八通道的温度同步测量系统的设计

范宇聪，邓 云，程 敏，梁津津

(国家海洋技术中心，天津 300111)

0 引言

恒温水槽的温度分布均匀程度会对在其中进行的实验结果造成影响，因此需要一种能够进行多通道温度同步测量的设备，以便同时测量恒温水槽中多个不同位置的温度。目前虽然已经有多种多通道温度测量设备，如利用四线制方法设计的64通道温度监测系统[1]、以铂电阻为敏感元件[2-4]的柔性温度链[5-6]、由DSP和专用芯片ADS1247构成的多通道热电偶采集器[7]、基于ARM和CAN总线的温度采集系统[8-9]以及基于无线通信的USB多通道测温系统[10-13]等类似设备。虽然以上的设备都很好地实现了多通道温度测量，但在采集温度数据时都是采用轮询的方式，并不是同时采集所有通道的温度数据。受制于系统硬件和软件性能，完成一次所有通道的温度测量可能需要较长的时间，这就使得温度数据在时间上的一致性较差，从而影响数据的分析结果[14]。此外，在测温原理的选择上，除去常见的测量热敏电阻阻值外，还可使用光纤等材料利用光学方法进行温度测量[15-20]，但后者对使用场合有一定的限制。为了弥补已有测量方法的不足，设计一种采用具有快速响应时间[21]的微型热敏电阻和多通道同步采样模数转换器的八通道温度同步测量系统。

1 系统总体设计方案

如图1所示，系统总体由供电单元、中央控制单元、模数转换单元与测温原理、数据存储单元、数据传输单元以及热敏电阻温度采集单元共6个部分组成。供电单元为其余部分提供电源，上电完成后，中央控制单元向模数转换单元发送相应的指令，模数转换单元随即按照指令的要求开始采集各热敏电阻两端的电压值并在将其转换为数字量后发送至中央控制单元。中央控制单元通过预先设定好的计算过程对接收到的数据进行快速处理，处理后的数据一方面通过数据传输单元上传至上位机进行进一步的数据分析，另一方面通过中央控制单元处理后按照一定的格式存储在数据存储单元中，简化了后续的数据查询工作。

图1 系统整体结构框图

2 系统硬件设计

系统中硬件部分的主要功能是实现温度的采集和相关数据的计算、处理、存储以及传输。整个测量系统中的硬件主要包括电源转换电路、主控MCU、模数转换器、Micro SD卡、LORA无线串口模块以及微型热敏电阻。在硬件电路设计的整个过程中，始终把小尺寸的贴片元器件作为首选。此外，电路板使用四层板设计，以上的设计方式使得电路板的元器件装配密集度高，体积小、质量轻，抗外部干扰能力强，最终令整个系统更加便于携带和稳定。

2.1 中央控制单元

考虑到该系统在运行过程中会涉及到大量的数据运算，这些数据的运算会消耗较多的时间[22]，尤其是大量的浮点数运算会消耗更多的时间，从而降低系统的运行速度和工作效率。除此之外，中央控制单元还需要完成数据的传输、存储以及对模数转换器的控制等功能，因此，中央控制单元必须具备足够的数据计算能力以及相应的外设接口。综合考虑以上需求，选择STM32F429作为中央控制单元[23]。STM32F429基于Cortex M4F架构，工作主频可达180 MHz，具有32位单精度硬件FPU，支持浮点指令集以及多种DSP指令集，这些特点使得该中央控制单元具有强大的数据计算能力。STM32F429还具备通用同步异步收发器(USART)、安全数字输入/输出接口(SDIO)以及串行外设接口(SPI)等外设接口，完全可以满足数据存储、传输和对模数转换器的控制的需求。另外，STM32F429片上集成了1 024 KB的FLASH和256 KB的SRAM，可实现和保证系统相关参数的断电存储和复杂程序的流畅运行。

2.2 数据传输单元

为了使该系统更加易于使用，将LORA无线串口模块[24-25]作为系统中的数据传输单元。该模块体积小、灵敏度高、功耗低，并且能够远距离传输数据，其最大数据传输速率可达115.2 bit/s。LORA数据传输单元具有透明传输和定向传输2种数据传输方式，综合考虑系统的实际使用场景和操作便捷性，系统选择透明传输方式中的点对多方式作为LORA数据传输单元的数据传输方式，图2为该传输方式示意图。

图2 点对多传输示意图

这种数据传输方式的特点包括：

(1)LORA设备的地址、信道、无线速率如果相同，则任意一个设备发送数据，其余设备都可接收其发送的数据；

(2)每个设备都可以完成发送和接收的任务；

(3)数据完全透明，接收到的数据就是其余设备发送的数据。

图3为LORA无线模块与主控制器的连接方式。

图3 LORA无线模块连接方式

2.3 数据存储单元

由于系统在运行过程会产生较多的数据，这对数据存储单元的数据存储容量和数据存储速度就有了一定的要求。除此之外，还需要考虑应该采用何种方式才能够将数据存储单元中存储的大量数据快速、准确地拷贝至上位机。在权衡目前市场上主流的存储介质NAND FLASH和Micro SD卡的优缺点后，选择Micro SD卡作为数据存储单元中的存储介质[26-27]。NAND FLASH芯片和Micro SD卡的体积相差无几，虽然在读写速度上NAND FLASH较Micro SD卡略快，但采用SDIO接口的Micro SD卡的最高数据传输速率可达28 MB/s，这样的数据存储速度完全满足系统运行时中央控制单元对数据存储速度的要求，其与主控器的连接方式如图4所示。另外，Micro SD卡在使用时是安装在电路板上的Micro SD卡槽中，可以随时取下并插入电脑直接拷贝其中的数据，而NAND FLASH则是直接焊接在电路板上，想要拷贝其中的数据只能通过USART接口、SPI接口或者其他通信接口，这会使得系统的操作和设计更加复杂却没有在实质上提升整个系统的性能。

图4 SDIO接口连接示意图

2.4 模数转换单元与测温原理

为了实现同时采集多个热敏电阻的阻值，选择多通道同步采样模数转换器作为模数转换单元，其型号为AD7771，通过SPI接口与主控制器连接，连接方式如图5所示。AD7771为八通道24位同步采样模数转换器，给定参考电压VREF为2.5 V[28]，则通过式(1)可计算得到24位模数转换器AD7771的最低有效位为0.298 μV。

(1)

式中：LSB (V)为模数转换器的最小电压分辨率；N为模数转换器的位数。

图5 模数转换器连接示意图

此外，为了使模数转换器能够更加准确地采集到各热敏电阻两端的电压值，设计如图6所示的热敏电阻测温电路，电路中共有8个热敏电阻，每个热敏电阻都与一个标准分压电阻串联[29]，8个热敏电阻与标准分压电阻的串联组合以并联的连接方式分别接入标准2.5 V电压源回路中，当热敏电阻的阻值随环境温度的变化而变化时，其两端的电压值也将随之发生变化，其值可由式(2)计算得到。

(2)

式中：VRt为热敏电阻两端的电压；Rt为热敏电阻阻值；R为标准分压电阻阻值。

图6 热敏电阻测温电路

最后将8个热敏电阻两端的电压分别输入至AD7771的8个模拟输入通道，经过测量得到热敏电阻Rt在室温24 ℃时的阻值约为100 kΩ，其中标准分压电阻R的阻值选择140 kΩ，这样设计的目的是为了在-15～120 ℃的温度范围内热敏电阻两端的电压VRt能够最大程度上在0～2.5 V变化[30]，即使用模数转换器的全部量程，从而提高模数转换器的测量精度[31]。通过式(3)可计算得到热敏电阻两端电压VRt每变化0.298 μV，热敏电阻的阻值Rt变化了0.046 4 Ω。

(3)

将热敏电阻进行温度定标实验后得到相应的5个定标系数T0、T1、T2、T3以及T4，再通过Steinhart-Hart方程的变形公式(4)进行计算。

(4)

式中：T为环境温度；T0～T4为温度系数。

由式(4)可知如果热敏电阻的阻值Rt变化了0.046 4 Ω，则表明环境温度T变化了0.000 009 ℃，即系统对环境温度的分辨率可达到9/106℃，温度测量精度可达到1/105℃。综上，理论上模数转换器AD7771可以同时在8个通道中以9/106℃的温度分辨率以及1/105℃的温度测量精度进行数据的采集和转换。

2.5 热敏电阻的封装方式

温度采集单元中选择直径约为0.5 mm，响应时间约为50 ms的负温度系数热敏电阻作为测温元件，其测温范围为-15～120 ℃，该热敏电阻外观如图7所示。由于该热敏电阻的珠头比较脆弱，因此为了保护热敏电阻以及提高温度采集单元工作的可靠性，需要对热敏电阻进行特殊的封装。对热敏电阻的封装有2种方式，一种是全包裹的方式，另一种是半包裹的方式。前者将热敏电阻珠头以及导线全部用胶封装在圆管状的金属外壳内，只露出外部接线端；后者只把热敏电阻纤细的导线封装在金属外壳内并且使用防水绝缘物质填充内部空隙，而把热敏电阻珠头裸露在外，这样做的好处是不会使热敏电阻的灵敏度降低。综合考虑上述2种热敏电阻的封装方式的优缺点，在本设计中选择第二种封装方式对热敏电阻进行封装。与此同时，为了防止封装后裸露在外的热敏电阻珠头因意外磕碰而损坏，在进行金属外壳的制作时，额外将圆管状的金属外壳的长度加长大约2 mm。热敏电阻封装示意图如图8所示。

图7 热敏电阻外观

图8 热敏电阻封装示意图

2.6 系统供电单元

图9为系统供电单元，该单元为系统中其余各部分提供高质量的电源，而各部分在工作时对电源的要求却又不尽相同。因此，系统供电单元设计采取两级电源转换和独立电源供电的策略。在估算系统整体功耗后，选择ADP5070作为第一级DC-DC电源转换芯片，将12 V的输入电压转换为5 V并可输出最大1 A的电流，后一级的电源转换芯片以及LORA数据传输模块将把ADP5070输出的5 V电源作为供电电源和电源输入。作为中央控制单元的STM32F429和数据存储单元需要低噪声的3.3 V、110 mA直流电源，因此选择线性稳压电源芯片TPS70933作为中央控制单元和数据存储单元的供电电源。模数转换单元中的AD7771则需要低噪声的3.3 V、40 mA模拟直流电源，3.3 V、50 mA数字直流电源以及低噪声、高精度的2.5 V参考电压源，因此选择2片线性稳压电源芯片ADP7118ACPZN-3.3分别为AD7771提供模拟电源和数字电源，同时选择具有超低噪声和低温漂的高精度参考电压源芯片ADR441为AD7771提供精确参考电压。为了使得温度测量的结果更加准确，ADR441也同时为热敏电阻电压采集电路提供电源。

图9 系统供电单元

3 系统软件设计

3.1 下位机软件设计

图10为下位机程序运行流程图，系统由作为中央控制单元的STM32F429进行控制，上电初始化完成后，STM32F429需要完成相关外围设备的初始化、数据传输、数据计算、数据存储等比较复杂的工作，如果只在STM32F429中运行裸机程序，则很难保证系统能够稳定、高效工作。因此，在进行系统软件设计时将实时多任务操作系统内核[32-33](UCOSII)移植到系统软件中，有了UCOSII，系统就可以根据各任务的优先等级以及复杂程度为其安排和分配相应的运行时间和系统资源，这样既提高了STM32F429的使用效率，同时也提高了系统运行时的可靠性。

图10 下位机程序流程图

3.2 上位机软件设计

上位机软件以Visual Studio 2019为设计平台，使用Visual Basic.NET为编程语言进行设计。在PC端实现了数据存储、实时数据曲线绘制、数据分析以及历史数据查询等相关功能。上位机主界面及软件功能框图如图11和图12所示。

图11 上位机主界面

图12 上位机功能框图

4 系统实验

4.1 热敏电阻温度系数定标

为了确保热敏电阻能够准确地测量温度，首先需要对热敏电阻进行温度系数定标实验。实验中将SBE49作为标准测温探头并放置在水体的正中央位置，该设备的温度测量精度为±0.002 ℃，温度分辨率为0.000 1 ℃，可满足作为标准温度探头的要求。将所有热敏电阻放置在标准测温探头周围，系统测得热敏电阻在8个标准温度下的阻值后，再通过进一步的计算得到对应的温度值和该热敏电阻的温度系数及定标精度。8个热敏电阻在8个不同标准温度下的定标精度如图13所示，所有热敏电阻的定标精度均高于0.000 4 ℃，该精度符合实际工程应用场合中的精度要求。

图13 温度定标精度

图14为8个热敏电阻在8个不同标准温度下所测得的温度数据的方差，通过进一步的计算可得到对应的标准差，通常在温度相关的实验中将温度数据的标准差乘3得到的值作为对应的温度波动度，依据实验数据计算可知所有热敏电阻在标准温度下测得的温度波动度均小于0.000 95 ℃，考虑到高精度恒温水槽的温度波动度为0.000 15 ℃，则热敏电阻的实际测温波动度为0.000 8 ℃，满足本次实验需求。

图14 温度数据方差

4.2 八通道温度同步测量

为了能够测量恒温水槽在控温状态下同一条垂线上不同深度位置的温度，如图15所示，将8个封装好的热敏电阻按照0.1 m的间距安装在一根长度约为1 m的金属杆上。进行温度测量时，将金属杆垂直放入水中并固定，测量得到水面下第一个温度探头与水面的垂直距离，以此类推可计算得到其余7个温度探头与水面的垂直距离。恒温水槽将在2、5、10、15、20、24、28、32 ℃这8个温度点分别控温30 min，在每个温度点的控温期间，另取一台SBE49并将其温度探头依次与金属杆上的8个温度探头放置在同一位置作为对比，每个位置保持2 min的测量时间，温度测量频率为5 Hz。恒温水槽共有4个加热器，其安装在槽壁外侧的下半部分，标准测温探头则放置在水体中央位置。标准测温探头的测温数据波动小于0.000 5 ℃时，认为恒温水槽进入控温状态。图16与图17为在8个控温点时，恒温水槽中同一条垂线上不同深度位置的温度变化曲线。分析上述两图可知，热敏电阻测温数据基本与用于比测的SBE49的测温数据相吻合。在恒温水槽控温时，越靠近水面的位置温度越低。对温度数据进行计算后，得到在28 ℃的控温点时，最深处和最浅处的温度差最大，为0.194 04 ℃；在2 ℃的控温点时，温度差最小，为0.082 33 ℃。

图15 测温杆示意图

(a)2 ℃时不同深度的水温

(b)5 ℃时不同深度的水温

(c)10 ℃时不同深度的水温

(d)15 ℃时不同深度的水温

(a)20 ℃时不同深度的水温

(b)24 ℃时不同深度的水温

(c)28 ℃时不同深度的水温

(d)32 ℃时不同深度的水温

5 结束语

针对在分析恒温水槽的温度分布均匀度时对多通道温度同步测量的需求，本文设计了一套新型的多通道温度同步采集系统，该系统硬件电路由高性能STM32芯片、八通道高精度24位同步模数转换器芯片以及LORA无线通信模块等部分构成。上位机软件通过Visual Studio 2019平台使用Visual Basic.NET编程语言开发完成，可实现实时温度曲线绘制、系统设置、数据存储以及历史数据查询等功能。下位机软件由C语言编写完成，并集成实时多任务操作系统内核，提高了系统工作效率。

经过多次实验测试，该系统的软硬件配合程度良好、运行稳定、环境适应性强(LORA无线数据传输)、功能全面。可稳定地实现高精度的八通道温度同步测量，其温度测量精度高于0.000 4 ℃，满足实际应用需求，可为多种场合的温度分布均匀度的分析提供更加准确可靠的温度数据。