标准铂电阻温度计具有高精度、高灵敏性和高稳定性等特点,因而被广泛应用于智能仪器仪表的温度测量。现有方法大多是先将电阻变化通过电阻桥转换为电压信号,再经过一系列滤波和放大处理后,送入A/D转换器完成温度采集[1-3]。这类方法需解决好以下问题:
(1)由于温度对铂电阻阻值和放大器带来的影响,系统在环境温度变化时会产生一定的系统误差。在高精确度测量中,寻找有效的温度补偿方法是需要面临的难题之一[4-6]。
(2)随着测量精度的提高,高分辨率A/D转换器的价格增大,导致测量仪器成本过高是所面临的另一个问题[7]。
给出一种新的铂电阻测温方法,通过RC振荡器,将铂电阻变化量转换为频率信号,解决了传统方法中由于温度变化及不平衡电阻桥所带来的非线性问题;通过测量频率变化量值来解算铂电阻的阻值变化,从而计算出被测温度值,省去A/D环节,在高精度测温时降低了设备成本。
1 测量原理
1.1 传感器信号调理
使用传感器首要的问题是如何将传感器输出的模拟信号数字化,本设计采用了一种将铂电阻阻值变化调制为时变频率信号的方法。为把传感器的阻值变化转换成频率变化,可将铂电阻放入RC振荡电路,如图1所示。振荡电路由比较器和连在正反馈端的触发器组成,在振荡电路中,传感器看作可变电阻。通过对触发器设置适当的阈值即可将传感器的阻值变化转换为时变频率(方波)信号。再将该信号输入到如图2所示的计数器,在给定的循环周期内利用高速计数器解调频率信号,从而数字化为与振荡频率成比例的值,继而成比例于被测物理量(温度值)。
1.2 测量结果推算
根据上述调理方案,要完成温度解算,最直接的方法是先由测得的计数值,计算出信号变化的频率值,由于频率与RC震荡电路的时间常数成反比关系,即
式中:Fo为测得的信号变化频率值;R为铂电阻阻值;C为振荡器电容值;k为时间比例系数。
由式(1)可知,如果Fo、C和k已知,就能求出铂电阻当前的R,继而由阻值换算出温度值。
然而,上述方法需处理好如下问题:
(1)求取k较繁琐,需通过反复实验才能确定(推导过程并不复杂),实践证明,其互换性较差。
(2)电路中难免存在一些寄生电容和开关电阻等,会影响到测量结果的推算。如电路中的开关电阻会与铂电阻阻值叠加,成为式(1)中的R部分;电容也有类似的情况,要消除这些干扰的代价很大。
为此,提出一种直接用多项式拟合来解算温度值的方法。即在仪器的测量范围内均匀改变恒温槽温度,同时记录计数值与标准温度值,然后用高阶多项式对两组数据进行拟合,得到计数值与标准温度值的映射关系,从而得到一组多项式系数,以后测得的新的计数值用该组系数即可算出对应的温度。避免了上述问题中繁琐的试验及中间计算环节导致的各种误差,系统标定、校准过程简单,易实现软件自动化。
2 系统设计
2.1 硬件设计
本系统硬件主要包括了C8051F021主控模块、信号调制解调模块、电源模块,串口通信模块及显示模块。系统硬件框图如图3所示。
2. 1. 1单片机选型
本测温系统中,单片机负责接收上位机发送的各种控制命令,根据命令控制采集电路完成温度测量,并将结果送回上位机。现有测量仪表使用的微处理器大多是8位和16位,也有少数采用32位。出于便携性考虑,微处理器的体积应尽量小,功耗应尽量低。实时性和准确性要求微处理器的运算速度要快。本系统选择Silicon Labs公司生产的C8051F021微处理器,该处理器采用工业标准的8位核心,具有增强型指令集,最高达20MIPS。C8051F021微处理器的待机功耗很低,标准状态时低于1μA,在唤醒模式下的功耗小于20μA;支持SPI、IIC及RS-232等串行总线,满足本系统需要的各种外设接口。特别适合需高性能,低功耗与多种封装选择以获得最佳系统成本的应用。
2. 1. 2电源设计
本系统提供两种供电方式: 3. 6 V锂电池或外接5 V直流电源方式。由于本系统选择大多芯片的正常工作电压为3. 3 V,在用锂电池供电时,电源转换时损失的电压不能太高,否则电路无法正常工作。本系统选用MIC2211作为电源转换芯片,该芯片能够接受2. 25~5. 50 V的电压输入,因而同时兼容锂电池和5 V直流电源两种供电方式;它以80 mV/100 mA的压降提供最大150 mA和300 mA两路输出,能最大限度的发挥锂电池的电量;选择两路电源输出的目的是将系统供电与无线模块供电分离,消除干扰。外接电源接口设计为A型USB接口,便于用台式机,特别是移动电脑供电或充电。
2. 1. 3温度测量电路设计
本系统的测温原理已在第1. 2小节给出,其核心电路如图4所示。由于SSP1492能接受的振荡器频率在1MHz内,而PT100温度传感器的电阻值约为100Ω,所以选用6 800 pF的固定电容即可构成满足要求的RC振荡器。SSP1492下方的是计数参考时钟电路,该电路能产生18MHz的时钟信号,用于频率信号解调计数器触发的时钟基准。
SSP1492与微控制器C8051F021间采用共同的电源和复位源,数据交互通过SPI接口实现。单片机发送命令到SSP1492,控制振荡器开关,计数器计数操作等, SSP1492计数结束后,置位STATUS引脚,以中断的方式告知单片机,单片机再通过SPI总线读取测量结果并清除中断标记,如此循环完成信号采集。
2. 1. 4通信接口设计
本系统与上位机之间的通信接口采用RS-232标准,在距离较近时可采用串口线连接,距离较远或多个设备同时工作时采用无线连接方式。本系统选用HAC-UEM型微功率数传模块,该模块的最大发射功率小于80 mW,采用433 MHz载频频段,在9 600 bps的波特率下能可靠传播1 200 m以上,且满足工业级标准。经测试,在较复杂的现场环境下,该模块能稳定、有效的传送数据。
HAC-UEM虽兼容UART和RS-232两种接口,但PC机不提供UART方式,需在单片机和PC之间用MAX232芯片对串口电平进行转化以匹配两者的电平。而HAC-UEM则直接并联到单片机的UART上,这样,有线和无线两种方式即可根据需要选用。
2. 1. 5显示模块设计
C8051F021没有集成液晶驱动模块,所以本测温仪选用GXM1602C点阵式字符液晶显示器模块来显示测量到的温度值和计数值等信息,该液晶模块与微处理器间的连接较简单,操作方便。电路连接如图5所示。
2.2 软件设计
为合理分配计算开销,本系统在软件结构上采用上下位机配合的方式。上位机主要负责较为复杂的数据处理,图形显示和数据的后台保存工作;而单片机主要处理一些逻辑控制或实时性要求较高的处理任务。这样设计的优势还体现在软件结构清晰,各功能模块易于管理和维护。
2. 2. 1单片机端软件设计
1)系统初始化。在单片机上电复位时对系统进行初始化。首先是C8051F021自身的初始化,然后是对SSP1492的初始化,完成后将初始化状态标志置位(该标志用于上位机查询硬件初始化状态),最后进入节电模式等待上位机发送命令。
2)通信与数据帧格式。本测温系统与上位的通信采用兼容RS-232的通信方式。测温仪作为从机,上位机作为主机控制并监视测温仪,以半双工方式互传数据,通信波特率为9 600 bps,其格式采用1位起始位, 8位数据位, 1位停止位。通信帧格式定义为:起始符(1 Byte)、从机地址(1 Byte)、控制码(1 Byte)、数据(NBytes)、校验字节(1 Byte),结束符(1 Byte)。起始字节表示启动一次通信,将从机从休眠状态唤醒,或将其从工作状态中中断;从机地址用于判断那个从机需要处理主机命令,未指定的从机可继续保持休眠状态;控制码代表从机要执行的任务;校验字节用来验证本次通信的正确性,本系统以起始符之后,校验字节之前所有数据加全的低8为作为校验字。每个从机预先都需设定一个8位地址,使从机响应主机与否都能通过主机发送的命令帧中的地址来判断,为便于主机管理,从机地址还可由主机重新设置。另外,上下帧采用统一的格式,因此,下位机仅需更新命令帧中的数据和校验字节即可完成上行帧的组装。从而实现主机轮询,从机应答的无线通信方式。
3)数据采集与发送。当设备初始化成功,且从机接受到上位机发来的数据采集命令后,根据上位机发来的相应的配置信息设置SSP1492,启动振荡器,待计数周期结束后,由C8051F021通过SPI总线从SSP1492内部存储器中将计数值读出,将其转换为IEEE 32格式的浮点数,以小端模式存放到数据帧缓存中,将发送待命标志置位,关闭振荡器并使SSP1492进入休眠状态,完成一次采集任务。发送模块负责数据组装为上行帧,再由RS-232串口发送回上位机。
2. 2. 2上位机端软件设计
1)滤波。滤波器按照其时域冲击响应可分为有限冲击响应(FIR)和无限冲击响应(IIR)两大类。FIR滤波器具有易设计,稳定性高及线性相位等优点。而IIR滤波器可采用较少的权值得到较长的冲击响应,计算量较FIR滤波器降低,有效提高了运算速度,但不具备线性相位,设计过程也与稳定性密切相关。用IIR近似FIR是一种有效的,能同时继承FIR和IIR两类滤波器优点的设计方法[8]。即先设计满足要求的FIR滤波器,再通过降阶的IIR滤波器对其进行逼近。本系统采用文献[9]中的方法来实现对计数值的滤波。
2)数据保存格式。微软推出的office办公套件中的Excel是一款具有相当普及度的电子表格处理软件,利用它能直观且方便的完成各种较复杂的数学运算。不需编制任何软件,只需在Excel的相应单元格中输入相应的公式即可完成一次数据处理。此外,Excel还具有强大的图形显示功能,为用户提供友好的人机界面。本系统将采集到的数据保存为与Excel兼容的文件格式,每行数据采用统一的保存格式,即日期(年/月/日);时间(小时:分钟:秒钟);数据1;数据2;…;数据n。这样做的好处是,一方面,用户可根据需要对历史数据进行各种查询操作;另一方面,利用Excel提供的数据处理和图形功能,能快速的对数据进行一些数学分析和显示,这对于现场作业非常有利。
3)软件界面设计。采用VC++ 6. 0开发环境,实现了用于W indowsXP环境下数据采集与监控软件。图6是本仪器工作中的上位机软件界面。左上方以图形方式动态的显示采集到的数据,每条曲线表示相应通道采集到的温度。右上方是控制面板,给出常用的控制信息,方便用户快速操作,这些信息还包含在下拉菜单当中。最下方显示的是最近几次采集的历史数据,与图形显示区不同,这里以数值形式给出,并与保存格式相同。
3 实验结果
为验证所提出方法的有效性,用两组实验来进行验证和分析。
1)第一组为检定实验,该实验的目的是检定本测温系统的测量准确度。本检定实验使用国家一等温度标准装置。该装置由一等数字测温仪, Pt100一等标准铂电阻,RTS-40C型恒温槽组成。该装置的测量范围为-60~+60℃,检定系统的最大不确定度为±0. 003 9℃,实验环境温度为26℃,湿度RH=61%。检定结果如表1所示
由表1可看出,被测温度从-50~+60℃变化了110℃,而实测温度值与标准温度值的最大误差为0. 03℃,所以系统的最大测量误差小于0. 03%(F. S. )。
2)第二组为比对实验。实验目的是比较本测温系统与现有高精度的标准测温系统间的准确性。本实验的比对温标为美国Hart Scientific公司生产的Hart1560型测温仪,温度传感器为两支相同型号且同一批次的一等标准Pt100铂电阻。在试验中,两支传感器放置在恒温槽中部且靠的足够近。此外,考虑到恒温控制打开时,风机转动会增加扰动,影响两支传感器的同步性,为此,本实验全部过程中恒温功能均为关闭状态,其他条件同试验一。
在上述条件下,同时用两种测温仪采集了从-50~+60℃之间的各个整数温度值,进行差值后的数据如图7所示。由图可看出,在温度范围中,与1560型Hart温标相比,本测温仪的绝大多数温差在±0. 01℃范围内,两者具有较高的吻合度。
4 结束语
提出了一种新的铂电阻测温方法,给出了详细的设计过程,并进行了实验验证。总结如下:
1)与传统的A/D转换方式不同,提出的方法采用基于频率的信号调理技术,先将铂电阻变化转变为频率信号,再通过后续的频率计数、滤波和高阶多项式解算,实现了采用标准铂电阻的高精度测温仪。实验结果验证了提出方法的有效性,系统最大测温误差为±0. 03℃,分辨率为0. 01℃。
2)本测温系统的核心硬件由纯芯片实现,铂电阻传感器实际上工作在无源状态,系统具有抗干扰能力强,功耗低,成本低,体积小等优点。经反复测试,当系统(无线方式)使用3. 6V、1 800mA锂电池供电时,连续工作时间可达29. 5 h。
3)理论上,系统的测量分辨率仅与传感器(电阻)的最小变化量有关,但高精度的温度测量以增加采样周期为代价,实际使用时需要视具体应用选择适当的分辨率。建议用于对精度具有较高要求,但实时性没有严格限制的温度测量仪器。如标准温标,标准温度比对器或嵌入式手持测温仪等。
采用该方法的测温设备已在高校和企业中投入使用,并取得了良好的效果。
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本文作者：沈 峘 李舜酩 周华鹏 李芳培 柏芳超 李 忠
