基于Cu50傳感器的巖溫測量系統的研制

陳平平 ，楊 雷，張志堅

（1.東莞理工學院 電子工程學院，東莞 523808；2.東莞理工學院 工程技術研究院，東莞 523808）

在大亞灣反應堆中微子實驗中，因為整個實驗裝置處于地下100 m的花崗巖隧道中，隨著春夏秋冬的季節變換和實驗設備的廢氣廢熱排放，會使花崗巖巖體產生熱脹冷縮[1]。為了防止巖體坍塌，需要精確測量其溫度值，計算熱脹冷縮系數，以便對巖體進行實時監測。本文提出了采用Cu50為溫度傳感器的分布式溫度測量方案，實現5℃～40℃，準確度為±0.2℃的溫度測量。而傳統的使用鉑電阻的溫度測量系統[2-3]，或是其他使用相同傳感器的方案[4]，使用類似參量轉換測量法[5]、自身溫度測量補償法[6-7]和大數據線性擬合法[8-10]都因為成本高或是會增加電路設計的復雜性或是軟件處理的復雜性，而不適合在實驗站大規模布點和網絡傳輸監控。文中提出了以STM32為處理核心，Cu50為溫度傳感器，采用自校正技術來進行高精度溫度測量方法，實現了很好的測溫效果，并在2013年成功應用于大亞灣反應堆中微子實驗站中。

1 測量原理

由IEC584/751/1515標準可知，Cu50的阻值與溫度的函數關系式為

式中：A＝4.28899×10-3；B=-2.1300×10-7；C=1.22300×10-9。

通過Cu50的阻值與溫度的函數關系式可知：如果能精確測量Cu50的電阻值，那么就能根據Cu50的阻值與溫度的函數關系式計算此傳感器相應的溫度，進而實現精確的溫度測量。

2 系統方案設計

本設計采用串聯4線制的自校正技術，如圖1所示。

圖1 系統方案Fig.1 System scheme

10個測溫電阻、2個已知標準電阻、1個恒流源和15 V的電源串聯在一個回路中，恒流在各個電阻上產生的電壓信號通過12路模擬選擇器分別依次選擇到信號放大調理電路中，并送入AD轉換器電路，然后由微控器來進行數據采集實現電阻測量，最后根據Cu50的阻值與溫度的函數計算出各測溫電阻對應的溫度值。

3 電路實現

電路結構由電源、信號調理電路、ADC轉換電路、STM32控制器和DM9000A 5大部分組成。

電源為整個系統提供±15 V、5 V、3.3 V和2.5 V 5個電壓電源，其中15 V用于恒流源，±15 V主要用于信號調理部分，5 V用于AD轉換部分，3.3 V主要用于STM32控制核心和DM9000A的網絡通信模塊，2.5 V為AD轉換和信號調理部分的參考基準源。采用隔離式DC-DC的電源，保證了各電源之間的相對獨立性，特別是數字部分和模塊部分之間，只是最后的共地處采用了0 Ω電阻共地，保證了系統的穩定性。

STM32控制器是整個系統的處理核心，控制整個系統的運行，包括控制4個ADG509F進行12路的信號選擇放大，控制ADC進行電壓讀取，然后計算出每路溫度傳感器的溫度值，最后通過DM9000A將數據網絡化發送出去。控制器選用32位的ARM微控制器STM32F103，外接12 MHz的晶振，內部6倍頻達72 MHz的處理頻率能滿足多通道溫度采集和網絡控制的處理速度需求。

信號處理部分由4個4路模擬選擇器ADG509F和2個AD623組成，實現信號的分時選通放大和調理，為ADC輸出適合其轉換量程的信號，電路圖如圖2所示。

4個ADG509F中，前3個為12路的前級選擇輸入端，后1個為后級選擇端，共同實現12選1的功能。ADG509F為4路雙通道模擬選擇器，采用±15 V供電，并在電源輸入腳附近配置了10 μF的鉭電容和0.1 μF去耦電容。共有12路的輸入端，分別是10個Pt100溫度傳感器和2個標準電阻；6個 控制輸 入 端 口 EN0、EN1、EN2、EN3、A0 和 A1。EN0、EN1、EN2、EN3 起使能和片選作用， 而 A0 和A1是地址選擇輸入引腳。輸出端DA和BD分別串接510 Ω的電阻和0.1 μF的電容到地，同時并接一個0.1 μF的電容為了濾除共模干擾和差模干擾。10個Pt100溫度傳感器和2個標準電阻都串聯在一個由TL431設計5 mA的恒流電流中，因為需要測量的溫度范圍為5℃～40℃，那么2個標準電阻和10個溫度傳感器電阻都在100～120 Ω以內，即在5 mA的恒流中產生的壓降為0.5 V～0.6 V。即最后一個ADG509F輸出的信號大小為0.5 V～0.6 V。為了保證高精度的轉換，需要進行放大處理，由AD623放大5倍，變為2.5 V～3.0 V，但此信號超出了AD轉換器的轉換量程，所以還需要將2.5 V～3.0 V的信號進行進一步的調理，即將此信號減去2.5 V變為0.00～0.50 V再進行4.8倍的放大，變為0.0～2.4 V的信號，此信號送入0～2.5 V量程的AD7715實現模數轉換，將能實現最大量程的高精度轉換。

圖2 信號處理電路圖Fig.2 Signal processing circuit diagram

圖3 網絡接口圖Fig.3 Network interface diagram

如圖3所示，網絡連接模塊選用DM9000A網絡接口芯片，將需要發送的數據按協議封裝好后發送給DM9000A，由DM9000A根據網絡情況將數據包進行再次封裝后發送到網絡中，并通過RJ45接收從網絡上發送來的數據，將數據初步解析后保存在緩存中，然后向控制器發出中斷信號，由控制器來完成對數據的讀取。

DM9000A有8位和16位2種總線模式，由DM9000A的EECS引腳（pin21）決定，接高電平為8位模式，接低電平為16位模式，且總線模式還以通過ISR寄存器的Bit[7]進行檢測。本設計采用16位的總線模式，即EECS引腳接地，數據線SD0～SD15直接與STM32F103 PB口的PB0～PB15連接，DM9000A的片選信號CS、IO讀信號線IOR、寫信號線IOW分別與 STM32F103的 PA0、PA1、PA4相連；中斷輸出腳INT接STM32F103的PA5，同時PA5口配置為外部中斷輸入且是下降沿觸發。數據或命令識別信號線CMD和外部復位控制線PWRST分別接PA6和PA7。CMD為低電平時讀寫命令操作，為高電平時讀寫數據操作，PWRST為低電平有效，一般用于系統初次上電后，控制器對DM9000進行復位初始化。外部網絡接口采用HR911105，HR911105是由中山市漢仁電子生產的帶隔離變壓器的RJ45接口，其內部集成了1∶1的隔離變壓器、LED指示燈和共模、差模抑制電路，起信號耦合、電氣隔離、阻抗匹配、抑制干擾的作用，實現帶電插拔和防雷的功能。

ADC電路主要由AD7715組成，用AD7715自帶SPI接口直接與STM32F103的SPI接口相連，同時RESET復位引腳、CS片選信號和DRDY轉換狀態信號接STM32F103的GPIO口。因為采用了2.5 V的參考電壓輸入，所以只能對應0～2.5 V的信號量程。雖然AD7715支持雙極性差分輸入，因為前端的放大是單極性輸出，所以設計中將AIN（-）引腳接地，只是AIN（+）引腳接輸入信號，即為單極性輸入。同時串接了510 Ω的電阻和0.1 μF的電容到地來濾除差模干擾，兩輸入腳間再并接了0.1 μF的電容來濾除差模干擾。外接2.4576 MHz的時鐘晶振，可實現自啟動轉換。模擬電源和數字電源隔離獨立，并采用了光電隔離器件ADUM5404來實現SPI接口的隔離，同時在用RC濾波網絡連接電源引腳以提高電源的穩定性，實現高精度轉換，提高了系統的抗干擾性和穩定性。

4 軟件設計

整個溫度測量系統都由STM32F103來實現控制。主要有3大部分，一是系統控制，包括上電開機后的系統初始化和鍵盤顯示的控制等等。第二個是溫度的采集與計算，主要是通過控制ADG509F選擇各個電阻的電壓，然后用AD7715進行電壓的采集，最后計算出溫度值。第三個部分是網絡接口驅動DM9000A實現數據的網絡化傳輸。程序流程如圖4所示。

圖4 程序流程圖Fig.4 Program flow chart

4.1 初始化

系統上電開機后進行初始化。首先是控制器STM32F103的初始化，如內部寄存器清零，中斷標志和外部IO口狀態復位等，然后是4個ADG509F，控制它們處于待機狀態，等待下次采樣的控制，接著是AD7715，最后是DM9000A的初始化。

4.2 AD7715的電壓采集

AD7715的電壓采集過程是對其內部4個寄存器的讀寫過程，具體的操作過程如下：首先是AD7715使能復位引腳，使AD7715復位到寫通信寄存器的狀態，然后是寫通信寄存器設置下一個操作的寄存器為數據寄存器，最后是讀取數據寄存器，讀完16位的數據后，即完成一輪電壓采集。接著是選擇下一個采集通道，并開始新一輪的電壓采集。

4.3 DM9000A的網絡數據處理

DM9000A的網絡數據處理分網絡數據接收和網絡數據發送兩部分。DM9000A接收到網絡數據包時會產生中斷請求，主控制器在響應其中斷后就開始清空接收緩沖區，然后在DM9000A內存地址0C00H～3FFFH段讀取以太網數據包，因為以太網數據包長度是在一定范圍內可變的，所以要先在接收到數據幀頭時，就逐步剝離，挑出首部先是判斷地址是否符合，然后是判斷數據幀的類型以便正確讀取完整的數據包。讀取完以太網數據包后就開始進行校驗，如果校驗錯誤，即把數據包丟棄，如果校驗正確，則把有效數據部分剝離出來，并提交給主程序進行網絡數據包處理。網絡數據發送的實現較為簡單，只要在發送數據前對數據按網絡協議進行封包處理，然后將封包后的數據寫入到DM9000A的0000H～0BFFH地址段，并把數據包大小寫入到TXPLH和TXPLL寄存器中，最后將TCR的bit0設置為1即可。芯片會自動將數據發送到網絡上去。

5 系統測試與分析

系統研制完成后為了校驗其測溫性能，采用了穩定性為±0.005℃，分辨率為0.001℃的高精度計量爐Fluke9170來進行校驗。校驗時把10個測溫電阻都放置在計量爐內，這樣既能進行測溫性能的校驗還能檢測該系統多通道測量的一致性。測量結果如表1所示。

表1 溫度校準測量數據Tab.1 Measurement data of temperature calibration

6 結語

該巖體溫度測量系統已成功應用于大亞灣中微子實驗站，設計中采用自校正技術的測量電路，實現了高精度的巖溫測量系統的設計，使整個溫度測量系統滿足準確度為±0.2℃，分辨率為0.1℃的設計需求。通過福祿克的Fluke9170高精度計量爐來計量和在大亞灣反應堆中微子實驗的實際應用效果表明，該系統工作穩定可靠，測量準確度高，具有一定的推廣應用價值。

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