王 軍，張彥軍，梁曉輝

(1.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030051；2.中國(guó)工程物理研究院化工材料研究所，四川綿陽(yáng) 621900)

0 引言

在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，經(jīng)常需要對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行精確測(cè)量，溫度測(cè)量環(huán)境一般都比較惡劣[1-2]。熱電偶作為無(wú)源傳感器，不需要額外的供電，同時(shí)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、熱響應(yīng)快、精確度高等優(yōu)點(diǎn)[3]，所以在溫度測(cè)量領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

熱電偶本身產(chǎn)生的信號(hào)微弱，后續(xù)調(diào)理和數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸過(guò)程中很容易受干擾。傳統(tǒng)的做法是將熱電偶和測(cè)量裝置用標(biāo)稱值相同的補(bǔ)償導(dǎo)線連接[4-5]，或者通過(guò)溫度變送器把熱電偶信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)傳輸[6]，但如果補(bǔ)償導(dǎo)線過(guò)長(zhǎng)會(huì)造成熱電偶信號(hào)失真，測(cè)量的溫度不準(zhǔn)確，而且補(bǔ)償導(dǎo)線和溫度變送器都要考慮布線問(wèn)題。而無(wú)線通信的方式能夠解決上述復(fù)雜的布線問(wèn)題，減少數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程的信號(hào)干擾，降低測(cè)量成本，實(shí)現(xiàn)高速穩(wěn)定的信號(hào)傳輸[7]。因此，設(shè)計(jì)了一種無(wú)線傳輸?shù)臒犭娕紲y(cè)溫系統(tǒng)[8]。

1 總體設(shè)計(jì)

FPGA具有低功耗、集成度高、開(kāi)發(fā)周期短、低成本、高性能等優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)選用XC3S400作為主控單元[9-10]。硬件系統(tǒng)包括采集調(diào)理模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊、FLASH存儲(chǔ)模塊、CC3200無(wú)線通信模塊。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

首先將熱電偶傳感器產(chǎn)生的信號(hào)傳遞到調(diào)理電路，經(jīng)過(guò)補(bǔ)償、增益調(diào)理后，再由AD轉(zhuǎn)換模塊把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并將該數(shù)字信號(hào)傳給主控模塊進(jìn)行數(shù)字濾波、編碼處理，最后數(shù)據(jù)發(fā)送到射頻電路實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信。

圖1 系統(tǒng)流程圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 采集調(diào)理模塊的設(shè)計(jì)

AD8495是熱電偶專用補(bǔ)償參考結(jié)點(diǎn)溫度的精密儀表放大器，差分輸入特性使其具有較高的共模抑制比，降低引線的共模干擾。內(nèi)置溫度傳感器對(duì)熱電偶參考結(jié)點(diǎn)所處環(huán)境的溫度變化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以便補(bǔ)償。固定增益放大器放大熱電偶的微弱電信號(hào)，提供線性輸出。二級(jí)放大部分采用OP200AZ構(gòu)成同相比例放大器。調(diào)理電路原理圖如圖2所示。

圖2 調(diào)理電路原理圖

熱電偶輸入信號(hào)先經(jīng)過(guò)低通濾波，該濾波器是為了消除RF信號(hào)，如果任其輸入到AD8495可能會(huì)被整流，表現(xiàn)為溫度波動(dòng)。AD8495固定增益122.4，為了使輸出電壓符合AD轉(zhuǎn)換模塊的采集要求，二級(jí)放大倍數(shù)設(shè)為4。圖2中，“+WD”和“-WD”分別連接熱電偶的正極和負(fù)極，R1是阻值1 MΩ的接地電阻，主要為了實(shí)現(xiàn)AD8495的開(kāi)路檢測(cè)功能。根據(jù)AD8495的Vout管腳輸出的電壓可以導(dǎo)出測(cè)量溫度。

傳遞函數(shù)如下

T1=(VOUT-VREF)/(5 mV/℃)

式中：T1為測(cè)量溫度，℃；VOUT為AD8495的輸出電壓，mV;VREF為REF引腳的輸入?yún)⒖茧妷?，V。

主要是在單電源供電時(shí)測(cè)量負(fù)溫度使用，本設(shè)計(jì)中雙電源供電，故參考電壓引腳接地。

2.2 存儲(chǔ)模塊的設(shè)計(jì)

由于FPGA內(nèi)部存儲(chǔ)空間有限，所以本設(shè)計(jì)采用外部FLASH存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。FPGA芯片主要通過(guò)查詢FLASH存儲(chǔ)單元的工作狀態(tài)給其下發(fā)讀寫命令，將數(shù)據(jù)從RAM緩存器傳到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)功能。圖3所示為FLASH芯片的電路原理圖，為了實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，該芯片和FPGA通過(guò)排阻連接。

圖3 FLASH存儲(chǔ)單元的電路原理圖

2.3 CC3200無(wú)線通信模塊的設(shè)計(jì)

CC3200芯片的外圍電路原理圖如圖4所示，其中40 MHz的晶振用于提供片內(nèi)微處理器的振蕩時(shí)鐘，32.768 kHz的晶振主要為芯片內(nèi)部定時(shí)器和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)提供時(shí)鐘源。天線部分需要特別注意使用不同的濾波器時(shí)，在濾波器和天線之間的電容電感接法不同。

圖4 CC3200外圍電路原理圖

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 邏輯時(shí)序的設(shè)計(jì)

主控芯片XC3S400的主要功能是控制AD7606芯片的時(shí)序，以固定的采樣率獲取熱電偶采集的模擬電信號(hào)并對(duì)其量化處理。采樣時(shí)序如圖5所示，CONVSTA和CONVSTB短接在一起即圖中的ad_convstab，所有通道同時(shí)采樣。ad_busy在ad_convstab到達(dá)上升沿之后變?yōu)檫壿嫺唠娖?，轉(zhuǎn)換過(guò)程開(kāi)始，直到ad_busy下降沿表示轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)被存到輸出數(shù)據(jù)寄存器可供讀取。first_data在ad_cs下降沿脫離三態(tài)，與通道對(duì)應(yīng)的ad_rd下降沿將first_data置為高電平，表示輸出數(shù)據(jù)總線可以提供該通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果。

圖5 AD采樣時(shí)序圖

3.2 無(wú)線通信的實(shí)現(xiàn)

在數(shù)據(jù)接收設(shè)計(jì)中，采用中斷的方式保證CC3200能夠及時(shí)響應(yīng)UART傳來(lái)的數(shù)據(jù)，當(dāng)UART接口收到數(shù)據(jù)，程序立刻進(jìn)入中斷將接收到的數(shù)據(jù)緩存并打包等待無(wú)線發(fā)送。發(fā)送命令的設(shè)計(jì)是將中斷函數(shù)緩存的數(shù)據(jù)以TCP方式轉(zhuǎn)發(fā)，同時(shí)要配合上位機(jī)的指令控制。流程圖如圖6所示。

圖6 WiFi實(shí)時(shí)控制數(shù)據(jù)流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

針對(duì)本文的設(shè)計(jì)，在高低溫箱中分別測(cè)試使用補(bǔ)償導(dǎo)線和無(wú)線通信得到的數(shù)據(jù)，對(duì)比分析兩種傳輸方式的信號(hào)穩(wěn)定性。由于高低溫箱中的實(shí)際溫度實(shí)時(shí)變化，故采用標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻Pt100標(biāo)定高低溫箱中的實(shí)際溫度。無(wú)線通信的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示，每隔10 ℃左右測(cè)一次信號(hào),測(cè)量的電壓信號(hào)先經(jīng)過(guò)AD8495放大122.4倍，再由二級(jí)放大電路放大4倍得到，最后要在上位機(jī)軟件處理將數(shù)據(jù)還原為溫度格式。

表1 實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果

圖7(a)、(b)分別是采用補(bǔ)償導(dǎo)線和無(wú)線在距離20 m時(shí)測(cè)量的數(shù)據(jù)圖，圖中的趨勢(shì)線是按設(shè)計(jì)原理根據(jù)理論電壓和溫度關(guān)系繪制的?？梢钥闯鰣D7(a)由于補(bǔ)償導(dǎo)線過(guò)長(zhǎng)引起信號(hào)衰減和干擾現(xiàn)象，測(cè)量數(shù)據(jù)較理論值有所下降，波動(dòng)較大，超出允許誤差范圍。圖7(b)通過(guò)無(wú)線測(cè)量的數(shù)據(jù)和理論值高度契合，結(jié)果在允許誤差范圍內(nèi)。

(a)

(b)圖7 MATLAB數(shù)據(jù)分析

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的無(wú)線通信方式測(cè)量熱電偶傳感器的溫度有效地解決了補(bǔ)償導(dǎo)線過(guò)長(zhǎng)引起的信號(hào)衰減、傳輸過(guò)程中強(qiáng)電干擾耦合、布線復(fù)雜等問(wèn)題，使得檢測(cè)操作更加方便靈活。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，該方法提高了測(cè)量結(jié)果的可靠性和精確度。