黃巧峰，任勇峰，賈興中

(中北大學(xué)，電子測試技術(shù)國家重點實驗室，山西太原 030051)

0 引言

由于工業(yè)現(xiàn)場中測溫環(huán)境的特殊性和多點溫度監(jiān)測的實際需求，要求溫度傳感器有大的量程，高的測量精度和穩(wěn)定性［1］。而K型熱電偶作為一種成本較低、構(gòu)造簡易、溫度測量范圍廣的溫度傳感器，其輸出的小電壓信號與熱電偶兩端之間的溫差近似為線性關(guān)系，被廣泛應(yīng)用于工程實踐當(dāng)中。

本文從K熱電偶冷端補償?shù)闹匾猿霭l(fā)，設(shè)計了以冷端自動補償和射頻濾波為核心的模擬信號調(diào)理電路。信號采集方面使用C8051F352單片機，利用其Sigma-Delta型ADC實現(xiàn)高精度高分辨率的A/D采樣，同時進行數(shù)據(jù)編幀、串口通信，并通過分析上位機采集數(shù)據(jù)的精度證明該設(shè)計可進行高精度、寬范圍的多通道數(shù)字測溫。

1 設(shè)計要求及方案制定

基于K型熱電偶的多通道數(shù)字溫度采集系統(tǒng)要求可同時進行四通道溫度采集，測溫范圍是－20～1300℃，測量誤差小于1℃。

圖1為該設(shè)計的方案框圖。四路K型熱電偶溫度傳感器測量信號首先進行模擬信號的調(diào)理，以射頻濾波、冷端自動補償為核心，提高信號的精度和抗干擾能力。C8051F352作為核心控制器對四路模擬信號進行采集處理，主要完成A/D轉(zhuǎn)換、模擬開關(guān)切換、數(shù)據(jù)編幀及串口通信等功能。最后通過ADM2682E轉(zhuǎn)換成422差分信號發(fā)送至上位機進行數(shù)據(jù)分析、繪圖。

圖1 方案框圖

2 模擬信號調(diào)理電路設(shè)計

2.1 冷端補償電路設(shè)計

熱電偶產(chǎn)生的熱電勢大小，與熱電偶的兩端溫度有關(guān)。其溫度與熱電勢關(guān)系曲線是在冷端溫度為0℃時分度的，然而一般情況下，冷端的溫度并不固定，而是隨室溫變化，必然引起測量誤差，因此進行冷端補償是提高溫度測量精度的關(guān)鍵。

AD8495是針對K型熱電偶的微功耗儀表運算放大器，由于其內(nèi)部包含一個溫度傳感器，可以通過感知環(huán)境溫度的變化來自動實現(xiàn)熱電偶的冷端補償。具有精度高、體積小、調(diào)試簡單、冷端溫度補償范圍大等優(yōu)點。同時該放大器還具有良好的共模抑制能力，可以抑制熱電偶的長引線拾取的共模噪聲，并避免地電位的變化和多余共模噪聲對電路的影響［2］。

電路設(shè)計如圖2所示，由于放大器的輸入為PNP型晶體管，偏置電流總是從輸入端流出，通過將放大器的正向輸入端接地，并串接一個接地電阻(1 MΩ)，利用產(chǎn)生的輸入偏置電流將所有未連接的輸入驅(qū)至高電平，到達供電軌。同時，接地電阻也起著共模電壓的接地作用。但是放大器的輸入端只能使用一個接地電阻，其他多余的接地對熱電偶微弱電壓信號進入放大器時形成干擾，原因是多余的接地通過熱電偶形成接地環(huán)路［3］。

圖2 前端射頻濾波器和冷端自動補償電路設(shè)計

2.2 RFI射頻濾波器設(shè)計

工業(yè)現(xiàn)場的測溫環(huán)境通常帶有強射頻干擾，容易對電路中的儀表放大器內(nèi)部形成射頻整流，不需要的各種干擾信號可以通過各種途徑進入敏感模擬電路，即除所需信號外，輸出端還會出現(xiàn)直流誤差，最后造成輸出電壓失調(diào)［4］。射頻整流也使得運放輸入端的有效共模信號急劇減小，無法正常工作。

為提高電路的抗干擾能力，濾除射頻高頻信號。輸入前端設(shè)計了一個 RFI射頻濾波器，如圖2所示。該濾波器包含2種帶寬，差分帶寬和共模帶寬［5］?？捎上率接嬎愕贸鲈撋漕l濾波器的差分帶寬與共模帶寬［6］。

－3 dB差分帶寬:

－3 dB共模帶寬:

射頻濾波器的設(shè)計主要有3個作用:從輸入端去除外界環(huán)境進入的射頻能量［7］，保持放大器輸入端和地之間的AC信號平衡，以及在測量帶寬內(nèi)保持足夠高的輸入阻抗以降低對輸入信號源的帶負載能力。

3 信號采集設(shè)計

3.1 C8051F352 A/D采集和串口通信

3.1.1 雙定時器實現(xiàn)模擬開關(guān)切換和均勻采樣

與SAR型ADC相比，C8051F352的16位Sigma-Delta型ADC是一種過采樣型ADC，也叫噪聲整型ADC［8］。它是以微分－積分的方式調(diào)整脈沖寬度，以脈沖平均值代替量化，通過極低的周期延時去實現(xiàn)更加精確的確定性采樣，對于頻率較低但是要求更高分辨率和準(zhǔn)確度的溫度信號來說，使用Sigma-Delta型ADC可實現(xiàn)更高精度的信號采樣［9－10］。該ADC有2個獨立的抽取濾波器(SINC3濾波器和快速濾波器)，采樣電容的開關(guān)頻率大小主要取決于調(diào)制器時鐘。當(dāng)調(diào)制器時鐘頻率(MDCLK)為2.457 6 MHz時，ADC的性能最佳，調(diào)制器以MDCLK/128的速率對輸入信號進行采樣［11］。

選取濾波器進行抽取采樣時，由于新通道的模擬輸入與前一個通道的模擬輸入不同，濾波器必須重新建立。因此，C8051F352單片機無法啟動A/D采集后切換模擬開關(guān)進行選通道采樣、賦值。為實現(xiàn)4個通道模擬信號的均勻采樣，在程序設(shè)計中利用定時器的精確定時的功能。設(shè)計要求A/D采樣率為100 Hz，即每個通道的采樣頻率均為25 Hz，即重復(fù)一個通道的采樣間隔為40 ms，串口發(fā)送的波特率為115 200 bit/s。

幀結(jié)構(gòu)包括幀頭、4個通道的高低字節(jié)數(shù)字量、幀計數(shù)以及校驗和共14個字節(jié)，采用9位串口通信方式(含奇校驗)。為提高采樣精度，需要增加每個通道的A/D轉(zhuǎn)換周期，在采樣率保持不變的情況下，盡可能縮短串口發(fā)數(shù)時長，使時間利用率最大化。

串口發(fā)數(shù)時長約為14×11/115 200=1.337 ms

考慮語句執(zhí)行和等待的時間，我們采用9.5 ms+9.5 ms+9.5 ms+9.5 ms+2 ms 的時間分配。利用定時器的精確定時特點，使用雙定時器，定時器2設(shè)定時時長為9.5 ms，期間進行A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)緩存以及切換通道。定時器3設(shè)定時時長為2 ms，期間進行串口發(fā)數(shù)。循環(huán)進行，保證重復(fù)進行一個通道A/D轉(zhuǎn)換的時間間隔為40 ms，實現(xiàn)均勻采樣。初始化時1通道選為初始通道，具體的程序設(shè)計如圖3所示。

圖3 程序設(shè)計流程框圖

在調(diào)試過程中，通過將LED燈的狀態(tài)反轉(zhuǎn)語句放置在程序中的不同位置，利用示波器去驗證定時器時長以及串口發(fā)數(shù)間隔，驗證程序設(shè)計邏輯是否正確。

測試結(jié)果如圖4所示，每個通道的A/D轉(zhuǎn)換循環(huán)進行，串口發(fā)送一幀數(shù)據(jù)的時間間隔為40 ms，每個通道進行一次A/D采樣的時間間隔均為40 ms，符合均勻采樣。

3.1.2 濾波器選擇與抽取比分析

不同的抽取濾波器和抽取比對A/D轉(zhuǎn)換的周期、精度以及采樣時的噪聲都有明顯差異。

為實現(xiàn)高精度、低噪聲的A/D采集，需要選擇一個合適的抽取采樣濾波器。SINC3濾波器需要3個轉(zhuǎn)換周期的信息生成一個ADC的輸出字，而快速濾波器僅需一個轉(zhuǎn)換周期就可以生成一個輸出字。因此在定時器2設(shè)定的9.5 ms時間內(nèi)，考慮到數(shù)據(jù)緩存以及切換通道等待的時間，選用SINC3濾波器進行A/D轉(zhuǎn)換，則抽取比最大可設(shè)定為60，若選用快速濾波器，則抽取比最大設(shè)定為176。相比較而言，快速濾波器使用更多調(diào)制器的采樣值來生成ADC輸出字，而SINC3濾波器使用更多的轉(zhuǎn)換周期生成輸出字。

圖4 示波器測試圖

為了實際比較2種濾波器的采樣精度，分別觀察使用不同的抽取比和濾波器對采樣精度的影響，通過上位機進行各通道采集數(shù)據(jù)的分離和繪圖。以第一通道為例，使用溫度校準(zhǔn)儀模擬輸入1 300℃的情況，數(shù)據(jù)繪圖結(jié)果如圖5所示。

通過對比分析可知，濾波器固定的情況下，抽取比越高，采樣精度越高，產(chǎn)生的噪聲干擾也就越小;在抽取比一定的情況下，添加SINC3濾波器和快速濾波器相比，數(shù)字量的波動更小，可以產(chǎn)生較低噪聲的結(jié)果。從圖5中可看出抽取比為60的SINC3濾波器的信號采集效果也優(yōu)于抽取比為176快速濾波器，故本次選用SINC3濾波器，抽取比為60。數(shù)字量波動＜70，A/D 采樣精度＜0.11%。

3.2 上位機設(shè)計

上位機軟件設(shè)計采用自頂向下、逐步細化的模式化設(shè)計。上位機的主要功能是對采集到的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)進行分通道提取數(shù)據(jù)、繪圖，判斷幀計數(shù)是否連續(xù)與校驗和是否正確，采集到的部分幀結(jié)構(gòu)如圖6所示。此時1通道K型熱電偶溫度為1 300℃。

4 分段線性擬合校正與測試驗證

通過上位機采集數(shù)據(jù)、繪圖后，需要對測得數(shù)據(jù)進行處理，去驗證測溫的范圍和精度?？紤]熱電偶自身測量的非線性，必須通過一定的計算方法消除測量的非線性，實現(xiàn)數(shù)字量與溫度值的一一對應(yīng)。

圖7中是將K型熱電偶分度表中的溫度與熱電勢采用最小二乘法線性擬合后的曲線，在0℃以下的線性度較差［12］。經(jīng)過反復(fù)線性擬合計算，將滿量程的測溫區(qū)間內(nèi)分成3段線性擬合，區(qū)間劃分為－270～0℃，0～500 ℃，500～1 372 ℃，擬合后的線性度可達0.999 9。

圖5 采樣精度對比分析圖

圖6 采集數(shù)據(jù)存儲幀格式

分段線性擬合系數(shù)見表1，測試時，用標(biāo)準(zhǔn)手持式K型熱電偶溫度傳感器(TJ36－CAXL－18E－12)測量不同溫度的輸入并記錄對應(yīng)的上位機數(shù)字量輸出，溫度梯度設(shè)置為100℃。實驗數(shù)據(jù)記錄及精度驗證分析見表2。

圖7 溫度與熱電勢線性擬合曲線

表1 分段多項式線性擬合系數(shù)

表2 實驗數(shù)據(jù)及精度驗證

將實驗數(shù)據(jù)驗證結(jié)果繪成折線圖見圖8，可知誤差精度優(yōu)于1℃。

圖8 不同溫度值與誤差精度關(guān)系

5 結(jié)束語

為解決工業(yè)上溫度測量的抗干擾能力低和多點監(jiān)測的實際需求，通過一種高精度多通道式數(shù)字溫度采集系統(tǒng)，首先集中分析了熱電偶測溫的冷端補償和射頻濾波的原理和必要性，并且針對溫度信號，通過Sigma-Delta型ADC進行高分辨率抽取采樣，提高了測量的精度，該測量系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用在高頻強干擾，穩(wěn)定性要求較好以及測量精確度要求較高的工程測溫環(huán)境中。