兩線制隔離智能溫度變送模塊的設計

1　引言
    低成本自動化設備市場很大,低價格、高性能的儀錶產品具有較好的市場前景,從簡單的民用設備到複雜的軍工航天系統都有需求。在這個背景下,筆者設計了一款高性價比的隔離型智能一體化溫度變送模塊,它支持工業上常用的熱電阻和熱電偶溫度感測器。使用對象為無現場匯流排要求的自動化系統,提供了簡單的RS2232 介面用於參數設定。模塊具有較高的精度和相對低廉的成本。整體封裝在直徑為< 44 mm,厚度為12 mm的模塊中,可以安裝在溫度感測器的接線盒內直接構成一體化兩線制溫度變送器。

2　硬體設計
    變送器硬體分為電源、輸入、控制核心、輸出四個部分,整個電路比較精簡。在全部電路的分立元件中,僅對電源限流電阻和輸出V/I轉換電阻有溫度特性要求,要求它們必須是低溫漂的金屬膜電阻,對其它元件沒有特殊要求,設計成本很低。電路中所有集成電路都使用工業級器件,能夠保證模塊在工業環境中可靠使用。
2.1　隔離式兩線制變送模塊電源設計
    考慮到抑制共模干擾及溫度感測器在使用中可能出現碰殼的問題,本設計採用了隔離式電源,微輸入功率隔離電源是本設計的一個特色。圖1是電源電路,它由3個主要部分組成:即U1、R1和Z1構成的3.5mA/8.2V恆流穩壓電路;由U2 為核心構成的DC/DC變換電路;由L2和U3構成的一組隔離電源。
 
　因為兩線制的需要,必須保證系統供電電流在3.5 mA 之內。使用LM317LBD晶元及360Ω 限流電阻設計了3.5 mA 的恆流電源, 同時使用一隻8.2 V穩壓管做穩壓,為隔離電源系統供電,模塊入口電壓在12 V以上時電路就可以工作。LM317LBD的輸出端同時提供了一個約10 V 的電源,在使用RS2232口進行校準或設定時,為串口提供電源,串口不工作時,它無負載,沒有額外功耗。
    由於模塊電源輸入功率極小,因此電源電路採用了副邊開環的方式。具體使用MAX639 來設計DC /DC核心電路,實現了較高的電能效率轉換。在3.5 mA供電輸入時可以提供遠大於3.5 mA的電流給電路供電,從而解決了智能系統大電流的需求。
    MAX639隻是普通的降壓型DC/DC變換器,這裡設計它的輸出電壓為3V,給MCU系統供電,同時利用了濾波電感,額外增加一組副線圈為系統提供一組隔離電源。實驗表明,當系統原邊負載穩定,就能夠保證副繞組輸出穩定。鑒於A/D 對供電穩定性的需要, 副繞組的輸出使用了低壓差穩壓器MAX1726進行穩壓處理,獲得一組3.3 V電源,為前端隔離的A/D轉換器和輸入電路供電。經過LDO的降噪和穩壓處理,可滿足A/D轉換器對紋波電壓指標的要求。
2.2　採樣電路設計
    圖2是信號輸入部分電路原理圖,僅使用一片16位A/D轉換器AD7705 就完成了熱電阻和熱電偶混合信號輸入的問題。AD7705 具有兩路差分輸入和可編程前置放大器,能夠適應大的信號動態範圍,因此能夠充分保證感測器的全量程精度。
    AD7705作為系統前端,為保障電氣隔離,與MCU之間採用了光電隔離電路,因光隔為經典電路,圖2中略去了。
 
　對於熱電阻溫度感測器,電阻體RT接成了三線制, RL為三根導線電阻,一般每根導線電阻在5Ω以內。電阻體與測量電路以A、B、C三點連接,實際上是與電阻R構成了對電壓VREF的分壓電路。當在VREF 和R是已知的前提下,通過檢測VAB 和VAC,就能夠通過計算的方法得到RT ,從而求得實際溫度。VAB 和VAC 的檢測由AD7705 完成, 通道1 檢測VAC, 通道2檢測VAB ,前置PGA的放大倍數由具體熱電阻型號決定。參見圖2,可以獲得關於VAB 和VAC的關係式(1) 、( 2) ,它們實際上是以RT 和RL為未知數的二元一次方程,通過求解,可以獲得RT ,即關係式(3) :
 
    獲得RT后,採用國標中給出的RT ( t) 多項式函數公式,通過迭代試差法求解出了實際的溫度值。
    上面求解測量溫度的過程中是把R和VREF 都作為已知參數來處理的,但實際上它們是有誤差的,解決的辦法就是對它們進行校準。具體方法是使用兩個不同電阻值的模擬電阻來進行兩次測量,然後求解出R 和VREF ,模擬電阻使用高精度電阻箱給出。對於Pt100 電阻體的量程範圍,第一次接入R1 =100Ω,第二次接入R2 = 200Ω,會得到兩組共4 個與式(1)和式( 2)結構相同的等式,其中僅有RL、R和VREF三個未知數,求解即可獲得校準后的R和VREF。把獲得的校準值存入MCU的FLASH,就可以作為正式測量RT時的已知參數使用。
    對於熱電偶,僅需要採樣VAB 即可。但由於存在VREF 的初始誤差,對mV信號輸入也需要校準,只需要輸入一個測量範圍的中值信號,如對K型熱電偶就採用30mV來校準,採集后存入MCU的FLASH中作為正式mV信號測量的參比值。系統中設計了一隻數字測溫晶元TC77測量環境溫度,用於熱偶測量時的冷端補償。
2.3　MCU控制系統及通訊電路設計
    考慮到系統的功耗、運行速度等因素,變送器控制MCU 採用了PHILIPS公司新推出的P89LPC922單片機,它為51內核,內置多種功能部件,單晶元完成控制系統功能。
    除A /D及測溫選擇了獨立晶元外,所有系統控制功能全部由MCU完成。其中系統複位、電源監控和看門狗功能均由MCU內部相應資源完成,系統參數以及掉電保護數據直接存儲在MCU的FLASH空間內,D /A轉換器則使用計數器設計的PWM實現。鑒於本設計的應用場合及設計成本,沒有為模塊配置現場匯流排協議晶元,而是提供了一個兼容的RS2232介面,供使用者對模塊的參數進行設定。考慮功耗問題,通訊介面採用幾個簡單的三極體做邏輯轉換,製作了一個能夠連接RS2232口的簡易電平轉換電路,它空閑和工作時都不消耗系統功率,完全能夠保證實際應用中不干擾電流變送輸出。
2.4　D/A輸出電路設計
    D/A採用脈衝調寬( PWM)方式設計,通過一條I/O控制基準源Z2,獲得一個穩定幅度的PWM方波脈衝。如圖3 所示的電路,採用了兩級放大器緩衝做濾波器和恆流電路,為消除電路輸出中的脈動分量,兩級放大器都採用了二階低通濾波器。由於電路沒有設置零點和滿度調整,需要使用數字校準的方法來配合使用該電路。
 

3　軟體設計
    使用C51編製,結構上分為串口通訊中斷函數、PWM中斷函數及主函數幾個主要部分。程序結構比較簡明,故略去程序框圖,只對關鍵技術問題做出說明。
3.1　串口中斷函數設計
    通訊部分定義了類似MODBUS協議的通訊協議,使用1200 bp s的通訊速度。串口採用中斷方式接收,每次接收一個位元組,使用內部緩衝器保存接收的數據。輔助使用T1 計數器定時中斷來監測報文的結束位元組,共同完成數據接收任務。接收到報文後設置標誌通知主函數,主函數根據不同的命令進行相應處理。
3.2　PWM中斷函數設計
    P89LPC922單片機沒有現成的PWM發生器,使用了它的定時計數器T0 來製作脈寬調製發生器。具體方法是首先確定脈寬的周期,然後把它分成兩部分:一部分為高電平占空部分; 餘下為低電平部分。把高電平占空比作為變數,就能夠計算出PWM輸出結果。把定時計數器設計成以高電平占空比和低電平占空比兩次中斷做循環,就可以控制一個I/O輸出獲得PWM信號。考慮到D/A輸出的穩定性,T0設置為最高中斷優先順序。
3.3　主函數設計
    主函數完成了採樣、運算、線性化、數字濾波、輸出計算及抗干擾等部分程序。
    感測器線性化以感測器與溫度關係函數RT(t)=f(t) 為基礎,採用了迭代法求解,使用線性預估方法獲得迭代初值,割線法逼近。使用較少的計算和時間,獲得了比較高的精度。
    由於輸入的信號是小信號,儘管硬體設計上已經採取了差動輸入和低通濾波等手段,仍會有一些干擾信號迭加在採樣結果中,因此在採樣中加入了數字濾波程序。實際採用了限幅濾波與一階慣性濾波相結合的方法,獲得了較好的濾波效果。在線性化和數字濾波程序中,對所有長整型及浮點類型的變數都使用結構聯合體來定義,簡化了CPU對變數訪問的機器代碼,提高了代碼使用效率。
    軟體使用“路標”法記錄程序執行過程,防止干擾造成的“跑飛”問題。一旦運行中路標出錯,即通過軟體複位的方法恢復系統正常運行。由於A/D轉換器處於隔離的系統前端,容易受到干擾而死機。軟體設置了超時檢測程序,當超過規定時間未收到轉換結束信號即強行複位A/D 轉換器。通過硬體看門狗及軟體抗干擾措施保證了系統的可靠運行,取得了預想的效果。
    最後對所有程序進行優化,充分使用公用函數。這些措施的使用保證在8 KByte位元組空間里完成所有的軟體。

4　結束語
    目前本設計已經應用於工業現場。對於常用的Pt100 和Cu50 熱電阻感測器, 在量程範圍超過100 ℃時,變送模塊的精度優於0.1%;對於熱電偶感測器,在輸入信號範圍超過10 mV時,加冷端溫度補償后,變送模塊的精度也達到了0.1%。在-40～80 ℃溫度範圍內,溫度漂移帶來的附加誤差小於0.2%。經應用考驗,性能可靠,使用效果良好。文中介紹的微輸入功率隔離電源設計、寬量程多種信號輸入通道設計、PWM式D/A、數字校準及軟體抗干擾等設計方案對於測量類儀器的設計具有一定的借鑒和參考價值。