CN105092075A - 一种高精度多路温度信号采集装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高精度多路温度信号采集装置，在采用测温铂电阻进行测温时，通过第一组模拟开关将恒流源的恒定电流输送给所述测温铂电阻，电阻另一端接地；同时，通过第二组模拟开关对测温铂电阻两端电压进行采集，实现了测温铂电阻的四线制接法，由于第二组模拟开关的各对输入端与电阻之间没有电流，即不产生电阻，因此能够有效消除引线电阻，提高测温精度；模拟电路部分与数字电路部分采用光电隔离器进行良好隔离，从而保证能够达到较高测量精度；该测温电路在-100℃～50℃测温范围内测温精度达到0.004℃，线性度0.0135％；恒流源电流通过RJ711型精密合金箔电阻器设定为0.8mA，能够消除测温电阻自热效应，同时保证测温铂电阻Pt100上电压不会过小。
Description
技术领域
本发明涉及小信号检测技术领域，尤其涉及一种高精度多路温度信号采集装置。
背景技术
温度是生产过程和科学试验中普遍且重要的物理参数，是优质、高产、低耗和安全生产的主要条件，温度精确控制的前提正是高精度的温度测量，因此，高精度多路温度信号采集技术，在电力、化工、石油以及航空航天等领域中得到广泛地应用。
现有的技术方法有：两线制测量方法由于导线电阻带来的附加误差使得实际测量值偏高，一般使用于测量精度要求不高的场合；一般的桥式测温电路的优点就是用3根导线将Pt传感器和测量电路连接起来，Pt传感器两侧相等的导线长度分别加在两侧的桥臂上，这样做可以显著减少导线电阻所引起的测量误差，但不能消除测量误差；两个恒流源组成的三线制温度测量电路，两个恒流源相对于一个恒流源电路可靠性低，而且要求两个恒流源输出电流完全一致，对两个恒流源的电阻取值要求较高。现有的技术方法，没有对数字电路部分与模拟电路部分做到完全的隔离，也就很难提高测温的精度。现有的高精度测温主要是针对较少的测温路数。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种高精度多路温度信号采集装置，通过采用四线制来消除引线电阻，数字电路部分与模拟电路部分完全隔离，不仅能够达到较高的测温精度，而且能够通过采用双组模拟开关完成多路温度信号的采集。
一种温度信号采集装置，包括单片机、光电隔离器、恒流源、模数转换器、RFI滤波器、双组模拟开关以及n个测温铂电阻，所述n为正整数；所述双组模拟开关中的第一组模拟开关的输入端接所述恒流源的电流输出端，第一组模拟开关的每个输出端接一个测温铂电阻的一端，所有测温铂电阻的另一端接地；所述双组模拟开关中的第二组模拟开关的每对输入端分别接在对应的一个测温铂电阻的两端，获得测温铂电阻的两端电压；
所述第二组模拟开关的输出端通过RFI滤波器接到所述数据转换器的输入端；
所述单片机根据用户指定的其中一个测温铂电阻的编号，通过所述光电隔离器向所述第一组模拟开关和第二组模拟开关发送路选信号；所述第一组模拟开关根据所述路选信号，向所述用户指定的测温铂电阻输出所述恒定电流；所述第二组模拟开关根据所述路选信号将用户指定的测温电阻的两端电压输出；
所述数模转换器将接收的电压的模拟信号转换成数字信号后发给所述单片机；所述单片机根据接收的测温铂电阻的电压信号得到温度信号。
所述模数转换器的型号为AD7714AN-5；所述双组模拟开关包括一套、两套或三套；所述RFI滤波器的个数与所述双组模拟开关的套数一致；
各套双组模拟开关中的第一组模拟开关包括5个型号为CD4067的多路选择器，其中1个为前级，另外4个为后级；所述第二组模拟开关包括9个型号为CD4097的多路选择器，其中8个为前级，另外1个为后级；
针对第一组模拟开关，其中前级的CD4067多路选择器的输入端接恒流源的电流输出端，前级的CD4067多路选择器的4个输出端分别接后级的4个CD4067多路选择器的输入端，该后级的4个CD4067多路选择器的输出端各接一个测温铂电阻的一个引脚；
针对第二组模拟开关，所述前级的8个CD4097多路选择器的各对输入引脚各接一个测温铂电阻，后级的CD4097多路选择器的8对输入引脚分别接前级8个CD4097多路选择器的输出引脚；后级1个CD4097多路选择器的输出端通过一个RFI滤波器接所述数模转换器AD7714AN-5的一对输入端；
所述单片机的路选信号包括6位，所述光电隔离器包括一个型号为74AC273的驱动器和6个型号为4N49U的光耦；所述驱动器的其中6个输入引脚各接入1位路选信号；驱动器对应的6个输出引脚分别接一个光耦；
所述路选信号的后2位通过光耦接入前级的CD4067多路选择器的地址选通端，用于控制前级的CD4067多路选择器将恒定电流导通至其中一个输出端n；路选信号的前4位均通过光耦接入后级的4个CD4067多路选择器的地址选通端，用于控制与输出端n相连的后级CD4067多路选择器将所述恒定电流输出至用户指定的一个测温电阻；
所述路选信号中的前3位均通过光耦接入前级的8个CD4097多路选择器的地址选通端，用于控制与用户指定的测温电阻连接的CD4097多路选择器将该指定测温电阻的电压输出；路选信号的后3位通过光耦接入后级的1个CD4097多路选择器的地址选通端，用于控制该CD4097多路选择器将指定的测温电阻的电压值输出至数模转换器。
所述单片机的型号为P89V51RD2FN。
所述模数转换器的型号为AD7714AN-5，单片机P89V51RD2FN的SCK、MISO和MOSI管脚分别通过匹配电阻与模数转换器AD7714-5的SCLK、DOUT和DIN管脚相连；所述单片机通过SCK管脚向所述SCLK发送时钟信号，通过MISO引脚接收模数转换器的DOUT引脚发送的电压信号数据，通过MOSI管脚向模数转换器的DIN管脚发送增益、采集速度以及启动、结束控制信号。
所述测温铂电阻选用铂电阻Pt100。
所述输出型恒流源由稳压源AD584与运算放大器OP270组成，恒流源电阻采用RJ711型精密合金箔电阻器。
所述恒流源输出0.8mA恒定电流。
本发明具有如下有益效果：
(1)本发明在采用测温铂电阻进行测温时，通过第一组模拟开关将恒流源的恒定电流输送给所述测温铂电阻，电阻另一端接地；同时，通过第二组模拟开关对测温铂电阻两端电压进行采集，实现了测温铂电阻的四线制接法，由于第二组模拟开关的各对输入端与电阻之间没有电流，即不产生电阻，因此能够有效消除引线电阻，提高测温精度；
(2)本发明的温度信号采集装置的模拟电路部分与数字电路部分采用光电隔离器进行良好隔离，从而保证能够达到较高测量精度。该测温电路在-100℃～50℃测温范围内测温精度达到0.004℃，线性度0.0135％；
(3)恒流源电流通过RJ711型精密合金箔电阻器设定为0.8mA，能够消除测温电阻自热效应，同时保证测温铂电阻Pt100上电压不会过小。RJ711电阻温度系数为5ppm，有效降低恒流源电阻温漂对采集精度影响。
(4)通过软件设置模数转换器AD7714的增益，不引入放大电路电阻，从而消除了放大电路中电阻温漂对采集精度影响。
(5)该测温电路中的模拟电源、基准电压与模拟地之间用10uF钽电容和0.022uF电容连接，为测温电路提供稳定的电源。
(6)该测温电路利用模拟开关级联与多通道AD实现多路信号采集，测温路数多达192路，且体积重量小。
(7)该电路的测温路数具有可删减性，测温路数在64路以下，可以只是用一套双组模拟开关与一个RFI滤波器；测温路数在65路至128路，可以使用两套双组模拟开关与两个RFI滤波器；测温路数在129路至192路，则需要使用三套双组模拟开关与三个RFI滤波器。只需要改动双组模拟开关的套数与RFI滤波器的个数，该测温电路的其它部分无需改动。
附图说明
图1为本发明的温度信号采集装置的原理框图；
图2为本发明的双组模拟开关原理图；
图3为本发明的单片机与双组模拟开关接口关系图；
图4为本发明的单片机与模数转换器接口关系图；
图5为本发明的模数转换器原理图；
图6为本发明的光电隔离器原理图；
图7为本发明的恒流源电路原理图；
图8为本发明的双组模拟开关与模数转换器接口关系图；
图9为本发明的RFI滤波器原理图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明的温度信号采集装置包括单片机、光电隔离器、测温铂电阻、恒流源、双组模拟开关、RFI滤波器和模数转换器。所述单片机的型号为P89V51RD2FN，模数转换器的型号为AD7714AN-5，P89V51RD2FN与AD7714AN-5均带有SPI接口，使用三线制通信，AD7714AN-5带有三对差分输入端，可用软件设置增益和通道选择；所述光电隔离器分别由驱动器74AC273与光耦4N49U组成；所述测温铂电阻选用铂电阻Pt100；所述输出型恒流源由稳压源AD584与运算放大器OP270组成，恒流源电阻采用RJ711型精密合金箔电阻器；所述双组模拟开关分别为由CD4067多路选择器组成的第一组模拟开关以及由CD4097多路选择器组成的第二组模拟开关。该温度信号采集电路的原理框图如图1所示。
该测温铂电阻的工作原理为：测温铂电阻Pt100的阻值随着温度变化而变化，通过测量恒定电流流过铂电阻产生的电压，可求得某一时刻铂电阻的电阻值，而根据铂电阻的阻值即可得知铂电阻所处位置的温度。
测温铂电阻Pt100作为温度传感器，每个测温铂电阻形成一路测温通道。如图1中所示的Pt100接出四根引出线，分别为a、b、c、d，a与b连接在Pt100一端，c与d连接在Pt100另外一端。因为AD7714AN-5的AIN输入电流最大为1nA，所以恒流源输出电流不会流入AD7714AN-5。恒流源电流经a引线、Pt100铂电阻、d引线流入到模拟地，再经由Pt100的b与c引线来测量Pt100上电压。采用四线制接线方式，可以有效降低铂电阻引线对测量结果的影响，提高测温精度。
所述恒流源为输出型恒流源，输出0.8mA恒定电流，恒流源电流设定为0.8mA，是为了消除测温铂电阻的自热效应，同时避免铂电阻上压降过小而影响测量精度。恒流源由稳压源AD584与运算放大器OP270组成，稳压源AD584提供+2.5V基准电压，决定恒流源输出电流大小的电阻R128采用RJK711高精密电阻，以降低电阻温漂对采集精度影响。恒流源电路原理图如图7所示。其连接关系为：AD584的1号、2号与3号管脚直接相连，经过电容C43与C44稳压滤波后为恒流源提供基准电源。AD584的1号管脚通过电阻R132与OP270的同相输入端3号管脚相连，OP270的6号与7号管脚直接相连，3号与7号管脚间连有电阻R133，1号与2号管脚间连有电阻R130，电阻R131一端接OP270的2号管脚，另一端接模拟地。
单片机P89V51RD2FN是一款80C51微控制器，包含1024字节的数据RAM，包含64kBFlash，工作温度范围-40℃～+85℃。
选择模数转换器是一个关键，根据测温精度与采样速度的要求，选用AD7714AN-5作为模数转换芯片。该芯片具有八个片内寄存器，通过对片内寄存器的编程，可以实现通道选择、增益选择、滤波频率选择、转换周期选择和AD转换等功能；具有自校准、***校准和背景校准等功能，这样可以消除零点误差、满量误差以及温度漂移的影响。AD7714AN-5特别适合于低频率、高分辨率的A/D转换。模数转换器***电路如图5所示。AD584的1号与2号管脚直接相连，经过电容C29与C51稳压滤波后为AD7714AN-5提供稳定的供电电源。AD580的2号管脚为电压输出端，经过电容C30与C31稳压滤波后为AD7714AN-5提供参考电压。AD584与AD580的供电电源为+12V，需要指出的是+12V电源只用于为模拟电路提供电源。
P89V51RD2FN与AD7714均带有SPI接口，使用三线制通信，P89V51RD2FN通过查询AD7714的通信寄存器中的DRDY位，来判断模数转换是否完成。P89V51RD2FN与AD7714接口关系如图5所示，P89V51RD2FN的SCK、MISO、MOSI管脚分别通过匹配电阻R142、R143、R144与AD7714的SCLK、DOUT、DIN管脚相连。单片机通过SCK管脚向所述SCLK发送时钟信号，通过MISO引脚接收模数转换器的DOUT引脚发送的电压信号数据，通过MOSI管脚向模数转换器的DIN管脚发送增益、采集速度以及启动、结束控制信号。
单片机P89V51RD2FN通过光电隔离器与双组模拟开关相连接，P89V51RD2FN与双组模拟开关接口关系图如图3所示。光电隔离器由驱动器74AC273与光耦4N49U构成，光电隔离器原理图如图6所示。在编程时适当延时，以满足光电隔离器中光耦的电平建立时间。双组模拟开关分别为由CD4067组成的第一组模拟开关和由CD4097组成的第二组模拟开关。双组模拟开关原理图如图2所示。由CD4067组成的第一组模拟开关用来选通哪一路接通恒流源电流，由CD4097组成的第二组模拟开关用来选通采集哪一路测温铂电阻两端的电压信号。
其连接关系为：单片机P89V51RD2FN的六个管脚P00至P05分别与驱动器74AC273的六个管脚1D至6D相连，单片机P89V51RD2FN的P27与WR管脚经过或门74AC32与驱动器74AC273的CLK管脚相连。驱动器74AC273的六个管脚1Q至6Q分别经过一个电阻与六个光耦4N49U的1号管脚相连，在图6中，只标出了一个光耦4N49U。六个光耦4N49U的5号管脚分别与双组模拟开关的地址选通端add0至add5相连。由5个CD4067多路选择器组成的第一组模拟开关，后级四片CD4067多路选择器的输出端1号管脚分别连接到前级一片CD4067的IO0至IO3。在图2中，只标出了一片后级中CD4067多路选择器。由9片CD4097多路选择器组成的第二组模拟开关，前级8片CD4097多路选择器的输出端1号管脚(OUTA)分别连接到后级一片CD4097多路选择器的IOA1至IOA8，前级8片CD4097多路选择器的输出端17号管脚(OUTB)分别连接到后级一片CD4097多路选择器的IOB1至IOB8。在图2中，只标出了一片前级中CD4097。
所述模数转换器的型号为AD7714AN-5；所述双组模拟开关包括一套、两套或三套；所述RFI滤波器的个数与所述双组模拟开关的组数一致；各套双组模拟开关中的第一组模拟开关包括5个型号为CD4067的多路选择器，其中1个为前级，另外4个为后级；所述第二组模拟开关包括9个型号为CD4097的多路选择器，其中8个为前级，另外1个为后级；其中前级的CD4067多路选择器的输入端接恒流源的电流输出端，前级的CD4067多路选择器的4个输出端分别接后级的4个CD4067多路选择器的输入端，该后级的4个CD4067多路选择器的输出端各接一个测温铂电阻的一个引脚；
针对第二组模拟开关，所述前级的8个CD4097多路选择器的各对输入引脚各接一个测温铂电阻，后级的CD4097多路选择器的8对输入引脚分别接前级8个CD4097多路选择器的输出引脚；后级1个CD4097多路选择器的输出端通过一个RFI滤波器接所述AD7714AN-5的一对输入端；
所述单片机的路选信号包括6位，所述光电隔离器包括一个型号为74AC273的驱动器和6个型号为4N49U的光耦；所述驱动器的其中6个输入引脚各接入1位路选信号；驱动器对应的6个输出引脚分别接一个光耦；
所述路选信号的后2位通过光耦接入前级的CD4067多路选择器的地址选通端，用于控制前级的CD4067多路选择器将恒定电流导通至其中一个输出端n；路选信号的前4位均通过光耦接入后级的4个CD4067多路选择器的地址选通端，用于控制与输出端n相连的后级CD4067多路选择器将所述恒定电流输出至用户指定的一个测温电阻；
所述路选信号中的前3位均通过光耦接入前级的8个CD4097多路选择器的地址选通端，用于控制与用户指定的测温电阻连接的CD4097多路选择器将该指定测温电阻的电压输出；路选信号的后3位通过光耦接入后级的1个CD4097多路选择器的地址选通端，用于控制该CD4097多路选择器将指定的测温电阻的电压值输出至数模转换器。
一套的双组模拟开关可以选通64路，数模转换器AD7714三个差分输入端AIN1与AIN2、AIN3与AIN4、AIN5与AIN6，对应三套的双组模拟开关，共192路。双组模拟开关与模数转换器AD7714的接口关系图如图8所示。其连接关系为：第一套中的CD4097多路选择器的输出端经过相应的RFI滤波器后，与数模转换器AD7714差分输入端AIN1、AIN2相连；第二套中的CD4097多路选择器的输出端经过相应的RFI滤波器后，与数模转换器AD7714差分输入端AIN3、AIN4相连；第三套中的CD4097多路选择器的输出端经过相应的RFI滤波器后，与数模转换器AD7714差分输入端AIN5、AIN6相连。
本发明提供的测温电路的测温路数具有可删减性，测温路数在64路以下，可以只是用一套的双组模拟开关与一个RFI滤波器；测温路数在65路至128路，可以使用两套的双组模拟开关与两个RFI滤波器；测温路数在129路至192路，则需要使用三套的双组模拟开关与三个RFI滤波器。只需要改动双组模拟开关的套数与RFI滤波器的个数，该测温电路的其它部分无需改动。
RFI滤波器是由电桥电路组成的滤波器，该滤波器除了提供对RFI抑制，还提供附加的输入过载保护，因为电阻器R1a和R1b帮助把仪表放大器的输入电路与外部信号源隔离。RFI滤波器原理图如图9所示。其连接关系为：电容C45跨接在电桥输出端，电容C46一端接C45，另一端接模拟地，电容C47一端接C45，另一端接模拟地，RFI滤波器输入端与输出端接有电阻R124与R125。
在软件设计中，将相邻三次温度采集值取平均数，在-100℃～50℃测温范围内测温精度可以达到0.002℃。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种温度信号采集装置，其特征在于，包括单片机、光电隔离器、恒流源、模数转换器、RFI滤波器、双组模拟开关以及n个测温铂电阻，所述n为正整数；所述双组模拟开关中的第一组模拟开关的输入端接所述恒流源的电流输出端，第一组模拟开关的每个输出端接一个测温铂电阻的一端，所有测温铂电阻的另一端接地；所述双组模拟开关中的第二组模拟开关的每对输入端分别接在对应的一个测温铂电阻的两端，获得测温铂电阻的两端电压；
所述第二组模拟开关的输出端通过RFI滤波器接到所述数据转换器的输入端；
所述单片机根据用户指定的其中一个测温铂电阻的编号，通过所述光电隔离器向所述第一组模拟开关和第二组模拟开关发送路选信号；所述第一组模拟开关根据所述路选信号，向所述用户指定的测温铂电阻输出所述恒定电流；所述第二组模拟开关根据所述路选信号将用户指定的测温电阻的两端电压输出；
所述数模转换器将接收的电压的模拟信号转换成数字信号后发给所述单片机；所述单片机根据接收的测温铂电阻的电压信号得到温度信号。
2.如权利要求1所述的温度信号采集装置，其特征在于，所述模数转换器的型号为AD7714AN-5；所述双组模拟开关包括一套、两套或三套；所述RFI滤波器的个数与所述双组模拟开关的套数一致；
各套双组模拟开关中的第一组模拟开关包括5个型号为CD4067的多路选择器，其中1个为前级，另外4个为后级；所述第二组模拟开关包括9个型号为CD4097的多路选择器，其中8个为前级，另外1个为后级；
针对第一组模拟开关，其中前级的CD4067多路选择器的输入端接恒流源的电流输出端，前级的CD4067多路选择器的4个输出端分别接后级的4个CD4067多路选择器的输入端，该后级的4个CD4067多路选择器的输出端各接一个测温铂电阻的一个引脚；
针对第二组模拟开关，所述前级的8个CD4097多路选择器的各对输入引脚各接一个测温铂电阻，后级的CD4097多路选择器的8对输入引脚分别接前级8个CD4097多路选择器的输出引脚；后级1个CD4097多路选择器的输出端通过一个RFI滤波器接所述数模转换器AD7714AN-5的一对输入端；
所述单片机的路选信号包括6位，所述光电隔离器包括一个型号为74AC273的驱动器和6个型号为4N49U的光耦；所述驱动器的其中6个输入引脚各接入1位路选信号；驱动器对应的6个输出引脚分别接一个光耦；
所述路选信号的后2位通过光耦接入前级的CD4067多路选择器的地址选通端，用于控制前级的CD4067多路选择器将恒定电流导通至其中一个输出端n；路选信号的前4位均通过光耦接入后级的4个CD4067多路选择器的地址选通端，用于控制与输出端n相连的后级CD4067多路选择器将所述恒定电流输出至用户指定的一个测温电阻；
所述路选信号中的前3位均通过光耦接入前级的8个CD4097多路选择器的地址选通端，用于控制与用户指定的测温电阻连接的CD4097多路选择器将该指定测温电阻的电压输出；路选信号的后3位通过光耦接入后级的1个CD4097多路选择器的地址选通端，用于控制该CD4097多路选择器将指定的测温电阻的电压值输出至数模转换器。
3.如权利要求1所述的温度信号采集装置，其特征在于，所述单片机的型号为P89V51RD2FN。
4.如权利要求3所述的温度信号采集装置，其特征在于，所述模数转换器的型号为AD7714AN-5，单片机P89V51RD2FN的SCK、MISO和MOSI管脚分别通过匹配电阻与模数转换器AD7714-5的SCLK、DOUT和DIN管脚相连；所述单片机通过SCK管脚向所述SCLK发送时钟信号，通过MISO引脚接收模数转换器的DOUT引脚发送的电压信号数据，通过MOSI管脚向模数转换器的DIN管脚发送增益、采集速度以及启动、结束控制信号。
5.如权利要求1所述的温度信号采集装置，其特征在于，所述测温铂电阻选用铂电阻Pt100。
6.如权利要求1所述的温度信号采集装置，其特征在于，所述输出型恒流源由稳压源AD584与运算放大器OP270组成，恒流源电阻采用RJ711型精密合金箔电阻器。
7.如权利要求6所述的温度信号采集装置，其特征在于，所述恒流源输出0.8mA恒定电流。
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