遠程多通道溫度高精度數據采集系統設計

摘要：根據遠程網(wǎng)絡(luò )應用環(huán)境下的溫度測量需求，設計出一種基于以太網(wǎng)的遠程多通道高精度溫度數據采集系統。系統由下位機和遠程主機構成，下位機硬件主要由溫度傳感器PT1000、儀用放大器INA128構成的調理電路、A/D轉換器MaX1300、32位微控器PIC32MX795以及物理網(wǎng)卡芯片構成，上位機為遠程PC機。在恒流源的激勵下，PT100電壓的變化依賴(lài)溫度的變化，經(jīng)信號調理、16bitA/D轉換后由PIC32MX795求解出高次方程的數值根即溫度值，然后通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送給遠程主機進(jìn)行處理。系統充分利用PIC32MX795的計算性能，利用牛頓法直接尋找高次方程的數值根即為溫度值，其測量精度優(yōu)于0.1℃。系統長(cháng)期工作穩定。

0 引言

一般的溫度測量系統中，溫度傳感器常采用模擬熱敏感器件如熱電阻、熱電偶或熱敏電阻，或者集成數字式溫度傳感器等。其中，熱電阻因為其測量精度高、性能穩定等綜合原因在低溫測量領(lǐng)域占有一席之地。本文設計的系統采用鉑熱電阻PT1000為溫度傳感器，測量范圍為-50～250℃，采用高精度恒流源提供激勵，利用高性能32位PIC單片機直接使用牛頓法尋求傳感器的溫度值，高次方程尋根計算時(shí)間是ms量級，且計算與測量精度優(yōu)于0.1℃，從硬件電路和數值計算算法兩方面共同保證了測量精度和系統的可靠性。

1 系統工作原理

系統總體框圖如圖1所示，遠程端溫度數據采集硬件原理框圖如圖2所示。恒流源激勵PT1000產(chǎn)生的電壓信號經(jīng)過(guò)調理電路，送給A/D轉換器MAX1300，轉換的數字量送給32位處理器PIC32MX795計算出溫度值。DS1302時(shí)鐘電路為系統提供時(shí)間和日期。液晶顯示模塊LCD12864用以顯示溫度、時(shí)間和日期等信息。系統內嵌TCP/IP協(xié)議棧，可同時(shí)采集8路溫度信號，并將采集的溫度數據經(jīng)過(guò)Internet發(fā)送至遠程服務(wù)器進(jìn)行分析和處理。

2 系統硬件設計

整個(gè)系統的精度和穩定性由恒流源激勵和弱信號調理電路的精度、穩定性共同決定，因此，在系統的設計過(guò)程中，這兩部分需要精心設計。

2.1 10 μA恒流源設計

本文系統中采用具有低失調電壓的精密運放OP97為核心設計恒流源電路，為了有效降低系統電源的紋波，電源系統的電壓采用變壓器降壓和線(xiàn)性L(fǎng)DO降壓芯片構成的雙電源供電，恒流源的設計中，采用由MAX1300的參考電壓輸出端提供系統的基準電壓。由于恒流源電路與A/D轉換電路使用同一個(gè)參考電壓，降低了參考基準電壓的漂移對系統測量結果的影響。恒流源電路如圖3所示，恒流源的電流值設定為I=10 μA，其值由電阻器R4決定。電壓基準、運放的靜態(tài)偏置電流、電阻R2的溫度穩定性和精度共同影響該電流源的性能，因此應選擇穩定性好的高精度、低溫漂電阻。

2.2 信號調理電路

微弱信號調理電路主要是由INA128、OP97構成的兩級放大、濾波電路組成，如圖4所示。INA128是儀用放大器，輸入偏置電流小、精度高、增益設置和調節簡(jiǎn)單。通過(guò)一個(gè)接在INA128的1腳和8腳之間的電阻RG即可設置系統增益，增益G=1+49.4k/RG。系統的測量范圍是0～200℃，PT1000對應的電阻值為1000～1940.981，根據恒流源設置，PT1000對應的輸出電壓為10～19.41mV，弱信號調理電路的輸出電壓為0～5V。因此，調理電路的放大和濾波設計為250倍放大，2階低通30Hz濾波，最后送入A/D轉換器的電壓幅度為：2.5～4.8525V。

2.3 AD轉換電路與TCP/IP通信模塊電路

A/D轉換器采用8通道、16位轉換器MAX1300，微控器選用32位處理器PIC32MX795，連接關(guān)系如圖5所示。MAX1300工作于外部時(shí)鐘模式，由PIC32MX795的SPI口讀寫(xiě)時(shí)鐘提供A/D轉換時(shí)鐘，REF輸出一個(gè)4.096V的基準電壓作為恒流源參考電壓。圖6所示為DP83848的網(wǎng)絡(luò )接口。

3 下位機系統軟件設計

PT1000的阻值和溫度的關(guān)系在-200～850℃范圍內滿(mǎn)足如下關(guān)系式：

溫度和電阻值之間的關(guān)系不是線(xiàn)性關(guān)系，為了提高測量精度，傳統的做法是利用近似的方法，分段進(jìn)行線(xiàn)性化處理，在每一個(gè)溫度范圍內將溫度和電阻值的關(guān)系看成是線(xiàn)性關(guān)系，然后用最小二乘法進(jìn)行曲線(xiàn)擬合，通常對于計算能力不高的處理器，這種處理方法是一個(gè)首選的方案，但是對于PIC32處理器，利用該處理器的強大的計算能力進(jìn)行科學(xué)計算應該是首選的方案。

3.1 利用牛頓迭代法求溫度根

當0℃

3.2 溫度與測量電壓關(guān)系式

由精密I=10 μA恒流源電路和調理電路可知，A/D轉換器件的輸入電壓為：

3.3 溫度數據采集與遠程發(fā)送流程

下位機利用牛頓迭代法實(shí)現溫度數據的求取，然后利用精簡(jiǎn)的TCP/IP協(xié)議實(shí)現遠程數據發(fā)送，溫度轉換及流程如圖7所示。

4 實(shí)驗結果與對比分析

在溫度區間0～100℃用不同方法進(jìn)行測量的溫度與實(shí)際溫度對照如表1所示，其中實(shí)際溫度由WZPB-1型一級標準鉑電阻溫度計進(jìn)行標定。

由表1的數據分析可知，在0～100℃區間上進(jìn)行的測量比較，利用鉑電阻的物理特性方程直接進(jìn)行數值尋根計算求取溫度值，方法可以保證在整個(gè)溫度區間上保持精度一致。

5 結論

與WZPB-1型標準鉑電阻溫度計的對比實(shí)驗結果表明，由溫度傳感器PT1000、A/D轉換器MAX1300、微控器PIC32MX795和遠程PC機構成的數據采集系統，系統結構簡(jiǎn)單，工作穩定、可靠，在硬件上保證了測量的精度;利用精簡(jiǎn)的TCP/IP協(xié)議棧實(shí)現了測量系統和遠程系統之間穩定可靠的數據通信;系統的測溫區間為-50～250℃，測量精度優(yōu)于0.1℃。