基于24位AD的鉑電阻海水測溫系統(tǒng)

閆云鵬，章雪挺，劉敬彪

(杭州電子科技大學電子信息學院，浙江杭州310018)

0 引言

目前隨著人類活動的發(fā)展，陸地資源的日益匱乏，海底資源和海底工程勘查對于人類的發(fā)展極其重要，海洋探測逐漸被人類所重視。海洋面積占全地球總面積的71%，海洋的任何變化都關(guān)系著人類生存環(huán)境的變化。溫度是海洋調(diào)查和監(jiān)測中最重要的觀測項目。要深入了解海洋的熱交換過程，海洋微結(jié)構(gòu)以及有效及時的環(huán)境保護研究，需要對溫度測量提出更精確、更快速的要求［1］。為了更精確地測量海洋要素，國家863以及“九五”計劃也將高精度溫鹽深儀(Conductivity Temperature Depth，CTD)研制列為其中的一個項目。更準確地測量海水溫、鹽、深，才能為海洋研究提供更可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)。在今后的海洋測量和海洋相關(guān)研究中，高精度的CTD是必不可少的研究儀器。國外的海水測溫設(shè)備主要是美國Seadird公司的系列CTD產(chǎn)品。最近20年來加拿大RBR公司的海洋觀測技術(shù)以高精度、小體積和積木化設(shè)計也享譽業(yè)界。我國近幾年對海洋勘探開發(fā)的投入逐年加大，國內(nèi)也有很多機構(gòu)在研制CTD?，F(xiàn)在，我國的CTD測量技術(shù)迅速發(fā)展，已經(jīng)有自容式、電纜式和電磁耦合式測量儀，在精度上接近世界先進水平［2］。但是目前國內(nèi)一般海洋勘探所用的測量海水溫度設(shè)備CTD均采用進口，價格較為昂貴。本文介紹了一種高精度的多路海水溫度檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本遠低于進口設(shè)備。同時系統(tǒng)具有小型化、低功耗等優(yōu)點能長時間放置在海底工作，可用于替代進口CTD在一般海洋勘探時用于測量海洋海水溫度。

1 總體設(shè)計

本系統(tǒng)的硬件電路框圖設(shè)計如圖1所示。圖1中4路PT100鉑電阻的信號由惠斯通電橋驅(qū)動產(chǎn)生，經(jīng)過RC構(gòu)成的低通濾波器后送入AD。為了達到較高的進度及分辨率，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路擬采用TI公司24位△-∑型ADS1256，該芯片內(nèi)部自帶的可編程運放(PGA)可實現(xiàn)對信號的編程放大后再進行AD轉(zhuǎn)換。最大可放大64倍。鉑電阻采用的三線制密封良好耐高壓的PT100。三線制鉑電阻比常用的兩線制鉑電阻具有更好的精度。AD的參考電壓是2.048V。由精度為0.05%的REF5020產(chǎn)生。水下系統(tǒng)微處理器采用的是意法半導體公司生產(chǎn)的基于ARM內(nèi)核的32位微處理器STM32F103RCT6，該芯片外設(shè)豐富，程序開發(fā)簡單，便于移植等優(yōu)點［3］。系統(tǒng)支持容量為8GB的MicroSD卡，即常見的TF卡。SD卡用來存儲采集到的溫度信息。低通濾波器部分考慮到有源濾波器需要多個運算放大器芯片構(gòu)成，引入了更多的噪聲，所以采用了電阻電容構(gòu)成的二階低通濾波器。濾波器能有效地濾除頻率大于1kHz的信號。水下系統(tǒng)工作時通過串口和甲板系統(tǒng)的PC機通信。因為距離較為遠。實際使用的是串口光纖模塊，水面上再用串口光端機還原成串口信號。為保證系統(tǒng)的精度簡化系統(tǒng)設(shè)計，電源模塊由高能鋰電池供電以減小電源噪聲，提高系統(tǒng)精度［4］。

圖1 整體硬件結(jié)構(gòu)框圖

2 部分硬件電路設(shè)計

2.1 AQTE-PT100 鉑電阻

鉑電阻的阻值Rt隨溫度t的變化而變化計算公式如下:

式1、2中，Rt為t℃時的電阻值。R0為0℃時的阻值，PT100即R0為100Ω。另外系數(shù)A、B為實驗測定。在這里給出了常見的 DIN IEC751 標準系數(shù):A=3.908E －3、B= －5.775E －7、C= －4.183E －12［5］。

鉑電阻驅(qū)動電路和鉑電阻實物如圖2所示。驅(qū)動設(shè)計采用的是常用的惠斯通電橋，Vref電壓由2.5V精密基準電壓源提供。電路圖中V1、V2是電壓輸出端。鉑電阻溫度傳感器選用的是丹麥AQUAMATIC公司的AQTE-PT100。它的傳感元件是一個特殊設(shè)計的PT100與外部玻璃涂層的陶瓷外殼。外殼厚1.6mm，十分堅固且具有良好的防水和保護功能。該傳感器線性溫度響應，精度高，100%過熱，響應時間快，體積小。測溫范圍是 －2℃ +38℃，精度 ±0.002℃，漂移小于 ±0.05℃/年，靈敏度0.003 85Ω/℃。

2.2 24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1256

圖2 惠斯通電橋和鉑電阻實物照片

ADS1256是TI公司2007年推出的一款低噪聲、高分辨率的24位△-Σ模數(shù)轉(zhuǎn)換器。受帶寬和有效采樣率的限制，ADS1256不適用于高速的數(shù)據(jù)采集應用，但適合用于采集信號變化較為緩慢的模擬系統(tǒng)中。ADS1256提供了一個SPI串行數(shù)字接口，能靈活方便地和STM32進行通信。該ADC最大特點是在輸入級內(nèi)置了可編程的運算放大器，能直接編程控制放大倍數(shù)。這樣不但能夠極大的精簡模擬電路結(jié)構(gòu)，不需要在前端自己增加放大電路，同時電路誤差也減小了，能夠提高系統(tǒng)精度。同時輸入級能作為差分信號輸入，也能單端輸入。輸入級的緩沖器具有10GΩ以上的高輸入阻抗。ADS1256的輸入級由100Ω電阻和3個電容值分別為10μF，0.1μF，10nF的鉭電容構(gòu)成的低通濾波器。

2.3 電源管理

本系統(tǒng)的設(shè)計對電源的要求比較高。為了充分保證并發(fā)揮24位高精度AD低噪聲的優(yōu)點，需要低噪聲模擬電源給基準源和AD供電。因此電路采用了低噪聲的線性電源芯片。盡管線性電源的效率低于開關(guān)電源。但是噪聲遠低于開關(guān)電源。此外在布局時數(shù)字電源和模擬電源需要隔離分開，分別在電路板不同部位。數(shù)字地和模擬地分開后最終單點連接以減少干擾。

3 軟件設(shè)計

3.1 水下系統(tǒng)軟件設(shè)計

設(shè)計采用ST公司的32位STM32F103RCT6單片機作為微處理器。嵌入式系統(tǒng)集成開發(fā)環(huán)境選擇RealView MDK開發(fā)工具下的最新版本的Keil uVision4.02，使用C語言來開發(fā)程序。程序主要包括了系統(tǒng)初始化配置、AD轉(zhuǎn)換控制程序、SD卡存儲、串口發(fā)送數(shù)據(jù)、內(nèi)部ADC、IWDG看門狗等模塊等。ADS1256工作過程的建立主要是對芯片內(nèi)部11個獨立8位寄存器的設(shè)置來完成。包括通道選擇設(shè)置，PGA放大倍數(shù)的設(shè)置，采樣速率設(shè)置，自動校正方式等。ADS1256的自校準命令用來矯正內(nèi)部和外部的漂移和增益錯誤。多路模擬開關(guān)MUX用來選擇作為差分信號輸入的通道。

3.2 甲板系統(tǒng)軟件設(shè)計

上位機軟件編寫采用的是微軟公司的VS2008下面的C#開發(fā)環(huán)境。C#是面向?qū)ο蟮母呒壵Z言，具有編寫界面簡潔，美觀特點。甲板PC機通過串口接收到水下傳來的數(shù)據(jù)后先保存到數(shù)據(jù)庫Access中相應的table中后再繪制曲線，顯示在界面上。繪圖控件采用的是ZedGraph。該控件是一個開源的.NET圖表類庫。該控件全部代碼都是用C#開發(fā)的［6］。C#能利用任意的數(shù)據(jù)集合創(chuàng)建2D的線性和柱形圖表。在需要實時繪制曲線時十分方便，使用簡單高效。繪圖區(qū)具有自動縮放，調(diào)整坐標值功能。還支持查看歷史文件記錄，細節(jié)查看等功能。甲板系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖如圖3所示。

圖3 甲板系統(tǒng)軟件流程圖

4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)電路經(jīng)過多次測試修改，測試過前端信號放大采用獨立的運算放大器，屏蔽了AD內(nèi)部的PGA，測試結(jié)果顯示獨立放大電路引入的偏差和噪聲都大于采用內(nèi)部PGA放大方式。這主要是因為采用運算放大器雖然有著比較大的輸入阻抗，但是也同時存在輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流，工作一段時間后芯片發(fā)熱還會產(chǎn)生溫漂。還有運放做放大器時若帶有容性負載很容易產(chǎn)生自激振蕩?？紤]以上原因最終直接采用了ADS1256內(nèi)部的PGA。另外前期設(shè)計電路時沒有注意到要把模擬電路和數(shù)字電路的地分開也影響了一些精度。在上位機編寫需要顯示實時溫度曲線選擇控件時參考了Steema公司的Teechart for.NET控件。該控件顯示效果完美，但是這是一個付費控件。最終選用了網(wǎng)絡(luò)開源的Zedgraph控件，功能效果接近Teechart。在測試系統(tǒng)的精度時，把美國海鳥公司的SBE911CTD作為參照，同時放置在相同的環(huán)境下一段時間后取平均讀數(shù)。測試數(shù)據(jù)如表1所示。表1中，數(shù)據(jù)顯示本系統(tǒng)的精度優(yōu)于0.000 5℃，完全能夠達到設(shè)計要求。

表1 對比測試數(shù)據(jù)(℃)

5 結(jié)束語

本設(shè)計從小信號轉(zhuǎn)換，低通濾波，AD轉(zhuǎn)換設(shè)計出發(fā)，首先給出了一套整體的設(shè)計方案，接著分析了電路硬件各個部分的工作原理。完成上位機，下位機軟件設(shè)計調(diào)試工作。在完成過程中需要不斷調(diào)整電路設(shè)計和布線結(jié)構(gòu)，調(diào)整AD采樣率，放大倍數(shù)，工作模式等。24位AD對噪聲極為敏感，通過不斷地實驗和優(yōu)化設(shè)計最終系統(tǒng)工作狀態(tài)令人基本滿意。

［1］E.J.W.Jones.海洋地球物理［M］.北京:海洋出版社，2009:245 －263.

［2］宋文鵬，姜錫仁，鞠蓬.CTD與顛倒溫度表、鹽度計方法的系統(tǒng)比較［J］.海洋通報，2009，28(2):87－94.

［3］劉軍.工程師經(jīng)驗手記例說STM32［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2011:66－85.

［4］黃爭.數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器應用手冊［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2010:271－294.

［5］趙天池.傳感器和探測器的物理原理和應用［M］.北京:科學出版社，2008:277－290.

［6］趙增敏.Visual C#2008程序開發(fā)入門與提高［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2009:254－267.