遠(yuǎn)程高精度溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引言

常用的溫度傳感器有熱電阻、集成溫度傳感器和數(shù)字式溫度傳感器等多種。熱電阻因其測(cè)量精度高，且性能穩(wěn)定，在高精度溫度測(cè)量中占有重要的地位。

通常在傳感器信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理，采用12bit、16bitAD器件對(duì)傳感器的調(diào)理信號(hào)進(jìn)行采樣，然后通過(guò)查表得到溫度值，但是因?yàn)橄到y(tǒng)噪聲、AD轉(zhuǎn)換的量化噪聲等的存在，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生誤差。本文利用24bitAD器件ADS1255作為受轉(zhuǎn)換的核心器件，利用其過(guò)采樣技術(shù)，去除引起系統(tǒng)通道紋波誤差的模擬濾波結(jié)構(gòu)，大幅度降低系統(tǒng)的測(cè)量誤差，系統(tǒng)以鉑熱電阻PT100為溫度傳感器，測(cè)量范圍為-50～250℃，測(cè)量的分辨率為±0.01℃，高次方程尋根計(jì)算時(shí)間是毫秒量級(jí)。從硬件電路和軟件算法設(shè)計(jì)上保證了測(cè)量精度和可靠性。

1 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)總體構(gòu)成如圖1所示，遠(yuǎn)程端溫度數(shù)據(jù)采集硬件原理框圖如圖2所示。PT1000產(chǎn)生的微弱電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理之后送給24bitA/D轉(zhuǎn)換器ADS1255，32位處理器PIC32MX795讀取電壓值后經(jīng)過(guò)迭代計(jì)算出溫度值。時(shí)鐘、液晶用以顯示溫度、日期等信息。利用精簡(jiǎn)TCP/IP協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信，系統(tǒng)通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)切換可升級(jí)為同時(shí)采集8路溫度信號(hào)，最終將采集的溫度數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)Internet發(fā)送至遠(yuǎn)程服務(wù)器進(jìn)行分析和處理。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 精密恒流源

利用OP97或者OP400運(yùn)放構(gòu)成精密恒流源電路，基準(zhǔn)電壓由AD公司的ADR434器件提供，該器件溫度穩(wěn)定性能高。由圖3知，由電阻器R決定恒流電流I=10μA。該電流源的性能受到取樣電阻R1的溫度穩(wěn)定性的影響，故應(yīng)認(rèn)真選擇。

2.2 信號(hào)調(diào)理電路

信號(hào)調(diào)理電路如圖4所示。通過(guò)外接電阻Rg設(shè)置放大電路的增益(G=1+50k/R)。系統(tǒng)的溫度測(cè)量范圍是0～200℃，因此對(duì)應(yīng)電阻值范圍為1000～1940.981Ω，對(duì)應(yīng)輸出電壓為10mV～19.41mV，經(jīng)過(guò)前置放大100倍。最后送入A/D轉(zhuǎn)換器的電壓幅度為1.0～1.941V。

在該系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)理架構(gòu)中，省掉了濾波器結(jié)構(gòu)，原因在于采用了ADS1255器件，將數(shù)字濾波引進(jìn)溫度數(shù)據(jù)采集中來(lái)，降低系統(tǒng)模擬前端的設(shè)計(jì)復(fù)雜性，完全消除由于模擬濾波器帶來(lái)的通帶內(nèi)紋波等噪聲的影響。從實(shí)際實(shí)驗(yàn)的效果來(lái)看，采用ADS1255這種過(guò)采樣再數(shù)字濾波的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以大幅度降低噪聲，提高測(cè)量精度。

2.3 ADS1255轉(zhuǎn)換電路與TCP/IP通信模塊電路

A/D轉(zhuǎn)換器采用1通道、24位轉(zhuǎn)換器ADS1255，微控器選用32位處理器PIC32MX795，連接關(guān)系如圖5所示。圖6所示為DP83848的網(wǎng)絡(luò)接口。

3 下位機(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

熱電阻的阻值和溫度的關(guān)系在-200～850℃范圍內(nèi)，滿足式(1)(2)。

溫度和電阻值之間為非線性關(guān)系，傳統(tǒng)的測(cè)量方法是將整個(gè)溫度測(cè)量區(qū)間分成若干個(gè)近似線性區(qū)間，在每一個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)，電阻值和溫度的關(guān)系近似線性，然后通過(guò)數(shù)值算法進(jìn)行擬合。但是對(duì)于PIC32處理器，利用該處理器的強(qiáng)大的計(jì)算能力直接進(jìn)行高次方程的數(shù)值求解應(yīng)該是首選的方案。

3. 1 利用牛頓迭代法求溫度根

當(dāng)0℃測(cè)量溫度溫度t，即是求方程(3)中f(t)=0的根，其中0℃

3.2 溫度與測(cè)量電壓關(guān)系式

由精密I=10μA恒流源電路和調(diào)理電路可知，A/D轉(zhuǎn)換器件的輸入電壓為：

U=I×Rt×G (8)

增益G=100，待求解溫度t和系統(tǒng)測(cè)量的電壓值U在如下關(guān)系：

3.3 溫度數(shù)據(jù)采集與遠(yuǎn)程發(fā)送流程

PIC32利用牛頓迭代法實(shí)現(xiàn)溫度根的求取，然后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)發(fā)送，工作流程如圖7所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與對(duì)比分析

在溫區(qū)0～100℃用不同方法進(jìn)行溫度測(cè)量，其中實(shí)際溫度由標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)標(biāo)定。測(cè)量結(jié)果如表1所示。

直接利用PIC32的計(jì)算性能求解鉑電阻物理特性方程的數(shù)值根，可以得到較高的精度，并在整個(gè)溫度區(qū)間有較好的一致性。

5 結(jié)論

本文與標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，利用24bitA/D過(guò)采樣轉(zhuǎn)換器ADS1255、微控器PIC32MX795及遠(yuǎn)程PC機(jī)構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠;利用PIC32的強(qiáng)大計(jì)算性能，直接尋找物理特性方程的根，測(cè)量精度優(yōu)于0.01℃，且一致性很高。