基于ADS1148的多路高精度測溫裝置

王曉丹，孟令軍，尹維漢，周之麗

（中北大學 電子測試技術國家重點實驗室 儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原030051）

隨著計算機技術的不斷進步，溫度控制系統正朝著智能化、高精度、多功能、高可靠性及安全性等高科技的方向迅速發展[1]。在軍事、航天和航空等一些特殊的應用場合，對測溫裝置的要求非常高，為了保證核心器件工作的穩定性，需要高精度的溫度控制保證其工作環境。所以，研究如何提高溫度測量系統的測溫精度具有較強的實際應用價值[2]。

基于此，本文以ARM微處理器作為裝置的控制核心，PT1000鉑電阻作為溫度傳感器，設計了一種基于ADS1148的多路高精度測溫裝置。該裝置具有可靠性好、抗干擾能力強、測溫精度高等優點。

1 裝置工作原理

如圖1所示，主控MCU收到指令后完成對4路溫度傳感器信號的采集控制，讀取ADC芯片的轉換結果后，把溫度數據經過編碼、轉換、存儲到寄存器中并通過串口將數據上傳到計算機中，在計算機中通過地面測試上位機讀取各通道的溫度值并顯示。

圖1 裝置原理框圖Fig.1 Block diagram of the device

該裝置的主控MCU采用的是意法半導體公司設計的STM32F103RET6，它是基于ARM Cortex-M3內核的32位微處理器[3]。TI公司的ADS1148是高度集成的16位精密ADC芯片，ADS1148模數轉換芯片屬于測溫專用數據采集器[4-5]。主控MCU負責對整個裝置進行控制，與信號采集芯片ADS1148之間采用SPI總線進行通信，能夠通過SPI接口外接2片、3片、4片或更多片ADC芯片實現采集多通道溫度傳感器信號，一片ADS1148可以外接4路差分形式輸入的模擬信號。

1.1 鉑電阻測溫原理

鉑電阻由于其具有測溫范圍寬，性能穩定等優點，而被廣泛應用于溫度測量中[6]。按照IEC751國際標準，現在常用的PT1000（R0=1000 Ω）是以溫度系數為標準統一設計的鉑電阻[7]。根據鉑電阻溫度特性，當工作溫度在-200℃～0℃時：

當工作溫度在0℃～650℃時：

式中：Rt為在t℃時的電阻值；R0為在0℃時的電阻值。TCR=0.003851 時的系數值為 A=3.9083×10-3℃-1，B=-5.775×10-7℃-2，C=-4.183×10-12℃-4。

1.2 恒流源驅動電路

裝置采用三線制恒流源驅動法驅動鉑電阻傳感器的測量方案，在ADS1148內部，有2個相同恒流源IDAC，用于驅動三線制接法的PT1000傳感器，相比傳統運用集成運放設計恒流源電路的方法，該方案簡化了電路設計，而且采用外部參考電壓源，消除了恒流源的不確定性對測量精度的影響[8]。

ADS1148的外部器件中，RTD對應于PT1000傳感器，RLEAD為連接PT1000傳感器的導線等效電阻，RCOMP為比較電阻，RBIAS選用的是高精度、低溫漂的精密電阻。片上參考電壓輸入管腳為REFP0和REFN0，參考電壓值為

VREF=2×IDAC×RBIAS，運放輸入電壓值為

VN為PT1000兩線段的電勢值，因此當RTD=RCOMP時，VIN=VAIN0-VAIN1=0 V，當RTD隨溫度變化時，對應VIN也會變化，

可以看出，運放的差分輸入電壓值與導線的電阻值大小無關。

2 提高測溫精度的方法

1）PT1000鉑電阻傳感器與ADS1148的電路連接如圖2所示，差分輸入方式可以很好地消除導線電阻對測溫精度的影響，在每路輸入端設計了低通濾波器，以衰減熱電偶上的噪聲，提高測溫精度。

圖2 PT1000鉑電阻傳感器與ADS1148的電路連接Fig.2 PT1000 platinum resistance sensor and ADS1148 circuit connection

2）ADS1148是高度集成的16位精密ADC芯片，本設計充分利用芯片內部資源提高鉑電阻的測溫精度。ADS1148集成的低噪聲可編程增益放大器最大放大倍數可達128倍，能夠實現對微弱模擬信號的精確測量；其內部的數字濾波器能夠減弱干擾信號對有用信號的影響，提高測溫精度；使用內部參考電壓源，簡化了電路設計。

3）由于鉑電阻阻值隨溫度的變化是非線性的，加上引線電阻的非線性等因素的影響，導致鉑電阻溫度傳感器的輸出值與實際溫度值存在偏差。所以，為提高測溫精度，采用MATLAB軟件進行分段線性化處理，實現鉑電阻的非線性誤差校正。

在測溫范圍-50℃～150℃劃分為-50℃～-10℃、-10℃～90℃、90℃～150℃進行分段線性擬合，得到溫度與電阻關系模型：

T=0.25269R-253.02149，-50 ℃～-10 ℃ （6）

T=0.26562R-268.02587，-10 ℃～90 ℃ （7）

T=0.25882R-258.09121，90 ℃～150 ℃ （8）

3個模型最大理論誤差分別為0.06314℃，0.04587℃和0.06886℃，能夠滿足精度要求。

3 測試結果與分析

把溫度傳感器PT1000放置在恒溫槽中，設置溫度為-50℃并進行初次測試，設定恒溫槽溫度以每隔20℃變化，待恒溫槽的溫度穩定后，即開始測試。測溫實驗結果及誤差如表1所示。結果表明，該測溫裝置的溫度測量絕對誤差小于±0.1℃，達到了較高的測量精度。在需要高精度測溫的場合有很好的實用價值。

表1 鉑電阻測溫結果及誤差Tab.1 Result and error of platinum resistance temperature measurement

在-50℃～150℃溫度范圍利用選取的3個固定溫度的實測值和根據擬合算法測試的溫度值描繪出的點，通過這些點擬合出如圖3所示的2條直線。根據不同要求，對測溫范圍所分的段越小，擬合直線就越接近實際溫度直線，補償后測溫的精度就越高。通過軟件補償的方法可以避免硬件調節的復雜性和保證測溫裝置的穩定性，簡單可靠容易實現。

圖3 測溫曲線擬合結果Fig.3 Result of fitting temperature curve

該裝置的地面測試上位機是使用MATLAB軟件設計的。可通過選擇通道顯示某一路傳感器在一定時間內的溫度變化曲線，并實時顯示當前通道的溫度與平均溫度。當把第1路傳感器放置在溫度為25.6℃的恒溫槽中，測得當前通道溫度為25.65℃，平均溫度為25.62℃，誤差均保持在0.1℃以內。

4 結語

設計了一種基于ADS1148的多路高精度測溫裝置，和傳統的測溫方法相比，裝置具有電路結構簡單、測溫精度高、穩定性好等優點。能夠滿足導彈飛行過程中對彈體各部位溫度測試的需求，在高壓、高沖擊等惡劣環境中也有很好的應用前景。

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