帶DAC輸出的多通道溫度采集模塊的設(shè)計

摘 要：設(shè)計一種低成本高精度的通用模擬采集模塊。采用熱電阻實時采集多點工控場合的溫度信息，通過電子開關(guān)將多路測溫電路與AD芯片相連，簡化電路結(jié)構(gòu)?；贛odbus通信協(xié)議，通過RS 485網(wǎng)路與主機通信，保證模塊的通用性和實時性。并設(shè)計了一種改進的高準(zhǔn)確度PWM轉(zhuǎn)DAC電路。整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠。

關(guān)鍵詞：Modbus; 溫度采集; PWM; DAC

中圖分類號：TN915.04-34 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1004-373X(2011)17-0202-03

Design of Multi-channel Temperature Acquisition Module with DAC Output

YUAN Jing， SHI Huo-quan

(MOE Key Laboratory of Advanced Process Control for Light Industry， Jiangnan University， Wuxi 214122， China)

Abstract： The module are designed to collect the multi-point real-time temperature information in industrial auto control occasions. The temperature measurement circuit is connected with the AD chip by the electronic switch to simplify the circuit structure. Based on MODBUS communication protocol， it communicates with the host via RS 485 network to ensure the versatility and real-time of the modules. An improved high-accuracy convert circuit (from PWM to DAC) was also designed to reduce the cost of the application circuit. The whole system is simple and stability.

Keywords： MODBUS; temperature acquisition; PWM; DAC

在化工產(chǎn)業(yè)，機械加工，工業(yè)制造等領(lǐng)域經(jīng)常要考慮到溫度對測量或加工的影響，因此對溫度的測量和控制就顯得尤為重要。特別在一些環(huán)境惡劣、干擾較強的使用場合，溫度采集裝置的穩(wěn)定是實現(xiàn)測量與控制的首要環(huán)節(jié)。本文針對上述背景，設(shè)計了通用多通道檢測模塊。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理

模塊采用單片機ATmega48為控制核心，多路恒流源測溫電路通過電子開關(guān)CD4051與13位A/D轉(zhuǎn)換器MCP3301相連，通過單片機控制3/8譯碼器74HC138進行通道選擇；模塊通過基于Modbus通信協(xié)議的RS 485接口與主機通信；并具有一路PWM轉(zhuǎn)DAC電路。模塊適用于與PLC等主機連接，各通道實時檢測數(shù)據(jù)保存于各通道的保持寄存器中，當(dāng)接收到主機讀取命令時將數(shù)據(jù)發(fā)送。整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

系統(tǒng)主要硬件部分控制電路：MCU、溫度測量電路、PWM轉(zhuǎn)DAC電路、電源電路和RS 485通信電路。為了避免外連的通信電路影響內(nèi)部測量電路，提高抗干擾性能，將通信接口電路通過光藕隔離，且工作電源具有兩路隔離電源，本文采用開關(guān)電源，具有效率高、重量輕和體積小的特點，并可兼容交、直流24 V供電。本文在硬件部分主要介紹恒流源熱電阻測溫電路以及PWM輸入的DAC電路。

2.1 熱電阻溫度測量電路

本模塊的熱電阻選用鉑電阻Pt100作為溫度傳感器。在-50~+600 ℃中溫范圍內(nèi)，與其他熱敏元件相比，鉑電阻溫度傳感器測量準(zhǔn)確度高、測量范圍大、穩(wěn)定性好、抗干擾能力較強。

鉑電阻測溫電路主要有兩種：橋式測溫電路和恒流源式測溫電路。

橋式測溫電路主要是利用調(diào)整電橋的電阻參數(shù)，抵消電橋兩端的電壓波動，以突出熱電阻變化引起的電壓，當(dāng)采用三線制時可以消除引線誤差，

但存在非線性誤差和電路相對復(fù)雜等問題［1］。

恒流源式測溫電路利用穩(wěn)定電壓給熱電阻以恒定電路流，

保證熱電阻上的電壓和其阻值變化成線性關(guān)系的。在保證基準(zhǔn)電壓源穩(wěn)定的情況下，

可以簡化電路結(jié)構(gòu)，另外根據(jù)熱電阻和輸出電壓線性關(guān)系，更加有利于溫度的計算和校正。

恒流源式測溫的基本應(yīng)用電路如圖2所示。

圖2中虛框部分即為恒流源電路。運放U1A將輸入的基準(zhǔn)電壓VREF轉(zhuǎn)換為恒流源，激勵熱電阻RT。熱電阻兩端電壓，經(jīng)過U1B運放組成的雙端輸入單端輸出放大電路，將信號放大10倍，即輸出期望的檢測電壓信號。該輸出信號通過電子開關(guān)與A/D轉(zhuǎn)換芯片相連。

電子開關(guān)的通路電阻較小，僅為幾百歐姆，而A/D測量電路一般呈現(xiàn)高阻態(tài)，其帶來的誤差可以忽略。

檢測精度和模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片(A/D)的分辨位數(shù)有很大關(guān)系，一般單片機內(nèi)帶的A/D位數(shù)分辨率較低(ATmega48內(nèi)含10位A/D)，不適合精確測量，而高分辨率的A/D芯片價格昂貴。本文兼顧了性能價格比，采用了外擴一片低成本的13位A/D芯片MCP3301。通過改進軟硬件設(shè)計，實際測量結(jié)果證明可以保證誤差不超過0.5%。

2.2 PWM轉(zhuǎn)DAC電路

在電子和自動化技術(shù)的應(yīng)用中，也經(jīng)常需要提供模擬輸出，如變送器和控制器類儀器，經(jīng)常需要輸出0~10 V，0~20 mA(或4~20 mA)的直流信號。高精度的數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)芯片或集成了DAC的單片機價格昂貴。應(yīng)用單片機的PWM輸出，經(jīng)過簡單的變換電路實現(xiàn)DAC，可以大大降低電子設(shè)備的成本。

通過一個低通濾波器就可以把PWM調(diào)制的數(shù)模轉(zhuǎn)換信號解調(diào)出來，實現(xiàn)從PWM到DAC的轉(zhuǎn)換［2］。ATmega48具有16位定時器的PWM輸出功能，實現(xiàn)的DAC電路輸出精度基本滿足一般的工業(yè)控制場合。另外在一些環(huán)境惡劣、干擾較強的場合，模擬輸出容易受到干擾，本文通過使用恒流方式驅(qū)動電路來提高DAC電路的負(fù)載和抗干擾能力。具體原理圖如圖3所示。

圖3中單片機輸出的PWM電壓，經(jīng)過基準(zhǔn)電源VREF和開關(guān)管T1組成的整形電路進行整形，在A點的輸出波形為理想的PWM波形，幅值由基準(zhǔn)電源的準(zhǔn)確度得到保證，再經(jīng)過兩級阻容濾波和一級跟隨放大器，在B點得到直流分量，即MCU輸出的調(diào)制PWM波在B點得到解調(diào)，實現(xiàn)了DAC功能?？傻茫?/p>

由式(3)可以看出無論負(fù)載電阻RL的值如何改變，并不影響DAC輸出的電流值。這樣設(shè)計的好處是可以方便地更改輸出電阻RL，保證了模擬輸出量值的準(zhǔn)確度，提高了負(fù)載能力。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件主要由溫度測量程序和Modbus通信中斷程序組成。

測溫程序主要負(fù)責(zé)溫度采集，主要工作在于建立熱電阻溫度和電阻值的分度表，并判斷每路檢測結(jié)果是否出現(xiàn)溫度是否異常，是則重新測量。正確的測量結(jié)果將保存于保持寄存器，等待上位機讀取。溫度測量程序流程圖如圖4所示。

當(dāng)模塊接受到主機的讀取命令時，則進入通信中斷程序。Modbus協(xié)議是應(yīng)用于工業(yè)控制上的一種通用通信協(xié)議。主要有兩種通信模式：ASCII和RTU模式。由于在同樣的波特率下，RTU比ASCII能夠傳送更多的數(shù)據(jù)，因此采用RTU模式來實現(xiàn)模塊的Modbus通信［3］。它的消息幀格式主要有地址、功能碼、數(shù)據(jù)、校驗碼構(gòu)成。Modbus協(xié)議的通信中斷程序流程圖如5所示。

4 結(jié) 語

本模塊采用了AVR單片機為控制核心，采用外擴一片低成本的13位A/D芯片，通過電子開關(guān)切換實現(xiàn)多路測溫電路。設(shè)計了一種PWM轉(zhuǎn)DAC電路。基于Modbus通信協(xié)議，通過RS 485網(wǎng)路與主機通信。結(jié)構(gòu)簡單，準(zhǔn)確度高，通用性好。實際使用中，在高溫和強干擾環(huán)境下，模塊仍能正常工作。

參 考 文 獻

［1］李書澤，張武高，張榮榮.高精度鉑電阻測溫電路優(yōu)化設(shè)計［J］.工業(yè)儀表與自動化控制，2005(1)：27-29.

［2］秦健.一種基于PWM的電壓輸出DAC電路設(shè)計［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2004，27(14)：81-83.

［3］許龍虎，張浩，彭道嗣，等.基于Modbus的嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計［J］.華東電力，2009，37(2)：311-313.

［4］鄭保，成鵬展，張建蘭.提高鉑電阻溫度計測量精度的方法研究［J］.計測技術(shù)，2006，26(1)：56-59.

［5］車?yán)^勇.Modbus通信協(xié)議PLC主站軟件設(shè)計［J］.自動化技術(shù)與應(yīng)用，2008，27(4)：24-26.

［6］李偉.基于Modbus協(xié)議的工控節(jié)點設(shè)計與實現(xiàn)［J］.計算機工程，2010，36(16)：226-228.

［7］顧學(xué)群，劉建峰.MSC1210單片機在多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2005(1)：45-47.

［8］趙新宇，何怡剛.車用鉑電阻溫度傳感器非線性校正［J］.計量與測試技術(shù)，2005，32(5)：9-11.

［9］馮煒，沈紹祥.帶溫度測試模塊的TDR測試系統(tǒng)研制及溫度校準(zhǔn)［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2009，9(23)：6971-6976.

［10］黃河，李志強，段輝.鉑熱電阻在測溫電路中的實際應(yīng)用［J］.煤炭技術(shù)，2009，28(4)：47-48.

作者簡介：

袁 景 男，1987年出生，山東人，在讀碩士研究生。主要研究方向為諧波抑制及功率校正。

施火泉 男，1962年出生，蘇州人，高級工程師。主要研究方向為電力電子及儀器儀表方向。