基于無(wú)線(xiàn)傳輸的熱電偶測溫系統設計

摘要:針對熱電偶測量系統遠距離進(jìn)行溫度監測時(shí),存在信號干擾、布線(xiàn)復雜等問(wèn)題,設計了一種無(wú)線(xiàn)通信的測量系統。該系統以CC3200為核心,根據TCP協(xié)議實(shí)現了采集端和接收端之間的點(diǎn)對點(diǎn)數據傳輸。采集端對熱電偶信號進(jìn)行調理,調理精度在±1.5℃之內,把AD轉換數據傳給無(wú)線(xiàn)發(fā)送模塊,經(jīng)接收端轉發(fā)上傳到上位機。實(shí)驗結果表明,無(wú)線(xiàn)傳輸的信號穩定性及可靠性高。
0引言
　　在現代工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗中,經(jīng)常需要對溫度信號進(jìn)行正確測量,溫度測量環(huán)境一般都比較惡劣。熱電偶作為無(wú)源傳感器,不需要額外的供電，同時(shí)具有結構簡(jiǎn)單、性能穩定、熱響應快、精度高等優(yōu)點(diǎn)[$],所以在溫度測量領(lǐng)域得到廣泛應用。
　　熱電偶本身產(chǎn)生的信號微弱,后續調理和數據遠距離傳輸過(guò)程中很容易受干擾。傳統的做法是將熱電偶和測量裝置用標稱(chēng)值相同的補償導線(xiàn)連接，或者通過(guò)溫度變送器把熱電偶信號轉換成電信號傳輸,但如果補償導線(xiàn)過(guò)長(cháng)會(huì )造成熱電偶信號失真，測量的溫度不準確,而且補償導線(xiàn)和溫度變送器都要考慮布線(xiàn)問(wèn)題。而無(wú)線(xiàn)通信的方式能夠解決上述復雜的布線(xiàn)問(wèn)題，減少數據傳輸過(guò)程的信號干擾,降低測量成本,實(shí)現高速穩定的信號傳輸[7]。因此,設計了一種無(wú)線(xiàn)傳輸的熱電偶測溫系統。
1總體設計
　　FPGA具有低功耗、集成度高、開(kāi)發(fā)周期短、低成本等優(yōu)點(diǎn)。選用XC3S400作為主控單元。硬件系統包括采集調理模塊、AD轉換模塊、FLASH存儲模塊、CC3200無(wú)線(xiàn)通信模塊。系統總體框圖如圖1所示。
 
　　首先將熱電偶傳感器產(chǎn)生的信號傳遞到調理電路,經(jīng)過(guò)補償、增益調理后,再由AD轉換模塊把模擬信號轉換為數字信號并將該數字信號傳給主控模塊進(jìn)行數字濾波、編碼處理,最后數據發(fā)送到射頻電路實(shí)現無(wú)線(xiàn)通信。
2硬件電路設計
2.1采集調理模塊的設計
　　AD8495是熱電偶專(zhuān)用補償參考結點(diǎn)溫度的精密儀表放大器,差分輸人特性使其具有較高的共模抑制比,降低引線(xiàn)的共模干擾。內置溫度傳感器對熱電偶參考結點(diǎn)所處環(huán)境的溫度變化實(shí)時(shí)監測以便補償。固定增益放大器放大熱電偶的微弱電信號，提供線(xiàn)性輸出。二級放大部分采用0P200AZ構成同相比例放大器調理電路原理圖如圖2所示。
 
　　熱電偶輸入信號先經(jīng)過(guò)低通濾波,該濾波器是為了消除RF信號,如果任其輸人到AD8495可能會(huì )被整流,表現為溫度波動(dòng)。AD8495固定增益122.4,為了使輸出電壓符合AD轉換模塊的采集要求,二級放大倍數設為4。圖2中,“+WD"和“-WD”分別連接熱電偶的正極和負極,R1是阻值1MΩ的接地電阻,主要為了實(shí)現AD8495的開(kāi)路檢測功能。根據AD8495的Vout管腳輸出的電壓可以導出測量溫度。
傳遞函數如下
T1=(Vout-VREF)/(5mV/℃)
　　式中:T1為測量溫度,℃;VouT為AD8495的輸出電壓，mV;VREF為REF引腳的輸人參考電壓,V。
　　主要是在單電源供電時(shí)測量負溫度使用,雙電源供電,故參考電壓引腳接地。
2.2存儲模塊的設計
　　由于FPGA內部存儲空間有限,所以采用外部FLASH存儲數據。FPGA芯片主要通過(guò)查詢(xún)FLASH存儲單元的工作狀態(tài)給其下發(fā)讀寫(xiě)命令,將數據從RAM緩存器傳到數據存儲器中,實(shí)現存儲功能。圖3所示為FLASH芯片的電路原理圖,為了實(shí)現阻抗匹配,該芯片和FPGA通過(guò)排阻連接。
 
2.3CC3200無(wú)線(xiàn)通信模塊的設計
　　CC3200芯片的外圍電路原理圖如圖4所示,其中40MHz的晶振用于提供片內微處理器的振蕩時(shí)鐘,32.768kHz的晶振主要為芯片內部定時(shí)器和實(shí)時(shí)操作系統提供時(shí)鐘源。天線(xiàn)部分需要特別注意使用不同的濾波器時(shí)，在濾波器和天線(xiàn)之間的電容電感接法不同。
 
 
3軟件設計
3.1邏輯時(shí)序的設計
　　主控芯片XC3S400的主要功能是控制AD7606芯片的時(shí)序,以固定的采樣率獲取熱電偶采集的模擬電號并對其量化處理。采樣時(shí)序如圖5所示，CONVSTA和CONVSTB短接在一-起即圖中的ad__con-vstab,所有通道同時(shí)采樣。ad__busy在ad_convstab到達上升沿之后變?yōu)檫壿嫺唠娖?轉換過(guò)程開(kāi)始,直到ad_busy下降沿表示轉換數據被存到輸出數據寄存器可供讀取。first_data在ad__cs下降沿脫離三態(tài),與通道對應的ad_rd下降沿將first__data置為高電平,表示輸出數據總線(xiàn)可以提供該通道的轉換結果。
 
3.2無(wú)線(xiàn)通信的實(shí)現
　　在數據接收設計中,采用中斷的方式保證CC3200能夠及時(shí)響應UART傳來(lái)的數據,當UART接口收到數據,程序立刻進(jìn)人中斷將接收到的數據緩存并打包等待無(wú)線(xiàn)發(fā)送。發(fā)送命令的設計是將中斷函數緩存的數據以TCP方式轉發(fā),同時(shí)要配合上位機的指令控制流程圖如圖6所示。
 
4實(shí)驗結果分析
　　針對本文的設計,在高低溫箱中分別測試使用補償導線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)通信得到的數據,對比分析兩種傳輸方式的信號穩定性。由于高低溫箱中的實(shí)際溫度實(shí)時(shí)變化,故采用標準鉑電阻Pt100標定高低溫箱中的實(shí)際溫度。無(wú)線(xiàn)通信的實(shí)驗結果如表1所示,每隔10℃左右測一次信號,測量的電壓信號先經(jīng)過(guò)AD8495放大122.4倍,再由二級放大電路放大4倍得到，最后要在上位機軟件處理將數據還原為溫度格式。
 
　　圖7(a).(b)分別是采用補償導線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)在距離20m時(shí)測量的數據圖,圖中的趨勢線(xiàn)是按設計原理根據理論電壓和溫度關(guān)系繪制的?？梢钥闯鰣D7(a)由于補償導線(xiàn)過(guò)長(cháng)引起信號衰減和干擾現象,測量數據較理論值有所下降,波動(dòng)較大,超出允許誤差范圍。圖7(b)通過(guò)無(wú)線(xiàn)測量的數據和理論值高度契合,結果在允許誤差范圍內。
 
5結論
　　本文設計的無(wú)線(xiàn)通信方式測量熱電偶傳感器的溫度有效地解決了補償導線(xiàn)過(guò)長(cháng)引起的信號衰減、傳輸過(guò)程中強電干擾耦合、布線(xiàn)復雜等問(wèn)題，使得檢測操作更加方便靈活。從實(shí)驗數據可知,該方法提高了測量結果的可靠性和精度。