杨宏波 唐治林 谯兵
重庆川仪十七厂有限公司 重庆市 400700
摘要：近年来，我国社会发展迅速热电阻运用广泛，基于MAX31865数字转换器设计一套嵌入式温度采集系统，实现热电阻温度传感器信号的采集。为减少引线电阻对测量结果的影响，采用三线制接线方式。热电阻信号经过数字转换器转换成数字信号，通过串行外设接口传送至单片机，实现温度的测量。该温度采集系统具备6路热电阻传感器信号采集、处理及显示功能。试验测试表明:开发的系统测量精度高，工作稳定可靠，满足使用要求。
关键词：分布式；热电阻温度；采集系统；设计
引言
针对当前电阻温度采集系统中存在的不能有效减小测量误差、现场接线可靠性低以及不能准确进行故障诊断等问题，设计了一种具备自诊断功能的四线制高精度铂电阻温度采集系统，包括电阻温度传感器、自诊断及标定模块、恒流源和电压采集模块。利用ＭＡＴＬＡＢ软件对采集系统进行了建模与仿真分析，同时搭建了硬件电路并进行实物测试。仿真和实物测试结果表明，该温度采集系统不仅能够极大改善线路电缆误差和器件一致性误差问题，而且能够实现在线路发生断线故障时及时准确的对故障进行自诊断定位，能够大幅提升温度智能化诊断检测水平。
1检测系统电路设计
热电阻测温原理是金属铂的电阻阻值会随温度的增加而增加。传统的温度测量方法便是利用热电阻的这种特性，测量在恒定电路中的铂热电阻两端电压，反推其电阻阻值，最后根据热电阻的阻温特性函数关系得到测量环境的温度值。常用引线接法有两线制、三线制和四线制。其中，两线制接法最为简单，但因为引入了不可控的引线电阻，因此会对测量精度产生较大的影响，一般只使用在对测量精度要求不高的简单测试中;有人提出了恒流源驱动四线制热电阻测量方法，四线制接法将电源线与信号线分离开来，可以较好避免引线电阻引起的测量误差，但在获得高精度测量结果的同时，也会显著增加设备成本和设计复杂度;三线制接法有效兼顾了测量精度和成本之间的关系，被广泛应用在工业测量领域。通过研究对比各种测量方法的优缺点，设计了一种基于恒压源控制的三线制惠斯登差分放大测量电路，并通过优化电路参数使得电压变化范围最大化，后利用压控二阶低通滤波器有效抑制了电路噪声对采样信号的影响，得到了准确性较高的电压值，从而可以更加精确的计算出热电阻的阻值变化。
2系统硬件结构设计
2.1热电阻信号处理电路
系统的硬件部分包括热电阻处理电路、单片机及周围电路、电平转换电路和485通信电路等。本采集系统由6路电阻处理电路及其周围电路组成，可同时采集并处理6路电阻信号，使用MAX31865数字输出转换器处理热电阻模拟信号，该芯片内置15位模/数转换器，其精度可达0．5℃，并且具有±50V的过压保护输入，提供可配置的热电阻及电路开路、短路故障检测、SPI兼容接口以及相关的控制逻辑电路。每路热电阻信号处理电路如图2所示。图2中PT100为铂热电阻，即0℃时的电阻为100Ω。根据MAX31865芯片手册推荐，参考电阻应选择ＲTD0℃电阻的4倍。因此，PT100的参考电阻选用400Ω。热电阻采用三线制接线方式，为补偿导线上电阻的压降，从差分输入(ＲTDIN+和ＲTDIN)中减去FOＲCE和ＲTDIN的电压，利用FOＲCE2引脚对电阻输入进行采样。热电阻产生的模拟信号输入至处理电路，数字输出转换器采集并处理热电阻产生的模拟信号。
2.2通信模块
为了便于热电阻温度采集系统与上位机或其他系统关联，通过通信方式传递数据;考虑本系统对通信距离有一定要求，所以采用ＲS－485通信模块，实现热电阻温度采集模块与上位机或其他系统之间的数据传输，ＲS－485是由美国电子工业协会制定并发布的串行数据通信接口标准，具有传输距离长、速度高、电平兼容性好、使用灵活方便、可靠性高等优点，数据传输速率最高达到10MB/s，但仅在距离较小时可实现最大传输速率，当传输距离增大速率将随之减小。
ＲS－485通信电路，为双通道数字隔离器及周围电路，用于隔离收发信号;为驱动器收发器集成芯片及周围电路;为光电耦合器及周围电路，用于隔离对ＲS－485通信电路的控制信号。通信电路接口采用的是差分接收器和平衡驱动器组合的方式，抗共模干扰能力较强。
3试验测试
3.1温度标定
在恒温油槽中对该分布式热电阻温度采集系统进行标定，在20～120℃，每隔20℃对该温度采集系统进行标定。此次标定中，采用的恒温油槽适用温度范围为(室温+10℃)～300℃，温度波动范围为±0.05℃。使用所设计的分布式热电阻温度采集系统，在各标定温度下，使用各通道进行测量，得到各标定点温度下6个通道的温度。各标定点工况下，该系统各测试通道的最大温度偏差均在0.5℃以内，系统各通道一致性较好。
3.2恒压源驱动电路
恒压源电路为惠斯登桥差分放大电路提供电压，其电压的稳定性对参考电压与测量点电压的准确度有着直接影响。因此，输出电压的稳定性是恒压源电路设计的重要标准。电阻型温度传感器的自热效应是对测量精度影响的另一重要因素，使用电阻型温度传感器时，其自热效应必须注意。针对本文所采用的Pt100型热电阻而言，必须保证其耗散功率不超过0.1mW，所以设计恒压源输出电压为0.3V，输入电压采用低功率、低飘移的ＲEF3030芯片产生的基准电压。
3.3单片机软件设计
系统通电后，单片机首先完成系统初始化，包括时钟初始化、定时器初始化、I/O口初始化等;系统按照程序设定完成初始化后，进入正常工作模式。单片机依次使能各通道的CS信号，通过SPI通信从MAX31865数字输出转换器得到温度数据，并通过ＲS－485通信方式将各路温度数据发送至上位机，实现上位机的温度显示及存储等操作。
3.4电平转换电路
由于热电阻处理电路采用的MAX31865芯片的工作电压为3.3V，故需将5V电源电压转换为3.3V。SN74LVC4245A具有三态输出的8路总线收发器和5.5V—3.3V双电源电平移位器。芯片分为A和B2组，一组输入，一组输出。其中A组支持1.5～5.5V电压，B组支持1.5～3.6V电压，A组供电电压大于B组。该芯片可实现5.5V—3.3V的电平转换，能够通过程序控制引脚实现转换方向的反转，电平转换电路。74LVC4245的电平移位在其内部进行，双电源能保证两边端口的输出摆幅都能达到满电源幅值，并且有很好的噪声抑制性能。
结语
设计了一种具备自诊断功能的四线制高精度铂电阻温度采集系统，由铂电阻温度传感器、自诊断及标定模块、恒流源和电压采集模块四个关键模块组成。其中自诊断及标定测试模块内置高精度标定电阻，通过多个开关及二选一开关的不同组合，可实现多种功能，包括一致性误差标定、四线制温度采集及故障诊断定位等。利用ＭＡＴＬＡＢ仿真软件对以上三种设计方案的功能进行了ＭＡＴＬＡＢ建模与仿真分析，搭建了硬件测试电路并进行了实物测试。测试结果表明：通过计算标定电阻的实际电压值／理论电压值，可以准确计算温度采集系统的一致性误差值，从而实现一致性误差标定；采用不同配置方案，可实现二线制、三线制或四线制的温度测量，兼容多种精度需求；能够清晰的诊断发生故障的线路，效率高，降低了现场故障排查的成本和风险。
参考文献
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