多通道熱電偶采集器設計

高志遠，李國星，王 亮

（中國飛行試驗研究院 陜西 西安710000）

多通道熱電偶采集器設計

高志遠，李國星，王 亮

（中國飛行試驗研究院 陜西 西安710000）

在航空測試領域有大量溫度參數需要精確測量，熱電偶被作為溫度測量的橋梁內廣泛應用。基于溫度參數的精確測量，設計以DSP和專用芯片ADS1247為核心的24通道熱電偶采集器，對24路熱電偶參數進行實時采集。DSP作為控制器負責系統初始化配置，并實時處理接收的數據；ADS1247為外部電路提供激勵并采集RTD參數，對其進行預處理后交由DSP處理。實驗結果表明此系統是一種穩定高效的熱電偶采集系統。

熱電偶；溫度測量；DSP；ADS1247

溫度參數是測試領域需要測量的一類重要參數，在測量不易直接測量的物理量時，一般先將物理量轉換為電壓量，然后通過物理量與電壓量的映射關系間接測量物理量[1]。熱電偶具有電阻隨溫度變化而變換的特性因此采用熱電偶作為溫度測量的橋梁[2]。DSP具有具有數據處理能力強，浮點運算能力尤為突出，提供多種通用外部接口易于開發，提供豐富的配套軟件的支持文檔，系統開發和調試非常容易[3]。

1 硬件設計

系統硬件結構如圖1，系統以專用芯片ADS1247作為預處理模塊采集數據。DSP作為系統的處理器對數據進行處理并通過串口與上位機進行通信。

圖1 硬件結構圖

1.1 預處理模塊

預處理模塊使用ADS1247熱電偶輸出恒流源的激勵信號，并將接收到的電壓信號經濾波處理后進行模數轉換為處理器可用的數字量。ADS1247是德州儀器推出具有業界最低功耗與最高集成度的24位低噪聲溫度測量模數轉換器產品系列[4]。ADS1247集成了雙匹配電流數模轉換器、低漂移內反射、振蕩器、溫度傳感器、開路檢測以及8組通用I/O。ADC的數據速率為2 kSPS，功耗僅為2.56 mW，可針對溫度測量（RTD、熱電耦、熱敏電阻）、流量/壓力測量以及工業過程控制等應用提供一款簡單易用的低功耗前端解決方案[5]。預處理模塊電路如圖2所示，以REF0提供參考電壓，AIN0和AIN3輸出1 mA電流做為恒流源激勵，PINA1外部引腳做測試用[6]。

圖2 RTD采集電路

1.2 控制器

控制器采用德州儀器的DSP F28335，此芯片內部集成有64Kram，可以快速進行浮點運算，提供多種通用接口，便于進行設計開發[7]。DSP作為主控器負責用SPI總線對ADS1247進行初始化，完成ADS1247數據的讀寫操作，對數據進行處理和發送[8]。

2 軟件設計

系統軟件設計如圖3所示，DSP首先對ADS1247進行初始化配置，配置完成后ADS1247即可按照時序要求，進行數據采集和數據轉換。DSP用內部的定時器產生頻率為64 Hz的定時器中斷，每次中斷依次讀取24個通道轉換后的數據，數據讀取后通過DSP的SCI串口以115200的波特率將數據發送給上位機。

圖3 軟件流程圖

2.1 ADS1247的初始化

ADS1247需要通過SPI進行初始化才能按設計工作。SPI選用8位數據模式，時鐘選用DSP的SPI模塊輸出時鐘，時鐘速率選擇1.024 MHz。DSP依據設計對ADS1247的功能寄存器進行設置如表1所示。

表1 ADS1247寄存器設置

初始化過程如圖4所示，ADS1247在進行配置之前需要先復位，是寄存器回復默認值，ADS1247回到初始狀態，并在配置完寄存器后關閉轉換[9]。

圖4 ADS1247初始化過程

ADS1247的復位和轉換都不受片選信號CS影響，CS能影響讀寫寄存器和讀寫數據。ADS1247的復位脈沖最小為4個tosc，系統設計fosc=4.096 MHz。復位后最小0.6 ms后芯片正常工作[10]。

圖5 寫寄存器

寫寄存器操作需要按照圖5所示進行。第1個命令字節：0100 rrrr，rrrr是第一要寫入寄存器的地址；第2個命令字節：0000 nnnn，nnnn是要寫入的字節數-1；數據字節：被寫入寄存器的數據[11]。

2.2 熱電偶數據的獲取

按照圖6所示進行數據讀取。每次進入定時器中斷進行讀數據操作，系統讀數據操作采用單次讀數據操作，先啟動轉換，數據轉換完畢一次讀取24通道的數據。

圖6 ADS1247讀數據過程

啟動轉換命令即START產生一個寬度為3個tosc的脈沖，因系統選用每秒鐘轉換次數為2 000次，所以START產生脈沖后最小需要0.575 ms時間轉換完畢[12]。

圖7 讀單次數據

單次讀操作時序如圖7所示，發送命令后轉換完畢的數據，通過發送24個SCLK可以被讀出[13]。

2.3 數據處理

每個通道測量范圍是（-60°～150°）對應電阻為（76.33～157.33 Ω），[14]ADS1247 對輸入信號做模數轉換 后 經 公 式 Data_out=（Data_in/REF*（223-1）-offset）*PGA轉換為與輸入信號對應的數字量。

讀取的數據有效位數取16位，將低八位舍棄。需要對讀取的數據用偏置和增益進行處理使所得數據在0-65535區間。用PT100信號源加-60°的輸入信號得到的數值即為偏置，65535與150°輸入信號獲得輸出數據的比值即為增益[15]。將ADS1247輸出的數據減去偏置乘以增益即為所需要的數據。

2.4 熱電偶數據的發送

通道數據通過DSP內部SCI接口發送給上位機，SCI選用8位數據，無校驗，波特率115200。發送的數據格式如表2

表2 發送數據格式

設計這樣的幀格式便于進行數據檢查，也有利于減小發送數據的錯誤率。

3 系統調試

首先每個通道用PT100信號源分別加-60°，150°兩個溫度測得偏置和增益，然后每個通道用PT100 信號源分別加-60°，0°，60°，150°4 個溫度，將測量值與理論值進行比較。

以通道 1為例測得-60°對應碼值 0x2093，0°對應碼值 0x2aaa，60°對應碼值 0x3495，150°對應碼值0x4320。偏置為0x2093，增益為0xffff/0x4320。

4 結 論

系統以專用處理芯片采集熱電偶參數并做預處理，以DSP為控制器對專用處理芯片進行初始化，并按照一定頻率讀取采集數據，并實時處理，處理后的數據通過串口發送給上位機。經過系統測試，24通道熱電偶采集模塊設計正確，能夠實現功能要求，滿足用戶指標要求。

[1]王祁，于航.傳感器技術的新發展[J].傳感器技術，1998，17（1）:56-58.

[2]張培仁.傳感器原理檢測及應用[M].北京：北京大學出版社，2012.

[3]陳波.基于DSP的嵌入式系統研究[D].合肥：合肥工業大學，2004.

[4]胥京宇.ADS1247/48:24位溫度測量ADC[J].世界電子元器件，2009，7（3）:31.

[5]易先軍.基于箔電阻的溫度高精度測量研究[J].傳感器與微系統，2009，28（1）:51.

[6]于靜，張炎.基于ADS1247的RTD精確溫度測量系統設計[J].山東大學學報，2013，3（5）:23.

[7]張曉峰.光纖陀螺處理電路中FPGA與DSP的接口方法研究[J].紅外與激光工程，2006，35（1）:56.

[8]溫江濤.基于ADS1247的小型計量檢測鉑電阻溫度設計[J].檢測技術及應用，2013，12（8）:64-65.

[9]張樹清，李妍.基于ADS1248的高精度測溫裝置設計[J].河北工業科技，2013，30（4）:249-252.

[10]薛菲，方彥軍.一種新型熱電偶測量芯片的應用[J].傳感器技術，2014，24（11）:48.

[11]覃長森.基于PT100型鉑電阻的測溫裝置設計[J].工礦自動化，2012，25（3）:90-91.

[12]肖三強，羅文廣.基于無線傳感器網絡的智能溫度測量系統的設計[J].裝備制造技術，2014，8（7）:44.

[13]張修太，胡學慧.基于PT100的高精度溫度采集系統設計與實驗研究[J].傳感技術學報，2010，23（6）:75.

[14]侯金華.一種高精度高靈活性熱電阻測溫模塊的設計[J].儀表技術，2012，33（10）:43-46.

[15]張瑜，張升偉.基于鉑電阻傳感器的高精度溫度檢測系統設計[J]. 傳感技術學報，2010，23（3）:311-314.

Multi-channel thermocouple collector design

GAO Zhi-yuan，LI Guo-xing，WANG Liang
（Chinese Flight Test Establishment，Xi’an 710000，China）

In the field of aviation test has large temperature parameters need accurate measurement，thermocouple as the bridge of temperature measurement is widely used.Based on the precise measurement of the temperature parameters，Design with DSP and special chip ADS1247 as the core of 24 channels thermocouple collector，thermocouple parameters real-time acquisition of 24 road.DSP as controller is responsible for the system initialization configuration and real-time processing the

data； ADS1247 provide incentives for the external circuit and acquisition RTD parameters，Send data after pretreatment to DSP processing.The system can detect 429 bus link is normal.The experimental results show that this system is a stable and efficient Thermocouple acquisition system.

thermocouple； temperature measurement； DSP； ADS1247

TN957

A

1674－6236（2017）16-0087-03

2016-08-16稿件編號：201608122

高志遠（1986—），男，河南許昌人，碩士，工程師。研究方向：機載測試技術。