多通道热电偶采集器设计

高志远，李国星，王 亮

（中国飞行试验研究院 陕西 西安710000）

多通道热电偶采集器设计

高志远，李国星，王 亮

（中国飞行试验研究院 陕西 西安710000）

在航空测试领域有大量温度参数需要精确测量，热电偶被作为温度测量的桥梁内广泛应用。基于温度参数的精确测量，设计以DSP和专用芯片ADS1247为核心的24通道热电偶采集器，对24路热电偶参数进行实时采集。DSP作为控制器负责系统初始化配置，并实时处理接收的数据；ADS1247为外部电路提供激励并采集RTD参数，对其进行预处理后交由DSP处理。实验结果表明此系统是一种稳定高效的热电偶采集系统。

热电偶；温度测量；DSP；ADS1247

温度参数是测试领域需要测量的一类重要参数，在测量不易直接测量的物理量时，一般先将物理量转换为电压量，然后通过物理量与电压量的映射关系间接测量物理量[1]。热电偶具有电阻随温度变化而变换的特性因此采用热电偶作为温度测量的桥梁[2]。DSP具有具有数据处理能力强，浮点运算能力尤为突出，提供多种通用外部接口易于开发，提供丰富的配套软件的支持文档，系统开发和调试非常容易[3]。

1 硬件设计

系统硬件结构如图1，系统以专用芯片ADS1247作为预处理模块采集数据。DSP作为系统的处理器对数据进行处理并通过串口与上位机进行通信。

图1 硬件结构图

1.1 预处理模块

预处理模块使用ADS1247热电偶输出恒流源的激励信号，并将接收到的电压信号经滤波处理后进行模数转换为处理器可用的数字量。ADS1247是德州仪器推出具有业界最低功耗与最高集成度的24位低噪声温度测量模数转换器产品系列[4]。ADS1247集成了双匹配电流数模转换器、低漂移内反射、振荡器、温度传感器、开路检测以及8组通用I/O。ADC的数据速率为2 kSPS，功耗仅为2.56 mW，可针对温度测量（RTD、热电耦、热敏电阻）、流量/压力测量以及工业过程控制等应用提供一款简单易用的低功耗前端解决方案[5]。预处理模块电路如图2所示，以REF0提供参考电压，AIN0和AIN3输出1 mA电流做为恒流源激励，PINA1外部引脚做测试用[6]。

图2 RTD采集电路

1.2 控制器

控制器采用德州仪器的DSP F28335，此芯片内部集成有64Kram，可以快速进行浮点运算，提供多种通用接口，便于进行设计开发[7]。DSP作为主控器负责用SPI总线对ADS1247进行初始化，完成ADS1247数据的读写操作，对数据进行处理和发送[8]。

2 软件设计

系统软件设计如图3所示，DSP首先对ADS1247进行初始化配置，配置完成后ADS1247即可按照时序要求，进行数据采集和数据转换。DSP用内部的定时器产生频率为64 Hz的定时器中断，每次中断依次读取24个通道转换后的数据，数据读取后通过DSP的SCI串口以115200的波特率将数据发送给上位机。

图3 软件流程图

2.1 ADS1247的初始化

ADS1247需要通过SPI进行初始化才能按设计工作。SPI选用8位数据模式，时钟选用DSP的SPI模块输出时钟，时钟速率选择1.024 MHz。DSP依据设计对ADS1247的功能寄存器进行设置如表1所示。

表1 ADS1247寄存器设置

初始化过程如图4所示，ADS1247在进行配置之前需要先复位，是寄存器回复默认值，ADS1247回到初始状态，并在配置完寄存器后关闭转换[9]。

图4 ADS1247初始化过程

ADS1247的复位和转换都不受片选信号CS影响，CS能影响读写寄存器和读写数据。ADS1247的复位脉冲最小为4个tosc，系统设计fosc=4.096 MHz。复位后最小0.6 ms后芯片正常工作[10]。

图5 写寄存器

写寄存器操作需要按照图5所示进行。第1个命令字节：0100 rrrr，rrrr是第一要写入寄存器的地址；第2个命令字节：0000 nnnn，nnnn是要写入的字节数-1；数据字节：被写入寄存器的数据[11]。

2.2 热电偶数据的获取

按照图6所示进行数据读取。每次进入定时器中断进行读数据操作，系统读数据操作采用单次读数据操作，先启动转换，数据转换完毕一次读取24通道的数据。

图6 ADS1247读数据过程

启动转换命令即START产生一个宽度为3个tosc的脉冲，因系统选用每秒钟转换次数为2 000次，所以START产生脉冲后最小需要0.575 ms时间转换完毕[12]。

图7 读单次数据

单次读操作时序如图7所示，发送命令后转换完毕的数据，通过发送24个SCLK可以被读出[13]。

2.3 数据处理

每个通道测量范围是（-60°～150°）对应电阻为（76.33～157.33 Ω），[14]ADS1247 对输入信号做模数转换 后 经 公 式 Data_out=（Data_in/REF*（223-1）-offset）*PGA转换为与输入信号对应的数字量。

读取的数据有效位数取16位，将低八位舍弃。需要对读取的数据用偏置和增益进行处理使所得数据在0-65535区间。用PT100信号源加-60°的输入信号得到的数值即为偏置，65535与150°输入信号获得输出数据的比值即为增益[15]。将ADS1247输出的数据减去偏置乘以增益即为所需要的数据。

2.4 热电偶数据的发送

通道数据通过DSP内部SCI接口发送给上位机，SCI选用8位数据，无校验，波特率115200。发送的数据格式如表2

表2 发送数据格式

设计这样的帧格式便于进行数据检查，也有利于减小发送数据的错误率。

3 系统调试

首先每个通道用PT100信号源分别加-60°，150°两个温度测得偏置和增益，然后每个通道用PT100 信号源分别加-60°，0°，60°，150°4 个温度，将测量值与理论值进行比较。

以通道 1为例测得-60°对应码值 0x2093，0°对应码值 0x2aaa，60°对应码值 0x3495，150°对应码值0x4320。偏置为0x2093，增益为0xffff/0x4320。

4 结 论

系统以专用处理芯片采集热电偶参数并做预处理，以DSP为控制器对专用处理芯片进行初始化，并按照一定频率读取采集数据，并实时处理，处理后的数据通过串口发送给上位机。经过系统测试，24通道热电偶采集模块设计正确，能够实现功能要求，满足用户指标要求。

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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稿件编号：201608122

高志远（1986—），男，河南许昌人，硕士，工程师。研究方向：机载测试技术。