陳平平 ，楊 雷，張志堅(jiān)

（1.東莞理工學(xué)院 電子工程學(xué)院，東莞 523808；2.東莞理工學(xué)院 工程技術(shù)研究院，東莞 523808）

在大亞灣反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)中，因?yàn)檎麄€(gè)實(shí)驗(yàn)裝置處于地下100 m的花崗巖隧道中，隨著春夏秋冬的季節(jié)變換和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的廢氣廢熱排放，會(huì)使花崗巖巖體產(chǎn)生熱脹冷縮[1]。為了防止巖體坍塌，需要精確測(cè)量其溫度值，計(jì)算熱脹冷縮系數(shù)，以便對(duì)巖體進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。本文提出了采用Cu50為溫度傳感器的分布式溫度測(cè)量方案，實(shí)現(xiàn)5℃～40℃，準(zhǔn)確度為±0.2℃的溫度測(cè)量。而傳統(tǒng)的使用鉑電阻的溫度測(cè)量系統(tǒng)[2-3]，或是其他使用相同傳感器的方案[4]，使用類似參量轉(zhuǎn)換測(cè)量法[5]、自身溫度測(cè)量補(bǔ)償法[6-7]和大數(shù)據(jù)線性擬合法[8-10]都因?yàn)槌杀靖呋蚴菚?huì)增加電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜性或是軟件處理的復(fù)雜性，而不適合在實(shí)驗(yàn)站大規(guī)模布點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)傳輸監(jiān)控。文中提出了以STM32為處理核心，Cu50為溫度傳感器，采用自校正技術(shù)來(lái)進(jìn)行高精度溫度測(cè)量方法，實(shí)現(xiàn)了很好的測(cè)溫效果，并在2013年成功應(yīng)用于大亞灣反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)站中。

1 測(cè)量原理

由IEC584/751/1515標(biāo)準(zhǔn)可知，Cu50的阻值與溫度的函數(shù)關(guān)系式為

式中：A＝4.28899×10-3；B=-2.1300×10-7；C=1.22300×10-9。

通過(guò)Cu50的阻值與溫度的函數(shù)關(guān)系式可知：如果能精確測(cè)量Cu50的電阻值，那么就能根據(jù)Cu50的阻值與溫度的函數(shù)關(guān)系式計(jì)算此傳感器相應(yīng)的溫度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)精確的溫度測(cè)量。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用串聯(lián)4線制的自校正技術(shù)，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)方案Fig.1 System scheme

10個(gè)測(cè)溫電阻、2個(gè)已知標(biāo)準(zhǔn)電阻、1個(gè)恒流源和15 V的電源串聯(lián)在一個(gè)回路中，恒流在各個(gè)電阻上產(chǎn)生的電壓信號(hào)通過(guò)12路模擬選擇器分別依次選擇到信號(hào)放大調(diào)理電路中，并送入AD轉(zhuǎn)換器電路，然后由微控器來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)電阻測(cè)量，最后根據(jù)Cu50的阻值與溫度的函數(shù)計(jì)算出各測(cè)溫電阻對(duì)應(yīng)的溫度值。

3 電路實(shí)現(xiàn)

電路結(jié)構(gòu)由電源、信號(hào)調(diào)理電路、ADC轉(zhuǎn)換電路、STM32控制器和DM9000A 5大部分組成。

電源為整個(gè)系統(tǒng)提供±15 V、5 V、3.3 V和2.5 V 5個(gè)電壓電源，其中15 V用于恒流源，±15 V主要用于信號(hào)調(diào)理部分，5 V用于AD轉(zhuǎn)換部分，3.3 V主要用于STM32控制核心和DM9000A的網(wǎng)絡(luò)通信模塊，2.5 V為AD轉(zhuǎn)換和信號(hào)調(diào)理部分的參考基準(zhǔn)源。采用隔離式DC-DC的電源，保證了各電源之間的相對(duì)獨(dú)立性，特別是數(shù)字部分和模塊部分之間，只是最后的共地處采用了0 Ω電阻共地，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

STM32控制器是整個(gè)系統(tǒng)的處理核心，控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，包括控制4個(gè)ADG509F進(jìn)行12路的信號(hào)選擇放大，控制ADC進(jìn)行電壓讀取，然后計(jì)算出每路溫度傳感器的溫度值，最后通過(guò)DM9000A將數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)化發(fā)送出去?？刂破鬟x用32位的ARM微控制器STM32F103，外接12 MHz的晶振，內(nèi)部6倍頻達(dá)72 MHz的處理頻率能滿足多通道溫度采集和網(wǎng)絡(luò)控制的處理速度需求。

信號(hào)處理部分由4個(gè)4路模擬選擇器ADG509F和2個(gè)AD623組成，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的分時(shí)選通放大和調(diào)理，為ADC輸出適合其轉(zhuǎn)換量程的信號(hào)，電路圖如圖2所示。

4個(gè)ADG509F中，前3個(gè)為12路的前級(jí)選擇輸入端，后1個(gè)為后級(jí)選擇端，共同實(shí)現(xiàn)12選1的功能。ADG509F為4路雙通道模擬選擇器，采用±15 V供電，并在電源輸入腳附近配置了10 μF的鉭電容和0.1 μF去耦電容。共有12路的輸入端，分別是10個(gè)Pt100溫度傳感器和2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電阻；6個(gè) 控制輸 入 端 口 EN0、EN1、EN2、EN3、A0 和 A1。EN0、EN1、EN2、EN3 起使能和片選作用， 而 A0 和A1是地址選擇輸入引腳。輸出端DA和BD分別串接510 Ω的電阻和0.1 μF的電容到地，同時(shí)并接一個(gè)0.1 μF的電容為了濾除共模干擾和差模干擾。10個(gè)Pt100溫度傳感器和2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電阻都串聯(lián)在一個(gè)由TL431設(shè)計(jì)5 mA的恒流電流中，因?yàn)樾枰獪y(cè)量的溫度范圍為5℃～40℃，那么2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電阻和10個(gè)溫度傳感器電阻都在100～120 Ω以內(nèi)，即在5 mA的恒流中產(chǎn)生的壓降為0.5 V～0.6 V。即最后一個(gè)ADG509F輸出的信號(hào)大小為0.5 V～0.6 V。為了保證高精度的轉(zhuǎn)換，需要進(jìn)行放大處理，由AD623放大5倍，變?yōu)?.5 V～3.0 V，但此信號(hào)超出了AD轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換量程，所以還需要將2.5 V～3.0 V的信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步的調(diào)理，即將此信號(hào)減去2.5 V變?yōu)?.00～0.50 V再進(jìn)行4.8倍的放大，變?yōu)?.0～2.4 V的信號(hào)，此信號(hào)送入0～2.5 V量程的AD7715實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，將能實(shí)現(xiàn)最大量程的高精度轉(zhuǎn)換。

圖2 信號(hào)處理電路圖Fig.2 Signal processing circuit diagram

圖3 網(wǎng)絡(luò)接口圖Fig.3 Network interface diagram

如圖3所示，網(wǎng)絡(luò)連接模塊選用DM9000A網(wǎng)絡(luò)接口芯片，將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)按協(xié)議封裝好后發(fā)送給DM9000A，由DM9000A根據(jù)網(wǎng)絡(luò)情況將數(shù)據(jù)包進(jìn)行再次封裝后發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中，并通過(guò)RJ45接收從網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)初步解析后保存在緩存中，然后向控制器發(fā)出中斷信號(hào)，由控制器來(lái)完成對(duì)數(shù)據(jù)的讀取。

DM9000A有8位和16位2種總線模式，由DM9000A的EECS引腳（pin21）決定，接高電平為8位模式，接低電平為16位模式，且總線模式還以通過(guò)ISR寄存器的Bit[7]進(jìn)行檢測(cè)。本設(shè)計(jì)采用16位的總線模式，即EECS引腳接地，數(shù)據(jù)線SD0～SD15直接與STM32F103 PB口的PB0～PB15連接，DM9000A的片選信號(hào)CS、IO讀信號(hào)線IOR、寫信號(hào)線IOW分別與 STM32F103的 PA0、PA1、PA4相連；中斷輸出腳INT接STM32F103的PA5，同時(shí)PA5口配置為外部中斷輸入且是下降沿觸發(fā)。數(shù)據(jù)或命令識(shí)別信號(hào)線CMD和外部復(fù)位控制線PWRST分別接PA6和PA7。CMD為低電平時(shí)讀寫命令操作，為高電平時(shí)讀寫數(shù)據(jù)操作，PWRST為低電平有效，一般用于系統(tǒng)初次上電后，控制器對(duì)DM9000進(jìn)行復(fù)位初始化。外部網(wǎng)絡(luò)接口采用HR911105，HR911105是由中山市漢仁電子生產(chǎn)的帶隔離變壓器的RJ45接口，其內(nèi)部集成了1∶1的隔離變壓器、LED指示燈和共模、差模抑制電路，起信號(hào)耦合、電氣隔離、阻抗匹配、抑制干擾的作用，實(shí)現(xiàn)帶電插拔和防雷的功能。

ADC電路主要由AD7715組成，用AD7715自帶SPI接口直接與STM32F103的SPI接口相連，同時(shí)RESET復(fù)位引腳、CS片選信號(hào)和DRDY轉(zhuǎn)換狀態(tài)信號(hào)接STM32F103的GPIO口。因?yàn)椴捎昧?.5 V的參考電壓輸入，所以只能對(duì)應(yīng)0～2.5 V的信號(hào)量程。雖然AD7715支持雙極性差分輸入，因?yàn)榍岸说姆糯笫菃螛O性輸出，所以設(shè)計(jì)中將AIN（-）引腳接地，只是AIN（+）引腳接輸入信號(hào)，即為單極性輸入。同時(shí)串接了510 Ω的電阻和0.1 μF的電容到地來(lái)濾除差模干擾，兩輸入腳間再并接了0.1 μF的電容來(lái)濾除差模干擾。外接2.4576 MHz的時(shí)鐘晶振，可實(shí)現(xiàn)自啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。模擬電源和數(shù)字電源隔離獨(dú)立，并采用了光電隔離器件ADUM5404來(lái)實(shí)現(xiàn)SPI接口的隔離，同時(shí)在用RC濾波網(wǎng)絡(luò)連接電源引腳以提高電源的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)高精度轉(zhuǎn)換，提高了系統(tǒng)的抗干擾性和穩(wěn)定性。

4 軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)溫度測(cè)量系統(tǒng)都由STM32F103來(lái)實(shí)現(xiàn)控制。主要有3大部分，一是系統(tǒng)控制，包括上電開機(jī)后的系統(tǒng)初始化和鍵盤顯示的控制等等。第二個(gè)是溫度的采集與計(jì)算，主要是通過(guò)控制ADG509F選擇各個(gè)電阻的電壓，然后用AD7715進(jìn)行電壓的采集，最后計(jì)算出溫度值。第三個(gè)部分是網(wǎng)絡(luò)接口驅(qū)動(dòng)DM9000A實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)化傳輸。程序流程如圖4所示。

圖4 程序流程圖Fig.4 Program flow chart

4.1 初始化

系統(tǒng)上電開機(jī)后進(jìn)行初始化。首先是控制器STM32F103的初始化，如內(nèi)部寄存器清零，中斷標(biāo)志和外部IO口狀態(tài)復(fù)位等，然后是4個(gè)ADG509F，控制它們處于待機(jī)狀態(tài)，等待下次采樣的控制，接著是AD7715，最后是DM9000A的初始化。

4.2 AD7715的電壓采集

AD7715的電壓采集過(guò)程是對(duì)其內(nèi)部4個(gè)寄存器的讀寫過(guò)程，具體的操作過(guò)程如下：首先是AD7715使能復(fù)位引腳，使AD7715復(fù)位到寫通信寄存器的狀態(tài)，然后是寫通信寄存器設(shè)置下一個(gè)操作的寄存器為數(shù)據(jù)寄存器，最后是讀取數(shù)據(jù)寄存器，讀完16位的數(shù)據(jù)后，即完成一輪電壓采集。接著是選擇下一個(gè)采集通道，并開始新一輪的電壓采集。

4.3 DM9000A的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理

DM9000A的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理分網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接收和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)發(fā)送兩部分。DM9000A接收到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包時(shí)會(huì)產(chǎn)生中斷請(qǐng)求，主控制器在響應(yīng)其中斷后就開始清空接收緩沖區(qū)，然后在DM9000A內(nèi)存地址0C00H～3FFFH段讀取以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，因?yàn)橐蕴W(wǎng)數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度是在一定范圍內(nèi)可變的，所以要先在接收到數(shù)據(jù)幀頭時(shí)，就逐步剝離，挑出首部先是判斷地址是否符合，然后是判斷數(shù)據(jù)幀的類型以便正確讀取完整的數(shù)據(jù)包。讀取完以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包后就開始進(jìn)行校驗(yàn)，如果校驗(yàn)錯(cuò)誤，即把數(shù)據(jù)包丟棄，如果校驗(yàn)正確，則把有效數(shù)據(jù)部分剝離出來(lái)，并提交給主程序進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包處理。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)發(fā)送的實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單，只要在發(fā)送數(shù)據(jù)前對(duì)數(shù)據(jù)按網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行封包處理，然后將封包后的數(shù)據(jù)寫入到DM9000A的0000H～0BFFH地址段，并把數(shù)據(jù)包大小寫入到TXPLH和TXPLL寄存器中，最后將TCR的bit0設(shè)置為1即可。芯片會(huì)自動(dòng)將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上去。

5 系統(tǒng)測(cè)試與分析

系統(tǒng)研制完成后為了校驗(yàn)其測(cè)溫性能，采用了穩(wěn)定性為±0.005℃，分辨率為0.001℃的高精度計(jì)量爐Fluke9170來(lái)進(jìn)行校驗(yàn)。校驗(yàn)時(shí)把10個(gè)測(cè)溫電阻都放置在計(jì)量爐內(nèi)，這樣既能進(jìn)行測(cè)溫性能的校驗(yàn)還能檢測(cè)該系統(tǒng)多通道測(cè)量的一致性。測(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1 溫度校準(zhǔn)測(cè)量數(shù)據(jù)Tab.1 Measurement data of temperature calibration

6 結(jié)語(yǔ)

該巖體溫度測(cè)量系統(tǒng)已成功應(yīng)用于大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)站，設(shè)計(jì)中采用自校正技術(shù)的測(cè)量電路，實(shí)現(xiàn)了高精度的巖溫測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，使整個(gè)溫度測(cè)量系統(tǒng)滿足準(zhǔn)確度為±0.2℃，分辨率為0.1℃的設(shè)計(jì)需求。通過(guò)福祿克的Fluke9170高精度計(jì)量爐來(lái)計(jì)量和在大亞灣反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)的實(shí)際應(yīng)用效果表明，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，測(cè)量準(zhǔn)確度高，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

[1]曹俊.大亞灣與江門中微子實(shí)驗(yàn)[J].中國(guó)科學(xué)：物理學(xué) 力學(xué) 天文學(xué)，2014，44（10）：1025-1040.

[2]張修太，胡雪惠，翟亞芳，等.基于PT100的高精度溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2010，23（6）：812-815.

[3]陳桂生，付志勇，趙晶，等.低成本提高工業(yè)鉑熱電阻檢定結(jié)果可信度方法研究[J].中國(guó)測(cè)試，2015，41（1）：24-28.

[4]張志堅(jiān)，楊雷.基于Cu50的溫度精確測(cè)量系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2014，22（5），1355-1356.

[5]沈峘，李舜酩，周華鵬，等.高精度鉑電阻溫度測(cè)量新方法[J].壓電與聲光，2010，32（5）：187-191.

[6]陸陽(yáng)，韓江洪，魏臻，等.鉑電阻測(cè)溫系統(tǒng)溫度補(bǔ)償方法[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2000，21（3）：37-39，44.

[7]程建華，羅立成，王鑫哲.高精度溫度測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)溫補(bǔ)償算法研究[J].傳感器與微系統(tǒng)，2010，29（11）：36-39.

[8]王小華，何怡剛.鉑電子PT100特性數(shù)學(xué)模型[J].傳感器技術(shù)，2003，22（10）：33-34.

[9]朱杰，郭濤.一種Pt100溫度傳感器的動(dòng)態(tài)熱響應(yīng)模型[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，26（1）：73-77.

[10]劉宇琦，樊丁，彭凱.Pt100熱敏電阻傳感器的數(shù)字仿真模塊設(shè)計(jì)[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2013，13（22）：283-287.