崔　奎，胡純棟，謝遠(yuǎn)來，程　斌，馬長城，楊思浩，邑　偉

(中國科學(xué)院 等離子體物理研究所，合肥　230031)

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支持多種溫度傳感器的多通道低溫測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

崔奎，胡純棟，謝遠(yuǎn)來，程斌，馬長城，楊思浩，邑偉

(中國科學(xué)院 等離子體物理研究所，合肥230031)

摘要：中性束注入(neutral beam injector, NBI)系統(tǒng)的低溫泵上必須設(shè)置一組溫度測量點(diǎn)以監(jiān)控其工作狀態(tài);為滿足NBI溫度測量需求，設(shè)計(jì)了一種支持多種溫度傳感器的多通道低溫測量系統(tǒng);系統(tǒng)采用24位Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換(analog-to-digital converter, ADC)芯片AD7193執(zhí)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，采用控制器STM32F103ZET6控制設(shè)定恒流源、切換測量通道、ADC、以太網(wǎng)通信、串口通信、溫度數(shù)據(jù)處理以及其他控制電路;該溫度測量電路的設(shè)計(jì)可以用于由恒流源驅(qū)動的四線制低溫溫度測量領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：低溫測量電路；多通道；多種傳感器；電流源；低溫泵

0引言

NBI是EAST(experimental advanced superconducting tokamak)一種主要的等離子體加熱手段[1]，為了監(jiān)測NBI系統(tǒng)低溫泵的工作狀態(tài)，需要布置超過30個溫度測量點(diǎn)，要求每個溫度測量點(diǎn)的測量頻率大于1 Hz，并且測量精度在0.1 K以內(nèi)。由于低溫泵中各個部件的工作溫度范圍不同，因此需要不同類型的溫度傳感器，例如PT100可以測量低至液氮溫區(qū)的溫度，但是在液氦溫區(qū)則需要碳電阻等類型的負(fù)溫度系數(shù)(negative temperature coefficient, NTC)溫度傳感器。

基于上述要求，本文設(shè)計(jì)了一種支持多種溫度傳感器的8通道低溫溫度測量系統(tǒng)。系統(tǒng)采用八路恒流源分別激勵八路四線制溫度傳感器，其中每路恒流源的電流值可以根據(jù)傳感器的類型預(yù)置為1 mA、100 μA或者10 μA。通常1 mA或者100 μA的電流用于激勵阻值不高的電阻型溫度傳感器，但是在液氦溫區(qū)一般使用10 μA激勵NTC型電阻傳感器或者二極管型溫度傳感器。為了抑制噪聲對測量精度的影響，模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7193內(nèi)部的數(shù)字濾波器被預(yù)設(shè)為帶寬低于50 Hz并且對測量值進(jìn)行均值處理。濾波器設(shè)置后，ADC的采樣頻率以及數(shù)據(jù)輸出速率將會下降，為保證每個通道的采樣頻率大于1 Hz，電路采用了兩套通道選擇以及模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，每套模塊處理四路溫度信號。同時在電路中設(shè)置了一個由蜂鳴器和LED組成的報警模塊，當(dāng)預(yù)設(shè)的緊急情況發(fā)生時將會報警提示。為了適應(yīng)遠(yuǎn)距離信號傳輸，采用了基于ENC28J60的以太網(wǎng)通信電路。電路同時提供了通用的RS232串口通信。當(dāng)測量通道溫度超出了預(yù)設(shè)的溫度范圍，電路設(shè)置了兩路繼電器輸出信號用于控制外部器件。

1系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

1.1電路系統(tǒng)的原理框圖

圖1是該溫度測量系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖。該電路系統(tǒng)包括八路獨(dú)立的恒流源以及兩套獨(dú)立的通道選擇、緩沖、可編程增益(Programmable Gain Amplifier, PGA)、低通濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路以及數(shù)字控制電路等。在實(shí)際測量時，八路恒流源分別激勵八路四線制溫度傳感器，溫度傳感器輸出的模擬電壓經(jīng)過通道選擇、緩沖器、可編程增益，低通濾波器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。

圖1　溫度測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

電路采用STM32F103ZET6作為控制核心。STM32F103ZET6采用ARM CortexTM-M3內(nèi)核，具有32位數(shù)據(jù)處理能力，系統(tǒng)時鐘經(jīng)過鎖相環(huán)可以增至72 MHz。STM32F103ZET6片上具有豐富的外設(shè)，包括7組通用I/O口(GPIO)GPIOA~GPIOG、 5路異步串行通信口(USART1~USART5)、 3路串行外設(shè)接口(Serial Peripheral Interface, SPI)以及8個定時器等。這些豐富的外設(shè)給電路的設(shè)計(jì)帶來了極大的方便[2]。

在電路中同時采用了以下電路模塊，首先為了方便人機(jī)交互使用了一個獨(dú)立鍵盤和一塊分辨率為256×64的OLED；其次，使用了一個隔離的RS232通信接口和一個以太網(wǎng)通信接口用于和外部的機(jī)器通訊。隔離的RS232通信在方便近距離串行通信的同時也具有避免通信電纜上的浪涌電壓對電路系統(tǒng)造成損壞。RS232通信的隔離是通過具有2.5 kV隔離、單通道收發(fā)器芯片ADM3251E實(shí)現(xiàn)的。ADM3251E非常適合于在電磁環(huán)境惡劣的環(huán)境下使用。以太網(wǎng)通信電路是基于10 Mbps帶寬以太網(wǎng)芯片ENC28J60，滿足應(yīng)用的需求。再者，使用了基于IS62WV51216的1 M字節(jié)擴(kuò)展RAM和基于W25Q64的8 M字節(jié)的Flash用于數(shù)據(jù)的處理和記錄。一個蜂鳴器和多個LED被設(shè)計(jì)用于當(dāng)預(yù)設(shè)的情況發(fā)生時產(chǎn)生報警信號提示用戶。最后，當(dāng)設(shè)定的測量通道溫度超出預(yù)設(shè)范圍后，兩路繼電器將會產(chǎn)生輸出信號用于控制外部器件。

1.2溫度測量電路原理和分析

由上文可知該低溫測量電路系統(tǒng)包括八路獨(dú)立的恒流源以及兩套獨(dú)立的通道選擇、緩沖、可編程增益、低通濾波和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。圖2中所示為其中一路恒流源和一套通道選擇、緩沖、可編程增益、低通濾波和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。

圖2　溫度測量電路前端

圖2中，芯片U1 (AD8221)、U2 (ADG1409) 和 U3 (OPA602)組成了一個恒流源電路。圖中所示的2.5 V基準(zhǔn)電壓由基準(zhǔn)電壓芯片ADR421產(chǎn)生。2.5 V的基準(zhǔn)電壓經(jīng)過儀表運(yùn)放AD8221緩沖輸出，使得該芯片的7腳和6腳之間的電壓為2.5 V。由于OPA602的深度負(fù)反饋，使得AD8221的6腳電壓等于OPA602的3腳電壓。在電路中，模擬多路復(fù)用器U2 ADG1409是一個關(guān)鍵的元件，它的導(dǎo)通電阻最大只有4.7 Ω，ADG1409選擇3路電阻中的一路導(dǎo)通。為保證恒流源輸出電流的精度，3路電阻R1(2.5 kΩ)、R2(25 kΩ) 和R3(250 kΩ)必須使用千分之一精度的金屬膜電阻。設(shè)Ron為選擇通道導(dǎo)通電阻，則該通道的輸出電流為：

(1)

在忽略誤差的情況下，由上式可得，恒流源輸出的3種電流值分別為1 mA、100 μA和10 μA。

四線制溫度傳感器被恒流源激勵后輸出的模擬電壓采用差分方式輸出。在電路中，瞬態(tài)抑制二極管(Transient Voltage Suppressor, TVS)D2 (PTVS5V0P1UP)用于抑制引線上的浪涌電壓，D2的泄漏電流僅1 nA。STM32F103ZET6控制模擬多路復(fù)用器ADG5409選擇四路差分信號中的一路導(dǎo)通并輸出至緩沖電路。緩沖電路由高精度自穩(wěn)零雙運(yùn)算放大器AD8639構(gòu)成，用于消除信號通路上的導(dǎo)線電阻以及模擬開關(guān)導(dǎo)通電阻對后級模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的影響。

PGA、低通濾波器和ADC集成在一塊芯片AD7193上。AD7193是一個具有完全模擬前端的低噪聲24位Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。模數(shù)轉(zhuǎn)換的參考電壓取自恒流源電路中基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生芯片ADR421輸出的2.5 V基準(zhǔn)電壓。AD7193內(nèi)部的PGA在保持低噪聲、高性能的同時，增益可以編程至1、 8、16、32、64或128。因此，幅值非常小的信號同樣可以輸入至AD7193。AD7193內(nèi)部同時提供了一個非常靈活的數(shù)字濾波器，濾波器可以編程工作在sinc3或sinc4濾波器狀態(tài)，同時，通過合適的設(shè)置，濾波器可以對50 Hz或者60 Hz工頻干擾進(jìn)行非常強(qiáng)的抑制。

在本電路設(shè)計(jì)中，AD7193被設(shè)置在單極性差分工作模式，設(shè)PGA的增益為G，參考電壓為Vref，輸入信號為Vi，則任意模擬輸入電壓的輸出碼d可以表示為：

(2)

其中：

N=24, Vref=2.5 V。

基于以上的設(shè)置，輸入信號Vi的范圍為：

(3)

進(jìn)一步，如果傳感器為電阻型溫度傳感器，則最大的被測電阻值為：

(4)

輸入信號的幅值Vi可以通過公式(2)求出，進(jìn)一步，如果溫度和傳感器輸出信號的關(guān)系已知，則可以求出相應(yīng)的溫度值。

1.3電路精度分析

測量電路的精度主要取決于兩個部分：恒流源電路輸出電流的精度以及對傳感器輸出信號的處理電路的精度。圖2中恒流源電路部分，由于AD8221和OPA602的失調(diào)以及模擬多路復(fù)用器ADG1409的導(dǎo)通電阻的影響，輸出恒流源的精度很難進(jìn)一步提高，在本設(shè)計(jì)中，恒流源的輸出精度大約在0.1%。傳感器輸出信號處理電路部分，采用差分結(jié)構(gòu)以及超高精度運(yùn)算放大器AD8639構(gòu)成的低噪聲緩沖電路，AD8639是一個自穩(wěn)零雙運(yùn)算放大器，其典型失調(diào)僅3 μV,、溫漂0.01 μV/ ℃以及1.2 μVp-p(0.1 Hz to 10 Hz)的噪聲，電路具有很高的精度，信號的總體誤差在2~3 μV。電路的帶寬被AD7193的數(shù)字濾波器設(shè)置在50 Hz以內(nèi)。因此為了進(jìn)一步提高測量的精度，需要對恒流源的電流值進(jìn)行校準(zhǔn)工作，校準(zhǔn)是通過恒流源電流激勵多個已知阻值的高精度電阻，測其兩端的電壓。即使用電阻代替溫度傳感器，如下式所示：

(5)

其中：I是需要校準(zhǔn)的恒流源的電流值，R為被恒流源激勵的已知阻值的電阻值，Vos為傳感器輸出信號處理電路部分的誤差，d為模數(shù)轉(zhuǎn)換的輸出碼，Vref是模數(shù)轉(zhuǎn)換的2.5 V參考電壓。

當(dāng)電路預(yù)熱工作一段時間穩(wěn)定后，兩個已知阻值的精密電阻先后被同一個恒流源激勵，通過兩次測量可以求出(5)式中的電流值I和信號處理部分的電壓偏差Vos，如式(6)所示。在該校準(zhǔn)中，電路中的元件均具有非常低的溫漂，溫漂可以忽略不計(jì)。

(6)

2系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)

程序的整體工作流程如圖3所示。

圖3　程序流程圖

如圖3 程序流程圖所示，程序處理的關(guān)鍵部分如下：

1)系統(tǒng)的初始化。在此部分，程序主要讀取存儲在Flash中的設(shè)置參數(shù)，并根據(jù)參數(shù)初始化測量系統(tǒng)。包括，存儲在Flash中的傳感器分度表、恒流源參數(shù)、ADC參數(shù)、串口相關(guān)參數(shù)、以太網(wǎng)相關(guān)參數(shù)、OLED顯示屏參數(shù)、繼電器和蜂鳴器報警保護(hù)參數(shù)等。

2)執(zhí)行ADC轉(zhuǎn)換以及溫度轉(zhuǎn)化。測量系統(tǒng)分時復(fù)用，輪流進(jìn)行八個通道的溫度測量。當(dāng)測量通道關(guān)閉時，系統(tǒng)將不會對關(guān)閉的通道進(jìn)行測量。讀到測量數(shù)據(jù)后，程序通過查表法計(jì)算測量通道的溫度。

3)基于串口和以太網(wǎng)通信指令處理。串口通信和以太網(wǎng)通信公用一套通信指令，程序判斷通信的方式并執(zhí)行相應(yīng)的指令處理。每個指令均由單獨(dú)的程序處理。程序的處理過程大致如下代碼所示：

define Cmd_Number 31//定義指令的個數(shù)

typedef enum //重定義通信方式

{Cmd_USART=0,Cmd_Ethernet} Cmd_Type;

typedef void (*CmdFun_Type) (Cmd_Type);

//定義指令處理函數(shù)指針類型

CmdFun_Type Cmd_Fun[Cmd_Number] = {

//聲明一個指令處理函數(shù)指針數(shù)組，調(diào)用不//同的函數(shù)處理相應(yīng)的指令

//函數(shù)指針名在此省略

};

當(dāng)程序接收到指令后，判斷是何種指令，并通過吊桶指針數(shù)組中的函數(shù)指針處理指令。

4)OLED顯示屏以及操作界面設(shè)置處理。OLED配合獨(dú)立按鍵作為人機(jī)交互接口。程序的編寫采用有限狀態(tài)機(jī)模式，由當(dāng)前狀態(tài)和按鍵的輸入狀態(tài)改變程序的工作狀態(tài)。對于使用按鍵設(shè)置和輸入?yún)?shù)非常適合。

3實(shí)際數(shù)據(jù)測量

本文電路的設(shè)計(jì)用于支持由恒流源驅(qū)動的多種類型溫度傳感器，例如：電阻型溫度傳感器和二極管型溫度傳感器。對于一個特定的溫度傳感器，如果使用合適的數(shù)據(jù)處理算法可以得到更高的溫度測量精度[2, 4]。由于不同類型的溫度傳感器具有不同特性，本文并未對特定的傳感器溫度和輸出信號的關(guān)系進(jìn)行討論?；谝陨显?，本文對電路測量精度的測試采用1%或1‰精度的金屬膜電阻代替溫度傳感器。對于一些正溫度系數(shù)電阻型傳感器，以PT100為例，其阻值在低溫環(huán)境下會降至20 Ω以下，但是對于一些負(fù)溫度系數(shù)溫度傳感器，在低溫環(huán)境下，其阻值會增至100 kΩ柑以上。在本測試中，選用11個阻值在1 Ω~100 kΩ的金屬膜電阻進(jìn)行測試，這些電阻的更精確的電阻值由電橋TH2817B測量，如表1所示。

表1　實(shí)際被測電阻

在設(shè)計(jì)中，恒流源輸出的電流值和PGA的增益通過軟件進(jìn)行預(yù)設(shè)。如果改變PGA的增益，需要對AD7193內(nèi)部執(zhí)行零電平校準(zhǔn)和滿量程校準(zhǔn)，并且校準(zhǔn)工作非常耗費(fèi)時間。因此，在程序中不能頻繁的更改PGA的增益。如果恒流源的輸出電流和PGA的增益確定，那么電路能夠測量的傳感器最大電阻值可以通過(4)式求得。如表2所示，表中I是恒流源的輸出電流值，G為PGA的增益。

表 2　理論最大可測電阻值

在實(shí)際的數(shù)據(jù)測量中，AD7193內(nèi)部的PGA增益被設(shè)置為1，同時數(shù)據(jù)進(jìn)行以8為均值進(jìn)行處理。每個被測電阻均被測量200次以上。恒流源3種不同電流值激勵電阻的測量結(jié)果如表3、表4和表5所示。

表3　1 mA恒流源激勵測試結(jié)果

表4　100 μA恒流源激勵測試結(jié)果

表5　10 μA恒流源激勵測試結(jié)果

由測量結(jié)果可知，基本的測量誤差和恒流源的電流成線性關(guān)系。當(dāng)恒流源的電流值為10 μA時，測量誤差相對于恒流源電流值為1 mA和100 μA的較高。但是在低溫測量領(lǐng)域，10 μA恒流源常用于激勵NTC型電阻溫度傳感器，此時傳感器通常具有非常高的靈敏度，例如，CX-1070在10K左右的靈敏度約為-103Ω/K，因此，最后的測量精度仍然相對較高。從測量結(jié)果可知，電路測量精度滿足NBI的需求。

4結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種支持多種溫度傳感器的多通道低溫測量電路。用于激勵溫度傳感器的恒流源電流值可以通過軟件預(yù)設(shè)為1 mA, 100 μA or 10 μA，由此實(shí)現(xiàn)支持多種由恒流源驅(qū)動的不同類型的溫度傳感器。瞬態(tài)抑制二極管的合理應(yīng)用和隔離型RS232通信可以保證電路可以工作在惡劣的環(huán)境中。

參考文獻(xiàn)：

[1]Zhao Y Z, Hu C D, Sheng P, et al. Design of timing system software on EAST-NBI [J]. Journal of Fusion Energy，2013, 32:557-560.

[2]Yi X J, Liu C M.Development of high-precision temperature measurement system based on ARM [A]. The ninth international conference on electronic measurement & instruments[C]. Beijing, 2009:795-799.

[3]鄭澤祥，姜周曙，黃國輝，等. 鉑電阻高精度溫度測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)電工程， 2013, 30(12):1494-1497.

[4]Kochan O, Kochan R, Bojko O, et al. Temperature measurement system based on thermocouple with controlled temperature field [A]. 2007 4th IEEE Workshop on Intelligent Data Acquisition and Advanced Computing Systems, Technology and Applications[C]. 2007: 47-50.

Multi-channel and Multi-sensor Low Temperature Measurement System

Cui Kui, Hu Chundong, Xie Yuanlai, Cheng Bin, Ma Changcheng, Yang Sihao, Yi Wei

(Institute of Plasma Physics, Chinese Academy of Sciences, Hefei230031, China)

Abstract:A set of temperature measurement points must be arranged on the cryopumps of neutral beam injector (NBI) for the purpose of monitoring their status. A kind of multi-channel low temperature measurement system is designed to meet the demand of NBI which could support multiple temperature sensors. 24-bit sigma-delta (Σ-Δ) analog-to-digital converter (ADC) AD7193 is adopted to perform analog-to-digital conversion. An ARM processor STM32F103ZET6 is used for setting the value of constant current source, switching different channels, controlling ADC, sending the data to the Ethernet by using TCP/IP protocol, RS232 data communication, data processing and controlling some other parts of the circuit. The circuit can be applied in low temperature measurement field which adopts four-wire temperature sensors driven by constant currents.

Keywords：low temperature measurement circuit; multi-channel; multi-sensor; current source; cryopump

文章編號：1671-4598(2016)02-0038-04

DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.02.010

中圖分類號：TH811; TP212

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：崔奎(1990-)，男，安徽蒙城人，碩士研究生，主要從事低溫測量方向的研究。謝遠(yuǎn)來(1974-)，男，安徽潛山人，研究員，主要從事低溫真空方向的研究。

基金項(xiàng)目：國家磁約束核聚變能發(fā)展研究專項(xiàng)項(xiàng)目(2013GB101000)。

收稿日期：2015-08-24；修回日期：2015-09-24。