一種新型熱電偶溫度測量裝置的設計

1、2005年第24卷第11期 傳感器技術(Journa l of T ransduce r T echnology47一種新型熱電偶溫度測量裝置的設計方彥軍, 薛 菲, 陳梅城(武漢大學自動化系, 湖北武漢430072摘 要:介紹了一種基于PRO F IB U S DP 現場總線協(xié)議的熱電偶溫度采集裝置的設計。采用了一種新型熱電偶溫度信號測量采樣芯片M AX6675, 成功地解決了K 型熱電偶溫度測量本身的非線性與冷端補償問題, 提高了測量精度。由于使用D P 專用協(xié)議集成芯片SPC3, 裝置除具有信號采樣、處理、分析、調節(jié)功能外, 還具有數字通信、自校正、自診斷、自動報警功能。關鍵詞:熱電偶;

2、 溫度測量; 現場總線中圖分類號:TP212. 9 文獻標識碼:B 文章編號:1000-9787(2005 11-0047-03Desi gn of ne w ther mocouple te mperat ure data acquisiti on syste mFANG Y an jun , XUE Fe, i C H E N M ei cheng(Dept of Au to m ation , W uhan Un i versity , W uhan 430072, Ch i naAbstract :D esi gn o f an i nte lli gent the r mo coup

3、 l e te mperature m eas ure m ent i nstru m ent based on PRO F I BU S DP fi e l dbus is presen ted . By the appli cation o f ther m ocoup le m easurem ent ch i p MAX 6675, the prob le m o f the K type the r mo coup l e te m pera t ure m easure m en t o f the nonli near and cold juncti on compensati

4、on a re successf u lly reso lved , and t he m easur i ng prec isi on w as g reatly enhanced . T he i nstru m ent no t on l y has t he f unc tion o f si gnal acqu i sition , processi ng , ana l ysis and ad j usti ng bu t a l so of d i g ita l co mm un ica ti on , self ca li bra ti on , self d i agnos

5、tic , self compensati on , self alar m i ng due to t he use of intelligent DP comm un i cati on chip SPC3. K ey word s :t her m ocouple ; te m pera t ure measure m ent ; fi e l dbus0 引 言現場總線是用于現場儀表與控制室之間的一種全分散、數字化、智能化、雙向、多點、開放式的通信網絡1。在現有的各種現場總線標準中, PRO F I BU S 總線是一種比較流行的現場總線標準, 并用于PLC 系統(tǒng)的PROF IB U

6、S DP 是市場占有率絕對領先的總線技術。基于現場總線的裝置在過程控制領域具備廣泛的應用背景, 使得開發(fā)的PROF I B U S DP 通信接口的現場總線產品在我國有著較大的市場前景2。本文主要介紹了一種基于PROF IBU S DP 協(xié)議的熱電偶溫度測量裝置。該裝置具有兩大特征, 一是一體化的熱電偶測量、放大、A /D轉換、冷端補償等功能的設計, 特別是內置冷端補償電路大大簡化了應用系統(tǒng)的設計, 減少了常規(guī)冷端補償環(huán)節(jié)所帶來的測量誤差; 二是基于PROF IBU S D P 的現場總線標準, 使其熱電偶溫度測量裝置以從站方式工作, 并可通過主站與系統(tǒng)相連。1 系統(tǒng)組成該測量裝置由熱電偶溫度

7、信號采集接口和通信兩塊電路板構成, 裝置在功能上完成PRO F I BU S DP 從站的功能, :圖1 系統(tǒng)硬件設計框圖F ig 1 Structure di agram o f hardware s y ste m系統(tǒng)硬件總體構成如圖1所示。溫度信號采集接口電路主要由K 型熱電偶測量芯片M AX6675構成; 通信電路由SI E M EN S 公司推出的SPC3協(xié)議芯片與負責處理通信事務的89C52共同構成。2 MAX6675的工作原理與應用熱電偶作為一種主要的測溫元件, 具有結構簡單、使用48 傳 感 器 技 術 第24卷方便、測溫精度高等特點, 廣泛應用于工業(yè)溫度控制過程中。但熱電偶輸

8、出電勢極其微弱, 而且, 存在冷端溫度誤差和輸出電勢與被測溫度的非線性易引起較大測量誤差, 尤其在以單片機為核心器件的智能裝置中, 需進行復雜的信號放大、A /D轉換、查表線性、溫度補償及數字化輸出接口等軟/硬件設計, 硬件芯片使用過多, 軟件編寫任務重, 不能適應現階段產品集成化、模塊化的需要。MAX 6675是專門針對K 型熱電偶串行模數轉換器, 它能獨立完成信號放大、冷端補償、線性化、A /D轉換及SP I 串口數字化輸出功能, 大大簡化了熱電偶測量智能裝置的軟/硬件設計3, 其引腳圖如圖2所示, 內部結構圖如圖3 所示。M AX6675采用標準的串行外設總線與單片機接口(ser i a

9、 l Pe ri phe ra l Inte rface , SP I, 因此, 只能作為從設備即串行接口芯片。SP I 總線系統(tǒng)是一種同步串行外設接口, 是M o toro la 公司推出的總線標準, 它可以使單片機與各種外圍設備以串行方式進行通信以交換數據。由于89C52不具有SP I 串行總線接口, 可以使用軟件來模擬SP I 操作, 包括串行時鐘、數據輸入和數據輸出。在本裝置中串行外部時鐘由P3. 1提供, 它是單片機的串行輸出口TXD, 對應于SC K 的串行時鐘輸入; 片選信號CS 由P3. 3提供; 轉換數據由P3. 0讀取, 它是單片機的串行輸入口RXD, 對應于SO 的串行輸

10、出。M AX6675的轉換結果在SCK 的控制下連續(xù)輸出。3 現場總線通信實現現場總線通信是由SIE M EN S 公司的協(xié)議芯片SPC3與管理通信事務的89C52構成。PROF IBU S DP 使用單一的總線存取協(xié)議, 典型的D P 配置是單主站結構, 也就是說,圖2 MAX6675的引腳圖F i g 2 D iagra m of pi ns ofMAX6675只有當主站請求時, 總線上的DP 從站才可能活動。D P 從站被D P 主站按輪循表依次訪問。SPC34集成了DP 協(xié)議中的FDL 層, 可承擔通信部分的微處理器負載, 實現D P 從站通信處理。89C52操作SPC3就像操作它內部

11、的RAM 。SPC3保障報文的有效性, 可滿足整個報文的一致性數據交換。這樣, 既可以加速通信協(xié)議的執(zhí)行, 也可以減少接口模板微處理器中的軟件程序?？偩€存取由硬件驅動, 數據傳送來自SPC3內的一個雙口RAM, 與應用對象之間的通信采用數據接口, 數據的交換獨立于總線周期, 數據傳輸速率圖3 MAX6675工作原理圖F i g 3 Functi on block di agra m ofMAX6675得到了大大的提高, 最大值可達12M B /s。SPC3的工作流程如圖4所示。M AX 6675內部集成有冷端補償電路; 帶有簡單的3位串行SP I 接口; 可將溫度信號轉換成12位數字量, 溫度

12、分辨力達0. 25 ; 內含熱電偶斷線檢測電路。冷端補償的溫度范圍為-2080 , 可以測量01023. 75 的溫度, 基本符合工業(yè)上溫度測量的需要。SC K 為串行時鐘輸入; CS 為片選信號; S O 為串行數據輸出; T +, T -分別接熱電偶的測量端和冷端。當MAX 6675的CS 引腳從高電平變?yōu)榈碗娖綍r, M AX 6675將停止任何信號的轉換, 并在時鐘SCK 的作用下通過SO 引腳向外輸出已轉化的數據(此數據是經過放大了的A /D轉換后的數字量與冷端補償之和; 相反, 當CS 從低電平變回高電平時, M AX 6675將進行新的轉換。在CS 引腳從高電平變?yōu)榈碗娖綍r, 第一

13、個字節(jié)D15出現在引腳SO 上, 一個完整的數據讀過程需要16個時鐘周期, 數據的讀取通常在SCK 的下降沿完成。值得指出的是:此芯片的A /D轉換速度在0. 170. 22s 之間, 比之一般的A /D轉 圖4 SPC3狀態(tài)機制F i g 4 Sta tem achanis m of SPC3一類D P 主站與從站間的非循環(huán)通信功能是通過附加的服務存取點來執(zhí)行的。在服務序列中, 主站與從站建立的連接稱為M S A C C1, 它與主站與從站之間的循環(huán)數據傳送緊密聯(lián)系在一起。連接建立成功后, 主站可通過M SC Y C1連接進行非循環(huán)數據傳送。本系統(tǒng)使用的是帶DDLM (讀第11期 方彥軍等:

14、一種新型熱電偶溫度測量裝置的設計 49寫訪問從站中任何所希望的數據, 采用IS O /OSI參考模型的第2層的SRD 服務, 在DDL M 讀/寫請求傳送之后, 主站用SRD 報文查詢, 直到DDL M 讀/寫響應出現。4 軟件設計軟件設計包括三部分:SPC3初始化程序、SPC3中斷處理程序和熱電偶數據采集程序。程序設計采用模塊化思想, 以便以后的功能擴展。圖4可以看作是SPC3的軟件設計流程, 它包含了其正常工作前的初始化及中斷程序。中斷程序完成SPC3發(fā)生的各種事件的處理。主要有新的參數報文事件、全局控制命令報文事件、新的配置報文事件和看門狗溢出事件等。熱電偶數據采集程序即數據輸入、輸出處

15、理。在應用循環(huán)中, 由應用程序來不停刷新輸入緩沖區(qū)B U F 中的數據, 保障所有輸入數據是最新的, 同時, SPC3在接收到主站傳送的不同輸出數據會產生標志位, 應用程序輸入診斷信息并請求更新, 采用硬件中斷方式來滿足實時性要求。5 試驗對比在試驗室條件下, 利用熱電偶檢定爐進行了對比試驗, 試驗結果如圖5 所示。10次采樣數據的運用去極值平均值濾波器5算法計算出最終的采樣結果, 并將實際采樣結果與K 型熱電偶的標準熱電勢曲線進行對比, 得到如圖5所示的試驗結果。經對比分析, 測量誤差最大值為0. 018mV, 對應的溫度誤差為0. 45 , 滿足絕大多數工控領域對測溫精度的要求。6 結束語

16、系統(tǒng)設計的特點在于一是采用了一種新型熱電偶溫度信號測量采樣芯片MAX 6675, 成功地解決了K 型熱電偶溫度測量本身的非線性與冷端補償問題, 提高了測量精度; 二是采用了P ro fibus D P 現場總線, 底層設備級傳遞的不再是I/O(420mA /24VDC信號, 而是基于現場總線的數字化通信, 任何一個系統(tǒng)的工作狀態(tài)都不會影響整個系統(tǒng)的運行, 降低了系統(tǒng)工作風險。此外, 系統(tǒng)擴展方便, 可掛接其他現場設備, 進行檢測、運算和控制。通過工控組態(tài)軟件可將現場監(jiān)控信息上網, 使監(jiān)控管理部門和決策部門可以隨時了解生產現場生產的安全與質量情況, 并加以調度, 提高信息反饋速度和準確性, 可實

17、現 分散控制, 集中監(jiān)控! 的控制思想。參考文獻:1 陽憲惠. 現場總線技術及其應用M .北京:清華大學出版社, 1999. 1-10.2 王 平, 王雙慶, 邢建春, 等. PROFIB U S 現場總線智能從站通信接口設計J.工業(yè)儀表與自動化裝置, 2002, (1:26-28. 3 虞致國, 徐健健. M AX6675的原理及應用J.國外電子元器件, 2002, (12:41-43.4 王福來, 吳世紅, 蔡樹梅, 等. 采用SPC3的智能型PROFI BUSDP 現場總線接口的開發(fā)J.電氣傳動, 2000, (2:51-54.圖5 試驗結果與標準熱電勢曲線對比Fig 5 Co mpar

18、ation bet wee n res ult of experi m e nt and standardcurve o f ther m ocouple5 方彥軍, 李京麗, 陳梅城. PROF I BUS DP 現場總線智能從站通信協(xié)議研究J.儀表技術與傳感器, 2004, (12:38-40.作者簡介:方彥軍(1957-, 男, 福建福州人, 教授, 博士, 主要從事檢測技術、信號處理、自動化裝置、過程控制等方面的教學與科研工作。試驗中, 每間隔20 左右對8001200 的范圍內的溫度數據進行測量與采樣, 每個采樣點采樣10次, 然后, 將(上接第46頁 參考文獻:1 秦 權. 橋梁結構的