一种低成本高可靠性PT1000电阻采集接口设计

摘 要：针对飞机环控系统的温度控制要求，当前机载PT1000传感器测量存在电路复杂、成本高等问题，设计了一种低成本高可靠性PT1000电阻采集接口。该设计有效降低了电路复杂度，采用并行采集的方式保证接口采集精度，以最少的元器件获取成本优势，提高接口可靠性。經过工程实践，证明该电路在PT1000量程内满足精度要求，并可实现全量程内误差0.617Ω。

关键词：PT1000;温度测量;高可靠性

飞机环境控制系统作为重要的记载系统之一，承担着为机上人员或设备提供特定条件空气环境的任务。环控系统通过控制机舱内空气的温度、湿度、流速、压力等参数，向机组人员或设备提供符合条件的生存和工作环境。[1]现代飞机环控系统的温度控制采用微型计算机闭环控制，采集机舱温度，与设定值进行比较，动态调节环控系统温度控制参数，以达到温度稳态控制的目的。

1 接口方案设计

PT1000采集接口主要有激励源类型、接线方式、信号处理方式等三个主要因素。激励源有恒压、恒流两种方式，其中恒流源电路搭建复杂，元器件多、成本高[2];传感器线缆电阻可通过固定接口进行软件修正，三线制和四线制接线灵活度高，但增加了飞机电缆重量，降低了有效载荷;单臂、双臂直流电桥的信号采集方式计算复杂，计算资源消耗较大。[3]综上所述，本文提出了一种恒压源两线制PT1000电阻采集接口设计，接口原理如图1所示，采用多通道并行AD同步采集恒压源电压和电阻输入接口信号的方式保证采集精度。

2 接口硬件设计

PT1000电阻采集接口原理如图2所示，其中Rx为被测电阻，恒压激励源V1为Rx提供激励信号，电阻R1和电阻R2限制PT1000传感器电流。若电流过大，电阻会因自身发热造成发热，电流过小又因PT1000电阻两端电压信号过弱而受干扰，本设计通过合理选取R1和R2的阻值，确保流经PT1000的电流在0.5mA～1mA范围内。瞬态抑制二极管V1、V2实现接口雷电防护功能，低通滤波器CR1、CR2实现噪声滤波和接口EMI防护，差分放大器N1去除共模信号干扰，并将信号放大到AD器件的合理范围内，以保证最优转换精度。二阶滤波滤除PCB走线干扰，最后信号进多路并行AD进行模数转换。同步转换的还有电压V2，V2是恒压激励源V1经幅值调理后的电压。对激励源电压和接口电压同步进行采集，可以去除激励源电源抖动干扰，提高接口采集精度。

值得注意的是，本设计对接口电压没有采取桥壁电路进行采集，而将其优化为电阻R1和R2分压后的电压进行直接放大采集。在减少元器件个数的同时，电阻R2可防止外部异常电压意外引入接口而导致的短路。此外，可通过在差分放大器的参考端注入固定电压的方式，实现电阻采集接口的BIT操作。

3 试验验证

为了验证本方案的工程实践性，研制了一台工程样机，选用了16bit并行6通道AD，因样机其他需求，AD模拟量输入电压范围选取了-10V～10V;激励源电压选取样机电源模块输出的+15V，精度5%;电阻R1、R2阻值依次为15KΩ和1KΩ。AD转换后的数据使用软件进行滑窗均值滤波，转换成电阻值进行存储，使用电阻箱对样机进行测试，4路PT1000电阻采集接口测试数据如下表所示，接口计算数据存在明显偏置，可通过软件进行线性修正，修正后接口全量程内误差0.617Ω，基本满足应用要求。

4 小结

本文设计的PT1000电阻采集接口电路简单，元器件数量少，接口基本可靠性高，采用并行模数转换的方式保证采集精度，经测试全量程内误差0.617Ω，可满足绝大部分应用场景要求。对测试误差进一步分析，接口误差随着被测阻值升高而增加，如需进一步提高精度，可同步对接口地平面进行采集，进行补偿。

参考文献：

[1]寿荣中，何慧姗.飞行器环境控制[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.

[2]原媛，沈元华，赵在忠，等.惠斯通电桥实验中对互易桥臂测量结果的不确定度评定[J].物理实验，2014，34（7）：33-36.

[3]刘民.一种测量电阻的新方法[J].宇航计测技术，2005，25（6）：22-25.

基金：航空科学基金2016ZC31004

作者简介：张宇坤（1988-），男，汉族，陕西铜川人，硕士，工程师，主要研究方向为机载计算机系统。