一種低成本高可靠性PT1000電阻采集接口設計

摘?要：針對飛機環(huán)控系統(tǒng)的溫度控制要求，當前機載PT1000傳感器測量存在電路復雜、成本高等問題，設計了一種低成本高可靠性PT1000電阻采集接口。該設計有效降低了電路復雜度，采用并行采集的方式保證接口采集精度，以最少的元器件獲取成本優(yōu)勢，提高接口可靠性。經過工程實踐，證明該電路在PT1000量程內滿足精度要求，并可實現(xiàn)全量程內誤差0.617Ω。

關鍵詞：PT1000;溫度測量;高可靠性

飛機環(huán)境控制系統(tǒng)作為重要的記載系統(tǒng)之一，承擔著為機上人員或設備提供特定條件空氣環(huán)境的任務。環(huán)控系統(tǒng)通過控制機艙內空氣的溫度、濕度、流速、壓力等參數(shù)，向機組人員或設備提供符合條件的生存和工作環(huán)境。[1]現(xiàn)代飛機環(huán)控系統(tǒng)的溫度控制采用微型計算機閉環(huán)控制，采集機艙溫度，與設定值進行比較，動態(tài)調節(jié)環(huán)控系統(tǒng)溫度控制參數(shù)，以達到溫度穩(wěn)態(tài)控制的目的。

1 接口方案設計

PT1000采集接口主要有激勵源類型、接線方式、信號處理方式等三個主要因素。激勵源有恒壓、恒流兩種方式，其中恒流源電路搭建復雜，元器件多、成本高[2];傳感器線纜電阻可通過固定接口進行軟件修正，三線制和四線制接線靈活度高，但增加了飛機電纜重量，降低了有效載荷;單臂、雙臂直流電橋的信號采集方式計算復雜，計算資源消耗較大。[3]綜上所述，本文提出了一種恒壓源兩線制PT1000電阻采集接口設計，接口原理如圖1所示，采用多通道并行AD同步采集恒壓源電壓和電阻輸入接口信號的方式保證采集精度。

2 接口硬件設計

PT1000電阻采集接口原理如圖2所示，其中Rx為被測電阻，恒壓激勵源V1為Rx提供激勵信號，電阻R1和電阻R2限制PT1000傳感器電流。若電流過大，電阻會因自身發(fā)熱造成發(fā)熱，電流過小又因PT1000電阻兩端電壓信號過弱而受干擾，本設計通過合理選取R1和R2的阻值，確保流經PT1000的電流在0.5mA～1mA范圍內。瞬態(tài)抑制二極管V1、V2實現(xiàn)接口雷電防護功能，低通濾波器CR1、CR2實現(xiàn)噪聲濾波和接口EMI防護，差分放大器N1去除共模信號干擾，并將信號放大到AD器件的合理范圍內，以保證最優(yōu)轉換精度。二階濾波濾除PCB走線干擾，最后信號進多路并行AD進行模數(shù)轉換。同步轉換的還有電壓V2，V2是恒壓激勵源V1經幅值調理后的電壓。對激勵源電壓和接口電壓同步進行采集，可以去除激勵源電源抖動干擾，提高接口采集精度。

值得注意的是，本設計對接口電壓沒有采取橋壁電路進行采集，而將其優(yōu)化為電阻R1和R2分壓后的電壓進行直接放大采集。在減少元器件個數(shù)的同時，電阻R2可防止外部異常電壓意外引入接口而導致的短路。此外，可通過在差分放大器的參考端注入固定電壓的方式，實現(xiàn)電阻采集接口的BIT操作。

3 試驗驗證

為了驗證本方案的工程實踐性，研制了一臺工程樣機，選用了16bit并行6通道AD，因樣機其他需求，AD模擬量輸入電壓范圍選取了-10V～10V;激勵源電壓選取樣機電源模塊輸出的+15V，精度5%;電阻R1、R2阻值依次為15KΩ和1KΩ。AD轉換后的數(shù)據(jù)使用軟件進行滑窗均值濾波，轉換成電阻值進行存儲，使用電阻箱對樣機進行測試，4路PT1000電阻采集接口測試數(shù)據(jù)如下表所示，接口計算數(shù)據(jù)存在明顯偏置，可通過軟件進行線性修正，修正后接口全量程內誤差0.617Ω，基本滿足應用要求。

4 小結

本文設計的PT1000電阻采集接口電路簡單，元器件數(shù)量少，接口基本可靠性高，采用并行模數(shù)轉換的方式保證采集精度，經測試全量程內誤差0.617Ω，可滿足絕大部分應用場景要求。對測試誤差進一步分析，接口誤差隨著被測阻值升高而增加，如需進一步提高精度，可同步對接口地平面進行采集，進行補償。

參考文獻：

[1]壽榮中，何慧姍.飛行器環(huán)境控制[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006.

[2]原媛，沈元華，趙在忠，等.惠斯通電橋實驗中對互易橋臂測量結果的不確定度評定[J].物理實驗，2014，34（7）：33-36.

[3]劉民.一種測量電阻的新方法[J].宇航計測技術，2005，25（6）：22-25.

基金：航空科學基金2016ZC31004

作者簡介：張宇坤（1988-），男，漢族，陜西銅川人，碩士，工程師，主要研究方向為機載計算機系統(tǒng)。