多通道温度采集系统设计

2018-07-10饶文军谷玉海

设备管理与维修 2018年7期

饶文军，谷玉海，石岩

（1.北京信息科技大学现代测控技术教育部重点实验室，北京 100192；2.山东力士德机械有限公司，山东临沂 276700）

0 引言

在制造业以及日常生活当中常常需要控制环境温度或者加热温度的大小，温度常常会成为一个至关重要的因素。针对于齿轮集装箱，温度对于齿轮的寿命有着重要影响，温度过高会加剧齿轮的磨损，润滑油温度过高会降低润滑效果，润滑液中存在杂质的浓度会影响温度变化，浓度越高，升温越快、温度越高，而测量的温度在一定程度上反应了润滑油杂质的浓度，可以由此预测润滑油的更换。因此，测量温度就显得尤为重要，准确、实时的温度数据是温度控制、预测的前提，如何快速、准确、实时的获取温度数值是温度采集重要问题。介绍一种针对于齿轮集装箱的多通道温度采集系统，系统中采用了热电阻以及差分放大器作为温度采集电路，提高了温度采集精度；使用以太网模块将数据发送至物联网，为温度远程控制提供数据基础。

1 采集系统构成

多通道温度采集系统是以STM32373VC为核心来实现对多通道温度数据的采集、转换、传输功能，系统拥有16个温度采集点，可提高温度采集的精度以及扩大温度采集的区域范围；系统还采用了W5500以太网模块，能将采集的温度数据实时传输至物联网上，实现远程监测功能；图1为多通道温度采集系统结构框图，STM32373是系统核心，包括温度检测电路、温度信号放大电路、外部以太网模块连接电路、外部时钟电路以及电源模块设计电路。ADC是Analog-to-Digital-Converter的缩写，指的是模块转换器。

图1 多通道温度采集系统结构

2 主要硬件选择

处理器采用STM32373VC单片机，它含有16个ADC通道，满足多路数据采集要求，并且拥有UART，SPI等丰富的外设接口；温度传感器采用PT1000，该温度传感器测量精度高，测量范围大并且稳定性好；外设以太网模块选择W5500，W5500内部集成全硬件TCP/IP协议栈+MAC+PHY，速度快、可靠性强且安全性能好。

3 主要电路设计

3.1 电源模块设计

该温度采集系统外接5 V直流电压，电路需要3.3 V直流电压，系统采用REG1117-3.3稳压器将5 V电压转换为3.3 V直流电压，电路如图2所示，输入电源采用MOS（metal-oxidesemiconductor，金属-氧化物-半导体）管设计防反接电路，当电源正接时MOS管输出+5 V电压，当电源反接时其输出电压为零。电路如图3所示。

图2 电源模块设计电路

3.2 温度采集模块设计

温度信号采集采用PT1000铂热电阻传感器，该传感器具有精度高、稳定性好的优点，适用于远距离布线的场合；将采集信号差分放大后传入STM32373CV单片机的ADC接口，在该多通道温度采集系统设计中，考虑到在进行温度采集点布线时要长距离布线，且各采集点布线长度存在较大差距，由线路而产生的压降各不相同，采用电压源进行温度测量容易造成较大误差；因此使用LM334为温度采集电阻提供1 mA恒流源。温度采集模块电路连接如图4所示，为了保证温度采集的精度，采用恒流源进行温度采集，采集电阻两端电位为差分放大电路的输入信号，差分放大电路为二级运算放大电路，第一级运算放大电路将采集信号放大1.25倍，第二级运算放大电路将第一级运算放大电路的放大信号放大4倍；所以，该差分放大电路的输出值为采集电阻两端电位差的5倍，差分电路最后对放大信号进行滤波处理，滤波频率为16 Hz；ADC_PC0为单片机其中一个ADC接口；由电压算的电阻，通过电阻与温度的比例关系算得温度值。

图3 电源防反接电路

3.3 外部时钟设计电路

STM32单片机有内部时钟源以及外部时钟源，温度采集系统采用外部时钟源给温度采用提供必要的时间信息，W5500采用25 MHz晶振体为芯片提供时间信息；STM32373CV采用32.373 Hz的晶体为单片机提供时钟信号，每个晶振电路都有2个电容和晶振Y配合使用，可以提高晶振频率输出的稳定性。

3.4 以太网模块设计

为了将温度采集数据发送至物联网，系统选用以太网模块W5500，以太网模块与单片机STM32373CV的连接电路如图5所示，芯片采用SPI通信模式，图中SPI1_SCLK等网络号表示单片机的SPI1通信接口，电源接口接3.3 V直流电压。

4 软件设计

该温度采集系统的软件系统设计主要包括2个部分，分别为ADC数据采集和无线串口数据发送；ADC数据采集程序框图如图6所示，在采集系统配置中，主要工作是要进行ADC的初始化配置、GPIO端口初始化的配置、DMA（Direct-Memory-Access，直接存储访问）的配置、ADC模式选择配置、ADC转换时间的配置；在ADC模式配置当中要开启多通道轮流扫描转换模式、开启连续转换模式、设置ADC转换触发信号为内部触发以及设置相应的数据对齐格式，可为左对齐或右对齐；在ADC转换时间配置当中，注意ADC时钟频率最高不得超过14 MHz；该程序是在DMA模式下进行的数据采集，全过程均没有使用中断，ADC及DMA配置结束后，ADC通道就能不停的采集数据，DMA则可以自动地将采集的数存储到内存SRAM（Static-Random-Access-Memory静态随机存储器）中。

图4 温度采集模块连接电路

图5 以太网模块W5500部分电路连接

以太网网络程序控制编程使用TCP协议，TCP网络应用服务器流程一般分为创建连接、绑定IP和端口、监听连接、通知接到连接请求、接收数据报以及回调函数响应。基于TCP协议网络的服务流程可建立STM32单片机以太网通信如图7所示。当创建好连接以及绑定IP端口后，服务器就开始监听连接，通过浏览器或者客服端可以向服务器发出连接请求，服务器响应连接，并接收数据组报，然后通过回调函数响应相关请求；通过浏览器向服务发送索要数据请求后，服务器通过回函数响应，向浏览器发送数据。