基于ARM的溫度巡檢保護(hù)裝置的研制

王 偉，趙 涌

（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院/南京南瑞集團(tuán)公司，江蘇 南京 210003）

基于ARM的溫度巡檢保護(hù)裝置的研制

王 偉，趙 涌

（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院/南京南瑞集團(tuán)公司，江蘇 南京 210003）

介紹一種基于 A R M的多通道溫度采集裝置，詳細(xì)分析了其測量原理，給出了裝置的軟硬件設(shè)計(jì)。采用C S 5523芯片完成溫度采集，簡化了電路設(shè)計(jì)，同時增強(qiáng)了裝置的抗干擾性。現(xiàn)場試驗(yàn)表明，研制的裝置具有測量精度高、可靠性好和較強(qiáng)的抗干擾能力。

溫度測量;熱電阻;恒流源;A R M

0 引言

溫度參數(shù)是目前工業(yè)生產(chǎn)中常用的生產(chǎn)過程參數(shù)之一，尤其是在電廠中部分溫度參數(shù)還參與告警和停機(jī)保護(hù)。考慮到測量過程中可能遇到的各種惡劣環(huán)境，因此，系統(tǒng)要求有較高的準(zhǔn)確性和可靠性。以前出現(xiàn)過恒流源激勵失靈以及抗干擾能力差等問題，嚴(yán)重影響了測量的效果，給運(yùn)行監(jiān)視人員帶來很大的壓力。針對這些問題，本文設(shè)計(jì)了一種新的測溫裝置，通道之間完全隔離，巡回采集多達(dá)48路通道的熱電阻，較高的準(zhǔn)確性和可靠性以及故障自動檢測功能，現(xiàn)場運(yùn)行情況表明，該裝置達(dá)到了預(yù)期的要求。

1 測量原理

溫度測量的方法很多，但熱電阻憑借其優(yōu)良的特性成為目前工業(yè)上溫度測量應(yīng)用最廣泛普遍的傳感器元件之一。熱電阻是一種電阻值隨溫度而變化的傳感器，所以可以通過測量電阻值的方法來完成溫度測量。

通常電阻的測量方法有電橋測量法和恒流源激勵法。電橋測量法的輸出電壓與電阻值為非線性關(guān)系，尤其是用于多種類型的熱電阻時數(shù)據(jù)處理比較復(fù)雜，因而很少用于溫度測量系統(tǒng)中。而恒流源激勵法由于輸出電壓與電阻值為近似的線性關(guān)系，因此，本系統(tǒng)采用恒流源激勵法進(jìn)行溫度測量。采用該方法進(jìn)行溫度測量時要保證恒流源激勵小于5mA，否則會造成熱電阻的自熱而影響測量的準(zhǔn)確度。恒流源激勵如果太小又容易受到現(xiàn)場干擾的影響，因此，本裝置采用2.5mA的恒流源激勵。

熱電阻的接入方式一般有兩線制、三線制和四線制。兩線制測量由于引線電阻帶來的附加誤差會使實(shí)際測量值偏高，需要通過軟件進(jìn)行校準(zhǔn)，一般適用于低精度測量且引線較短的場合；四線制測量精度最高，三線制測量比兩線制測量精度更高，相比四線制測量成本更低，因此，工業(yè)上一般采用三線制測量。測量時要求三根引線截面積和長度均相同，這樣引線電阻產(chǎn)生的影響才能相互抵消。本裝置以三線制接入方式進(jìn)行溫度測量。

圖1是采用恒流源激勵法進(jìn)行溫度測量的檢測電路。熱電阻RTD采用三線制接入方式，從A、B、C三點(diǎn)接入，RL為三根引線電阻，一般在5Ω以內(nèi)。恒流源激勵I(lǐng)經(jīng)過電阻RB、引線電阻RL、熱電阻RTD、引線電阻RL、電阻RC到地組成一個激勵回路，然后通過光MOS開關(guān)K1和K2切換進(jìn)行兩次測量,得到電壓值U1和U2。開關(guān)K1導(dǎo)通時，測量電壓U1＝I*（RTD+RL）；開關(guān) K2導(dǎo)通時，測量電壓 U2＝I*（RTD+2*RL），熱電阻上的電壓 U＝2*U1-U2=I*RTD。最后通過標(biāo)準(zhǔn)電阻通道的切換得到電阻值RTD，從而計(jì)算出實(shí)際測量的溫度，同時消除了恒流源激勵的影響。

圖1 溫度測量的檢測電路圖

2 硬件設(shè)計(jì)

溫度測量系統(tǒng)通常是低速（每秒采樣最多100個）的，因此窄帶模數(shù)轉(zhuǎn)換器比較適合；同時由于傳感器信號非常微弱，因此需要高分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。窄帶與高分辨率的要求，使得Σ-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器成為這種應(yīng)用的理想選擇。

CS5523是美國Cirrus Logic公司生產(chǎn)的16位高精度Σ-Δ型A/D芯片。該芯片內(nèi)含多路復(fù)用器、可編程增益放大器、斬波穩(wěn)零放大器、4階Δ-Σ調(diào)制器、數(shù)字濾波器以及片內(nèi)系統(tǒng)校準(zhǔn)和自校準(zhǔn)電路。測量電壓范圍可以選擇25mv、55mv、100mv、1v、2.5v 和 5v，且可以根據(jù)需要進(jìn)行補(bǔ)償；其數(shù)字濾波器提供最多8種可編程輸出更新速率，當(dāng)輸出速率低于30Hz時，還可同時抑制50Hz和60Hz的系統(tǒng)干擾。因此，該芯片非常適用于信號較弱、動態(tài)范圍大、干擾嚴(yán)重的溫度測量系統(tǒng)。

裝置采用PHILIP公司的ARM芯片LPC2214作為主控CPU。該CPU負(fù)責(zé)48路通道熱電阻和標(biāo)準(zhǔn)通道的切換，與串行A/D的接口并進(jìn)行相應(yīng)運(yùn)算，按鍵操作、液晶顯示、通訊處理以及組態(tài)保護(hù)輸出。

LPC2214是基于一個支持實(shí)時仿真和跟蹤的 l6/32位ARM7TDMI-STMCPU的微控制器，它帶有16KB片內(nèi)靜態(tài)RAM、256KB片內(nèi)Flash存儲器、多個32位定時器、8路lO位ADC以及多達(dá)9個外部中斷，同時由于其極低的功耗、多達(dá)112個可使用的GPIO，內(nèi)置寬范圍的串行通信接口，使其特別適用于工業(yè)控制。

裝置硬件原理圖如圖2所示。

圖2 裝置硬件原理圖

裝置可以使用不同的熱電阻進(jìn)行測量，每路溫度輸入可以互相獨(dú)立支持Cu50、Cu53、Cu100、PT100等8種類型的熱電阻；可以自動檢測通道的斷線和短路等一系列故障。系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：多路開關(guān)切換與A/D轉(zhuǎn)換、CPU、RS-232/RS-485通訊電路、開出保護(hù)電路、人機(jī)接口電路、電源電路。

多路開關(guān)切換與A/D轉(zhuǎn)換主要由光MOS開關(guān)和ADC組成。由于繼電器開合壽命有限以及噪聲大等缺點(diǎn)，故通道之間的隔離全部使用光MOS開關(guān)完成通道的切換和各個通道的隔離。ADC則完成測量數(shù)據(jù)的采集，并通過SPI接口實(shí)現(xiàn)與CPU的通信。為保證可靠性，SPI接口使用光耦進(jìn)行隔離。RS-232/RS-485通訊電路則完成裝置與上位機(jī)的通訊，為保證通信能在惡劣環(huán)境中正常工作，設(shè)計(jì)了光耦隔離回路以及抗雷擊、抗浪涌等一系列保護(hù)措施。

系統(tǒng)的電源電路采用開關(guān)電源將交直流220V的電源轉(zhuǎn)換為裝置所需的＋5V、±15V和＋24V輸出，然后通過LDO將＋5V轉(zhuǎn)換為ARM芯片所需的＋3.3V和＋1.8V。人機(jī)接口電路主要完成按鍵輸入、液晶輸出以及LED顯示。同時裝置還設(shè)計(jì)了I2C接口的E2PROM用于熱電阻參數(shù)和保護(hù)組態(tài)的掉電存儲。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要包括以下模塊：系統(tǒng)初始化、溫度量采集及處理、鍵盤處理、液晶顯示、通訊任務(wù)、E2PROM定時檢查、保護(hù)組態(tài)開出等。該系統(tǒng)程序流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)程序流程圖

溫度量采集及處理流程圖如圖4所示。首先進(jìn)行通道選擇，開關(guān)1切換，延時10ms后啟動A/D轉(zhuǎn)換，得到電壓值U1；開關(guān)2切換，延時10ms后啟動A/D轉(zhuǎn)換，得到電壓值U2，熱電阻電壓U＝2*U1-U2，通過標(biāo)準(zhǔn)電阻通道的切換計(jì)算電阻值。由于熱電阻的阻值隨溫度的變化為非線性的，所以在軟件編程時進(jìn)行了分度線性擬合，然后插值運(yùn)算計(jì)算溫度值。

圖4 溫度量采集及處理流程圖

4 試驗(yàn)結(jié)果

通過對某電廠進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，將該電廠1號機(jī)組軸瓦溫度量信號和定子溫度量信號接入本裝置中，在機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行時觀察溫度測值并將其進(jìn)行錄波，錄波圖如圖5所示。圖中紅色曲線為軸瓦溫度曲線，藍(lán)色為定子溫度曲線。每格為0.2℃。

據(jù)現(xiàn)場運(yùn)行人員反映該點(diǎn)軸瓦溫度量信號周圍干擾很大，在原來的測溫裝置中有時跳動超過5℃以上。但從試驗(yàn)波形可以看出，該點(diǎn)軸瓦溫度量信號測量一直在0.3℃范圍以內(nèi)，穩(wěn)定性高，有較強(qiáng)的抗干擾性和可靠性，完成了預(yù)定的要求。

5 結(jié)語

本測量裝置基于ARM微處理器，可實(shí)時采集多達(dá)48路通道的熱電阻信號，使用了性能較好的數(shù)據(jù)采集芯片CS5523和一系列抗干擾措施，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期效果。現(xiàn)場試驗(yàn)表明研制的系統(tǒng)具有測量精度高、可靠性好和較強(qiáng)的抗干擾能力。

[1]葉林，邢科新，李輝,等.一種多通道溫度采集系統(tǒng)的研制[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2006，（9）.

[2]黎飛鴻，劉錦高.RTD Pt100的一種單電源信號調(diào)理電路[J].儀器儀表用戶，2007，（1）.

[3]CIRRUSLOGIC.CS5521/22/23/24/28英文資料[Z].2000.

[4]廣州周立功單片機(jī)發(fā)展有限公司.LPC2114/2124/2212/2214使用指南[Z].

TP216

B

1672-5387（2011）03-0024-03

2011-04-11

王偉（1982－），男，碩士，工程師，主要研究方向：水電廠監(jiān)控系統(tǒng)。