摘要: 介绍一种带有CAN现场总线接口的多通道智能温度测量仪表的硬件和软件设计方法,该测量装置具有通用性强、灵活性高和测量精度高的优点。详细介绍测量通道的设计思想,以及放大电路的温度补偿、仪表的自动标定技术和线性化方法等。
1 引 言
热电阻和热电偶是热工测量中广泛应用的一次测量元件。研究使用热电阻和热电偶的低成本、高性能的智能温度仪表是过程控制领域的研究课题。目前报道的温度测量装置大都是确定的测量元件,并且使用时必须与通道要求一致,这样就使得仪表的通用性和灵活性变差。由于现场情况不同,用户希望测量方式可根据实际测量信号来确定。另一方面,仪表的精度与测量和检测放大电路的性能密切相关,必须消除干扰造成的影响。此外由于热电阻和热电偶的非线性,以往大都是采用软件查表或两点线性化的方法,当要求线性化精度很高且测量种 类多时需要大量的存储单元。为此,本文设计了一个多通道(15路)的通用智能温度测量装置。
2 硬件结构
仪表的硬件电路原理框图如图1所示。
2.1 输入测量、放大及转换电路
2.1.1 输入测量通道
通常采用电流法进行电阻测量。工业上热电阻常采用三线制接法,这样可以消除连接导线电阻的影响,如图2、图3所示。当热电阻的连接线采用相同的材质、线径和长度时,可认为其电阻相同。图2中,两个基准电流源I和I′相等,A、B两点间的电压差ΔU与线路电阻r无关,当放大电路采用单极性输入时,需要较多的电源,并且比图3需要更多的通道切换开关。在图3中,检测信号ΔU同样与线路电阻r无关。此种方法由于各个通道测量信号的参考点相同,因而需要较少的电源和通道切换开关。
对于恒流源要求有良好的稳定性,电流的大小,不应使热电阻发热,一般在5 mA以下,电流大时,抗干扰性能好,但驱动电流功率可能产生附加温升,从而产生额外的偏差。
2.1.2 通道切换电路、放大电路及压/频转换电路
当测量通道数目较多时,为使测量电路简单,采用公共的基准电流,为此在电路中需要采用多个切换开关达到检测指定通道的目的。下面以图3的方式为例说明如下,见图4,电路中采用三片CD4067模拟通道切换开关K1、K2和K3,其中K1和K2仅当测量通道为电阻性质时使用。借用CD4067的禁止信号EN控制开关K1和K2的接通与断开,由单片机的I/O输出地址信号ADDA、ADDB、ADDC、ADDD(采用二进制编码对CD4067的16路通道进行选择)和EN信号。在测量通道为电势性质信号时,K1和K2禁止工作,测量信号直接由K3进入放大电路,由于放大电路输入阻抗很高,可以不计线路电阻及开关上的压降。在测量电阻时, K1和K2中选通的通道开关闭合,使两路电流信号构成通路,在测量电阻上产生电压信号经K3后送入放大电路。在计算机软件中,对每路通道指定通道的测量性质(电阻、电势)即可。CD4067共有16路通道,通道0用作标准通道,接一250Ω的标准电阻,用于仪表的校准和补偿。该通道切换电路如图4所示。
测量信号送入放大电路进行放大,由于不同通道测量的信号范围不同,应考虑应用放大电路的放大倍数进行调整,以便放大至相同的电压等级上。由放大器输出的电压信号必须转换成计算机可以接收的数字信号或逻辑信号,通常有两种方法,一是采用A/D转换器,当测量精度要求较高时,需采用分辨率高的A/D转换器;另一种方法是采用压/频转换器(V/f)来实现。采用中档的V/f转换器如LM331(0~10 kHz)即可实现较高的精度,由LM331将放大后的电压信号线性地转换为频率信号并经隔离后送入单片机的C/T(计数器/定时器通道)或HSI(高速输入通道)进行计数,这样可以获得较高的精度。V/f转换电路中在LM331的4脚接入-1.25 V的基准电压,这样可以保证在电势测量时,保证低端获得较好的线性度。
2.2 CAN总线控制器的扩充
本文介绍的温度测量仪表是SHCAN2000现场总线控制系统中SHCAN智能测控组件的一个系列[1]。SHCAN2000现场总线控制系统的底层采用CAN总线通信,这里扩充了一片SJA1000CAN总线控制器和CAN总线驱动器82C250[2]。CAN总线通信波特率有四档,可根据通信距离、通信数据量进行选择,CAN总线通信距离理论上可达10 km,目前SHCAN2000现场总线在不加任何中继时,已达3 km。
在远距离应用时,CAN总线两端的终端电阻对通信影响很大[3],必须选择合适的终端电阻,由于CAN接点均有光电隔离器,必须确保CAN总线有效电平在1.2 V以上。
2.3 人机接口电路单元
该温度测量装置配有人机接口电路单元,利用CPU的串行口与可配置的智能键盘显示接口电路相连。该显示器一方面可作为通用的仪表参数设置和显示装置,亦可作为SHCAN智能测控组件的组态工具,可实时的对智能测控组件的功能进行组态。
SHCAN智能测控组件软件中拥有80多个组态模块供选择,可根据要求进行配置。在正常显示状态时,显示器有三排LED八段数码管显示器,上排显示器作为测量通道号的指示(1~15)值,中排显示器用于指示对应通道的信号性质,共有14种,用十进制数依次表示,下排显示器用于指示对应通道信号的测量值。面板上有若干功能键,可以使组件分别处于参数的修改状态、组态状态、定点显示状态和循环显示等状态。
3 软件设计
3.1 测量、放大电路的温度补偿
由于测量放大通道及V/f转换均是模拟电路,不可避免地存在温度漂移,必须进行处理。在模拟通道开关CD4067中,将通道0用作仪表的校准和补偿通道使用,在通道0接了一个250Ω的标准电阻,软件中对该通道进行了两次测量,第一次该电阻上不加电流,此时测量信号对应放大电路的零点数值,该数值存储在CPU内的内存单元中,在每次巡检周期中,将其它测量通道的测量结果扣除上面的零点数值后再进行处理和运算;第二次对通道0加电流,此测量值扣除零点值后作为标准使用。在其它通道的测量时,可依据下面的公式进行修正,以补偿由于温度变化带来的影响。
映测量放大电路放大倍数的漂移;S———标准值,由通道0外接的标准电阻值决定;X———经补偿后的对应通道X的计算值。
3.2 仪表的自动标定
由于通道切换开关各通道的一致性较好,因而可以采用统一的标定方法,实践证明该方法具有良好的性能。在标定前,先将通道1短接,通道2接一标准电势信号30 mV,通道3接一标准电阻30Ω,然后置位自动标定软开关,则仪表自动运行标定程序。软件中,将电势测量在0~30 mV区间进行两点线性化处理,线性化的斜率和截距保存在内存中;对电阻测量时,在30~250Ω之间两点线性化处理,得到相应的斜率和截距保存在内存中,当测量有较大的误差时,可以通过修正相应参数的方法进行修正。这里有两点值得注意,电势标定时没有采用通道0无电流时的测量值作为零点;电阻标定时,不是取0作为下限,而是取30Ω,缩小了线性化的范围。此外在多通道测量时,应注意通道切换时的延迟时间匹配问题,因为测量通道和放大电路均有滤波电路,必须保证在测量频率时信号已经稳定。
3.3 切比雪夫插值多项式在温度线性化中的应用
由于热电阻和热电偶的非线性,必须进行线性化处理,这里采用多项式插值的方法实现温度的线性化。
由多项式插值的一般原理可知,已知单变量函数y =f(x)在闭区间[a,b]中有n+1个节点(xj,yj) (j=0,1,2,…,n;yj= f(xj)),则可用一个插值多项式Y(x)逼近函数y = f(x),且Y(xj) =f(xj)。
一般来说,用插值逼近不总是令人满意的,采用不同的插值公式和选择不同的插值节点对插值误差的影响很大,这里采用切比雪夫插值方法,其插值节点优化值的选择如下[4]:
求解式(5)可得插值多项式的系数aj (j =0,1,2,…,n)。解式(4)的方程组的方法如下:首先构造一个单位矩阵A(n,n)和两个矢量X(n),Y(n),对矩阵A的第j列元素乘以x(j-1)j-1,之后求取矩阵的逆矩阵,最后用向量Y乘以得到的逆矩阵。
为减少计算工作量通常插值多项式的阶次不能高于五阶。当测量温度范围较大,且插值多项式的阶次较少时可能得不到较高的插值精度,此时可以采取分段插值的方法。我们对几种常用的热电阻和热电偶的温度表进行了分段和节点优化处理,得到相应的插值多项式系数,并将之转化为3字节的浮点数存储在CPU的存储单元中。在测量仪表的软件中,依据测量通道的分度号,分别进行插值多项式计算,将测量结果转化成温度值,下面以Pt100热电阻传感器测量温度为例,加以说明。
将Pt100热电阻的温度测量范围-100~600℃划分三个区间,即-100~0℃、0~300℃、300~600℃),每段选择5点插值,节点优化值见表1。
为了计算方便,在上述节点优化值附近取5组数据,送入插值多项式系数计算程序得到切比雪夫四阶插值多项式系数,见表2。当温度值变化时,插值结果如表3所示,可以看出,在整个测量范围内,插值误差小于0.1℃,具有很高的精度。
4 结果及应用
按照上述设计思想设计的15路通用温度巡检装置,具有如下优点:
(1)由于采取了软件的温度补偿原理,消除了环境温度变化的影响。当环境温度变化时,经过两个巡检周期(在15路测量通道时,巡检周期大约为5s),即可消除由于环境温度变化引起的测量误差。尤其在V/f转换电路参数变化时,测量精度也能保持不变,实验结果是当V/f比放大一倍时,测量结果不变。
(2)自动标定方法简单实用。由于所有通道共用同一组标定参数,因而标定过程简单。标定后测量误差不超过0.3℃。
(3)消除了热电阻引线电阻的影响,试验中两路恒流源的电流分别为4.06 mA和2.03 mA,采用线路串电阻模拟线路电阻的方法试验,在线路电阻为10Ω时,测量误差在0.02Ω以内。
(4)切比雪夫插值多项式在温度转换中获得成功应用,采用这种方法具有计算简单、插值精度高和运算速度快的优点。
(5)CAN总线通信工作可靠。采用该温度巡检仪构成的CAN现场总线网络系统具有良好的通信功能,丰富了SHCAN2000现场总线控制系统。
[参考文献]
[1] 邬宽明.CAN总线原理和应用系统设计[M].北京航空航天大学出版社,1996.
[2] 袁爱进,等.现场智能测控仪表软件组件集成技术的研究[J].仪器仪表学报,2001,(3).
[3] 吴化柱,等.CAN现场总线运行故障调试和分析[J].大连铁道学院学报,2004,(4).
[4] 科恩,科恩.周民强,等译.数学手册[M].工人出版社,1987.571-577.
