徐 偉 莊建軍 常建華

(1. 南京信息工程大學(xué) 工程訓(xùn)練中心， 南京 210044)(2. 南京信息工程大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院， 南京 210044)

“創(chuàng)新實(shí)踐”“綜合電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)”是電子信息類(lèi)重要的實(shí)踐課程[1-2]。該課程要求學(xué)生綜合運(yùn)用電子信息專(zhuān)業(yè)和數(shù)理基礎(chǔ)知識(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)功能完整的電子系統(tǒng)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新和解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例設(shè)計(jì)是課程目標(biāo)達(dá)成度實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，支撐工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)要求[3-4]。

南京信息工程大學(xué)為具有氣象行業(yè)特色的一流學(xué)科建設(shè)高校[5]。對(duì)接行業(yè)需求、注重學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)是行業(yè)特色高校共有的特征[6-8]。該校電子信息工程專(zhuān)業(yè)為國(guó)家一流本科專(zhuān)業(yè)、國(guó)家級(jí)特色專(zhuān)業(yè)建設(shè)點(diǎn)，已通過(guò)了工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證。面向地方和中國(guó)氣象行業(yè)發(fā)展，培養(yǎng)能承擔(dān)氣象探測(cè)、電路與系統(tǒng)等領(lǐng)域研發(fā)工作的人才。為貫徹工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證理念，該校面向電子信息類(lèi)本科生開(kāi)設(shè)的實(shí)踐課程融入了氣象觀(guān)測(cè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。自動(dòng)氣象站工作在野外環(huán)境且測(cè)溫精度高，以此為背景，設(shè)計(jì)氣象行業(yè)測(cè)溫系統(tǒng)，引導(dǎo)學(xué)生探索提高精度的措施。

1 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目背景、任務(wù)和知識(shí)導(dǎo)圖

不同行業(yè)對(duì)溫度測(cè)量范圍、精度、傳感器類(lèi)型的要求不同[9-10]。氣象行業(yè)測(cè)溫具有精度高、負(fù)溫度范圍寬、采用模擬傳感器的特點(diǎn)[11-12]。傳統(tǒng)測(cè)溫實(shí)驗(yàn)常采用SHT75、18B20等數(shù)字傳感器設(shè)計(jì)，誤差通常大于±0.3 ℃,不滿(mǎn)足氣象行業(yè)的要求[12]。

圖1為中國(guó)氣象局氣象觀(guān)測(cè)實(shí)習(xí)基地，溫度傳感器采用鉑電阻Pt100，置于百葉箱內(nèi)，采集器與傳感器的連線(xiàn)長(zhǎng)度通常大于1 m，連線(xiàn)本身的電阻、信號(hào)鏈電路的干擾等都直接影響測(cè)量精度。

圖1 氣象觀(guān)測(cè)實(shí)習(xí)基地

實(shí)驗(yàn)任務(wù)：采用傳感器Pt100，設(shè)計(jì)滿(mǎn)足我國(guó)自動(dòng)氣候站觀(guān)測(cè)精度的測(cè)溫系統(tǒng)。要求：① 傳感器Pt100到采集器測(cè)量端的引線(xiàn)長(zhǎng)度大于1 m。②溫度和對(duì)應(yīng)電阻的測(cè)量范圍：-50 ℃～+50 ℃(80.31 Ω～119.40 Ω)，最大允許誤差±0.1 ℃(約±40 mΩ)；作品測(cè)試時(shí)采用實(shí)驗(yàn)室不同阻值的標(biāo)準(zhǔn)電阻(溫漂：1 ppm/℃，精度：10-4)接入傳感器接線(xiàn)端子，根據(jù)阻值與溫度關(guān)系計(jì)算誤差。③從Pt100連線(xiàn)方式、新型集成器件運(yùn)用、隔離等角度，采取硬件措施提高測(cè)量精度。④從采樣濾波、軟件擬合等角度，采用軟件措施提高測(cè)量精度。

通過(guò)對(duì)提高精度措施的探索，讓學(xué)生掌握現(xiàn)代精密電阻式溫度探測(cè)器(RTD)的設(shè)計(jì)方法，注重對(duì)新技術(shù)的跟蹤能力。項(xiàng)目涉及的專(zhuān)業(yè)知識(shí)導(dǎo)圖如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的專(zhuān)業(yè)知識(shí)導(dǎo)圖

2 教學(xué)設(shè)計(jì)與引導(dǎo)

2.1 傳統(tǒng)方案及誤差分析

安排設(shè)計(jì)任務(wù)后，不少學(xué)生給出了圖3的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。虛線(xiàn)框內(nèi)為測(cè)量電路，通過(guò)兩根導(dǎo)線(xiàn)與傳感器的1、2兩端相連。利用基準(zhǔn)電壓源、集成運(yùn)放設(shè)計(jì)激勵(lì)電流源，電流經(jīng)過(guò)傳感器，將其電阻量Rx轉(zhuǎn)換為電壓量。 3、4兩端電壓Ux經(jīng)過(guò)儀表放大、偏置調(diào)整后進(jìn)入ADC采集，微控制器通過(guò)測(cè)得的電壓計(jì)算電阻值，根據(jù)電阻與溫度的函數(shù)關(guān)系求解溫度。

圖3 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

圖3方案難以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。存在的問(wèn)題主要有：①實(shí)際測(cè)得的電阻值包含了傳感器和連線(xiàn)的總電阻。在實(shí)際應(yīng)用中，傳感器離自動(dòng)站的測(cè)溫通道較遠(yuǎn)，線(xiàn)阻不能忽視。②電流源的精度和噪聲直接影響到測(cè)量精度。③為提高分辨力，被測(cè)電壓Ux與ADC輸入范圍須設(shè)計(jì)電路匹配。

2.2 傳感器接線(xiàn)配置

引導(dǎo)學(xué)生考慮Pt100的連線(xiàn)線(xiàn)阻對(duì)精度的影響。根據(jù)其兩端連線(xiàn)數(shù)目分為二線(xiàn)、三線(xiàn)和四線(xiàn)制，如圖4所示。傳感器為Pt100，r1～r4為Pt100連接線(xiàn)線(xiàn)阻，RL為負(fù)載電阻。

圖4 接線(xiàn)配置與線(xiàn)阻誤差

圖4(a)的兩線(xiàn)制接法中，激勵(lì)電流I已知，欲通過(guò)測(cè)量端子1、2之間的電壓Ux計(jì)算被測(cè)電阻Rx。但實(shí)際上計(jì)算的電阻值包含了線(xiàn)阻r1和r2，即式(1)

(1)

圖4(b)三線(xiàn)制接法中，為抵消線(xiàn)阻，測(cè)量端分別于端口1、2提供兩個(gè)激勵(lì)電流I1和I2測(cè)量1、2之間的電壓Ux，則有式(2)

Ux=(r1+Rx)I1-r2I2

(2)

當(dāng)滿(mǎn)足I1=I2=I且r1=r2時(shí)，有式(3)

(3)

若兩激勵(lì)電流匹配，且連線(xiàn)的材料、長(zhǎng)度、所處環(huán)境相同時(shí)，根據(jù)公式(3)計(jì)算得到的電阻值即為Pt100的電阻值。

圖4(c)四線(xiàn)制接法中，1、4為激勵(lì)電流回路，2、3為電壓測(cè)量回路。將電流和電壓回路分開(kāi)，測(cè)得電壓Ux即為Pt100兩端的電壓值。線(xiàn)阻對(duì)測(cè)量精度沒(méi)有影響。

綜上可知，采用二線(xiàn)制RTD時(shí)，線(xiàn)阻會(huì)計(jì)入測(cè)量結(jié)果，誤差較大。三線(xiàn)制和四線(xiàn)制都可減小線(xiàn)阻，但三線(xiàn)制需要約束條件，即兩電流源匹配。四線(xiàn)制精度最高。

2.3 比例式測(cè)量方法

傳感器采用三線(xiàn)或四線(xiàn)制接法，可以避免線(xiàn)阻的影響。但由式(3)可知，激勵(lì)電流的精度和噪聲會(huì)影響測(cè)量，為避免該問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生剖析我國(guó)ZQZ系列自動(dòng)氣象站的測(cè)量原理，該氣象儀器采用比例式測(cè)量方法[13]。測(cè)量原理如圖5。

圖5 比例式測(cè)量減小激勵(lì)電路噪聲誤差

Pt100采用四線(xiàn)制連線(xiàn)，將其與一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電阻Rref串聯(lián)。微控制器控制激勵(lì)電流的通斷，ADC分別測(cè)量Pt100、標(biāo)準(zhǔn)電阻Rref兩端的電壓Ux和Uref，則有式(4)

(4)

兩電壓轉(zhuǎn)換的數(shù)字量分別對(duì)應(yīng)Dx和Dref，當(dāng)兩路ADC位數(shù)和參考電壓相同時(shí)，則有式(5)

(5)

由式(4)和(5)得：

(6)

由式(6)可知，被測(cè)電阻Rx的測(cè)量精度與電流源的精度和噪聲無(wú)關(guān)，但要求標(biāo)準(zhǔn)電阻具有高精度。

2.4 新型器件實(shí)現(xiàn)三線(xiàn)制比例式測(cè)量

分析圖5所示的比例式測(cè)量方案，需要設(shè)計(jì)電流源；需要精密ADC分別對(duì)Pt100和標(biāo)準(zhǔn)電阻上的電壓進(jìn)行采樣。進(jìn)一步優(yōu)化電路，ADI、TI公司推出了內(nèi)置了程控電流源的ADC器件，非常適合于精密RTD。通過(guò)配置寄存器可控制其電流輸出，且ADC的參考電壓范圍寬，可直接采用標(biāo)準(zhǔn)電阻上的電壓作為其參考，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。

圖6為采用AD7793實(shí)現(xiàn)三線(xiàn)制RTD。連線(xiàn)線(xiàn)阻分別為r1、r2和r3。ADC內(nèi)集成了電流源IOUT1和IOUT2。設(shè)AIN1(+)與AIN1(-)之間的差分電壓為Ux，則有式(7)

Ux=I1r1+I1Rx-I2r2

(7)

圖6 新型器件實(shí)現(xiàn)三線(xiàn)制比例式測(cè)量

直接采用標(biāo)準(zhǔn)電阻Rref兩端的電壓作為ADC的參考電壓。則有式(8)

Uref=(I1+I2)Rref

(8)

當(dāng)傳感器Pt100連線(xiàn)的長(zhǎng)度、材質(zhì)、環(huán)境相同，且通過(guò)寄存器設(shè)置兩激勵(lì)電流相同，即r1=r2，I1=I2時(shí)，有式(9)、(10)

(9)

(10)

其中，Dx為被測(cè)電壓Ux轉(zhuǎn)換的數(shù)字量，N為ADC的位數(shù)。

2.5 新型器件實(shí)現(xiàn)四線(xiàn)制比例式測(cè)量

利用內(nèi)置電流源的ADC設(shè)計(jì)三線(xiàn)RTD時(shí)，要求傳感器的線(xiàn)阻相同、激勵(lì)電流匹配。而四線(xiàn)RTD接法將電壓和電流回路分開(kāi)，無(wú)須約束條件。圖7為采用AD7793實(shí)現(xiàn)四線(xiàn)制比例式測(cè)量電路。

圖7 新型器件實(shí)現(xiàn)四線(xiàn)制比例式測(cè)量

Pt100和標(biāo)準(zhǔn)電阻Rref上流過(guò)的電流完全相同。則被測(cè)電阻Rx的計(jì)算公式為

(11)

ADC前端采用RC差模和共模濾波電路濾除干擾，按式(12)、(13)分別計(jì)算帶寬。

(12)

(13)

根據(jù)被測(cè)信號(hào)的特點(diǎn)，可將ADC前端共模濾波器的帶寬設(shè)置為幾kHz，差模濾波器的帶寬設(shè)置為幾百Hz。

2.6 隔離措施

采用隔離器件對(duì)電源和總線(xiàn)進(jìn)行隔離。例如，ADUM5401集成了總線(xiàn)和電源隔離的功能。采用一片ADUM5401即可實(shí)現(xiàn)對(duì)電源和總線(xiàn)的同時(shí)隔離，電路如圖8。

圖8 隔離電路減少數(shù)字系統(tǒng)干擾

圖8中VDD和GND為數(shù)字系統(tǒng)電源和地，經(jīng)過(guò)ADUM5401隔離后的電源和地分別為VDDiso和GNDiso。

2.7 提高精度的軟件措施

微控制器對(duì)ADC采樣值進(jìn)行濾波，以減小噪聲。調(diào)試讀取采樣值，觀(guān)測(cè)數(shù)值變化，采用去極值平均濾波對(duì)測(cè)量值進(jìn)行處理。

1)最小二乘法擬合傳感器曲線(xiàn)

讀取ADC濾波后的數(shù)值，根據(jù)傳感器阻值和溫度的函數(shù)關(guān)系，計(jì)算溫度。通常廠(chǎng)家給出了Pt100的分度表，可利用軟件擬合其電阻-溫度函數(shù)曲線(xiàn)，使擬合誤差達(dá)到最小。最小二乘法根據(jù)擬合后的誤差平方和最小來(lái)確定最佳擬合函數(shù)。設(shè)分度表中阻值Ri對(duì)應(yīng)的溫度值為T(mén)i，擬合的函數(shù)為T(mén)i′=f(Ri)，則擬合誤差為式(14)

Δi=|Ti-Ti′|=|Ti-f(Ri)|

(14)

求所有N個(gè)點(diǎn)的擬合誤差平方和為式(15)

(15)

若使誤差平方和Δ最小，則找到了最佳的擬合函數(shù)f(Ri)。根據(jù)PT100分度表擬合的函數(shù)為式(16)。圖9為溫度-電阻曲線(xiàn)。

(16)

圖9 傳感器曲線(xiàn)擬合減小轉(zhuǎn)換誤差

2)查表線(xiàn)性插值

微控制器也可采用查表插值法得到對(duì)應(yīng)溫度值。根據(jù)Pt100阻值與溫度的分度表，等間隔取部分對(duì)應(yīng)點(diǎn)，并在微控制器的嵌入式軟件中建立表格。若測(cè)得阻值為Rx，查表確定Rx處于鄰近點(diǎn)R[i]和R[i+1]之間，即R[i]

3)校準(zhǔn)補(bǔ)償

傳感器會(huì)出現(xiàn)老化現(xiàn)象，其曲線(xiàn)會(huì)漂移，設(shè)計(jì)存儲(chǔ)電路，保存曲線(xiàn)函數(shù)或分度表。上位機(jī)通過(guò)串行通信可將新的曲線(xiàn)關(guān)系寫(xiě)入存儲(chǔ)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的定期校準(zhǔn)。

2.8 設(shè)計(jì)參考資源

為提高學(xué)生使用新型器件設(shè)計(jì)電路的能力，引導(dǎo)學(xué)生利用網(wǎng)絡(luò)資源開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。充分利用網(wǎng)站提供的器件典型電路、應(yīng)用筆記等資源，如圖10。

圖10 引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用新型器件的教學(xué)資源

3 實(shí)驗(yàn)探究及教學(xué)效果

通過(guò)對(duì)學(xué)生的引導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)探索，優(yōu)化后的電路方案如圖11所示。提高精度的保障措施有：①采用四線(xiàn)制測(cè)量，減少了傳感器連線(xiàn)線(xiàn)阻的誤差；②選擇內(nèi)置電流源的ADC器件，減少模擬電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜度；③采用比例式測(cè)量方法，使得測(cè)量精度與激勵(lì)電流源的精度和噪聲無(wú)關(guān)；④比例式測(cè)量使Pt100兩端電壓范圍與參考電壓易匹配，減少了調(diào)理電路；⑤采用集成隔離器件減少數(shù)字對(duì)模擬部分的干擾；⑥ADC前端采用差分和共模輸入RC 濾波，減小噪聲干擾；⑦設(shè)計(jì)校準(zhǔn)補(bǔ)償電路，通過(guò)上位機(jī)可將新的傳感器曲線(xiàn)寫(xiě)入存儲(chǔ)器；⑧對(duì)ADC的采樣值進(jìn)行濾波、對(duì)傳感器特性曲線(xiàn)進(jìn)行高精度擬合，減小電阻量與溫度量轉(zhuǎn)換誤差。

圖11 教學(xué)引導(dǎo)后的實(shí)驗(yàn)電路

利用實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)電阻(精度萬(wàn)分之一，溫漂1 ppm/℃)作為測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，引導(dǎo)學(xué)生逐步探究提高測(cè)量精度的措施并觀(guān)察改善效果，如圖12、圖13。通過(guò)比例式測(cè)量、隔離干擾、傳感器曲線(xiàn)軟件擬合后，誤差約±40 mΩ。學(xué)生在完成該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目后，掌握了氣象行業(yè)測(cè)溫的特點(diǎn)和要求，熟悉了我國(guó)氣象裝備產(chǎn)品，提升了工程實(shí)踐能力。

4 教學(xué)實(shí)施

實(shí)驗(yàn)過(guò)程包括方案論證、器件選型、電路設(shè)計(jì)、硬軟件措施保障、校準(zhǔn)等環(huán)節(jié)。具體教學(xué)實(shí)施過(guò)程如下。

圖12 實(shí)驗(yàn)探究效果

圖13 測(cè)量模塊及上位機(jī)軟件

設(shè)計(jì)電路前：查閱文獻(xiàn)資料，熟悉我國(guó)氣象行業(yè)測(cè)溫要求和特點(diǎn)；講解兩線(xiàn)、三線(xiàn)、四線(xiàn)RTD和比例式測(cè)量方法的原理。

設(shè)計(jì)電路過(guò)程中：引導(dǎo)學(xué)生熟悉并采用內(nèi)置電流源的ADC器件；引導(dǎo)學(xué)生選擇合適的隔離器件設(shè)計(jì)抗干擾電路；指導(dǎo)學(xué)生采用Altium Designer設(shè)計(jì)規(guī)范的電路原理圖；分析計(jì)算ADC器件的輸入電壓范圍、參考電壓、分辨力等；檢查PCB的規(guī)范性，學(xué)生在對(duì)PCB打樣前，對(duì)整個(gè)PCB的布局布線(xiàn)規(guī)范性和合理性給出建議。

調(diào)試電路過(guò)程中：指導(dǎo)學(xué)生采用調(diào)試工具觀(guān)察程序執(zhí)行結(jié)果；要求學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室的高精度萬(wàn)用表和極低溫漂標(biāo)準(zhǔn)電阻對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試和誤差分析；引導(dǎo)學(xué)生思考采樣濾波、最小二乘法、校準(zhǔn)等軟件補(bǔ)償?shù)乃悸罚^(guān)測(cè)精度改善情況。

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后：組織學(xué)生答辯演示，設(shè)計(jì)報(bào)告要注重電路方案的論證、系統(tǒng)測(cè)試方法和數(shù)據(jù)分析、報(bào)告的規(guī)范性和邏輯性。

5 結(jié)語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目來(lái)源于氣象行業(yè)應(yīng)用背景，設(shè)計(jì)過(guò)程貫穿需求分析、實(shí)際產(chǎn)品解剖、比對(duì)測(cè)試。具有以下特色：①行業(yè)背景性。明確的氣象行業(yè)應(yīng)用背景，滿(mǎn)足了特色專(zhuān)業(yè)建設(shè)、工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證培養(yǎng)目標(biāo)的需求。②方法多樣性。激勵(lì)源、測(cè)量電路、軟件保障措施的多樣性。③工程技巧性。融入新型器件運(yùn)用、抗干擾措施等工程技巧，培養(yǎng)了學(xué)生的工程能力。④學(xué)科融合性。將最小二乘法、線(xiàn)性插值法等引入到實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，提高學(xué)生綜合運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)的能力。

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)的RTD不僅應(yīng)用于氣象行業(yè)，三線(xiàn)RTD在工業(yè)測(cè)溫中的應(yīng)用也十分廣泛[14-15]。且項(xiàng)目采用的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、器件為實(shí)驗(yàn)室常規(guī)設(shè)備或易購(gòu)買(mǎi)，使得該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目具有教學(xué)推廣價(jià)值。