一種基于以太網(wǎng)的遠(yuǎn)程多通道高精度溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：根據(jù)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境下的溫度測量需求，設(shè)計(jì)出一種基于以太網(wǎng)的遠(yuǎn)程多通道高精度溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。系統(tǒng)由下位機(jī)和遠(yuǎn)程主機(jī)構(gòu)成，下位機(jī)硬件主要由溫度傳感器PT1000、儀用放大器INA128構(gòu)成的調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換器MaX1300、32位微控器PIC32MX795以及物理網(wǎng)卡芯片構(gòu)成，上位機(jī)為遠(yuǎn)程PC機(jī)。在恒流源的激勵下，PT100電壓的變化依賴溫度的變化，經(jīng)信號調(diào)理、16bitA/D轉(zhuǎn)換后由PIC32MX795求解出高次方程的數(shù)值根即溫度值，然后通過以太網(wǎng)發(fā)送給遠(yuǎn)程主機(jī)進(jìn)行處理。系統(tǒng)充分利用PIC32MX795的計(jì)算性能，利用牛頓法直接尋找高次方程的數(shù)值根即為溫度值，其測量精度優(yōu)于0.1℃。系統(tǒng)長期工作穩(wěn)定。

0 引言

一般的溫度測量系統(tǒng)中，溫度傳感器常采用模擬熱敏感器件如熱電阻、熱電偶或熱敏電阻，或者集成數(shù)字式溫度傳感器等。其中，熱電阻因?yàn)槠錅y量精度高、性能穩(wěn)定等綜合原因在低溫測量領(lǐng)域占有一席之地。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用鉑熱電阻PT1000為溫度傳感器，測量范圍為-50～250℃，采用高精度恒流源提供激勵，利用高性能32位PIC單片機(jī)直接使用牛頓法尋求傳感器的溫度值，高次方程尋根計(jì)算時間是ms量級，且計(jì)算與測量精度優(yōu)于0.1℃，從硬件電路和數(shù)值計(jì)算算法兩方面共同保證了測量精度和系統(tǒng)的可靠性。

1 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，遠(yuǎn)程端溫度數(shù)據(jù)采集硬件原理框圖如圖2所示。恒流源激勵PT1000產(chǎn)生的電壓信號經(jīng)過調(diào)理電路，送給A/D轉(zhuǎn)換器MAX1300，轉(zhuǎn)換的數(shù)字量送給32位處理器PIC32MX795計(jì)算出溫度值。DS1302時鐘電路為系統(tǒng)提供時間和日期。液晶顯示模塊LCD12864用以顯示溫度、時間和日期等信息。系統(tǒng)內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧，可同時采集8路溫度信號，并將采集的溫度數(shù)據(jù)經(jīng)過Internet發(fā)送至遠(yuǎn)程服務(wù)器進(jìn)行分析和處理。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

整個系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性由恒流源激勵和弱信號調(diào)理電路的精度、穩(wěn)定性共同決定，因此，在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，這兩部分需要精心設(shè)計(jì)。

2.1 10 μA恒流源設(shè)計(jì)

本文系統(tǒng)中采用具有低失調(diào)電壓的精密運(yùn)放OP97為核心設(shè)計(jì)恒流源電路，為了有效降低系統(tǒng)電源的紋波，電源系統(tǒng)的電壓采用變壓器降壓和線性LDO降壓芯片構(gòu)成的雙電源供電，恒流源的設(shè)計(jì)中，采用由MAX1300的參考電壓輸出端提供系統(tǒng)的基準(zhǔn)電壓。由于恒流源電路與A/D轉(zhuǎn)換電路使用同一個參考電壓，降低了參考基準(zhǔn)電壓的漂移對系統(tǒng)測量結(jié)果的影響。恒流源電路如圖3所示，恒流源的電流值設(shè)定為I=10 μA，其值由電阻器R4決定。電壓基準(zhǔn)、運(yùn)放的靜態(tài)偏置電流、電阻R2的溫度穩(wěn)定性和精度共同影響該電流源的性能，因此應(yīng)選擇穩(wěn)定性好的高精度、低溫漂電阻。

2.2 信號調(diào)理電路

微弱信號調(diào)理電路主要是由INA128、OP97構(gòu)成的兩級放大、濾波電路組成，如圖4所示。INA128是儀用放大器，輸入偏置電流小、精度高、增益設(shè)置和調(diào)節(jié)簡單。通過一個接在INA128的1腳和8腳之間的電阻RG即可設(shè)置系統(tǒng)增益，增益G=1+49.4k/RG。系統(tǒng)的測量范圍是0～200℃，PT1000對應(yīng)的電阻值為1000～1940.981，根據(jù)恒流源設(shè)置，PT1000對應(yīng)的輸出電壓為10～19.41mV，弱信號調(diào)理電路的輸出電壓為0～5V。因此，調(diào)理電路的放大和濾波設(shè)計(jì)為250倍放大，2階低通30Hz濾波，最后送入A/D轉(zhuǎn)換器的電壓幅度為：2.5～4.8525V。

2.3 AD轉(zhuǎn)換電路與TCP/IP通信模塊電路

A/D轉(zhuǎn)換器采用8通道、16位轉(zhuǎn)換器MAX1300，微控器選用32位處理器PIC32MX795，連接關(guān)系如圖5所示。MAX1300工作于外部時鐘模式，由PIC32MX795的SPI口讀寫時鐘提供A/D轉(zhuǎn)換時鐘，REF輸出一個4.096V的基準(zhǔn)電壓作為恒流源參考電壓。圖6所示為DP83848的網(wǎng)絡(luò)接口。

3 下位機(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

PT1000的阻值和溫度的關(guān)系在-200～850℃范圍內(nèi)滿足如下關(guān)系式：

溫度和電阻值之間的關(guān)系不是線性關(guān)系，為了提高測量精度，傳統(tǒng)的做法是利用近似的方法，分段進(jìn)行線性化處理，在每一個溫度范圍內(nèi)將溫度和電阻值的關(guān)系看成是線性關(guān)系，然后用最小二乘法進(jìn)行曲線擬合，通常對于計(jì)算能力不高的處理器，這種處理方法是一個首選的方案，但是對于PIC32處理器，利用該處理器的強(qiáng)大的計(jì)算能力進(jìn)行科學(xué)計(jì)算應(yīng)該是首選的方案。

3.1 利用牛頓迭代法求溫度根

當(dāng)0℃

3.2 溫度與測量電壓關(guān)系式

由精密I=10 μA恒流源電路和調(diào)理電路可知，A/D轉(zhuǎn)換器件的輸入電壓為：

3.3 溫度數(shù)據(jù)采集與遠(yuǎn)程發(fā)送流程

下位機(jī)利用牛頓迭代法實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的求取，然后利用精簡的TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)發(fā)送，溫度轉(zhuǎn)換及流程如圖7所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與對比分析

在溫度區(qū)間0～100℃用不同方法進(jìn)行測量的溫度與實(shí)際溫度對照如表1所示，其中實(shí)際溫度由WZPB-1型一級標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)進(jìn)行標(biāo)定。

由表1的數(shù)據(jù)分析可知，在0～100℃區(qū)間上進(jìn)行的測量比較，利用鉑電阻的物理特性方程直接進(jìn)行數(shù)值尋根計(jì)算求取溫度值，方法可以保證在整個溫度區(qū)間上保持精度一致。

5 結(jié)論

與WZPB-1型標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)的對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，由溫度傳感器PT1000、A/D轉(zhuǎn)換器MAX1300、微控器PIC32MX795和遠(yuǎn)程PC機(jī)構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，工作穩(wěn)定、可靠，在硬件上保證了測量的精度;利用精簡的TCP/IP協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)了測量系統(tǒng)和遠(yuǎn)程系統(tǒng)之間穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)通信;系統(tǒng)的測溫區(qū)間為-50～250℃，測量精度優(yōu)于0.1℃。