一種基于ADS1118的雙通道寬范圍溫度測(cè)量系統(tǒng)

夏勝德

（永旭騰風(fēng)新能源科技（上海）有限公司，上海 201800）

0 引言

燃?xì)廨啓C(jī)在將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的過程中，燃料的燃燒充分度，燃燒室器件的工作狀態(tài)，系統(tǒng)有無超溫等狀態(tài)均能通過監(jiān)視其排氣溫度來判斷，監(jiān)視排氣溫度有著重要的意義，在選擇測(cè)量元件上，熱電偶因其測(cè)溫范圍廣、堅(jiān)固耐用、響應(yīng)快、無自發(fā)熱等優(yōu)點(diǎn)，溫度監(jiān)測(cè)被廣泛應(yīng)用，但在寬溫度區(qū)間其呈現(xiàn)了較為明顯的非線性，同時(shí)依賴對(duì)冷端溫度的識(shí)別也即是冷端補(bǔ)償，本文采用帶內(nèi)部溫度補(bǔ)償?shù)母呔饶?shù)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)這一過程的準(zhǔn)確測(cè)量，對(duì)于非線性溫度在小步長溫度范圍區(qū)間采用線性差值算法進(jìn)行溫度換算，整個(gè)硬件系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 測(cè)溫系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

1 測(cè)量原理及硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 測(cè)量原理

熱電偶是由兩種不同的合金導(dǎo)體其中的一端端點(diǎn)焊接在一起而另一端保持?jǐn)嚅_的測(cè)溫元件，通常由鉻鎳組成。如圖1所示是塞貝克效應(yīng)呈現(xiàn)的導(dǎo)體冷端和熱端不同區(qū)域的電子分布示意圖，只要一個(gè)導(dǎo)體從一端到另外一端經(jīng)歷了一個(gè)溫度梯度，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電動(dòng)勢(shì)。這個(gè)電動(dòng)勢(shì)由于導(dǎo)體內(nèi)的自由電子以不同的速率（取決于溫度）擴(kuò)散而上升。導(dǎo)體熱端上具有更高能量的電子擴(kuò)散的速度，快于冷端上具有較低能量電子的擴(kuò)散速度。凈效應(yīng)就是在導(dǎo)體的一端上出現(xiàn)電荷的堆積，并且在熱端和冷端之間產(chǎn)生一個(gè)電動(dòng)勢(shì)。不同類型的金屬以不同的強(qiáng)度水平表現(xiàn)出這個(gè)效應(yīng)。當(dāng)兩個(gè)不同類型的金屬被配對(duì)使用并且在一個(gè)特定點(diǎn)上被連接在一起時(shí)，較短部分的相對(duì)端點(diǎn)上的電壓差與導(dǎo)體對(duì)的任一端點(diǎn)上形成的溫度梯度成正比。塞貝克效應(yīng)表明熱電偶并不是實(shí)際測(cè)量一個(gè)絕對(duì)溫度，它只是測(cè)量兩個(gè)點(diǎn)之間的溫度差，這兩個(gè)點(diǎn)通常稱為熱端和冷端。為了確定熱電偶任一端上的溫度，必須知道相對(duì)端點(diǎn)上的準(zhǔn)確溫度，也即是冷端補(bǔ)償，本文正是基于這一原理進(jìn)行溫度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

圖1 塞貝克效應(yīng)

1.2 ADS1118 簡介

ADS1118 是德州儀器推出的一款超小型、低功耗、16 位、ΔΣ 模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可使用在-40 ℃至+125 ℃環(huán)境中。內(nèi)部由一個(gè)增益可調(diào)節(jié)的ΔΣADC 內(nèi)核、一個(gè)內(nèi)部電壓基準(zhǔn)、一個(gè)時(shí)鐘振蕩器以及一個(gè)SPI 通信接口組成，具備一個(gè)多路復(fù)用器，提供雙路全差分或四路單端模擬輸入，同時(shí)內(nèi)部集成了一款線性度較高的溫度傳感器，功能框圖如圖2所示，值得重點(diǎn)說明的是ADS1118 采用開關(guān)電容輸入級(jí)，通過對(duì)電容持續(xù)進(jìn)行充電和放電測(cè)量AINP 和AINN 之間的電壓。ADS1118 具有一個(gè)頻率為1 MHz 的內(nèi)部振蕩器。內(nèi)部對(duì)此頻率進(jìn)一步進(jìn)行

圖2 ADS1118 功能框圖

四分頻可生成250 kHz 的調(diào)制器頻率。為了提高系統(tǒng)的可靠性，特別要求輸入差分信號(hào)在250 kHz 頻率附近噪聲信號(hào)有較大衰減，這也就是本次設(shè)計(jì)中提到的在250 kHz 頻率附近噪聲抑制達(dá)到60 dB 的核心原因。

1.3 輸入信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

圖3 為使用一階低通濾波器信號(hào)調(diào)理框架，熱電偶兩端通過上下拉電阻接入低通濾波器，信號(hào)輸入采用全差分輸入，以減少共模干擾并提高差模分量。輸入端提供濾波、偏置、傳感器開路檢測(cè)，熱電偶兩冷端一個(gè)被R上拉，一個(gè)被R下拉，如果熱電偶被斷開，上下拉電阻將自動(dòng)驅(qū)動(dòng)輸入信號(hào)到電源和地電位，從而為ADC 提供一個(gè)明顯的傳感器斷開指示。為了進(jìn)一步減少共模和差模噪聲分量，輸入端設(shè)置有差動(dòng)濾波器。在具體電路實(shí)施過程中選用的差模電容器比共模電容器大10 倍，可以有效避免共模電容器的不匹配導(dǎo)致產(chǎn)生差模噪聲。同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)良好的電磁干擾抗擾度，要求應(yīng)具備低等效串聯(lián)電阻和低介電吸收特性，其具體設(shè)計(jì)詳見下文。

圖3 一階低通濾波器信號(hào)調(diào)理框架

根據(jù)ADS1118 芯片手冊(cè)電氣特性可知，在-40 ℃至+125 ℃區(qū)間，VDD=3.3 V，全差分量程FSR 為±0.256 V時(shí)，典型的差分輸入阻抗為710 kΩ，而0.256 V 的電勢(shì)差足夠覆蓋K 型熱電偶在0 ～1 000 ℃的溫度范圍，本設(shè)計(jì)采用FSR=±0.256 V 進(jìn)行設(shè)計(jì)。輸入信號(hào)調(diào)理電路要求在250 kHz 帶寬附近噪聲抑制保持在低于60 dB，也即是250 kHz帶寬附近噪聲被信號(hào)調(diào)理一階低通濾波器抑制到小于1 LSB峰值。

具體的，要求濾波器將250 kHz 時(shí)噪聲減少1 000 倍（-60 dB），ADS1118 為16 bitADC，故：

由于1 LSB 與7.182 5 μV 等效，所以在250 kHz 附近的有限帶寬內(nèi)有7.812 5 mV 噪聲被抑制到小于1 LSB，由于輸入端調(diào)理濾波器為一階濾波器，每十倍頻抑制20 dB，對(duì)應(yīng)的-3 dB 頻率將從250 kHz 下推3 個(gè)十倍頻程得到，也即是250 Hz，若選定和分別為常規(guī)陶瓷電容，容值取=1 μF，=0.1 μF，并取和阻值相同為，根據(jù)圖2、圖3 可知，差模截止頻率為：

則：

也即是：當(dāng)大于或等于303 Ω 時(shí)，在250 kHz 時(shí)噪聲至少有60 dB 的衰減。

根據(jù)芯片手冊(cè)提供的信息，ADS1118 的模擬輸入通道最高能承受高達(dá)10 mA 的持續(xù)電流，芯片正常供電最大值為5.5 V，基于可靠性考慮，經(jīng)差分輸入電阻輸入的電壓高于或低于地電位5 V 時(shí)，此電路仍能夠正常穩(wěn)定工作。

所以，為了將輸入至ADS1118 的電流限制在小于10 mA，串聯(lián)電阻修正為：

取==499 Ω，代入式（2）中得到濾波器實(shí)際截止頻率為132 Hz，在250 kHz 處噪聲抑制64.3 dB。

接下來考慮上下拉電阻和的取值，在不引入過多額外噪聲情況下，和應(yīng)該越大越好，根據(jù)電阻熱噪聲公式：

其中，為玻爾茲曼常數(shù)，=1.38×10J/K；為絕對(duì)溫度273 K；為電阻值；為帶寬；將截止頻率132 Hz帶入式（3）中，可得：

也即是：

故和為15 MΩ 之內(nèi)取值即可，考慮到不過多增加熱噪聲取==1 MΩ 即能滿足要求。

本設(shè)計(jì)中一階低通濾波在整個(gè)信號(hào)鏈上帶來了額外的差分輸入阻抗，這些差分阻抗與芯片內(nèi)部的710 kΩ 差分阻抗進(jìn)行串聯(lián)，導(dǎo)致信號(hào)并非全部輸入至芯片內(nèi)部，這里存在濾波器誤差，也即是：

這個(gè)誤差將隨輸入信號(hào)變化，當(dāng)0 V 差分輸入時(shí)，沒有誤差。然而，一個(gè)在1 000 ℃的OmegaK 型熱電偶標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生41.275 6 mV 的熱電勢(shì)時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)熱電勢(shì)41.275 6 mV 的信號(hào)將被衰減為：

其中產(chǎn)生了54.9 μV的誤差，也即是產(chǎn)生了1.339 ℃的誤差。

根據(jù)以上推算得到的輸入前端信號(hào)鏈及ADC如圖4所示。

圖4 輸入端信號(hào)鏈及ADC 框圖

1.4 后端處理

在1.3 節(jié)中的信號(hào)鏈設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，后端只需要適配帶SPI 通信的MCU 與ADS1118 進(jìn)行數(shù)字通信并經(jīng)軟件換算后即可得到熱電偶探測(cè)的實(shí)時(shí)溫度，考慮到可靠性，ADS1118與MCU 通信采用隔離通信方式，本設(shè)計(jì)中采用專有的磁隔離通信芯片，隔離通信框架圖如圖5所示。

圖5 ADS1118 與MCU 通信框架

本設(shè)計(jì)實(shí)例中采用笙泉8 位單片機(jī)MA82G5D16AS16作為控制器，數(shù)字隔離芯片采用上海矽朋SSP5841ED，在其他設(shè)計(jì)場(chǎng)合只需要更換對(duì)應(yīng)的MCU 即可實(shí)現(xiàn)本案例的移植，前端信號(hào)鏈無須做任何更改。

2 軟件設(shè)計(jì)

由1.1 節(jié)測(cè)量原理可知，塞貝克熱電效應(yīng)最終表現(xiàn)在冷端和熱端的熱電勢(shì)差上，測(cè)量溫度的過程轉(zhuǎn)換為基于冷端的溫度和差分輸入的熱電勢(shì)，并根據(jù)熱電勢(shì)與溫度特性曲線反向求解熱端溫度的過程。具體的操作步驟為：

步驟1：通過MCU 對(duì)ADS1118 的每個(gè)SPI 通信周期內(nèi)（考慮到溫度變化的頻率一般情況下不會(huì)太快本案例設(shè)置為50 ms 足以應(yīng)對(duì)多數(shù)場(chǎng)合）獲取其內(nèi)部溫度傳感器的溫度TCJC(也即是冷端溫度)和ADC 的差分輸入電壓(也即是熱電偶冷端熱電勢(shì))。

步驟2：基于按溫度與熱電勢(shì)的特性曲線換算為冷端熱電勢(shì)。并結(jié)合得到補(bǔ)償后實(shí)際的熱端熱電勢(shì)。

步驟3：根據(jù)熱電偶熱電勢(shì)與溫度特性曲線將換算為熱端溫度。

由于K 型熱電偶在0 ～1 000 ℃的塞貝克溫度特性曲線并非完全線性，基于廠家提供的溫度熱電勢(shì)表用MATLAB推導(dǎo)出溫度與電勢(shì)差的高階多項(xiàng)式應(yīng)用在51 單片機(jī)中，8位MCU 計(jì)算高階乘法，需要耗費(fèi)大量的處理器時(shí)間和內(nèi)存，本設(shè)計(jì)中，步驟2 和步驟3 采用區(qū)間線性差值算法來計(jì)算準(zhǔn)確的溫度。具體的做法是，在MCU 運(yùn)行的RAM 中建立一張以1 ℃為步長的熱電勢(shì)表（該表由熱電偶廠商提供），如圖6所示。

圖6 求解算法示意圖

根據(jù)已知的熱電勢(shì)求解溫度和已知的溫度求解熱電勢(shì)的線性差值算法分別為：

其中[]為根據(jù)輸入的第次查找熱電勢(shì)表對(duì)應(yīng)的溫度值；

其中[]為根據(jù)輸入的第次查找熱電勢(shì)表對(duì)應(yīng)的熱電勢(shì)值；

至此，根據(jù)ADS1118 提供的編程手冊(cè)，用MCU 通過SPI 通信接口配置好ADS1118 的寄存器，按上述步驟1 至步驟3 中的步驟和線性差值算法即可得到連接到ADS1118 上的兩路熱電偶的溫度。

3 驗(yàn)證分析

將調(diào)試完畢的電路板和兩個(gè)0 ～1 000 ℃量程的K 型熱電偶連接在一起，并將冷端放置在恒溫箱中，熱端放置在另一個(gè)恒溫箱中，當(dāng)從0 ℃至+800 ℃調(diào)節(jié)熱端恒溫箱溫度并將冷端固定在恒溫25 ℃時(shí)得到測(cè)量值與恒溫箱設(shè)定值差值曲線，如圖7所示。

圖7 冷端固定在25 ℃環(huán)境中熱端從0 ℃至800 ℃調(diào)節(jié)熱端溫度測(cè)得兩通道與設(shè)定值溫差曲線

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：基于上述原理設(shè)計(jì)的ADS1118 熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)在0 ～800 ℃范圍內(nèi)最大誤差不到1.6 ℃，并且兩個(gè)通道均呈現(xiàn)較好的一致性，在大范圍的溫度區(qū)間實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量，有較高的可靠性。

4 結(jié)論

本文針對(duì)寬范圍溫度測(cè)量提出了精度在±2.5 ℃的溫度測(cè)量系統(tǒng)，應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)的排氣溫度監(jiān)測(cè)，具有較好的可靠性和一致性，同時(shí)因測(cè)量系統(tǒng)核心采集電路不依賴于特有系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)中提到的方案通過更換主控制器即可實(shí)現(xiàn)便捷移植，對(duì)寬范圍多通道采集的工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景具有較好的參考價(jià)值。