基于RDC的高精度智能温度测量系统设计

2015-05-10田海军

制造业自动化 2015年23期

田海军，张鋆，王健，张鑫

（1.东北电力大学自动化工程学院，吉林 132012；2.国电南瑞（北京）控制系统有限公司开发部，北京 100193）

0 引言

温度测量，在工业、医疗、军事等方面具有重要意义。温度测量分为接触式测量和非接触式测量[1]。目前电厂等工业现场中大都采用热电偶和热电阻作为温度传感器，然后通过仪表测量热电偶的电势值或热电阻的电阻值，再结合相应的分度表，通过查表的方式，得到温度测量值。这种方法十分不方便，降低了现场人员的工作效率。随着集成电路快速发展，出现了三线制和四线制的热电阻恒流源测量方法[2]，减小了引线电阻对温度测量的影响。但是这种电路中需要自己搭建恒流源电路和调理电路[3,4]，不但引入了寄生电阻，而且降低了稳定性和精度。工业上常用的HART接口形式为两线制。两线制即环路供电方式，对整机的功耗有很高的要求，静态功耗必须小于3.4mA[5]。为了解决上述问题，采用基于电阻数字转换的方法，进行电阻的高精度测量，然后对测量结果进行数据分析和拟合，得到实时温度，最后通过三线制DA转换芯片输出4mA～20mA工业标准信号。温度变送器实现了无功耗限制的三线制HART协议，通过HART手持器或者上位机，可以方便的实现温度测量系统上下限修改和变送器校准等功能。

1 总体设计

高精度智能温度测量系统由电源系统、温度传感器、高精度电阻测量电路、STM32F103C8T6单片机、故障处理单元、4mA～20mA输出、HART协议通信单元。智能温度测量系总体设计框图如图1所示。

图1 智能温度测量系统总体设计框图

电源系统采用B2405-3W芯片和AMS1117-3.3V芯片，将24V电压转换成3.3V电压，为各个芯片提供供电电压。系统带有自检功能，系统初始化或者通过HART手持器可以进入自检程序，检测到系统发生故障时，对应的故障指示灯亮起，蜂鸣器报警提示现场人员。温度传感器将温度信号转换成PT1000对应的电阻值，高精度电阻测量电路完成电阻值的精准测量。STM32单片机通过SPI接口通讯方式读取电阻值，经过数据处理之后，得到实时的温度值。然后经16位高精度DA转换器AD5420转换成连续的4mA～20mA电流信号。温度测量系统支持HART协议，由于HART手持器价格昂贵，本文采用USB-HART调制解调器和上位机软件，实现对温度测量系统的校准、参数访问和组态。

2 硬件设计

2.1 温度传感器设计

温度传感器结构如图2所示。

图2 温度传感器结构

温度传感器采用德国贺利氏薄膜铂电阻PT1000芯片，为了使芯片受热均匀，在芯片周围填充了进口的导热硅脂，芯片两引脚采用银焊技术与纯银的导线的连接，大大降低了引线电阻的同时，可以承受高温，为了使两根引线绝缘，将其置于双孔的陶瓷套管中，外壳采用316不锈钢材质，有很好的耐腐蚀性能，PCB电路板置于防水的接线盒中，采用接线端子与引线连接，便于安装和拆卸。传感器带有固定螺纹和法兰，便于传感器安装。

2.2 高精度电阻测量电路设计

高精度电阻测量电路采用德国ACAM公司的PCaP01芯片，带有标准固件03.01.02，支持温度测量。利用该芯片和PT1000测量温度，精度可以达到0.005k。PCap01芯片电容测量单元原理图如图3所示。

图3 PCap01芯片电阻测量原理

PCap01芯片电阻测量原理如图3所示：PCap01芯片基于电容充放电原理测量电阻[6]。芯片内部集成了RC充放电电路，为了使电容充分充电，电容充放电周期的设置十分重要，通过配置和参数寄存器可以设置为140us或280us，本文设置为280us。

PT1000被测电阻和基准电阻连接在同一个33Pf的充放电电容上，芯片提供了两个基准电阻可供选择，内部的多晶硅电阻和外部参考电阻，基准电阻必须具有接近0的温度漂移系数，芯片内部的多晶硅电阻阻值大小为1KΩ，温度漂移系数为-1.1ppm/K。高精度的TDC时间数字转换单元可以把电容放电时间准确的记录下来，精度可以达到2us。根据公式：

式中TN为被测电阻放电时间，Tref为参考电阻放电时间，Rref为参考电阻值，RN为被测电阻值。然后通过DSP数字处理器处理，根据放电时间的比值可以求得电阻比率，并存储在结果寄存器中。STM32单片机通过SPI通信接口读取测量结果[7]。

根据补偿公式可以得到对应的温度：

其中R_Ratio为电阻比率。

由于采用单芯片温度测量方案，避免了搭建传统的恒流源电路和调理电路，提高了电路的稳定性和精度，而且由于被测电阻和基准电阻连接在同一个充放电电容上，克服了温度漂移对电阻测量的影响，实现了电阻的高精度测量。

2.3 HART通讯单元设计

HART协议是在4mA～20mA模拟信号上叠加数字信号，实现模拟信号和数字信号的同时传输，是一种从模拟信号像数字信号过渡的一种通讯协议[8]，可以兼容4mA～20mA的传统工业信号，被工业界广泛采用。工业上常用的HART接口形式为两线制和三线制[9]。两线制即环路供电方式，对整机的功耗有很高的要求，静态功耗必须小于3.4mA。必须采用专用的单片机和芯片，对于市面上常规的单片机和芯片不能满足要求。本文采用三线制方式，克服了两线制方式对功耗要求限制。

HART通讯单元采用ADI公司的AD5420和AD5700-1芯片，AD5420为三线制的16位高精度4mA～20mA转换芯片，外部不需要MOSFET管，提高了电路的稳定性，AD5700-1为市面上尺寸最小的HART调制解调芯片，内部集成了振荡器，不再需要外部晶振，进一步节省了布板空间。

HART通信单元电路如图4所示。

系统采用24V电源供电，A V D D引脚与+2 4 V相连，AD5420的LATCH、SCLK、SDIN、SDO引脚，分别于STM32单片机的PB2-PB5相连，采用IO模拟SPI方式与单片机进行通讯。DVCC_SELECT引脚连接到GND，采用外部3.3V电源给AD5420供电。CAP1引脚接4.7nF的滤波电容，CAP2引脚悬空，为了是系统的电源稳定，都采用了10uF和0.1uF的电容进行滤波，工业现场情况恶劣，为了防止浪涌电压，AVDD引脚和IOUT引脚接有稳压管。+24V、GND、IOUT构成4mA～20mA三线制接法。

AD5700-1芯片的REF引脚通过1uF电容连接到GND，采用外部3.3V电源供电，REF_EN引脚接高电平，使能内部基准电压源，REF引脚输出1.5V，R6和R11分压为HART信号提供偏置电压。RST引脚与单片机的PA12引脚相连，通过编程输出高低电平来控制AD5700-1芯片处于调制或解调模式。TXD引脚和RXD引脚分别与STM32单片机的USART1引脚PA9（发送）和PA10（接收）对应连接。通过XTAL_EN、CLK_CFG1连接到3.3V，CLK_CFG0连接到GND，使能内部晶振。FILTER_SEL引脚接GND，需要采用外部带通滤波器，C13、C14、R9配合AD5420内部电路，组成＞10khz和＜500HZ的带通滤波器，将HART信号从4mA～20mA信号中提取出来。为了满足工业现场的要求，需要将AD5700-1与环路电源隔离开，电路需要串联限流电阻R9。经过AD5700-1芯片调制后的HART信号，通过HARTOUT引脚经过R7、C8衰减之后，耦合到AD5420芯片的RSET引脚。RSET需要连接高精度低温漂电阻R3。

图4 HART通信单元电路

3 软件设计

软件设计分为两个部分，一部分是温度测量程序设计，另一部分是HART协议通信程序设计。

图5 温度测量程序流程图

温度测量程序流程图如图5所示，首先对系统进行初始化，首先对STM32单片机进行初始化，包括初始化IO外设，设置SPI1和USART1通讯参数、配置独立看门狗等。然后初始化PCap01芯片，通过SPI通讯方式，向PCap01芯片发送复位信号，使PCap01芯片复位一次，然后设置配置寄存器参数，选择内部多晶硅电阻作为基准电阻，并设置充放电周期为280us。通过模拟SPI的方式设置AD5420控制寄存器参数，使其工作方式为4mA～20mA。然后进入自检程序（也可以通过HART手持器触发自检程序），单片机向PCap01芯片发送测量电阻命令，完成一次电阻测量，并将结果读出。进而向AD5420数据寄存器中写入数值，并读出比较。如果不能读出电阻测量结果，或者写入AD5420数据寄存器的数值和读出的不一致，对应的故障指示灯亮起，蜂鸣器报警，并将错误码存储在FLASH中，供HART手持器或者上位机读取。如果自检通过，读取存储在FLASH中的系统参数，包括量程上下限和校准数据、前导码个数等，完成系统参数初始化之后，进入温度测量程序，STM32将PCap01芯片测得的PT1000与基准电阻的比率，经过数据处理得到实时的温度之后，转化为16位的数字量，传输给AD5420输出4mA～20mA电流信号。

图6 HART协议通信程序流程图

HART协议通信程序流程图如图6所示，完成了HART协议数据链路层、应用层以及层间接口的程序设计，实现了HART信号的接收、解析、响应和发送。首先初始化USART1通讯参数，1位起始位，8位数据位，1位停止位，1位奇校验位，波特率位1200bps/s，并开启USART1接收中断，PA12引脚设置为高电平，使AD5700-1芯片处于接收状态[10]。当AD5700-1芯片接收到HART信号，将其解调成0、1数字信号，然后通过USART1传送给单片机，单片机接收到数据后，进入串口接收中断，接收命令帧。进而对除前导码之外的命令帧进行横向奇校验，与接收到的校验码进行比对，如果一致，则按照HART协议的通信帧格式，解析命令帧，根据相应的命令请求生成应答帧，然后将PA12引脚设置为低电平，使AD5700-1芯片处于发送HART信号状态，单片机通过USART1将应答帧传送给AD5700-1芯片，经AD5700-1芯片调制成FSK信号之后加载到4mA～20mA环路中。当发送完成之后，再次进入接收状态，等待下一条命令。

4 实验与结果分析

采用CRJ系列智能热工自动检定系统对温度测量系统进行校验。CRJ系列智能热工自动检定系统由主控箱、微机系统、HTS-300A标准油槽、冰点器以及测量导线和通讯导线组成。HTS-300A标准油槽一种高精度自控式温度计检定装置，微机系统实时显示油槽的控温曲线、温度数值、以及检定时间等参数。参照《JJG 229-2010工业铂、铜热电阻检定规程》，首先进行油槽温场测试，测试步骤详见说明书，此处不再赘述，测得油槽的温度均匀度为0.005℃。然后进行重复性测试，在冰点器和油槽中分别测试0℃、100℃两个检点。重复检测5次，每个点每次操作约为60分钟，当油槽温度波动0.04℃/30min时，记录智能温度测量系统所测温度，并用仿真器读出电阻率，换算成对应电阻值。测量结果如表1所示。

根据公式：