裝甲車輛車載多路高精度溫度測量系統(tǒng)設計

李遠哲， 賀海文， 萬 麗， 劉慧豐， 易 兵

(1.中國人民解放軍32184部隊，北京 100093； 2.中國人民解放軍63966部隊，北京 100072； 3.中國人民解放軍32183部隊，遼寧 錦州 121000)

裝甲車輛試驗鑒定需要對諸多參數進行長期連續(xù)測試[1]，溫度參數在直觀表征被測對象技術狀態(tài)的同時，也與壓力、流速、扭矩等參數有著強相互關系，是對被測對象進行分析評估的基本參數，也是實現過程控制、故障診斷、狀態(tài)監(jiān)測以及健康管理(PHM)、視情維修等必選的參數。因此，應對裝甲車輛不同分系統(tǒng)的多路溫度參數進行測量。

在多個文獻中都有關于多路溫度測量的研究[2-4]，提出了多種解決途徑，較好地滿足了使用環(huán)境相對較好的場合的需要。由于裝甲車輛試驗鑒定過程是一個長期持續(xù)的過程，且對測量系統(tǒng)適應沖擊振動、寬溫等惡劣環(huán)境要求苛刻，同時不同被測對象在通道數上存在差異，故要求測量系統(tǒng)具有良好的擴展性設計。目前所查詢到的方案存在著環(huán)境適應性、擴展性、經濟性、可靠性等方面的不足，因此，應設計適應惡劣工作環(huán)境的柔性可擴展的多路溫度測量系統(tǒng)，從而滿足裝甲車輛以及其他相關領域需要長期車載持續(xù)測量的迫切需要。

1 溫度測量原理

在工業(yè)、軍工等測量領域，目前多用鉑電阻傳感器作為溫度傳感器。鉑電阻傳感器是利用金屬鉑(Pt)的電阻值隨溫度變化的物理特性而制成的溫度傳感器。鉑電阻溫度傳感器有Pt1000和Pt100兩種，溫度每變化1 ℃，Pt1000和Pt100熱電阻分別增加或減小約3.8 Ω和0.38 Ω，由于阻值變化區(qū)間不同，相比之下Pt1000靈敏度更高。根據鉑電阻分度表或者其溫度電阻特性公式即可獲得對應的溫度值。顯然，電阻值的精確測量是實現溫度值測量的關鍵。測量電阻有二線制、三線制和四線制等不同接法，為保證精度，一般多采用三線制或四線制方法。

1.1 四線制測溫方法

四線制能夠嚴格消除線路電阻的影響。其原理是4根線中2根通電流(r1、r4，常稱電流線)，另外2根作為電壓測量的引線(r2、r3，常稱電壓線或補償線)，這2根線上流過的電流非常小，可以忽略不計，也就是說線路上沒有壓降，這樣測量到的就是兩端的真實電壓，反映的是真實的電阻。若4根線的線型一樣、長度一樣，接觸電阻可以忽略不計。四線制需要從熱電阻Rt兩端引出4根導線，其優(yōu)點是測量精度高，缺點是需要導線多。如圖1(a)所示，I為恒流激勵源，r1，r2，r3，r4分別為近似相等的傳感器引線電阻，Rt為鉑電阻，AIN1，AIN2為A/D轉換器的兩個差分輸入端，對電流的分流可忽略不計，得到的鉑電阻上的電壓U，即U=I×(Rt+ΔR)。

1.2 三線制測溫方法

采用三線制，將導線一根接到電橋的電源端，其余2根分別接到熱電阻所在的橋臂及與其相鄰的橋臂上，這樣消除了導線線路電阻帶來的測量誤差。如圖1(b)所示，圖中為恒流激勵電流源，Rt為鉑電阻，r1，r2，r3為近似相等的引線電阻，AIN1，AIN2為A/D轉換器的兩個差分輸入端。若引線電阻隨溫度變化的阻值為Δr，則其測量電壓誤差為Uerr=I×Δr。

與四線制接法電路相比，由于環(huán)境、激勵電流等因素造成引線電阻的變化會造成測量電壓的誤差，使得測量精度下降。在實際的應用中，出于性價比的考慮，三線制熱電阻測量溫度的方式更加常用，但對于同時要求測量精度較高的場合，圖1(b)所示的三線制接法將無法滿足。為提高三線制接法的測量精度，使用兩路恒流源I1，I2作為激勵，即改進的三線制，如圖1(c)所示，則測量電壓誤差為Uerr=2×(I1-I2)×Δr?？梢钥闯?，減小I1，I2的差值即可減小測量電壓誤差，如果I1=I2，將可完全消除引線電阻引入的測量電壓誤差。

圖1 溫度傳感器測溫電路原理示意圖

通過上述分析，改進的三線制采用雙恒流激勵源的方式，既避免了四線制方式導線過多的缺點也能保證測量精度。

2 系統(tǒng)的設計與實現

2.1 總體設計方案

為滿足上述精度、環(huán)境適應性、可靠性、擴展性等多方面的要求，系統(tǒng)設計按照“模塊化、可級聯”的思想，提出以飛思卡爾的MC9S12DT128單片機為控制單元、以AD7794為核心轉換單元、以CAN總線為擴展通信總線的設計方案，形成單個模塊具有6路溫度通道、可通過CAN總線擴展的溫度測量系統(tǒng)。系統(tǒng)邏輯架構如圖2所示，主要由溫度采集單元、數據采集單元、數據處理系統(tǒng)和CAN總線組成。

圖2 系統(tǒng)邏輯架構示意圖

在數據處理系統(tǒng)(上位機軟件)的集控下，通過數據采集單元及其嵌入式系統(tǒng)軟件完成對各溫度采集單元進行地址編址、初始標定、數據接收和存儲等。系統(tǒng)通過CAN總線實現數據傳輸和單元級通道擴展，可形成柔性組合的多模塊、分布式采集系統(tǒng)，滿足多通道、高精度、惡劣環(huán)境下長期持續(xù)使用的需要。

2.2 具體設計與實現

如前所述，MC9S12DT128型單片機和AD7794芯片為核心器件的該測量系統(tǒng)的核心。

MC9S12DT128型單片機成本低、功耗小、資源豐富，工作溫度達到-40～125 ℃，其內部集成了3個CAN總線接口、2個SPI接口和定時器等多種資源，以該單片機為MCU進行設計不需要額外設計CAN總線接口、SPI接口資源等，對于CAN總線接口通信只需增加收發(fā)器(如82C251)通過軟件配置即可實現，操作簡單方便，滿足了溫度采集單元模塊及擴展和AD7794控制的需要。

AD7794是ADI公司生產的一款低功耗24位∑-Δ模數轉換器，采用2.7～5.25 V單電源供電，功耗電流僅400 μA，同時噪聲只有40 nVrms，非常適合于低功耗且高精度的測量。它集成了6個差分傳感通道的24位ADC，片上還有低噪聲的儀用放大器，這意味著幅度比較小的信號可以直接輸入到ADC。另外，它還具有兩路可編程恒流源輸出(10 μA,210 μA,1 mA)，可以為電阻類型的傳感器提供電流，并且兩路恒流源匹配誤差為±0.5%，保證了采用改進的三線制溫度傳感器的測量精度。同時其基準電壓可通過內部寄存器選擇，數據輸出速度可以通過編程設置為4～500 Hz，在16.6 Hz條件下它們能夠提供同步抑制50 Hz和60 Hz干擾信號的功能。

綜上所述，MC9S12DT128單片機的資源配合AD7794提供的恒流源、基準電壓控制、數模轉換等功能，能夠很好地滿足溫度測量的需要。為提高測量的精度和穩(wěn)定性，AD7794的基準電壓采用了外部比率式設計，即采用其自身的恒流源與定制的低溫漂電阻產生的電壓作為外部基準電壓，以消除恒流源的變化而引起的測量誤差。由于AD7794提供了兩個外部基準電壓選擇，若不采用通道切換方法，單片AD7794只能測量兩路溫度。因此實現6路溫度參數的測量，可以有“3片AD7794”和“1片AD7794+4片ADG608”兩種方法實現。綜合考慮經濟性和可靠性，在不大于6通道時采用“3片AD7794”的方法來完成更適宜。

系統(tǒng)設計中，使用MC9S12DT128單片機內嵌的CAN總線通信模塊和強大的數據處理功能，通過對AD7794的控制，讀取AD7794轉換獲得的前端鉑電阻溫度傳感器的輸出信號，根據標定系數轉換為實測的鉑電阻的電阻值，然后經過查詢“電阻-溫度”對照表，獲得對應的溫度值。

圖3給出了單個AD7794芯片實現兩路三線制溫度傳感器的溫度采集電路。溫度采集電路大體上又分為信號調理和A/D轉換兩大部分。信號調理部分所要完成的任務是把非電量的信號轉化電壓類型。采用改進的三線制溫度測量電路，T1-、T1+和T2-、T2+分別經RC濾波后為AD7794提供測量電壓信號，通過AD7794內部控制打開恒流源，IOUT1從TI1流出，IOUT2從TI2流出，經Ref1和Ref2兩個低溫漂高精度電阻為AD7794提供基準電壓，同時TI1、TI2也分別作為通道1和通道2的Pt1000溫度傳感器的激勵電流，以產生測量電壓。由于采用同一恒流源產生基準電壓和測量電壓，實現了外部比率式基準電壓，消除了由于恒流源的變化而產生的誤差。

圖3 溫度采集電路的設計

輸入信號通過低通濾波、開關選通、濾波消噪等單元后再進入相應的AD7794的模擬輸入端。為保證測量精度，引線電阻和AD7794的基準電壓是必須要考慮的因素。測量信號經過消噪處理后,進入AD7794的AIN1、AIN2兩個差分輸入端。通過MC9S12DT128單片機的SPI1口實現對AD7794的控制操作，主要包括模式設置、配置設置，從而完成采集模式、放大倍數、基準電壓、通道等的設置和選擇。其主要的初始化模塊AD7794_SPI_Init和讀寫模塊AD7794_SPI_WR_Byte代碼如下:

#define AD7794_SPI &SPI1CR1

#define AD7794_SPI_CS_DDR DDRP_DDRP3

#define AD7794_SPI_CS PTP_PTP3

static byte *AD7794_SPISR;

static byte *AD7794_SPIDR;

void AD7794_SPI_Init(void)

{

*AD7794_SPI=0x5C;//分別設置LSBF、SSOE、CPHA、CPOL、MSTR、SPTIE、SPE、SPIE

*(AD7794_SPI+1)=0x00;//設置SPI1CR2，AD7794最大5M

AD7794_SPI_CS_DDR=1;

AD7794_SPI_CS=0;

AD7794_SPISR=AD7794_SPI+3;

AD7794_SPIDR=AD7794_SPI+5;

*(AD7794_SPISR);//SPISR;

*(AD7794_SPIDR);//SPIDR;

}

static byte AD7794_SPI_WR_Byte(byte SendData)

{

while(!((*AD7794_SPISR)&0x20));//等待.SPTEF為1，才能寫入數據

*AD7794_SPIDR=SendData;

while(!((*AD7794_SPISR)&0x80));//等待接收完成

return (*AD7794_SPIDR);

}

為操作方便，可在軟件設計中根據模式寄存器與配置寄存器的定義建立兩個聯合AD7794_MOD、AD7794_CFG，定義如下：

typedef union

{

unsigned short regValue;

struct

{

byte MR8 :1;//Bit8:必須為0

byte AMP_CM :1;//Bit9:儀表共模位

byte MR10 :2;//Bit10-11：必須為0

byte PSW :1;//Bit12：電源開關控制位

byte MOD :3;//Bit13-15：模式選擇位

byte FS :4;//Bit0-3：濾波器更新選擇

byte CHOP_DIS:1;//Bit4：斬波使能位

byte MR5 :1;//Bit5:必須為0

byte CLK_SEL :2;//Bit6-7:選擇時鐘源

}DATA;

}AD7794_MOD;

typedef union

{

unsigned short regValue;

struct

{

byte Gain :3;//Bit8-10：增益選擇

byte BOOST :1;//Bit11：必須為0

byte Psolar :1;//Bit12：極性選擇位

byte BO :1;//Bit13：熔斷電流使能

byte VBIAS :2;//Bit14-15：偏置電壓

byte Channel:4;//Bit0-3：通道選擇

byte BUF :1;//Bit4：緩沖模式

byte RFE_DET:1;//Bit5：基準電壓檢測

byte REF_SEL:2;//Bit6-7：基準電壓選擇

}DATA;

}AD7794_CFG;

單片AD7794可支持兩路溫度信號的采集，在采集過程中需要修改AD7794的模式寄存器和配置寄存器以完成采集模式、放大倍數、基準電壓、通道等的設置和選擇等操作，其典型操作流程如圖4所示。

圖4 AD7794典型操作流程圖

嵌入式系統(tǒng)軟件主要包括主程序模塊、AD7794設置模塊、溫度標定模塊、溫度采集轉換模塊、CAN總線初始化模塊、CAN總線接收模塊、FM25640鐵電隨機存儲器模塊和開發(fā)系統(tǒng)支撐單元等。為克服鉑電阻的非線性帶來的計算難度，測量系統(tǒng)采用查分度表和線性差值的方式獲得最終的溫度測試值。為此，通過“標定”建立“碼值-阻值”之間的線性關系，即

R測=ADCode×A+B

式中，R測為測量電阻值；A，B為轉換系數；ADCode為AD7794輸出碼值。

由此，可以計算實際的測量阻值。但這樣的一種對應關系由于硬件設計和電子元器件等因素，對于不同的通道，其A，B并不相同，因此在軟件設計中，提供了溫度標定模塊，用于實現對每個通道進行標定。大體的過程是通過標準電阻提供兩個標準電阻值(894 Ω、1385 Ω)，計算出當前通道的標定系數，并保存至FM25640中，使得該系數能夠掉電不丟失且可以多次標定，方便后續(xù)計量標校。

“阻值-溫度”對照表按鉑電阻分度表給出，并將對應的溫度值放大10倍表示，以保證測試結果的分辨率,同時，為表示負溫度值的方便，采用了測量值加上500的處理方法，使得最終顯示的測量結果在0～2000之內，以方便CAN總線傳輸。溫度采集執(zhí)行流程如圖5所示。

圖5 溫度采集流程圖

3 抗干擾措施

為了增強抗干擾能力和容錯性,電路中采用了多種軟、硬抗干擾措施。從硬件設計上分析，主要的干擾源在高頻時鐘，主要的傳播路徑是導線傳導，由此可能造成恒流源的變化，所以在硬件設計上,采用電源接地抗干擾、電路板每個IC并接一個0.01～0.1 μF的高頻電容，以減少對電源的影響，同時注意布線的合理性，連線盡量靠近電源端并盡量粗短等抗干擾措施[5-6]。在軟件計上,采用去極值滑動平均濾波抑制疊加在模擬輸入信號上的噪聲[7]；采取軟件攔截技術、軟件看門狗技術等措施使受到干擾而“跑飛”的程序回到正常的軌道上來，有效地提高了系統(tǒng)的可靠性。

4 實驗結果分析

為驗證系統(tǒng)的環(huán)境適應性和測量精度，利用ZX21型旋轉式電阻箱提供標準電阻值模擬Pt1000溫度傳感器，進行了常溫、低溫(-43 ℃)、高溫(+110 ℃)等環(huán)境條件下的實驗測試，并與分度表標準值進行對比分析，結果如表1所示。

實驗結果表明，在-48～350 ℃范圍內溫度點的測量偏差在±0.1 ℃以內，完全滿足常見過程管理、狀態(tài)監(jiān)測、健康管理等領域的測量要求。

5 結束語

通過合理運用MC9S12DT128單片機和AD7794芯片資源，結合軟件設計實現了可通過CAN總線擴展的模塊化多路溫度測量[8-9]。該測量系統(tǒng)在多型裝備試驗鑒定過程中得到普遍應用，隨車完成了長期持續(xù)數據采集，為裝備狀態(tài)監(jiān)測、故障分析等提供了高精度的測量數據，保障了裝備的鑒定定型。實踐證明，該測量系統(tǒng)精度高、適應性好、擴展性強、經濟性好、使用方便，可廣泛應用于其他相關領域的溫度測量，推廣應用前景廣闊。

表1 實驗數據對比