能。

2)單片機依次控制各MAX31865芯片的使能端,實現(xiàn)溫度信號至數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，基于SPI總線按照MAX31865傳輸協(xié)議得到各傳感器的溫度。

3)采用該系統(tǒng)在發(fā)動機臺架上，測量柴油機各處機油溫度，結(jié)果表明，本系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，滿足臺架測試的要求。