基于Pt100的多功能無線測溫方案

陳 雷，鄭德忠，陳 爽

（1.東北石油大學(xué) 秦皇島分校, 秦皇島 066004；2.燕山大學(xué) 河北省測試計量技術(shù)及儀器重點實驗室，秦皇島 066004；3.河北科技師范學(xué)院 數(shù)學(xué)與信息科技學(xué)院，秦皇島 066004）

0 引言

熱電阻溫度傳感器（RTD）是目前能夠獲得的最精確溫度的傳感器件，在各種RTD中以Pt100在時間穩(wěn)定度和溫度線性變化方面的特性是最好的，另外該傳感器還具有精度高、測溫范圍寬、使用方便等優(yōu)點，在工業(yè)過程控制和測量系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。

利用Pt100熱電阻測溫時，需要把溫度變化引起的阻值變化轉(zhuǎn)換為電壓變化，再通過引線傳遞到儀表上進行放大、濾波等處理。工業(yè)用熱電阻安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場，通常需要較長的引線與后續(xù)的處理電路連接，由于Pt100本身的阻值較小，因此其引線電阻對測量結(jié)果會有較大的影響。根據(jù)實際測量的要求，人們設(shè)計了三種熱電阻的端子引線接入方式，即2線制、3線制和4線制。其中2線制用于引線較短或測量精度要求不高的場合；3線制的傳統(tǒng)處理電路使用電橋，可以基本消除引線電阻的影響；4線制采用帶恒流源的測溫電路，測量精度最高。以上每種接線方式都對應(yīng)不同的處理電路，互不兼容，本文給出的測溫方案可適用于三種熱電阻接線方法，同時實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線

傳輸和計算機集中監(jiān)控。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

該測溫系統(tǒng)硬件主要包括溫度電壓轉(zhuǎn)換、信號采集、無線收發(fā)和計算機監(jiān)控四部分，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 硬件電路設(shè)計

2.1 熱電阻測溫電路工作原理

三種接線方式采用同一個處理電路，都采用電流源作為激勵，將溫度引起的電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓變化，可根據(jù)實際情況選擇任一種接線方式進行測溫，而不需要改變電路結(jié)構(gòu)，也不需要任何軟件和硬件的額外設(shè)置。

該電路用到5個接線端，其中+I和-I分別為兩個恒定電流源的輸出端子，+V和-V分別為放大器的正反相輸入端子，AGND為電路的模擬地。由于Pt100在流過激勵電流時會消耗功率，產(chǎn)生自熱效應(yīng)，因此激勵電流大小應(yīng)適當(dāng)，通常選擇小于1mA的電流，這里取200 μA。三種接線方式如圖2所示，熱電阻Rt均接在測溫裝置遠(yuǎn)端，圖中的I為200 μA的激勵電流，Rt為Pt100，端子間的弧線均為短接導(dǎo)線，r1、r2、r3、r4均為引線電阻，由于各段引線等長，所以有r1=r2=r3=r4=r。

圖2 熱電阻接線原理圖

2.1.1 二線制電路原理

如圖2(a)所示，由電流源+I流出的電流I經(jīng)引線r1、r2和Rt并流回AGND。根據(jù)電路可知，實際輸入放大器兩端的電壓U=I(r1+Rt+r2)，由于熱電阻Rt阻值較小，因此引線電阻無法忽略；此方法由于引線電壓的存在會有較大誤差，除非引線足夠短，使r1和r2非常小，但這也只能盡量減小誤差，不能從根本上消除引線電阻的影響，而且在很多場合，縮短引線長度是不現(xiàn)實的，因此二線制電路只適用于精度要求較低的場合。

2.1.2 三線制電路原理

圖2(b)中的三線制使用了兩個電流源，均為200 μA。由電流源+I流出的電流I經(jīng)電阻為r1的引線流入Rt，r1和Rt中的電流均為I；由電流源-I流出的電流I經(jīng)電阻為r2的引線在Rt的下端和+I流出的電流匯合，根據(jù)基爾霍夫電流定律，易知流過引線電阻r3的電流為2I。根據(jù)r1=r2=r3=r4=r，得如下等式：

以上兩式相減，可得放大器正負(fù)輸入端的電壓為U= I×Rt，此即熱電阻兩端的電壓表達(dá)式。

2.1.3 四線制電路原理

四線制只使用一個電流源，引線r3和r4直接接到儀表放大器的兩個輸入端，由于放大器輸入阻抗很大，因此引線r3和r4上電流近似為0；由圖2(c)可知，+I流出的電流I經(jīng)r1流入Rt，再經(jīng)r2流回AGND，放大器的輸入電壓U=I×Rt，此即熱電阻兩端電壓。

可見三線制和四線制雖然接法不同，但實際輸入放大器的電壓表達(dá)式是一樣的，因此數(shù)據(jù)處理方法也一樣。因為I已知，只需測出電壓U，即可計算出Pt100的當(dāng)前阻值Rt，再根據(jù)Rt即可得到當(dāng)前溫度。

2.2 信號采集電路設(shè)計原理

采用了集成恒流源芯片LM334構(gòu)成恒流電路[2,3]，其在Pt100上產(chǎn)生的電壓經(jīng)放大濾波后再進行A/D轉(zhuǎn)換。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路采用ADI的12位A/D轉(zhuǎn)換器ADS1286實現(xiàn)，同時使用具有極低溫度系數(shù)的LM399構(gòu)成的精密基準(zhǔn)電壓源為其提供5V的基準(zhǔn)電壓。

工業(yè)用Pt100適用于測量650℃以下溫度，由分度表可知650℃ 時的阻值為329.51Ω，采用200μA的電流源，Pt100的電壓上限為329.51Ω×200μA=65.9mV，放大75倍可得到近4.94V輸出，從而充分利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器的分辨率。放大電路采用儀表放大器AD620實現(xiàn)，根據(jù)增益電阻計算公式R=49.4 kΩ/(G-1)，可計算增益G為75時的增益電阻值R。濾波電路采用了Sallen-Key結(jié)構(gòu)的巴特沃茲響應(yīng)二階低通濾波器。

溫度每變化1℃，Pt100阻值變化平均約0.354Ω，200μA的電流可產(chǎn)生0.071mV的電壓變化，放大75倍后為5.325 mV；12位的A/D轉(zhuǎn)換芯片ADS1286采用5V電壓基準(zhǔn)時，分辨率為5V/4096=1.22mV，理論上可以分辨出的最小溫度按下式估算：1.22 mV /5.325 mV =0.23 ℃。

2.3 微控制器的選取

采用ARM Cortex-M3 內(nèi)核的32位處理器STM32F100C4T6B，該處理器是一款專門針對微控制器應(yīng)用開發(fā)的主流ARM處理器，具有16kB的Flash程序存儲器，4kB的數(shù)據(jù)存儲器，內(nèi)核典型工作電壓為3.3V，工作頻率為24MHz，且集成了USART、I2C、SPI等標(biāo)準(zhǔn)通信接口，且價格便宜，可靠性高，完全滿足本設(shè)計的要求。

2.4 無線傳輸方案

終端溫度采集模塊和上位計算機的通信采用無線傳輸方式，可以解決有線方案施工繁瑣、設(shè)備后期維護成本高等難題[4]。這里采用一款高度集成超低功耗半雙工微功率無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，片上集成嵌入高性能低功耗STM8L101處理器，采用最新一代高性能射頻芯片SX1212，其中SX1212采用高效的循環(huán)交織糾檢錯編碼，使抗干擾和靈敏度都大大提高。模塊提供了多個頻道的選擇，可在線修改發(fā)射目標(biāo)地址、串口速率，發(fā)射功率，射頻速率等各種參數(shù)，本模塊采用配套的5cm天線可實現(xiàn)近500米的傳輸距離。

MCU控制模塊時，通過TXD和RXD兩線進行數(shù)據(jù)交換；模塊平時處于接收狀態(tài)，一旦收到數(shù)據(jù)，就將已經(jīng)接收到的數(shù)據(jù)通過UART接口輸出，這時MCU通過串口中斷方式接收數(shù)據(jù)；需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，只需要把待發(fā)送數(shù)據(jù)通過UART接口送入模塊，模塊收到數(shù)據(jù)后就自動無線發(fā)送，發(fā)送完畢后自動切換到接收模式。為了方便與計算機的連接，在計算機監(jiān)控端的無線模塊中增加了USB轉(zhuǎn)串口電路，以USB接口的形式連接到計算機。

3 軟件設(shè)計

終端采集模塊的軟件程序包括模數(shù)轉(zhuǎn)換程序、數(shù)字濾波程序和基于MODBUS協(xié)議的串口通信程序。計算機端采用力控組態(tài)軟件開發(fā)監(jiān)控程序，組態(tài)軟件是一種工控系統(tǒng)集成化開發(fā)環(huán)境，可以大幅度提高開發(fā)效率。

3.1 從機通信程序的實現(xiàn)

MODBUS協(xié)議已經(jīng)成為一種通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，不同廠商生產(chǎn)的設(shè)備可以按此協(xié)議連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。作為一種請求-應(yīng)答協(xié)議，當(dāng)在網(wǎng)絡(luò)上進行通訊時，該協(xié)議能使每一臺控制器識別按地址發(fā)來的消息，取出包含在信息中的數(shù)據(jù)或指令，并決定要產(chǎn)生何種行動；如果需要回應(yīng)，控制器將按收到的指令生成反饋信息，并傳送出去。MODBUS協(xié)議有ASCII和RTU兩種模式，這里采用MODBUS RTU模式。主機使用功能代碼為03的讀保持寄存器功能，獲取從機采集到的溫度數(shù)據(jù)；利用功能碼為06的寫單個寄存器功能修改從機地址或通信波特率。該協(xié)議定義了控制器能識別和使用的信息結(jié)構(gòu)。主機查詢時發(fā)送的數(shù)據(jù)包格式為：

CRC-16校驗碼長度 1字節(jié) 1字節(jié) 2字節(jié) 1字節(jié) 2字節(jié)從機地址功能代碼數(shù)據(jù)起始地址讀取的寄存器數(shù)量

例如，主機發(fā)送16進制格式的數(shù)據(jù)包：01 03 00 00 00 01 84 0A，表示讀取01號地址的從機中0000H單元開始的兩個字節(jié)（1個寄存器）的內(nèi)容，其中03為功能碼，84 0A 為前6個字節(jié)的校驗碼。

從機響應(yīng)查詢，返回的數(shù)據(jù)包格式為：

CRC-16校驗碼長度 1字節(jié) 1字節(jié) 2字節(jié) n字節(jié) 2字節(jié)從機地址功能代碼返回字節(jié)數(shù)量返回的數(shù)據(jù)

如從機響應(yīng)上述查詢命令，返回的16進制數(shù)據(jù)包為：01 03 02 01 5A 39 EF，表示01號從機返回兩個字節(jié)數(shù)據(jù)01 5A，前6個字節(jié)的校驗碼為39 EF。

RTU模式時，采用CRC方法校驗傳送的全部數(shù)據(jù)。必須注意的是，校驗完成后，將CRC值附加到信息時，低字節(jié)在先，高字節(jié)在后。本系統(tǒng)中，終端采集模塊作為從機，采用串口中斷的方式接收數(shù)據(jù)，圖3給出了從機在MODBUS RTU模式下響應(yīng)主機查詢的程序流程圖。

圖3 MODBUS協(xié)議程序流程圖

3.2 數(shù)據(jù)處理方案

在0～+650℃范圍內(nèi)，國際標(biāo)準(zhǔn)中給出的Pt100阻值與溫度的函數(shù)關(guān)系式為：

式中R0和Rt分別為0℃和t℃時Pt100的阻值，A和B為已知常數(shù)，根據(jù)廠家的型號確定。這里的 A=3.9083×10-3，B=-5.775×10-7。

根據(jù)以上公式得到求解關(guān)于當(dāng)前溫度t的表達(dá)式為：

其中Rt=Vo/Ie，Vo為t℃時熱電阻兩端的實際電壓值，即為采集到的電壓值的75分之一，Ie=0.2 mA。組態(tài)軟件中按照式（4）計算溫度即可。

3.3 計算機組態(tài)監(jiān)控的設(shè)計與實現(xiàn)

在力控組態(tài)軟件中開發(fā)監(jiān)控程序主要是完成相關(guān)模塊的組態(tài)設(shè)置和腳本程序的編寫。另外，力控組態(tài)軟件還提供了豐富的圖形控件和數(shù)據(jù)庫功能，可以很容易地完成溫度數(shù)據(jù)的圖表顯示，并完成數(shù)據(jù)的記錄、歷史數(shù)據(jù)的查詢及打印功能[5]。

3.3.1 配置I/O設(shè)備

在“工程項目”導(dǎo)航列表中雙擊“I/O設(shè)備驅(qū)動”，在展開項目中選擇并展開“PLC”項，然后選擇其下列表中的“MODICON（莫迪康）”中的“MODBUS(ASCII&RTU串口通訊)”并雙擊，彈出設(shè)備配置對話框，按照步驟配置即可，注意最后一項MODBUS設(shè)備定義中的“協(xié)議類型”項應(yīng)選擇“RTU”,“存儲器類型”項選擇“16位”。

3.3.2 建立數(shù)據(jù)庫組態(tài)

在“工程項目”導(dǎo)航列表中雙擊“數(shù)據(jù)庫組態(tài)”，建立與采集到的電壓對應(yīng)的模擬I/O數(shù)據(jù)庫點，命名為temp.PV，并完成基本參數(shù)、報警參數(shù)、數(shù)據(jù)連接、歷史參數(shù)的設(shè)置，其中數(shù)據(jù)連接中的“MODBUS組點對話框”中的內(nèi)存區(qū)選擇“HR保持寄存器（03號命令）”，數(shù)據(jù)格式選擇“16位無符號數(shù)”。

3.3.3 腳本程序

在“工程項目”導(dǎo)航列表中雙擊“動作”下的“應(yīng)用程序動作”，在“進入程序”欄中輸入：

A=0.0039083; B=-5.7775/10000000; R0=100;

程序不斷根據(jù)檢測到的電壓值，計算相應(yīng)的溫度，在“程序運行周期執(zhí)行”欄中輸入以下腳本代碼，即可實現(xiàn)該功能。

Rt=temp.PV*1000/0.2/75；T=

-2*(R0-Rt)/(A*R0+Sqrt(A*A*R0*R0-4*R0*B*(R0-Rt)))；

4 結(jié)論

本文設(shè)計了兼容熱電阻2、3、4線制的測溫電路，并實現(xiàn)了基于MODBUS通信協(xié)議的無線數(shù)據(jù)傳輸，同時在計算機上利用力控組態(tài)軟件成功實現(xiàn)了與遠(yuǎn)程終端采集模塊的通信和數(shù)據(jù)處理。

實踐表明，本文提出的熱電阻多功能測溫方案是可行有效的,可應(yīng)用于各種線制的Pt100工業(yè)無線測溫場合。

[1] Bonnie Baker著, 李喻奎譯. 嵌入式系統(tǒng)中的模擬設(shè)計[M].北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2006: 73-91.

[2] Information on http://www.ti.com/product/lm334.

[3] 李銀祥, 胡軍, 姚向東. 三端可調(diào)恒流源LM334及其應(yīng)用[J]. 現(xiàn)代儀器, 2002, (1): 23-24.

[4] 題原, 宋飛, 劉樹東, 等. 基于nRF905的無線溫濕度檢測與傳輸系統(tǒng)設(shè)計[J]. 化工自動化及儀表, 2010,38(4):404-407.

[5] http://www.sunwayland.com.cn/index.aspx