陸 英

0 引言

智能變送器具有檢測某種變量如壓力、溫度等，以及把檢測結(jié)果傳送出去的功能。自1983年Honeywell推出智能儀表－Smar變送器之后，世界各廠家相繼推出各有特色的智能儀表。如 Rosemount的 1152Smart,Moore產(chǎn)品公司的Mycro XTC,Lee Engineering公司的Smar LD301等產(chǎn)品[1]。

經(jīng)過20年的發(fā)展，智能變送器的發(fā)展更趨完善，功能增強(qiáng)和多樣化，他們具有變送、控制、故障診斷及過程報(bào)警等功能。隨著單片機(jī)、集成電路等各項(xiàng)電子和通訊行業(yè)的發(fā)展，智能變送器將向著更智能化、小型化方向發(fā)展。

為了實(shí)現(xiàn)溫度變送器低成本，高效率使用，設(shè)計(jì)了基于MSP430F169芯片的智能全輸入式溫度變送器，使用6通道24位采樣轉(zhuǎn)換芯片AD7794,在保證0.1%FS精度的同時(shí)，通過對AD寄存器設(shè)置實(shí)現(xiàn)不同小信號的放大增益，實(shí)現(xiàn)多分度號多通道輸入功能及冷度溫度補(bǔ)償功能。由于全輸入式溫度變送器的輸入信號基本包括所有常見分度號、并且具有雙通道輸入、溫度補(bǔ)償?shù)裙δ?，操作簡單、功能?qiáng)大，在軟件處理方面進(jìn)行了改進(jìn)，使系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，精確度更高。目前該產(chǎn)品已投入大量生產(chǎn)，在冶金、石油、化工、電力、輕工、紡織、食品等許多行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。

1 溫度變送器功能設(shè)計(jì)

1.1 溫度變送器實(shí)現(xiàn)如下功能：

1)多分度號選擇：包括傳感器類型(B、S、K、T、E、J、K、N 共8種熱電偶(TC)，CU50、PT100、PT1000等熱電阻(RTD)及 10～100mV 信號)。

2)多輸入通道選擇：采用CD4052多路模擬選擇開關(guān)芯片對采樣通道數(shù)進(jìn)行選擇。可測量任一輸入通道或同時(shí)測量二路輸入通道。

3)信號放大及采樣：AD7794芯片對輸入小信號進(jìn)行放大、采樣，并將A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果送給單片機(jī)，其放大倍數(shù)包括1、2、4、8、16、32、64、128。

4)線性校正：軟件用差分原理，通過查表方法對不同分度號熱電偶，熱電阻進(jìn)行非線性校正，其誤差小，精度高。

5)溫度補(bǔ)償：測量時(shí)，冷端的（環(huán)境）溫度變化，將影響嚴(yán)重測量的準(zhǔn)確性。在冷端采取一定措施補(bǔ)償由于冷端溫度變化造成的影響稱為熱電偶的冷端補(bǔ)償。用戶可根據(jù)需要進(jìn)行自動溫度補(bǔ)償或者手動溫度補(bǔ)償。

6)遠(yuǎn)程監(jiān)控：變送器與上位機(jī)之間通過 RS232實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向通訊，上位機(jī)可遠(yuǎn)程修改現(xiàn)場變送器儀表參數(shù)，現(xiàn)場變送器可隨時(shí)向上位機(jī)發(fā)送當(dāng)前全部數(shù)據(jù)以供上位機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理。設(shè)置參數(shù)包括傳感器類型；輸入通道數(shù)；切換單位(mV、?、%、攝氏度)；精度位數(shù)；報(bào)警上下限；量程上下限等。

1.2 工作原理：

控制電路采用MSP430F169單片機(jī)，使用內(nèi)部EEPROM存儲器，用于存儲固定程序、分度號和設(shè)定參數(shù)，根據(jù)設(shè)定參數(shù)來確定儀表測量范圍的上下限，小信號的放大倍數(shù)和其他工作狀態(tài)。配合熱電偶和熱電阻檢測現(xiàn)場溫度，采用集成溫度傳感器檢測熱電偶冷端溫度。將毫伏信號、熱電偶或熱電阻檢測現(xiàn)場溫度的信號送到CD4052模擬開關(guān)，單片機(jī)控制通道的通斷，各信號被分時(shí)選通，再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器處理，單片機(jī)以查詢方式采集AD轉(zhuǎn)換器輸出信號然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、熱電偶冷端補(bǔ)償處理、線性化處理等，并將輸出數(shù)據(jù)通過光電耦合器送入D/A轉(zhuǎn)換器，同時(shí)輸出 1～5V.DC和4～20mA.DC信號。硬件電路原理圖，如圖1所示：

圖1 智能溫度變送器原理圖

2 軟件設(shè)計(jì)中的數(shù)據(jù)處理

2.1 多通道輸入選擇（CD4052）：

智能溫度變送器擁有雙通道測量功能，需要選擇一個(gè)擁有多通道選擇開關(guān)芯片對選擇一路通道/兩路通道進(jìn)行選擇。CD4052是雙四選一模擬開關(guān)，每組四選一模擬開關(guān)分別有2個(gè)二進(jìn)制控制輸入。這兩位二進(jìn)制信號可將4個(gè)模擬通道中任一個(gè)置為導(dǎo)通狀態(tài)[3]。使用真值表對通道選擇進(jìn)行控制。

在本系統(tǒng)中，AD7794的IOUT1、IOUT2兩位對X/Y通道的輸入、輸出進(jìn)行設(shè)置，取得所選中的電壓、電阻等信號。MCU根據(jù)所選上位機(jī)設(shè)置通道，通過MUX_A，MUX_B向模擬開關(guān)送兩位地址信號。RTD1A-RTD1B為第一路信號輸入通道，可輸入范圍包括熱電偶或熱電阻、小電壓信號；RTD2A-RTD2B 為第二路信號輸入通道，輸入范圍同第一路輸入通道；RTD_SURA-RTD_SURB為冷端溫度補(bǔ)償通道，僅在輸入信號為熱電偶信號時(shí)，同時(shí)接入，可進(jìn)行環(huán)境溫度補(bǔ)償。CD4052電路控制狀態(tài)，如圖2所示：

圖2 CD4052輸入、輸出狀態(tài)

2.2 信號放大及采樣

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式是在A／D前端設(shè)置信號調(diào)理電路，現(xiàn)代微電子技術(shù)的發(fā)展使諸如濾波、零點(diǎn)校正、線性化處理、量程切換、溫度補(bǔ)償?shù)仍瓕傩盘栒{(diào)理電路完成的工作都可用軟件實(shí)現(xiàn)，大大簡化了電路設(shè)計(jì)。因此，越來越多的嵌入式設(shè)計(jì)只需側(cè)重考量放大電路本身的信號放大功能、阻抗和精度。本設(shè)計(jì)中，采用6通道24位Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7794的片內(nèi)儀表放大器對輸入電壓進(jìn)行放大，可將其增益調(diào)節(jié)為1～128倍，8檔放大倍數(shù)。根據(jù)不同的量程，設(shè)置AD7794可編程輸入緩沖器的放大倍數(shù)，對輸入信號進(jìn)行進(jìn)一步放大。

由于上位機(jī)系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)更新AD7794的采樣碼值，并根據(jù)采樣值進(jìn)行處理，將結(jié)果傳送至LCD和上位機(jī)系統(tǒng)。所以軟件為了確保系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，將數(shù)據(jù)的處理過程放在AD采樣后進(jìn)行處理。當(dāng)AD7794根據(jù)當(dāng)前通道采樣數(shù)據(jù)后，標(biāo)定數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)換為mV值或歐姆值，根據(jù)軟件設(shè)計(jì)好的傳感器線性化處理計(jì)算表，計(jì)算出對應(yīng)的溫度值。最后對熱電偶進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

由于AD采樣是一個(gè)周期對一個(gè)通道進(jìn)行采樣，所以在程序中采用先對中斷前設(shè)置的通道進(jìn)行采樣，采樣處理完畢后進(jìn)行顯示，最后設(shè)置下一次進(jìn)入中斷的通道序列號的設(shè)計(jì)方法。由此可知每一個(gè)通道第一次采樣時(shí)，得到的AD采樣值為前次通道的采樣值，故在程序中丟棄每個(gè)通道的第一個(gè)采樣值，采用第二次及以后的采樣值進(jìn)行計(jì)算處理。這種方法適用于采用AD7794芯片24位采樣精度的測溫系統(tǒng)。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)及計(jì)算，可以發(fā)現(xiàn)每次采樣值只有后4位會發(fā)生變化，通過計(jì)算(24/224=0.0000009536)可以知道AD芯片后4位數(shù)據(jù)變化不會影響采樣精度0.1%。運(yùn)用此種方法，不需要對采樣值進(jìn)行多次采樣另外進(jìn)行軟件濾波處理。

2.2.1 信號數(shù)據(jù)處理過程

由通道傳送過來的信號經(jīng)過AD采樣值標(biāo)定將AD模擬量還原為輸入信號，輸入信號經(jīng)過線性化處理和溫度補(bǔ)償后轉(zhuǎn)換為溫度值，通過LCD或者RS232向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)顯示。AD中斷流程圖，如圖3所示：

圖3 AD中斷流程圖

2.2.1.1 數(shù)據(jù)采樣標(biāo)定計(jì)算公式的改進(jìn)

當(dāng)?shù)玫较到y(tǒng)的零度滿度標(biāo)定值時(shí)，常用的標(biāo)定點(diǎn)計(jì)算公式為：

由于在 AD采樣處理函數(shù)中會頻繁采樣并且調(diào)用此標(biāo)定計(jì)算公式，除法計(jì)算會影響MCU處理速度，所以對處理公式作出改進(jìn)：

其中：

Value_X 表示采樣AD碼值轉(zhuǎn)換的測量值(電壓值/電阻值)；

ad_real 表示實(shí)際采樣的AD碼值；

Value_H 表示最大測量點(diǎn)（量程上限值）,如PT100的Value_H 為300?；

Value_L 表示最小測量點(diǎn)（量程下限值）,如PT100的Value_L 為100?；

ad_H 表示當(dāng)前分度號滿度標(biāo)定值,如PT100測量電阻為300?時(shí)的ad碼值為aeaf94H(11448212)；

ad_L 表示當(dāng)前分度號零度標(biāo)定值,如PT100測量電阻為100?時(shí)的ad碼值為8f90dfH(9408735)；

公式(3)和公式(4)僅在通道切換時(shí)進(jìn)行調(diào)用，在分度號不改變的情況下，當(dāng)前后測量通道有變化時(shí)，Main_Cal_k和Main_Cal _ b 參數(shù)此次切換時(shí)已經(jīng)進(jìn)行計(jì)算并保存；下次測量為同一通道時(shí)，將直接使用公式(1)和公式(2)已得到的數(shù)據(jù)，后面的采樣計(jì)算時(shí)將直接調(diào)用公式(2)。

以PT100為例，ad_real 測得10428473，使用公式(1)計(jì)算可得：

使用公式(2)(3)(4)計(jì)算可得：

由以上計(jì)算可知，第二種算法的結(jié)果與常用標(biāo)定的計(jì)算結(jié)果幾乎沒有差別，因此可以保證計(jì)算的正確性與準(zhǔn)確度，同時(shí)滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求。

2.2.1.2 傳感器線性化處理計(jì)算方法

由于溫度與 A/D轉(zhuǎn)換值之間的關(guān)系（非線性），需要對其進(jìn)行非線性補(bǔ)償時(shí)，主要采用查表法與計(jì)算法結(jié)合在一起的插值法。

溫度T被分成多個(gè)均勻的區(qū)間，每個(gè)區(qū)間的端點(diǎn)A/D轉(zhuǎn)換值Nk都對應(yīng)一個(gè)Tk，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換值為Ni時(shí)，實(shí)際測量溫度值Ti一定會落在某個(gè)區(qū)間（Ti,Ti+1）,采用線性插值法

溫范圍、輸出類型的變量可通過RS232存入flash，當(dāng)上位機(jī)或手操器終端設(shè)備對該flash進(jìn)行改寫時(shí)，智能溫度變送器可工作在用戶所需的測量類型和輸出類型。進(jìn)行插值，用通過（Nk,Tk）和（Nk+1,Tk+1）兩點(diǎn)的直線近似代替原特性。

非線性校正處理采用一次差分原理，其公式為：

公式(5)中：

Vx、Tx：當(dāng)前電壓值、溫度值

Vn+1、Vn：分別表示n+1點(diǎn)、n點(diǎn)的電壓值；

Tn+1、Tn：分別表示n+1點(diǎn)、n點(diǎn)的溫度值；

由以上公式可看出，線性化的精度由折線的段數(shù)決定，分段越多，精度和準(zhǔn)確度越高。有時(shí)為了提高精度，也可采用拋物線插值[3]。

2.2.2 信號處理步驟

2.2.2.1 熱電偶的處理步驟

由于熱電偶需要溫度補(bǔ)償，所以在溫度變送器系統(tǒng)中，用戶通過上位機(jī)選擇自動/手動補(bǔ)償功能，MSP430系統(tǒng)對這一部分進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

a)自動溫度補(bǔ)償：

1)AD7794對熱電偶通道采樣；

2)對采樣值進(jìn)行標(biāo)定，得到當(dāng)前測量端熱電偶的輸出電壓E1；

3)AD7794對冷端補(bǔ)償通道采樣；

4)對采樣值進(jìn)行標(biāo)定，得到當(dāng)前冷端電阻（PT100）的輸出電阻R0；

5)根據(jù)熱電阻的分度表，查分度表得到 R0對應(yīng)的溫度T0，T0就是冷端溫度。

6)根據(jù)冷端溫度T0查熱電偶的分度表，將T0折算成對應(yīng)的熱電勢（電壓）E0；

7)將E1和E0相加得到電勢E，查分度表得到E對應(yīng)的溫度T，T就是測量端的實(shí)際溫度[4]。

b)手動溫度補(bǔ)償：

1)AD7794對當(dāng)前通道采樣；

2)對采樣值進(jìn)行標(biāo)定，得到當(dāng)前測量端熱電偶的輸出電壓E1；

3)上位機(jī)輸入的溫度值為補(bǔ)償溫度T0；

4)根據(jù)補(bǔ)償溫度T0查對應(yīng)電偶的分度表，將T0折算為對應(yīng)的熱電勢(電壓)E0；

5)將E1和E0相加得到電勢E，查分度表得到E對應(yīng)的溫度T，T就是測量端的實(shí)際溫度。

手動溫度補(bǔ)償通過用戶在上位機(jī)設(shè)置當(dāng)前環(huán)境溫度，此時(shí)溫度變送器電路將不會測量熱電偶兩端的冷端溫度，并將輸入溫度代替冷端溫度。

2.2.2.2 熱電阻的處理步驟

1.AD7794對當(dāng)前通道采樣；

2.對采樣值進(jìn)行標(biāo)定，得到當(dāng)前測量端熱電阻的電阻值R；

3.根據(jù)熱電阻的分度表，查分度表得到R對應(yīng)的溫度T，T就是測量端的實(shí)際溫度。

2.2.3 數(shù)據(jù)輸出

處理完畢后的溫度值通過MCU和RS232接口的通訊，將其傳送給上位機(jī)并且顯示。實(shí)現(xiàn)智能編程接入，由于MSP430F169內(nèi)置60KB flash,決定變送器當(dāng)前測量類型、測

3 結(jié)論

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表1為本系統(tǒng)應(yīng)用中PT100的溫度電阻理論測量值和實(shí)際測量值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在不影響精度和性能的基礎(chǔ)上，改進(jìn)的軟件設(shè)計(jì)大大優(yōu)化了系統(tǒng)、并且使系統(tǒng)擁有良好的穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性。通過對新方法的實(shí)驗(yàn)，觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以證明本文所提出的方法能夠提高系統(tǒng)的采樣精度，如表1所示：

表1 PT100測量結(jié)果

4 結(jié)束語

本文提出的全輸入型智能溫度變送器，使用AD7794轉(zhuǎn)換芯片對輸入信號進(jìn)行放大增益，取消常用的信號放大模擬單元，對輸入信號的標(biāo)定、非線性化處理，使少量的存儲空間可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的算法，能夠滿足工業(yè)過程控制中的精度要求。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用，本產(chǎn)品可穩(wěn)定應(yīng)用于工業(yè)過程控制場合，在全國多家企業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。

[1]admin,基于 HART協(xié)議的智能變送器設(shè)計(jì)[DB/OL],中國自動化儀表網(wǎng)，[2008-02-20],http://www.ca18.net/news/content-102393.htm

[2]CD4052芯片中文資料

[3]張雷杰，章潔平，寬量程高精度鉑電阻溫度變送器設(shè)計(jì)[J]，導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù)，2010,(4):57.

[4]白鳳山，熱電偶冷端溫度補(bǔ)償?shù)恼f明[DB/OL]，中國工控網(wǎng)，[2010.09]http://www.cheminfo.gov.cn/HezuoPage/gongkong.aspx?code=cheminfo&action=detail&type=Paper&infoId=201 0093014022700002