基于LPC1768的高精度熱電阻測量裝置的設計與實現(xiàn)

王夢迪， 馬 帥， 華 金

(上海船舶運輸科學研究所 艦船自動化分所，上海 200135)

0 引 言

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，溫度是非常重要的參數(shù)，某些應用場景對測溫裝置有著非常高的要求，溫度的檢測與控制正朝著高精度、高穩(wěn)定性及高可靠性的方向迅速發(fā)展。熱電阻傳感器作為一種電阻值隨溫度變化而變化的傳感器，具有測量精度高、測量范圍廣、線性度好及性能穩(wěn)定等優(yōu)點，廣泛應用在船舶自動化領域中。提出以LPC1768微控制器為主控芯片、外設配合高精度A/D轉(zhuǎn)換器ADS1248芯片、可支持8路通道、采用三線制接法的PT100鉑電阻傳感器溫度測量裝置設計方案[1]。以測量裝置工作原理為切合點，分別從硬件和軟件探討該測量裝置的實現(xiàn)過程。

1 溫度測量裝置工作原理

溫度測量裝置工作原理見圖1，主要由數(shù)據(jù)采集單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、微控制單元(MicroController Unit, MCU)和控制器局域網(wǎng)絡(Controller Area Network, CAN)通訊隔離單元組成。數(shù)據(jù)采集單元采用三線制PT100鉑電阻傳感器接法，主要完成8路PT100鉑電阻傳感器的模擬數(shù)據(jù)采集。模數(shù)轉(zhuǎn)換單元主要完成模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，并通過串行外設接口(Serial Peripheral Interface, SPI)與MCU進行通訊。MCU為測量裝置的主控單元，主要完成對數(shù)字量的處理和測量裝置的控制。根據(jù)測量裝置的CAN總線報文協(xié)議要求，MCU將處理的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成CAN現(xiàn)場總線報文發(fā)送為CAN現(xiàn)場總線網(wǎng)絡中。在MCU和CAN現(xiàn)場總線網(wǎng)絡間采用CAN通訊隔離單元，以減少CAN現(xiàn)場總線網(wǎng)絡中不同測量裝置間的電磁干擾[2]。

2 硬件設計與實現(xiàn)

熱電阻測量裝置的對外接口主要由電源輸入接口、8路熱電阻輸入接口、CAN現(xiàn)場總線通信接口和發(fā)光二級管(Light-Emitting Diode,LED)輸出組成，可測溫度為0～300 ℃，測量裝置硬件接口框圖見圖2。

2.1 MCU及CAN通訊隔離單元

MCU核心芯片選用NXP公司的LPC1768微控制器，具有功耗低、功能強、效率高和成本低廉等優(yōu)點。LPC1768基于Cortex-M3內(nèi)核，最高速率100 MHz，片內(nèi)集成64 K RAM、512 KBFlash、2路CAN控制器、3路SPI總線和以太網(wǎng)控制器等外設資源，無需外接其他專用芯片即可滿足測量裝置的各項功能和性能指標。

LPC1768微控制器芯片內(nèi)部集成了2路CAN控制器，但仍不能對系統(tǒng)內(nèi)、外部的電源和干擾信號進行有效的抑制，所以在LPC1768微控制器和CAN現(xiàn)場總線網(wǎng)絡間增加ADM3053芯片，作為CAN現(xiàn)場總線收發(fā)器的CAN通訊隔離單元。ADM3053是一款隔離式CAN物理層收發(fā)器，集成隔離DC/DC轉(zhuǎn)換器，能有效地抑制外部干擾。

2.2 數(shù)據(jù)采集及模數(shù)轉(zhuǎn)換單元

CD4052是差分4通道數(shù)字控制模擬開關(guān)，具有低導通阻抗和低截止漏電流。2片CD4052與ADS1248連接，通過切換CD4052通道可支持8路熱電阻傳感器溫度采集。

ADS1248是高集成、高精度的24位精度的δ-α模數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有低噪聲可編程增益放大器(Programmable Gain Amplifier, PGA)、2個互相匹配的可編程電流和內(nèi)置極低的漂移參考電壓等特點。ADS1248支持4種差分和7個單端輸入，具有傳感器失效檢測功能，采樣頻率最高可達2 kSPS。ADS1248芯片VREFOUT和VREFCOM兩端內(nèi)置恒壓為2.048 V，可在判斷PT100鉑電阻傳感器斷線檢測時使用[3]。

3 提高測量精度方法

3.1 ADS1248的誤差分析

ADS1248是24位高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，其測量精度最大誤差為0.001%。該測量裝置充分利用ADS1248芯片內(nèi)部資源以提高測量精度，使用ADS1248芯片的兩路內(nèi)部恒流源，與電橋式熱電阻測量裝置對比，簡化了測量裝置的電路設計。同時，ADS1248內(nèi)部集成的低噪聲PGA放大倍數(shù)最高可達128倍，能實現(xiàn)對微弱模擬信號的采集。

3.2 基于ADS1248三線制測量原理分析

在船舶自動化應用中，PT100鉑電阻傳感器應用的位置與測量裝置間的距離會非常長，為提高測量精度，采用三線制恒流源驅(qū)動PT100鉑電阻傳感器，可消除在硬件電路上連接線電阻帶來的誤差。三線制恒流源驅(qū)動PT100鉑電阻傳感器原理見圖3。

在實際應用中，3根連接線需采用同種規(guī)格且長度相等，圖3中r1,r2,r3分別等效為3根導線電阻，設r1=r2=r3=r。R為PT100鉑電阻傳感器等效電阻，Rcomp為輸入端的比較電阻，Rref為外部參考源采樣電阻。ADS1248內(nèi)部集成2路恒流源(IDAC1和IDAC2)，通過對寄存器的配置進行編寫，選擇2路恒流源輸出Ia、Ib。在測量裝置中為了消除導線電阻對輸入端壓差UIN的影響，取2路恒流源Ia=Ib=I。Ia和Ib匯聚流經(jīng)采樣電阻Rref時產(chǎn)生壓降，則Uref電壓為

Uref=2×I×Rref

(1)式(1)中：當Rref一定時，Uref只和2路電流源有關(guān)，在正常測量過程中2路電流源的值是固定不變的，Uref也固定不變。ADS1248可選取Rref兩端電壓Uref為測量PT100鉑電阻傳感器的外部參考源。

電流流過PT100鉑電阻傳感器R、比較電阻Rcomp和導線電阻r1,r2,r3都會產(chǎn)生壓降，AIN0，AIN1兩端電壓分別為

UAIN0=I×(R+r)+2×I×(Rref+r)

(2)

UAIN1=I×(Rcomp+r)+2×I×(Rref+r)

(3) 采集電壓輸入到AIN0，AIN1兩端的壓差UIN為

UIN=I×(R-Rcomp)

(4) 由式(4)可知，當PT100鉑電阻傳感器采用三線制接法時，輸入端差分電壓的大小的和導線電阻、參考源選擇均無關(guān)。

Rcomp的取值與測量裝置的測量精度有關(guān)。該測量裝置的可測溫度為0～300 ℃，對應的電阻值約為100～212.02 Ω，當Rcomp取最小值與最大值和的1/2時，正負偏壓幅度的大小相等，此時測量裝置的誤差最小，Rcomp約為156 Ω。

3.3 線性化處理

在測量PT100鉑電阻傳感器的電阻值時，由于PT100鉑電阻傳感器的電阻值隨著溫度的變化并非完全線性的，導致測量PT100鉑電阻傳感器的輸出值和實際的溫度值存在偏差。因此采取建立數(shù)組查表和線性插值算法的方式計算出測量溫度，可在一定程度上對PT100鉑電阻傳感器進行線性化校正。根據(jù)PT100鉑電阻傳感器的溫度分度表，結(jié)合實際應用中的精度要求選取合適的標定點時間間隔，選取若干個標定點，建立電阻—溫度分度表。若取m個標定點，每個標定點分別是Ri(0≤i≤m)，對應的溫度記Ti。當計算測量溫度時，將測量電阻值R按順序查表，確定R在區(qū)間[Ri,Ri+1]內(nèi)，最后采用線性插值算法計算PT100鉑電阻傳感器測量溫度T為

(5)

4 軟件設計與實現(xiàn)

熱電阻測量裝置軟件總體結(jié)構(gòu)見圖4，熱電阻測量裝置軟件設計有3個部分，分別為:

1)軟件平臺層中與底層硬件相關(guān)的驅(qū)動，如CAN驅(qū)動、SPI驅(qū)動、TIMER驅(qū)動、WDT驅(qū)動和A/D驅(qū)動等；

2)協(xié)作式多任務調(diào)度器，調(diào)度器初始化、任務創(chuàng)建、任務銷毀和調(diào)度器啟動等；

3)上層熱電阻測量裝置應用程序設計，如PT100鉑電阻傳感器測量、采集數(shù)據(jù)處理、CAN總線報文發(fā)送和測量裝置標定等。

4.1 主程序

主程序軟件流程圖見圖5，測量裝置需完成一系列的初始化工作，包括LPC1768初始化、ADS1248初始化、E2PROM初始化和調(diào)度器初始化等。若測量裝置需進行標定，標定過程中使用標準電阻箱模擬PT100鉑電阻傳感器的電阻值，將標定值存儲到鐵電中，供測量裝置在正常測量時使用。創(chuàng)建數(shù)據(jù)采集任務GatherTask和數(shù)據(jù)處理任務ProcessTask，啟動調(diào)度器。

測量裝置軟件中的調(diào)度器基于時間觸發(fā)設計模式的軟件架構(gòu)進行編寫，是由不同任務間共享的定時器中斷服務程序，也是簡單的協(xié)作式多任務操作系統(tǒng)。當運行多個任務時，都可使用同一個調(diào)度器來完成。調(diào)度器中斷響應函數(shù)是時間間隔為1 ms的“事件”，當調(diào)度器被任務中的“事件”觸發(fā)后，遍歷任務塊鏈表，根據(jù)任務的優(yōu)先級執(zhí)行需要被調(diào)度執(zhí)行的任務[4]。

4.2 數(shù)據(jù)采集任務

數(shù)據(jù)采集任務流程見圖6，該任務是采集8路PT100鉑電阻傳感器信號，創(chuàng)建循環(huán)數(shù)組存儲采集值。任務啟動后，選擇第一路通道，判斷該通道是否斷線，若不斷線，設斷線標志位isBrokenFlag[i] 為 0，測量該通道PT100鉑電阻傳感器的電阻值，循環(huán)數(shù)組存儲測量值。若該通道斷線，設斷線標志位isBrokenFlag[i] 為1，循環(huán)數(shù)組中其他值均為0。此時，該通道采集任務結(jié)束，單通道采集時間約為30 ms，循環(huán)執(zhí)行其他7個通道數(shù)據(jù)采集任務至結(jié)束后，通知Schedule OS 3 Ticks，即調(diào)度器等待3 ms再次調(diào)用該任務。

在測量每一通道PT100鉑電阻傳感器之前，使用ADS1248芯片VREFOUT和VREFCOM兩端內(nèi)置恒壓2.048 V作為參考源來測量Rref兩端電壓，若得到Rref兩端電壓為Uref/2或0時，可判斷該通道為處于斷線狀態(tài)。

4.3 數(shù)據(jù)處理任務

數(shù)據(jù)處理任務流程圖見圖7，該任務主要是對采集數(shù)據(jù)進行濾波，轉(zhuǎn)換為CAN現(xiàn)場總線報文并發(fā)送。判斷通道斷線標志位isBrokenFlag[i]，當isBrokenFlag[i]為1時，該通道為斷線，CAN現(xiàn)場總線報文設置為0x8fff；當isBrokenFlag[i]為0時，該通道不斷線，除去循環(huán)數(shù)組中0和0x8fff，使用冒泡算法對循環(huán)數(shù)組進行排序，去掉最大3個值和最小3個值后取平均值，轉(zhuǎn)換為CAN現(xiàn)場總線報文。循環(huán)執(zhí)行其他7個通道數(shù)據(jù)處理任務至結(jié)束，按照測量裝置的CAN協(xié)議要求發(fā)送CAN現(xiàn)場總線報文后，通知Schedule OS 500 Ticks，即調(diào)度器等待500 ms再次調(diào)用該任務。

5 試驗數(shù)據(jù)結(jié)果分析

在該測量裝置試驗中，設置試驗箱試驗溫度分別在10 ℃，30 ℃和50 ℃環(huán)境下，使用標準電阻箱來模擬PT100鉑電阻傳感器的電阻值，使用周立功USBCAN-II模塊配合CANTest軟件接收測量裝置發(fā)出的CAN現(xiàn)場總線報文，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后記錄見表2。

表2 試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計

由表2可知，試驗溫度在10 ℃，30 ℃和50 ℃環(huán)境下，誤差并無差異，符合該測量裝置設計要求。試驗表明，該測量裝置的測量精度高，測量的溫度誤差<0.5 ℃，可滿足實際應用需求。

6 結(jié) 語

設計一種三線制PT100鉑電阻傳感器測量裝置，試驗表明該測量裝置的測量精度高、測量誤差小、運行穩(wěn)定可靠和抗干擾能力強，具有較高的實際應用價值。

[1] 譚長森. 基于PT100型鉑熱電阻的測溫裝置設計[J]. 工礦自動化,2012,38(3):89-91.

[2] 趙標,佘俊. 熱電偶測溫及冷端補償研究與實現(xiàn)[J]. 上海船舶運輸科學研究所學報,2013,36(1):50-53.

[3] 賈誠安,葉林,葛俊鋒,等.一種基于STM32和ADS1248的數(shù)字PID溫度控制系統(tǒng)[J].傳感器與微系統(tǒng),2005,34(11):103-105.

[4] MICHEAL J P. 時間觸發(fā)嵌入式系統(tǒng)設計模式：使用8051系列微控制器開發(fā)可靠應用[M]. 北京:中國電力出版社, 2004.